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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Bestimmen einer elastischen Verformung und insbesondere einer elastischen Biegung eines internen Osteosynthese-Fixateurs.
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Osteosynthese-Fixateure werden oftmals dann eingesetzt, wenn das Skelett eines Menschen einen Knochenbruch und insbesondere eine komplizierte Fraktur aufweist und der Läsions-Überbrückungsbereich während des Heilungsverfahrens durch den Fixateur ruhig gestellt werden soll. Zwar heilen diese Frakturen von Natur aus, es besteht jedoch die Gefahr, dass die Knochenenden nicht wieder in der natürlichen oder vorherigen Richtung und/oder Position beziehungsweise Form zusammenwachsen. Die richtige Positionierung der zertrümmerten, gebrochenen oder auch nur angerissenen Teile zueinander sowie auch die folgende Arretierung dieser Stellung sind wesentliche Maßnahmen, um eine spätere Fehlstellung der Knochen zu vermeiden, die Knochenheilung durch Vermeidung von Komplikationen zu beschleunigen sowie ganz allgemein das Risiko eines Misserfolges zu mindern.
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Osteosynthese-Fixateure als Hilfsmittel zur Ruhigstellung und/oder zur Arretierung von Läsions-Überbrückungsbereichen werden, je nachdem, ob sie im Körper oder außerhalb des Körpers verwendet werden, in interne und externe Fixateure unterteilt. Beispiele für die interne Fixation sind der Marknagel, die Fixateure auf Plattenbasis sowie der Spickdraht. Alle drei soeben genannten Hilfsmittel werden also vollständig vom Körper des Patienten umschlossen. Die externe Fixation, beispielsweise durch einen Gips, eine Schiene oder einen externen Fixateur, erfolgt dementsprechend außerhalb des Körpers.
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Die Beurteilung des Heilungsverlaufes nach einem Knochenbruch durch den Chirurgen erfolgt derzeit nahezu ausschließlich anhand von Röntgenbildern, welche die Ratifizierung des Kallus abbilden. Daraus kann lediglich indirekt auf die mechanischen Eigenschaften der heilenden Fraktur geschlossen werden. Die Analyse des Heilungsverlaufs, zum Beispiel im Hinblick auf die dem Patienten zu gestattende Belastung, basiert in hohem Maß auf den Erfahrungen des behandelnden Chirurgen.
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1976 beschreibt Sommelet (Sommelet J, Hummer J, Ory JM (1976) Méthode objective d'appréciation des déformations du complexe os-implant ”in vivo” par télémesure. Acta Orthop Belg 42: 88–97) ein System zum Monitoring des Knochenheilungsverlaufes mit einem die mechanischen Veränderungen der Osteosynthese direkt messenden, auf der Platte angebrachten Telemetrietransponder.
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Aus dem Artikel ”Self tuning inductive powering for implantable telemetric monitoring Systems” [V. Schuylengergh, Puers R., (1996), Sensors and Actuators] sind weitere direkte Kraftflussmessungen an einem Labormuster für Frakturen des körpernahen Oberschenkels bekannt. Verwendet wurden an einem Labormuster fest applizierte Dehnungsmessstreifen als Kraftsensoren und ein Telemetriesender. Ein mit in seinem Inneren fest applizierten Dehnungsmessstreifen instrumentierter Marknagel wurde von Schneider (Schneider E, Michel MC, Genge M, Perren SM (1990) Loads acting an an intramedullary femoral nail. In: Bergmann, Graichen, Rohlmann: Implantable telemetry in orthopedics, Forschungsermittlung der FU, Berlin, 221–227) beschrieben. Ein telemetrisches Frakturheilungs-Messsystem mit fest aufgeklebtem Sensor-Telemetriesystem hat sich ebenfalls in der klinischen Anwendung bewährt (Faschingbauer M, Seide K, Weinrich N, Wackenhut F, Wurm M, Gille J, Jürgens C, Müller J (2007) Fixateur interne mit Telemetriesystem, Trauma Berufskh 2007–9: 88–97)
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Miniaturisierte telemetrische Kraftmesssysteme entsprechend der Veröffentlichung [Bergmann G, Graichen F, Rohlmann A (1993), ”Hip Joint loading during Walking and running, measured in two patients.”, Journal of Biomechanics] wurden ebenfalls im Inneren von künstlichen Hüftgelenken implementiert. Es handelt sich bei diesen internen Systemen um einzelne Spezialanfertigungen, die mit großem technischen Aufwand hergestellt werden müssen. Bei diesen implantierbaren Systemen wurden die Dehnungsmessstreifen dem Implantat fest aufgeklebt.
