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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektrischen Impedanz-Analyse an schwer zugänglichen Orten kann in der Medizin, der Lebensmittelindustrie und der Werkstoffkunde angewendet werden.
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Stand der Technik
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Im Vordergrund der Erfindung steht die elektrische Impedanz-Analyse von verschiedenen Werkstoffen. Dabei wird aus der gemessenen Impedanz die elektrische Leitfähigkeit abgeleitet.
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Die elektrische Impedanz-Analyse (synonym bioelektrische Impedanz-Analyse) kann beispielsweise zur Messung der Körperzusammensetzung sowie des Ernährungszustandes eingesetzt werden. Erste wissenschaftliche Untersuchungen wurden seit Anfang der 1960er-Jahre mit dieser Methode veröffentlicht.
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Zudem kann die Impedanz-Analyse mittels Potentiometrie zur Beurteilung des Korrosionszustandes von Metallen und Metalllegierungen herangezogen werden. Beispielsweise wurde eine Messsonde entwickelt, mit der die Korrosion von Zahnfüllungen mittels der elektrischen Impedanzmessung bestimmt werden kann.
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Die therapeutische Versorgung schwer heilender Knochenfrakturen und Knochennekrosen erfolgt unter anderem seit einiger Zeit mittels elektromagnetischer Stimulation. Bei der elektromagnetischen Stimulation des Knochens wird durch das Einwirken eines äußeren Wechselfeldes dessen funktionelle Belastung nachgeahmt, wodurch knöcherne Regeneration und Wiederherstellung des Knochenlagers verbessert werden. Die Energiezufuhr für die elektromagnetischer Stimulation (auch Elektrostimulation) erfolgt durch ein niederfrequentes elektromagnetisches Feld. Es werden seit einigen Jahren mit steigenden Patientenzahlen elektrostimulative Schraubenimplantate eingesetzt.
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In
DE 202008015661 U1 wird eine acetabuläre Hüftendoprothese mit einer Vorrichtung zur Elektrostimulation des Knochens vorgestellt, welche die Knochen- bzw. Defektheilung im Acetabulum nach einem primären endoprothetischen Ersatz des Hüftgelenkes oder einer Wechseloperation durch Elektrostimulation des angrenzenden Knochengewebes unterstützen soll. Dazu verfügen die applizierbare Fixationselemente für Endoprothesen über zwei Elektroden, getrennt durch eine Isolationsschicht, und eine integrierte Sekundärspule. Durch Verwendung einer äußeren Primärspule kann mittels induktiver Kopplung nicht-invasiv elektrische Energie übertragen werden, die über die im Implantat integrierten Spulen und Elektroden mittels Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes zur Stimulation des angrenzenden Knochens verwendet werden.
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Der Stand der Technik berücksichtigt bislang dabei nicht, trotz unterschiedlicher elektrischer Eigenschaften des Knochens, die patientenindividuelle Anpassung des elektrischen Potentials, welches über das elektrostimulativ wirkende Implantat in den umgebenden Knochen appliziert wird.
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US 5782763 A und
US 6213934 B1 befassen sich mit Messvorrichtungen zur Ermittlung verschiedener Knocheneigenschaften, darunter auch die Leitfähigkeit. In US 5782763 A werden Paare von Magnetfeldspulen vor und hinter dem zu prüfenden Körperteil positioniert. In US 6213934 B1 wird nur eine Magnetfeldspule angeordnet.
