DE102015114406A1

DE102015114406A1 - System zur drahtlosen Übertragung von Energie und/oder Signalen, der Wandlung der Energie und/oder Signale in andere Energieformen und/oder Signalformen sowie deren Applizierung und Detektion in peripheren Bereichen des Systems

Info

Publication number: DE102015114406A1
Application number: DE102015114406.9A
Authority: DE
Inventors: Holger Lausch; Michael Brand; Michael Arnold
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2017-03-02
Also published as: US10601247B2; US20190044380A1; EP3341077A2; JP2018533351A; WO2017036454A3; WO2017036454A2; KR20180050311A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur drahtlosen Übertragung von Energie und/oder Signalen zwischen räumlich voneinander getrennten Bereichen ohne elektrisch leitende Verbindung, der Wandlung der Energie und/oder Signale in andere Energieformen und/oder Signalformen sowie deren Applizierung und/oder Detektion in mindestens einem peripheren Bereich des Systems. Das System ermöglicht eine drahtlose Energieübertragung zwischen mindestens zwei räumlich getrennten Bereichen ohne elektrisch leitende Verbindung, wobei in mindestens einen dieser Bereiche Energie eingespeist und diese zu mindestens einem weiteren Bereich drahtlos übertragen, bedarfsgerecht in andere Energieformen gewandelt und in einem peripheren Bereich des Systems appliziert werden. Bei der Energieübertragung kann gleichzeitig auch eine Übertragung von Signalen erreicht werden. Die Signale können einerseits in einem peripheren Bereich des Systems durch physikalische, biologische oder chemische Prozesse oder Zustände generiert und vom System detektiert und gewandelt, andererseits aber auch unabhängig vom System erzeugt, in das System eingespeist und zum jeweils anderen Bereich drahtlos übertragen werden. Mit dem System können insbesondere mechanische, akustische, thermische, optische und andere physikalische oder chemische Gradienten (Schwingungen, Schallwellen oder Wärme) erreicht und in periphere Bereiche des Systems eingekoppelt oder übertragen werden.

Description

System zur drahtlosen Übertragung von Energie und/oder Signalen, der Wandlung der Energie und/oder Signale in andere Energieformen und/oder Signalformen sowie deren Applizierung und Detektion in peripheren Bereichen des Systems
Die Erfindung betrifft ein System zur drahtlosen Übertragung von Energie und/oder Signalen zwischen räumlich voneinander getrennten Bereichen ohne elektrisch leitende Verbindung, der Wandlung der Energie und/oder Signale in andere Energieformen und/oder Signalformen sowie deren Applizierung und/oder Detektion in mindestens einem peripheren Bereich des Systems.
Vorteilhaft ermöglicht das System eine drahtlose Energieübertragung zwischen mindestens zwei räumlich getrennten Bereichen ohne elektrisch leitende Verbindung, wobei in mindestens einen dieser Bereiche Energie eingespeist und diese zu mindestens einem weiteren Bereich drahtlos übertragen, bedarfsgerecht in andere Energieformen gewandelt und in einem peripheren Bereich des Systems appliziert werden.
Vorteilhaft kann bei der Energieübertragung gleichzeitig auch eine Übertragung von Signalen erreicht werden. Die Signale können einerseits in einem peripheren Bereich des Systems durch physikalische, biologische oder chemische Prozesse oder Zustände generiert und vom System detektiert und gewandelt, andererseits aber auch unabhängig vom System erzeugt, in das System eingespeist und zum jeweils anderen Bereich drahtlos übertragen werden.
Mit dem System können insbesondere mechanische, akustische, thermische, optische und andere physikalische oder chemische Gradienten (Schwingungen, Schallwellen oder Wärme) erreicht und in periphere Bereiche des Systems eingekoppelt oder übertragen werden. Vorteilhaft ist ein peripherer Bereich des Systems dabei ein Formkörper oder ein Teil eines Formkörpers. Der Formkörper kann dabei sowohl Bestandteil des Systems als auch Bestandteil externer Strukturen und Systeme sein, denen das System zugeordnet ist. Elemente des Systems können direkt in einen Formkörper eingebracht oder an dessen Oberfläche angeordnet, anschraubbar und/oder anspritzbar oder anschweissbar sein.