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Es sind entsprechend dem vorangegangenen Stand der Technik eine Vielzahl von Messvorrichtungen zur Aufnahme der Kräfte und/oder Spannungen an Frakturen oder den entsprechenden Implantaten bekannt. Diese Sensoren werden direkt an den Implantaten angebracht. Gemeinsam ist diesen bekannten Messvorrichtungen, dass sie durch ihre Anbringung an dem Messobjekt ökonomisch nachteilig und/oder nur eingeschränkt einsetzbar sind. Zwar können die bekannten Messvorrichtungen mit einer Vielzahl von Implantaten, internen oder externen Fixateuren zusammenwirken, jedoch immer unter der Vorraussetzung, dass die Messvorrichtung fest auf dem Implantat angebracht ist.
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Die Patentanmeldung
DE 10 2006 006 341 A1 offenbart die Möglichkeit eines nachträglich auf die Osteosyntheseplatte aufschraubbaren Messsystems. Die Erfindung beruht auf einer maximal festen Verschraubung. Hierdurch erfolgt die Übertragung der Dehnung der Rückseite der Platte als gleichsinnige Dehnung auf einen Dehnungsmessstreifen im Messsystem.
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Der Artikel ”Die Messung der Knochenheilung bei Fixateur-externe-Osteosynthesen mit dem Fraktometer FM 100” [Claes L., (1991), Der Chirurg] beschreibt ein abnehmbares beziehungsweise nachträglich montierbares System (Fraktometer) für den externen Fixateur. Dieses misst eine Verformung im Sinne eines typischen Wegsensors (mechanisches Mikrometer). Die Befestigung erfolgt mit Schraubklemmen im Sinne einer klassischen mechanischen Montage. Das Fraktometer ist rein extern anzuwenden und nicht für Anordnungen an Implantaten geeignet.
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Ein wesentlicher Nachteil des vorangegangen beschriebenen Fraktometers tritt bei der flächigen Verschraubung mit einem Messobjekt (Fixateur externe) auf. Als flächig in diesem Sinne ist eine feste Lagerung an mindestens zwei oder sogar mehr Stellen zu verstehen, die zwangsläufig zu einer mechanischen Überbestimmtheit der Verbindung führt. Störende und zugleich die Messergebnisse verfälschende, nicht exakt definierbare mechanische Spannungen im Fraktometer sind die Folge. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn das Objekt der Messvorrichtung nicht eben ist, also vielfach dann, wenn sich Implantate oder Fixateure an die Form der Fraktur anpassen müssen. In diesen Fällen ist die Messvorrichtung (Fraktometer) ungeeignet oder zumindest unpraktisch für eine übliche chirurgische Anwendung.
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Ein telemetrisches Frakturheilungs-Messsystem mit fest aufgeklebtem Sensor hat sich ebenfalls in der klinischen Anwendung bewährt (Faschingbauer 2007).
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Aus L. E. Lanyon et al. in: The relationship of functional stress and strain to the processes of bone remodelling; An experimental study on the sheep radius, J. Biomechanics Vol. 12, pp. 593–600, Pergamon Press Ltd. 1979 ist eine Anordnung bekannt, bei der ein Stück Knochens eines Schafes direkt mit Dehnungsmessstreifen versehen und einem Biegetest unterzogen wird. Hierfür wird das Knochenstück zwischen vier Lagerstellen gelagert. Die Vorrichtung ist ausschließlich zur Überprüfung der Biegeeigenschaften des Knochens eines toten Tiers („post morture mechanical testing”) geeignet. Hierbei handelt es sich um eine übliche Methode der Materialtestung, die auf den Knochen angewandt wird.
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Aus medizinischer Sicht ist es vielfach erwünscht, sehr exakte Messung an Implantaten oder Fixateuren aufzunehmen, die mit reproduzierbarer Genauigkeit einen Indikatorwert für den Fortschritt der Heilung einer Fraktur bereitstellen.
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Diese Zielsetzung steht jedoch in starkem Kontrast zur immer stärker dominierenden ökonomischen Ausrichtung der Krankenhäuser oder der medizinischen Versorgung im Allgemeinen.
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Die bekannten Messvorrichtungen für Osteosynthese-Systeme sind jedoch teuer und daher ungeeignet oder zumindest unpraktisch, die zuvor genannten Nachteile zu überwinden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine einfach auf oder in Implantaten zu applizierende Messvorrichtung, die es erlaubt, mit hoher und reproduzierbarer Genauigkeit Indikatorwerte insbesondere mechanischer Größen für den Fortschritt der Heilung einer Fraktur bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist eine Messvorrichtung zum Bestimmen einer Biegung eines im Wesentlichen länglichen internen Osteosynthese-Fixateurs. Längliche interne Osteosynthese-Fixateure können insbesondere ein Marknagel oder eine Platte sein, die zum Beispiel den Läsionsbereich eines Oberschenkelknochens überbrücken und folglich durch die einwirkenden Kräfte vielfach einer Biegung oder im Allgemeinen einer Verformung ausgesetzt sind. Um die Biegung und/oder die Verformung eines internen Osteosynthese-Fixateurs zu bestimmen, ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung gekennzeichnet durch ein verformungsempfindliches Messelement, insbesondere mit mindestens einem Dehnungsmessstreifen, auf einem Biegebalken und durch Verbinder, die angepasst sind, den Biegebalken an dem internen Osteosynthese-Fixateur insbesondere in dessen Läsions-Überbrückungsbereich lösbar zu befestigen.