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In der Veröffentlichung „Zur Optimierung elektrostimulativer Hüftgelenksimplantate mit externer magnetischer Anregung" (Dissertation Carsten Potratz, Universität Rostock, 2010, Seite 16 ff) wird dargestellt, wie sich die Elektrostimulation von Hüftgelenksimplantaten hinsichtlich der optimalen Potentialverteilung sowie der Elektrodenanordnung verbessern lässt. Als besonders vorteilhaft wird die Impedanzmessung mit einer Vier-Elektrodenanordnung angesehen. Die Untersuchungen erfolgen hierzu an einem Präparat, wobei durch eine anschließende Computersimulation die optimalen Parameter für die Elektrostimulation berechnet werden. Die Methode ist für eine Anwendung direkt am zu stimulierenden Knochen nicht geeignet.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Messsystem für die elektrische Impedanz-Analyse von verschiedenen Stoffen an schwer zugänglichen Orten zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen aufgeführten Merkmale gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektrischen Impedanz-Analyse an schwer zugänglichen Orten nutzt eine Mess-Sonde zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit mittels Vierleiter- oder Zweileiter-Impedanzmessung und ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Messkopf mit integrierten Elektroden in einem biokompatiblen, wechselbaren Aufsatz, welcher aus Kunststoff oder Keramik bestehen kann, angeordnet ist, welcher distal über ein Gelenk mit einem Verbindungsstück verbunden ist. Das Verbindungsstück seinerseits ist an der dem Gelenk gegenüber liegenden Seite mit einem Haltegriff verbunden. Die Messleitungen führen vom Messkopf innerhalb der gesamten Mess-Sonde zu einer angeschlossenen Messtechnik und einem Messwertaufnehmer.
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In einer Ausführungsform wird der Messkopf mit Hilfe einer elektrischen oder einer mechanischen Vorrichtung positioniert und über das Gelenk aktiv bewegt. Das Verbindungsstück ist starr oder flexibel ausgestaltet. Der Haltegriff ist ein Katheter oder ein Endoskop. Für die Anwendung in der Medizin besteht die gesamte Mess-Sonde aus biokompatiblem Kunststoff oder Keramik.
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Mit der Erfindung kann die Impedanz über einen beweglichen Messkopf in Form einer Sonde oder eines Endoskops an Orten gemessen werden, welche schwer zugänglich sind, z. B. im Inneren des menschlichen Körpers. Es kann beispielsweise intraoperativ die elektrische Leitfähigkeit des Knochens über eine Mess-Sonde ermittelt werden, um die elektromagnetischen Stimulationsparameter am Implantat optimieren und patientenindividuell einstellen zu können und so die Behandlung von Knochennekrosen und schlecht heilenden Knochenbrüchen patientenindividuell zu optimieren.
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Neben der Anwendung am menschlichen Knochen ermöglicht die Messsonde auch Leitfähigkeitsmessungen an Knorpelgewebe, um eine Aussage über den Zustand des Knorpels (intakt vs. geschädigt) und Knorpelregeneraten ableiten zu können.
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Des Weiteren ist die Messung des Korrosionsgrades z.B. an implantierten Materialien mittels Impedanzanalyse möglich. Auch außerhalb der medizinischen Anwendung ist die Erfassung des Korrosionsgrads eines (metallischen) Werkstoffes von großer Bedeutung.
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Ein Einsatz ist auch überall dort vorstellbar, wo eine Impedanz-Analyse an schwer zugänglichen Orten bisher nicht durchführbar war. Die vorgeschlagene Erfindung kann z.B. in der Lebensmittelindustrie, der Werkstoffkunde und der Medizin zur Materialprüfung eingesetzt werden.
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Ausführung der Erfindung
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Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigen
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1 das Messprinzip mit Zwei-Elektrodenaordnung,
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2 das Messprinzip mit Vier-Elektrodenaordnung,
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3 den Aufbau der Mess-Sonde zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit,
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4 eine vergrößerte Darstellung des Messkopfes,
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5a ein schematischer Zwei-Elektroden Messkopf und
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5b ein Vier-Elektroden Messkopf.
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Die Vorrichtung zur elektrischen Impedanz-Analyse an schwer zugänglichen Orten besteht aus einer Mess-Sonde zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit und einer angeschlossenen Messtechnik. Die Mess-Sonde ist konstruktiv beweglich realisiert und wird beispielsweise in ein Endoskop oder einem Katheter integriert. Es können neben soliden Geweben auch Hohlorgane wie Harnblase, Magen, Darm, Gefäße usw., aber auch Ohr und Herz sondiert werden. Mittels der Impedanzmessung können z.B. Ablagerungen an Gefäßwandungen oder eine veränderte Gewebezusammensetzung z.B. bei Tumoren detektiert werden.
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1 und 2 zeigen das Messprinzip der Zwei- und Vier-Elektrodenanordnung. Über die Elektroden-Messspitzen 1 und 2 wird ein definierter Strom I in das Probenmaterial eingeprägt. Der spezifische Widerstand wird über das gemessene Potential (Spannung U) durch die Elektroden-Messspitzen 3 und 4 ermittelt.