In medizinischen Anwendungen kann der Formkörper ein Implantat oder eine Osteosynthesekomponente/-platte oder eine Schraube oder ein Nagel oder eine Orthese sein. Bei Bauanwendungen kann der Formkörper ein Tragwerk oder eine Trägerstruktur, ein Mauerwerk oder ein Bewehrungselement sein. Im Fahrzeugbereich kann der Formkörper beispielsweise ein Fahrgestell oder ein Rahmen oder ein Bauteil sein. Auch hier kann die aktorische/sensorische Systemkomponente direkt in einen Formkörper eingebracht oder an dessen Oberfläche angeordnet, anschraubbar und/oder anspritzbar oder anschweissbar sein.
Insbesondere bei Implantaten kann es vorteilhaft sein, Schwingungen oder Schallwellen zur Dämpfungsanalyse an der Kontaktzone Knochen-Implantat zu Lockerungsdetektionszwecken oder für ein verbessertes Einwachsen im Gewebe als Stimulation oder zur versteifungshindernden Bewegungs- und damit auch Stoffwechselanregung des Zielgewebes inklusive oder exklusive der Nachbargewebe einzusetzen. Thermische Energie kann zur Initiierung von mechanischen Manipulationen an den Übergängen von Implantaten zum Gewebe, beispielsweise mittels Formgedächtnismaterialien, Blähsäcken oder über thermische Ausdehnung sowie zur Initiierung von chemischen Reaktionen zur Wirkstofffreisetzung genutzt werden.
Dabei ist es bekannt, Massen in Verbindung mit elektromagnetischen Wechselfeldern auszulenken, wobei eine Auslenkung zwischen zwei Umkehrpunkten erfolgt. Um ausreichende Ergebnisse zu erhalten, sind entsprechend hohe Massen von auszulenkenden Körpern erforderlich. Durch die Bewegungen tritt Verschleiß auf, was unerwünscht ist. Außerdem können unerwünschte Trägheitseffekte mit überhöht negativen wie positiven Beschleunigungen und damit verbundene Material-/Gewebeermüdungen wie auch entsprechende Schädigungen durch Dehnungs- und Stauchungsprozesse auftreten.
Außerdem kann eine Auslenkung ausschließlich im Bereich weniger Hertz erfolgen. Ohne die Analyse bei höheren Frequenzen können bestimmte Aussagen über den Zustand eines Implantates nicht getroffen werden, beispielsweise detaillierte Aussagen zur Festigkeit seiner Verankerung im Gewebe sowie zum Einfluss von Stimulationseffekten auf das Einwachsverhalten.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einfache, robuste und manipulationssichere Möglichkeiten für eine Übertragung, Wandlung und Applizierung von Energie und Signalen zu schaffen, die am Ort der Applizierung ohne komplexe Steuer- und Regelsysteme auskommen, die eine drahtlose Übertragung von Energie und Signalen zwischen räumlich getrennten, elektrisch nicht leitend verbundenen Bereichen und somit ein ausschließlich von einem externen Bereich aus drahtlos betreib- und steuerbares System ermöglichen und die eine Wandlung der Energie in andere Energiearten in der Gestalt realisieren, dass man dabei ohne frei bewegliche, schwingende oder federnde Massen auskommt so dass ein Einsatz für verschiedenste Applikationen, insbesondere bei Implantaten oder Prothesen, vorteilhaft ist.
Es ist insbesondere auch Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten zu schaffen, mit denen unterschiedliche Energieformen bedarfsgerecht ineinander umgewandelt werden können und die eine Nutzung dieser Energieformen zur räumlich definierten Manipulation von peripheren Bereichen des Systems und/oder für Signalübertragungszwecke ermöglichen. Letzteres erlaubt auch eine Nutzung des Systems für Detektionszwecke und zum Monitoring von Prozess- und Zustandsgrößen in peripheren Bereichen des Systems. Zur Manipulation peripherer Bereiche des Systems eignen sich vorzugsweise kinetische, thermische, chemische oder elektromagnetische Energieformen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem System, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Ein erfindungsgemäßes System ist so ausgebildet, dass in mindestens einem ersten externen Bereich mindestens ein erstes Wandlerelement, insbesondere eine elektrische Primärspule oder ein bewegbarer Permanentmagnet, mit dem ein magnetisches Wechselfeld generierbar und/oder mit dem die Energie eines magnetischen Wechselfeldes in elektrische Energie in inverser Form wandelbar ist, Bestandteil des Systems ist.
Weiterhin ist in mindestens einem zweiten, vom ersten Bereich räumlich getrennten und nicht elektrisch leitend verbundenen Bereich mindestens ein zweites Wandlerelement, insbesondere mindestens eine elektrische Spule, vorhanden, mit dem die Energie des magnetischen Wechselfeldes des ersten Wandlerelements infolge von Induktion in elektrische Energie wandelbar ist und/oder in inverser Form elektrische Energie in magnetische Energie wandelbar und zum ersten Wandlerelement übertragbar und/oder von einem weiteren Sensor detektierbar ist. In einer vorteilhaften Ausführung ist der mindestens einen elektrischen Spule mindestens ein ferromagnetischer Kern aus weichmagnetischem Material zugeordnet.