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Erfindungsgemäß ist, dass zwei Verbinder in Längsrichtung des internen Osteosynthese-Fixateurs auf der einen Seite des Biegebalkens und zwei Verbinder auf der anderen Seite angebracht sind, wobei die Kontaktflächen zwischen Verbinder und Biegebalken und/oder Verbinder und internem Osteosynthese-Fixateur punkt- oder linienförmig Kräfte übertragen, so dass eine aus einem Fixateur durch die Verbinder in den Biegebalken eingeleitete Biegung in dem Biegebalken zwischen den jeweils zwei Verbindern nach Art einer 4-Punkt-Biegung im Wesentlichen konstant ist. Die Vierpunktbiegung wird typischerweise verwendet, um Biegungen auf Prüfkörper in einer Materialtestmaschine in definierter Weise zu applizieren.
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Bei einer 4-Punkt-Biegung wirkt auf beiden Seiten der betrachteten Biegezone eines Biegebalkens für gewöhnlich je ein Kräftepaar, und zwar in unterschiedlicher insbesondere entgegengesetzter Richtung. Bei der herkömmlichen 4-Punkt Biegung sind die Kräfte zudem achsensymmetrisch zur Biegezone angeordnet. So wirken beispielsweise die zwei weiter innen (näher an der Biegezone) angeordneten Kräfte in die gleiche (positive) Richtung, wohingegen die zwei weiter außen (ferner von der Biegezone) angeordneten Kräfte in die entgegengesetzte (negative) Richtung wirken. Insbesondere bei einer symmetrischen Ausrichtung der Kraftangriffspunkte, vorzugsweise symmetrisch zu der Längsrichtung des Biegebalkens, insbesondere symmetrisch zu dem Läsions-Überbrückungsbereich, ist die Biegung und das wirkende Moment im Biegebalken zwischen den inneren Verbindern konstant. Indem zwei Verbinder auf der einen Seite des Biegebalkens oder des Messelements und zwei Verbinder auf der andern Seite angebracht sind, ist es insbesondere möglich, dass die Krafteinwirkung auf den Biegebalken und damit auf das Messelement entsprechend einer 4-Punkt-Biegung durch zwei wie beschrieben entgegengesetzte Kräftepaare erfolgt, so dass entsprechend der Biegung des internen Osteosynthese-Fixateurs auch der Balken beziehungsweise das Messelement gebogen wird.
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Bei einer lösbar befestigten Messvorrichtung könnten weiterhin die bewährten Implantate, eventuell mit kleinen Modifizierungen verwendet werden. Eine erneute Testung und Zulassung zum Beispiel des internen Osteosynthese-Fixateurs ist nicht erforderlich. Es wäre lediglich die nachträglich lösbar zu befestigende Messvorrichtung zu testen und zuzulassen.
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Gegen einen herkömmlichen Einsatz von Messaufnehmern ist vorrangig der Kostendruck in der Unfallchirurgie zu nennen. Denn alle bereits im Bestand der Unfallchirurgie befindlichen insbesondere älteren internen Osteosynthese-Fixateure aber auch jegliche neuen internen Osteosynthese-Fixateure müssten mit den entsprechenden Messvorrichtungen ausgestattet werden. Gegenstand der Erfindung ist es deshalb, vorzugsweise eine Messvorrichtung bereitzustellen, die systemunabhängig ist – die nämlich im Wesentlichen unabhängig von der Art, dem Hersteller oder der Größe des Implantats oder des internen Osteosynthese-Fixateurs an das Messobjekt, vorzugsweise ohne vorherige Anpassung des Biegebalkens, lösbar angebracht werden kann. Dies ist insbesondere dann sehr gut umsetzbar, wenn die Messvorrichtung adaptierbare Befestigungsvorrichtungen, insbesondere Verbinder aufweist, die angepasst sind, sich an interne Osteosynthese-Fixateure mittels Schnellspannmitteln oder mittels einer Schnellspannvorrichtung, insbesondere mittels Klammern, Clips, Klemmen und/oder Klebeverbindungen lösbar befestigen zu lassen. Denn Klemmen, Clips oder Klammem können in der Art ausgestaltet sein, dass sie bevorzugte, jedoch nicht zwangsläufig festgelegte oder gar präparierte Lagerstellen am internen Osteosynthese-Fixateur durch ihre variable Maulöffnung und/oder zugleich ausreichende Klemmkraft aufweisen, um die Messvorrichtung so mit dem internen Osteosynthese-Fixateur zu verbinden, dass insbesondere eine hohe und/oder reproduzierbare Messgenauigkeit erreicht werden kann. Alternativ können auch Klebeverbindungen mit entsprechender Haltekraft an den Enden der Verbinder zur Befestigung vorgesehen sein. Ebenfalls möglich ist eine feste Lagerung der Verbinder an dem Biegebalken, wobei sich die Verbinder aber noch lösbar an dem internen Osteosynthese-Fixateur befestigen lassen.