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3 und 4 zeigen den Aufbau der Mess-Sonde zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit. Die Mess-Sonde besteht aus einem Messkopf A mit integrierten Elektroden B (im Beispiel Goldelektroden), welche sich in einem biokompatiblen, wechselbaren Kunststoff- oder Keramikaufsatz befinden. Je nach Anwendung wird ein Zwei-Elektroden (5a) oder Vier-Elektroden Messkopf (5b) für die Anwendung der Vierleiter- oder Zweileiter-Impedanzmessung eingesetzt. Der Kunststoff- oder Keramikaufsatz mit dem Messkopf A ist distal über ein Gelenk C (z.B. Kugelgelenk) mit einem starren oder flexiblen Verbindungsstück D verbunden. Innerhalb der Mess-Sonde führen Messleitungen zur angeschlossenen Messtechnik und dem Messwertaufnehmer F. An das starre oder flexible Verbindungsstück D ist an der dem Gelenk C gegenüber liegenden Seite ein Haltegriff E angefügt. Dieser kann ein Katheter oder ein Endoskop sein. Katheter bzw. Endoskop dienen der manuellen Führung und Positionierung der Mess-Sonde am Zielort. Der Messkopf A wird mit einer elektrischen oder mechanischen Vorrichtung positioniert und kann über das Gelenk C aktiv bewegt werden.
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Für die Anwendung in der Medizin besteht die Mess-Sonde zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit aus biokompatiblem Kunststoff oder Keramik. Für Anwendungen in anderen Bereichen können auch andere Werkstoffe vorgesehen werden.
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Als ein Beispiel für die Anwendung der Mess-Sonde soll der intraoperative Einsatz zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des Knochens bei Nekrose näher beschrieben werden. Die Mess-Sonde wird intraoperativ in das für das elektrostimulierende Implantat angefertigte Bohrloch im Knochen vor der Implantation des Implantats eingeführt. An dem defekten Knochenareal wird die Impedanz mittels einer RLC Messbrücke gemessen. Aus Sicherheitsgründen für den Patienten wird im OP die RLC Messbrücke in Form eines Handheld-Batteriegerätes eingesetzt. Die elektrische Leitfähigkeit wird dann durch Berechnungsoptimierung mittels numerischer Simulation abgeleitet und man erhält den ermittelten elektrischen Materialkennwert. Die neuen Stimulationsparameter sind so für den Patienten individuell optimiert und werden am Implantat eingestellt.
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Die Elektrodengeometrie ist abhängig vom eingesetzten Ort. Die Elektrodenform kann nadel-, kegel-, kugel und zylinderförmig sein.
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Für die medizinische Anwendung ist das Elektrodenmaterial nach dem Medizinproduktgesetz herzustellen und aus Metall oder Metalllegierungen (z. B. Gold, Iridium, Platin und Platin-Iridium-Legierungen). Des Weiteren können metallische Beschichtungen z. B. aus Gold oder Platin zur Anwendung kommen.
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Es stehen mehrere Analysesysteme mit unterschiedlichen physikalischen Prinzipien im Rahmen der Impedanzanalyse zur Verfügung. Dazu gehören beispielsweise die Fourier-Korrelationsanalyse (Frequenzganganalyse) in Verbindung mit dielektrischen Konvertern und die Impedanzanalyse mit automatischen Messbrücken.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann die Behandlung von Knochennekrosen oder schlecht heilende Knochenbrüchen mittels elektromagnetischer Stimulation patientenindividuell optimiert werden.
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Anwendungen in anderen Bereichen der Technik dienen der Betrachtung der Veränderung eines Werkstoffes, welche beispielsweise durch Korrosion, Verschmutzungen, chemische Veränderungen und Werkstoffalterung hervorgerufen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202008015661 U1 [0006]
- US 5782763 A [0008]
- US 6213934 B1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Zur Optimierung elektrostimulativer Hüftgelenksimplantate mit externer magnetischer Anregung“ (Dissertation Carsten Potratz, Universität Rostock, 2010, Seite 16 ff) [0009]