Das zweite Wandlerelement kann in einer Alternative der Erfindung so ausgebildet sein, dass die magnetische Energie des ersten Wandlerelements in thermische Energie wandelbar ist, wobei das zweite Wandlerelement dabei vorzugsweise mindestens eine kurzgeschlossene oder mit einem elektrischen Verbraucher versehene elektrische Spule ist, der ein oder mehrere ferromagnetische Kerne zugeordnet sein können. Die Wandlung der Energie des Magnetfeldes des ersten Wandlerelements in thermische Energie kann dabei mittels unterschiedlicher Wandlungsmechanismen erfolgen. Zum einen kann die Energie des Magnetfelds des ersten Wandlerelements zunächst in elektrische Energie und anschließend durch Joulesche Erwärmung der Spule und/oder eines an die Spule angeschlossenen elektrischen Verbrauchers, wie beispielsweise eines Glühdrahts, in thermische Energie gewandelt werden, zum anderen ist auch eine direkte Wandlung der Energie des Magnetfeldes in thermische Energie durch Hystereseverluste bei der Ummagnetisierung des Kernmaterials und/oder Wirbelstromverluste im Kernmaterial und leitfähigen Materialien in der Umgebung der Spule möglich. In Abhängigkeit von den gewählten Kernmaterialien sowie der Geometrie und Dimensionierung der Spulen und Kerne können je nach Anwendungsszenario unterschiedliche Varianten des zweiten Wandlerelements mit unterschiedlichen Anteilen der beschriebenen Wandelprozesse realisiert werden.
Es ist eine gegenseitige Beeinflussung der ausnutzbaren Wandelprozesse möglich. So ist eine Beeinflussung der Intensität der Wirkung des jeweiligen Wandelprozesses durch eine bestimmte Auswahl eines in der elektrischen Spule angeordneten Kerns möglich, was den Kernwerkstoff, die geometrische Dimensionierung (Form, Volumen) betrifft. Auch die Dimensionierung der elektrischen Spule mit Drahtdurchmesser, Windungszahl, Wicklungsbreite sowie Wicklungstyp kann die Wirkung eines zweiten Wandlerelements beeinflussen.
Für eine Joulesche Erwärmung sind relativ hohe elektrische Ströme günstig. Daher sind hohe Induktionsspannungen und ein Kern aus einem hochpermeablen weichmagnetischen Werkstoff sinnvoll. Eine Optimierung des Ohm’schen Widerstands der elektrischen Spule ist ebenfalls vorteilhaft, so dass die umgesetzte Leistung möglichst groß ist.
Für eine Hysterese-Erwärmung sind große Hystereseverluste nötig. Daher kann dabei ein Kernwerkstoff mit hohen Koerzitivfeldstärken und hoher Sättigungsflussdichte förderlich sein. Ummagnetisierungen und Entmagnetisierungen sollten möglich sein. Dazu ist ein magnetisch halbharter Kernwerkstoff vorteilhaft. Höhere Feldstärken des magnetischen Feldes des ersten Wandlerelements oder eines mit einem zweiten Wandlerelement generierten magnetischen Wechselfeldes führen ebenfalls zu einer verbesserten thermischen Wirkung. Ein weiterer Einflussparameter ist die Geometrie, z.B. das Länge-Breiten-Verhältnis, des Kerns, die so optimiert werden kann, dass das entmagnetisierende Feld im Kern möglichst gering wird.
Eine Erwärmung mittels Wirbelströmen tritt immer in Kombination mit Hysterese-Erwärmung auf. Eine Beeinflussung ist dabei durch die elektrische Leitfähigkeit der verwendeten Werkstoffe, die Schichtung zur Vermeidung von Wirbelströmen wie beim Transformator und die Ausrichtung der leitfähigen Bestandteile des Systems zum magnetischen Wechselfelds möglich.
Zusätzlich kann in einer weiteren Alternative eines erfindungsgemäßen Systems mindestens ein weiteres Wandlerelement Bestandteil des Systems sein. Das weitere Wandlerelement kann als drittes Wandlerelement elektrische Energie in kinetische Energie, insbesondere Schwingungen oder Schallwellen und/oder in inverser Form kinetische Energie in elektrische Energie wandeln und dabei insbesondere ein piezoelektrisches Element oder ein Permanentmagnet sein, das/der in einem Aufnahmeelement fixiert gehalten ist.