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Der Biegebalken der Messvorrichtung kann körperhaft in mehrere Zonen unterteilt werden, wobei der Biegebalken mindestens zwei, vorzugsweise genau zwei Befestigungszonen aufweist, die so ausgeprägt sind, dass ein Biegemoment mindestens zwischen zwei Befestigungszonen, nach Art eines 4-Punkt-Biegebalkens, im Wesentlichen konstant ist. Mit Befestigungszonen sind jene Bereiche der Messvorrichtung, vorzugsweise des Balkens gemeint, innerhalb derer die Kraftübertragung von dem internen Osteosynthese-Fixateur auf die Messvorrichtung erfolgt. Der Bereich mit konstantem Biegemoment wird im Weiteren auch als Biegemomentenmessbereich bezeichnet, wobei in diesem Bereich das Messelement der Messvorrichtung angeordnet ist. Ein Messelement, dessen Grundfläche vorzugsweise deutlich kleinere Ausmaße als der Biegemomentenmessbereich aufweist, kann darin, unter Berücksichtigung der bevorzugten Ausrichtung des Messelements, beliebig positioniert sein, ohne dass eine Abweichung der Position zu Messfehlern führen würde. Außerdem können aus den gleichen zuvor genannten Gründen höhere Produktionstoleranzen für den Einbau des Messelements zugelassen werden, die im Weiteren eine Reduktion des Herstellungspreises begründen. Sind mehr als zwei Befestigungszonen vorgesehen, mit denen insbesondere auch mehrere Biegemomentenmessbereiche entstehen, wird der Biegemomentenmessbereich bevorzugt, der mittig angeordnet ist und/oder der eine möglichst hohe und/oder reproduzierbare Messgenauigkeit erlaubt. Eine reproduzierbare Messgenauigkeit erlauben insbesondere jene Biegemomentenmessbereiche, die unter möglichst geringen unerwünschten Einflüssen (Störeinflüssen) stehen. Nicht zu diesen Bereichen gehören beispielsweise Randbereiche der Messvorrichtung oder Bereiche, in denen das Messelement mit anderen Gegenständen oder Elementen (zum Beispiel mit Elementen des internen Osteosynthese-Fixateurs selbst) kollidieren könnte.
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Der Biegebalken dient als Tragekörper für das Messelement. Die Assoziation mit einem Balken erscheint in soweit sinnvoll, als dass dieser Tragekörper in dreidimensionaler Form insbesondere als quaderförmiger Hohl- oder Vollkörper ausgestaltet ist. Eine im Wesentlichen konstante Steifigkeit über die Länge des Biegebalkens bewirkt vorteilhaft, dass eine möglichst gleichmäßig geringe Rückkopplung auf das Messobjekt entsteht und eine Abbildung der Kräfte, Momente, Spannungen und Bewegungen des Läsions-Bereiches mit einer möglichst hohen und reproduzierbaren Messgenauigkeit auf die Messvorrichtung gewährleistet wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Steifigkeit des Biegebalkens kleiner, vorzugsweise deutlich kleiner als die Steifigkeit des internen Osteosynthese-Fixateurs ist. Denn ab einem in diesem Sinne gewissen Verhältnis der Steifigkeiten von Messvorrichtung zu internem Osteosynthese-Fixateur (Steifigkeitsverhältnis), dominiert die Steifigkeit des Fixateurs vorteilhaft, so dass die Rückwirkungen der Messvorrichtung (Kraft, Moment, Steifigkeit) auf diesen vernachlässigbar klein sind. Alternativ könnte der Biegebalken und/oder die Messvorrichtung eine höhere, vorzugsweise deutlich höhere Steifigkeit als der interne Osteosynthese-Fixateur aufweisen und zugleich das Steifigkeitsverhältnis dominieren. Kräfte und/oder Momente im internen Osteosynthese-Fixateur wirken bei dieser Ausgestaltung deshalb im Bereich der Messvorrichtung nur in einem vernachlässigbar geringen Maß auf den internen Osteosynthese-Fixateur selbst und annähernd vollständig auf die Messvorrichtung beziehungsweise in entsprechender Relation auf das Messelement, so dass dieses exakte Messergebnisse aufnehmen kann. In dieser Ausgestaltung wirkt die Messvorrichtung dann wie eine steifere Brücke über dem internen Osteosynthese-Fixateur.
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Die erfindungsgemäßen Verbinder verbinden den Biegebalken mit dem Fixateur, wobei besonders bevorzugt ist, die Verbinder mit dem Biegebalken nach Art eines Fachwerks anzuordnen. Dazu sind die dreidimensionalen Verbinder zumeist länglich mit einem insbesondere runden, quadratischen oder rechteckigen Querschnitt. Vorteilhaft weisen sie zudem eine möglichst große Steifigkeit und Knickfestigkeit auf. Entsprechend der Assoziation mit einem Fachwerk können die Verbinder rechtwinklig zu der Oberfläche des internen Osteosynthese-Fixateurs oder des Biegebalkens angeordnet sein.
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In vorteilhafter Ausgestaltung können jeweils mindestens zwei Verbinder einer Befestigungszone zugeordnet sein. Eine Befestigungszone kann somit mehrere Kraftübertragungspunkte oder -flächen aufweisen.
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Erfindungsgemäß sind die Kontaktflächen zwischen dem Verbinder und dem Biegebalken oder dem Verbinder und dem internen Osteosynthese-Fixateur im Wesentlichen punkt- oder linienförmig ausgestaltet, so dass im Wesentlichen nur Kräfte zwischen dem Verbinder und dem Biegebalken einerseits und dem Verbinder und dem internen Osteosynthese-Fixateur andererseits in der Richtung des Verbinders übertragen werden – und insbesondere annähernd keine Momente zwischen Verbinder und Biegebalken oder internem Osteosynthese-Fixateur übertragen werden. Vorzugsweise wirken auf den Verbinder annähernd keine normal zur Längsrichtung des Verbinders wirkenden Kräfte, so dass diese Normalkräfte oder die zuvor genannten Momente nicht störend auf das Messelement wirken. Insbesondere sind die Lagerstellen zwischen dem Verbinder und dem Biegebalken sowie dem Verbinder und dem internen Osteosynthese-Fixateur in der Art ausgestaltet, dass diese annähernd auch keine Momente oder Querkräfte sondern vorzugsweise nur Kräfte in der Richtung des Verbinders übertragen.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn sich die Messvorrichtung an die Oberflächenkontur des internen Osteosynthese-Fixateurs anpassen lässt. Weist der interne Osteosynthese-Fixateur beispielsweise einen runden Querschnitt auf und soll die Messvorrichtung hierzu zentriert befestigt werden, ist es vorteilhaft, wenn sich die Verbinder variabel an die Distanz zwischen dem Biegebalken und der Oberfläche des internen Osteosynthese-Fixateurs anpassen lassen. Die Verbinder können deshalb vorzugsweise in ihrer Längsrichtung variabel verlängert oder verkürzt werden. Weiterhin können die Verbinder zwei oder mehr Teile aufweisen, die insbesondere in Längsrichtung gegeneinander vorzugsweise ineinander verschiebbar und/oder zueinander arretierbar sind. Möglich ist auch, die Verbinder durch Schraubverbindungen in ihrer Länge veränderbar auszugestalten.
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Eine der wesentlichen Funktionen eines internen Osteosynthese-Fixateurs ist die Entlastung einer Fraktur, indem sie diese weitgehend frei von Krafteinflüssen hält. Kräfte, die ohne einen internen Osteosynthese-Fixateur auf eine Fraktur wirken, werden bei bestimmungsgemäßer Anwendung eines internen Osteosynthese-Fixateurs im Wesentlichen auf diesen übertragen. Wirkende Kräfte können unter der Maßgabe, dass der interne Osteosynthese-Fixateur naturgemäß eine endliche Steifigkeit aufweist, zu einer Verformung oder Durchbiegung des internen Osteosynthese-Fixateurs, wenn auch nur in einem relativ geringen Maß, führen. Eine Messvorrichtung, die mit dem internen Osteosynthese-Fixateur verbunden ist, erfährt insbesondere bei geringerer Steifigkeit (zumindest kleiner als die des internen Osteosynthese-Fixateurs) eine ähnliche Biegung. Die Biegungen unterscheiden sich jedoch schon deshalb, weil sich die Radien vom jeweiligen Mittelpunkt der Biegungen beziehungsweise sich die Position der Mittelpunkte unterscheiden. Bei jeder Biegung erfolgt somit neben der radialen Bewegung oft eine annähernd tangentiale relative Bewegung zwischen dem internen Osteosynthese-Fixateur und der Messvorrichtung beziehungsweise zwischen dem internen Osteosynthese-Fixateur und dem Biegebalken. Vorzugsweise wird deshalb einer der Verbinder fest mit allen seinen sechs Freiheitsgraden am Biegelbalken und/oder Fixateur gelagert. Die Lagerung der Verbinder zum Biegebalken und/oder zum internen Osteosynthese-Fixateur kann senkrecht oder winkelig erfolgen. Ähnlich gute erfindungsgemäße Eigenschaften werden erreicht, wenn die Verbinder bis auf mindestens einen lose, insbesondere durch Gelenke, insbesondere lose in Längsrichtung des internen Osteosynthese-Fixateurs, vorzugsweise lose in einer Bezugsebene des internen Osteosynthese-Fixateurs an dem Biegebalken und/oder an dem internen Osteosynthese-Fixateur befestigt werden, so dass an den Loslagern annähernd keine Querkräfte oder Momente wirken. Eine weitere mögliche Lagerungsart kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Verbund aus Biegebalken, Verbindern und internem Osteosynthese-Fixateur statisch nicht überbestimmt oder höchstens ein- bis zweifach überbestimmt ist.
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Um Kräfte, Momente, Biegungen oder Bewegungen eines Messobjektes überhaupt aufnehmen zu können, werden in aller Regel Sensoren beziehungsweise Messelemente vorausgesetzt. Die Messvorrichtung weist deshalb insbesondere ein verformungsempfindliches Messelement auf, das dazu geeignet ist, Messgrößen des Messobjektes (interner Osteosynthese-Fixateur bzw. Biegebalken) aufzunehmen. Um einer Verformung ganz allgemein oder einer Biegung, beispielsweise einer Durchbiegung des Messobjektes, folgen zu können, kann das Messelement verformbar ausgestaltet sein. Mit verformbar ist in diesem Sinne weitestgehend eine elastische Verformbarkeit gemeint.
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Vorteilhaft kann das Messelement in der Art zu dem Biegebalken positioniert sein, dass die annähernd konstant wirkenden Momente und/oder Kräfte in dem Biegemomentenmessbereich eine gleichmäßige Biegung oder Verformung des Messelements verursachen und so die gewünschten Messgrößen des Messobjekts möglichst störungsfrei auf das Messelement wirken.
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Des Weiteren kann das verformungsempfindliche Messelement zum Erfassen der auf die Messvorrichtung einwirkenden Kräfte angepasst sein. Insbesondere kann die Messvorrichtung Längs-, Quer- und/oder Normalkräfte beziehungsweise -momente messen und/oder Streckungen, Stauchungen und/oder Biegewinkel in Längs-, Quer- und/oder Normalrichtung messen.
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Ergänzend können Temperatur und/oder Druck durch das Messelement aufgenommen werden, insbesondere um mögliche Fehlereinflüsse auf und/oder Korrekturfaktoren für die Messergebnisse zu bestimmen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung können mehrere Dehnungsmessstreifen (DMS) orthogonal oder in einem anderen Bezugssystem zueinander angeordnet sein, so dass die Messgrößen in unterschiedlichen Richtungen des Messobjekts aufgenommen werden können. Hat beispielsweise ein DMS eine bevorzugte Empfindlichkeitsrichtung (Längs-, Quer- und/oder Normalrichtung) und sind alle anderen Richtungen vorzugsweise sehr unempfindlich, kann die Empfindlichkeitsrichtung vorteilhaft zu der Wirkungsrichtung der zu erwartenden Messgröße ausgerichtet sein, so dass die Störgrößen, die orthogonal zu dieser Empfindlichkeitsrichtung wirken, kaum bis gar keinen Einfluss auf die Messgrößen haben. Die Messelemente können also so ausgerichtet sein, dass die zu erwartenden Störgrößen zwar auf diese Messelemente treffen, aber die Messgröße annähernd nicht beeinflussen.
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Wird eine Messvorrichtung mit einem internen Osteosynthese-Fixateur in einem Menschen implantiert, ist es zumeist sinnvoll, wenn keine Leitungen insbesondere keine Versorgungs- und/oder Datenübertragungsleitung aus dem Körper des Menschen herausführen. Insbesondere in diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Messvorrichtung eine Steuerungseinheit zur Datenverarbeitung, zur Datenübertragung und/oder zur Datenspeicherung aufweist. Weiterhin kann die Steuereinheit Messbrücken insbesondere eine Messbrücke je DMS, insbesondere Abgleich-Widerstandsmessbrücken oder Entstörungsfilter aufweisen. Außerdem können physikalische Parameter, wie beispielsweise die Steifigkeit des Biegebalkens, zu einer Datenaufbereitung durch die Steuereinheit verwendet werden. In vorteilhafter Ausgestaltung werden die Signale des Messelements durch die Steuereinheit in interpretierbare, insbesondere für den Fachmann leicht interpretierbare, insbesondere für den Chirurgen interpretierbare, physikalische Größen, wie Kraft, Moment, Winkel, Weg und/oder Spannung umgewandelt (Datenaufbereitung). Weiterhin kann die Steuereinheit eine Empfangs- oder Sendeeinheit aufweisen, die angepasst ist, Daten telemetrisch, insbesondere drahtlos mittels elektromagnetischer Wellen, zu senden oder zu empfangen. So kann die Steuereinheit insbesondere auch zum Empfang von Fernsteuerungssignalen, insbesondere von Signalen zur Veränderung des Messbereichs und/oder der Empfindlichkeit des Messelements, angepasst sein. Um die Daten, insbesondere Messdaten und/oder Daten der Datenverarbeitung, auch in der Messvorrichtung zu speichern, kann die Steuereinheit einen Datenspeicher aufweisen. Weiterhin kann die Messvorrichtung eine oder mehrere Energiequellen (insbesondere Batterien, Akkus oder Kondensatoren) zur Versorgung des Messelements, der Steuereinheit und/oder anderer gekoppelter/integrierter Peripherieelemente aufweisen.
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Um beim Kontakt der Messvorrichtung mit dem menschlichen Körper annähernd keine abwehrende Immunreaktion hervorzurufen und somit eine Biokompatibilität der Messvorrichtung zu erreichen, kann die Messvorrichtung und insbesondere das verformungsempfindliche Messelement im Wesentlichen abgeschlossen und/oder flüssigkeitsdicht sein oder ein abgeschlossenes Gehäuse aufweisen, so dass eine einfache Reinigung oder Desinfektion möglich ist.
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Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weiter beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung an einem Marknagel,
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2 die Ausführungsform gemäß 1 unter Biegebelastung und
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3 und 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung appliziert auf einer Platte.
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1 zeigt die erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 in Verbindung mit einem Marknagel 2. Dazu befindet sich die Messvorrichtung 1 in dem innen liegenden Hohlraum 3 des (rohrförmigen) Marknagels 2. Der Marknagel 2 weist eine innere Mantelfläche 4 sowie eine äußere Mantelfläche 5 auf. Die Wand 6 des Marknagels 2 verleiht diesem also die Form eines Hohlzylinders. Wie auch aus der 1 zu erkennen ist, weist die Messvorrichtung 1 acht Kontaktelemente 11 sowie einen Biegebalken 7, der als Befestigungsvorrichtung für ein oberes Messelement 8 mit DMS und für ein unteres Messelement 9 mit DMS sowie für die in diesem Fall acht Verbinder 10 dient, auf. Von den insgesamt acht Verbindern 10 sind vier auf der Oberseite und vier auf der Unterseite des Biegebalkens 7 angeordnet. Entsprechend der Darstellung aus 1 ist an den vom Biegebalken 7 wegzeigenden Ende eines jeden Verbinders ein rundes Kontaktelement 11 angebracht. In alternativer Ausgestaltung können diese Kontaktelemente kugelig, kegel- oder klingenförmig oder spitz sein. Idealerweise wirken im Einbauzustand annähernd keine Kräfte oder Momente zwischen dem unbelasteten Marknagel 2 und der Messvorrichtung 1. Ferner ist der Kontakt zwischen der Innenwand 4 des Marknagels 2 und den Kontaktelementen 11 der Messvorrichtung 1 an den Kontaktflächen 12 punkt- oder linienförmig. Um 90° um die Längsachse des Marknagels gedreht, kann die Vorrichtung 1 weitere acht Kontaktelemente aufweisen (nicht dargestellt), die dann so angeordnet sind, dass sich auch in dieser um 90° um die Längsachse des Marknagels gedrehten Ansicht die Gestalt gemäß 1 ergibt.
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Die Messvorrichtung 1 wird vor einer Operation, nötigenfalls auch während der Operation, in den Marknagel 2, genauer in den Hohlraum 3 des Marknagels 2, eingeführt. Der Außendurchmesser der Messvorrichtung 1, wie in 1 dargestellt, entspricht annähernd genau dem Schaftdurchmesser des Marknagels 2. Im unbelasteten Zustand stehen somit alle Kontaktelemente 11 in Verbindung mit der Innenfläche des Marknagels 2, wobei jeweils vier Kontaktelemente 11 gegenüberliegend angeordnet sind. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Nagel einen ovalen Hohlraum 3 auf, so dass eine Verdrehung der Messvorrichtung 1 (die im Wesentlichen schmal und länglich ist) in Umfangrichtung des Schaftes im Wesentlichen verhindert wird.
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Wirken auf einen Marknagel 2 Momente oder Kräfte, verformt sich dieser wie beispielhaft in 2 dargestellt. Hierzu ist der Marknagel 2 in der dargestellten Ansicht an seiner oberen Seite elastisch gestaucht und an seiner unteren Seite elastisch gedehnt. Die Messvorrichtung 1 ist so ausgestaltet, dass sie der Biegung des Marknagels 2 folgt. Das ist insbesondere deshalb möglich, weil die Kraftübertragung vom Marknagel 2 an die Messvorrichtung 1 in Anlehnung an einen Vierpunktbiegebalken an vier Stellen erfolgt. Jeweils zwei äußere auf einer Seite des Biegebalkens 7 liegende Kontaktelemente 11 stehen in Kontakt mit der gedehnten Seite des Marknagels 2, wohingegen zwei Kontaktelemente auf der gegenüberliegenden Seite in Kontakt mit der gestauchten Innenseite des Marknagels 2 stehen. Die weiteren vier Kontaktelemente 11 stehen nicht in Kontakt mit der Innenseite 4 des Marknagels 2. Zwischen ihnen bildet sich vielmehr ein Freiraum 13, 14, 15 und 16 aus. Dadurch, dass die Kontaktelemente 11 der Messvorrichtung 1 symmetrisch zu den Messelementen 8 und 9 sind, ist in Analogie zum Vierpunktbiegebalken das Moment im Biegebalken 7 im Bereich zwischen den innersten Verbindern 10, insbesondere im Bereich der Messelemente 8 und 9, konstant. Idealerweise wirken hierzu Kräfte in den Verbindern 10 nur in ihrer Längsrichtung (quer zur Längsrichtung des Biegebalkens 7). Sollten dennoch Kräfte abweichend von dieser Richtung von dem Marknagel 2 auf den Biegebalken 7 übertragen werden, so erlaubt es die Anordnung der Messelemente 8 und 9, jeweils mindestens eines auf der Oberseite und mindestens eines auf der Unterseite des Biegebalkens 7, in Verbindung mit einer nicht dargestellten Auswertungslogik, die Kraftanteile der entsprechenden abweichenden Richtung (Störgrößen) aus den Messsignalen herauszufiltern, so dass die Signale von den Störgrößen (annähernd) befreit werden. Somit erlaubt die Messvorrichtung 1 das Bestimmen der Biegung bzw. der Verformung des Marknagels 2.
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Eine alternative Ausführungsform ist in 3 und 4 dargestellt. Die Messvorrichtung 20 wird an einer Osteosyntheseplatte 21 befestigt. Die wesentlichen dargestellten Elemente sind die verformungsempfindlichen Messelemente 24 und 26, der Biegebalken 28, acht Verbinder 30, sowie die hier nicht dargestellten acht Schnellspannmittel. Das Messelement 26 mit DMS befindet sich auf der Unterseite des Biegebalkens 28, wohingegen sich das andere Messelement 24 mit DMS auf der Oberseite des Biegebalkens 28 befindet. Die Verbinder 30 sind fest mit dem Biegebalken verbunden und zudem symmetrisch nach Art eines Vierpunktbiegebalkens zu den Messelementen 24 und 26 am Biegebalken 28 angeordnet. Mittels der genannten Schnellspannmittel werden die Verbinder 30 an ihren vom Balken 28 wegzeigenden Enden an der Platte lösbar befestigt, so dass zwischen den Verbindern 30 und der Platte 21 idealerweise nach Art eines Vierpunktbiegebalkens ein punkt- oder linienförmiger Kontakt entsteht.
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Wird die Osteosyntheseplatte 21 ihrem sinngemäßen Einsatz entsprechend belastet, verformt sie sich elastisch. Durch die Verbindung der Messvorrichtung 20 mit der Platte 21 folgt die Messvorrichtung der Verformung der Platte 21. Dabei wirken die Kräfte, die von der Platte 21 auf die Messvorrichtung 20 übertragen werden, bei den innen angeordneten Verbindern 30 (jene, die näher an dem Messelement befestigt sind) in umgekehrter Richtung zu den Kräften der außen angeordneten Verbinder 30. Somit entsprechen die Kraftwirkungslinien denen einer Vierpunktbiegung am Biegebalken. Infolgedessen ist das im Bereich zwischen den innersten Verbindern 30, insbesondere auch im Bereich der Messelemente 24 und 26 wirkende Moment im Biegebalken 28 annähernd konstant. Mögliche Störgrößen, wie zum Beispiel eine überlagerte Axiallastbelastung, können durch die Anordnung der Messelemente, nämlich ein Messelement 24 auf der Oberseite des Biegebalkens 28 und ein Messelement 26 an der Unterseite des Biegebalkens 28 in Verbindung mit einer nicht dargestellten Auswertungslogik auf bekannte und übliche Weise herausgefiltert werden.