In einer weiteren Alternative der Erfindung kann allein oder zusätzlich zu einem dritten Wandlerelement ein viertes Wandlerelement vorhanden sein, welches die jeweiligen Energieformen des zweiten Wandlerelements, insbesondere elektrische und/oder thermische Energie in weitere Energieformen, insbesondere mechanische (kinetische/potentielle) und/oder chemische Energie und/oder elektromagnetische Strahlung wandeln. Dabei sind vorzugsweise Elemente mit hoher thermischer Ausdehnung, Blähsäcke, Formgedächtnismaterialien, thermo- und/oder elektrochemische Zellen und Reaktoren und/oder licht- bzw. strahlungsemittierende Elemente Bestandteile des vierten Wandlerelements. Die Wandlung der Energieformen des zweiten Wandlerelements in weitere Energieformen kann dabei durch thermische Ausdehnung von Festköpern, Flüssigkeiten oder Gasen und/oder Memoryeffekte und/oder thermisch oder elektrisch beeinflusste chemische Reaktionen und/oder atomare und molekulare Energieabsorption und -emission erfolgen.
Weiterhin können alle beschriebenen Wandlerelemente Komponenten zur direkten lokalen Weiterleitung der jeweiligen Energieform und/oder zur Applizierung oder Einkopplung von Energie in periphere Bereiche des Systems enthalten. Dies können insbesondere elektrische, magnetische, thermische oder akustische Leiter, Komponenten zur Abgrenzung oder für den Transport von Stoffen oder mechanische Verbindungs- und Koppelelemente sein.
Besteht ein erfindungsgemäßes System neben einem ersten und einem zweiten Wandlerelement aus einem vierten Wandlerelement, welches beispielsweise thermische Energie des zweiten Wandlerelements in kinetische Energie wandelt, so können zweites und viertes Wandlerelement durch ein thermisches Leiterelement verbunden sein.
Das erste Wandlerelement eines erfindungsgemäßen Systems ist in einem ersten Bereich angeordnet, der sich räumlich in einem Abstand zu den Bereichen aller anderen zweiten, dritten oder vierten Wandlerelemente befindet und mit diesen nicht elektrisch leitend verbunden ist.
Enthält das erste Wandlerelement mindestens eine elektrische Spule, so kann diese an einen Frequenzgenerator, eine elektrische Wechselspannungsquelle und/oder eine Einrichtung zur Erfassung eines elektrischen Stromes und/oder einer elektrischen Spannung angeschlossen sein, wodurch ein veränderliches magnetisches Feld generiert und/oder in inverser Form ein veränderliches magnetisches Feld in elektrische Signale umgewandelt und detektiert werden kann. Enthält das erste Wandlerelement Permanentmagneten, so ist durch deren Bewegung oder Rotation ebenfalls ein veränderliches magnetisches Feld oder ein Dreh- bzw. Wechselfeld generierbar. Zur Beeinflussung des Feldes kann das erste Wandlerelement zusätzlich ferromagnetische Komponenten enthalten. Bevorzugt wird mit dem ersten Wandlerelement ein magnetisches Wechselfeld definierter Frequenz erzeugt, indem mindestens eine elektrische Spule des ersten Wandlerelements mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt wird.
Ist das zweite Wandlerelement innerhalb des vom ersten Wandlerelement erzeugten magnetischen Wechselfeldes angeordnet, wird in der mindestens einen elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements eine elektrische Spannung gleicher Frequenz induziert und so die magnetische Energie in elektrische Energie gewandelt, die wiederum in andere Energieformen gewandelt werden kann. Dabei handelt es sich bevorzugt um kinetische Energie in Form von Schwingungen oder Schallwellen, die in einen Formkörper, der Bestandteil des Systems sein kann, oder in einen anderen Körper in peripheren Bereichen des Systems eingekoppelt werden kann.
Zu diesem Zweck kann das dritte Wandlerelement genutzt werden, das besonders bevorzugt ein piezoelektrisches Wandlerelement sein sollte. Ein piezoelektrisches Wandlerelement kann mit den zwei Polen der elektrischen Spule, die das zweite Wandlerelement bildet, elektrisch leitend verbunden sein und entsprechend der Frequenz der induzierten elektrischen Spannung kontrahieren, also seine Länge in mindestens einer Achsrichtung periodisch verändern. Ein solches drittes Wandlerelement sollte dabei in einem Aufnahmeelement fixiert gehalten sein, welches als mechanisches Koppelglied fungiert und die Weiterleitung, Emittierung und Einkopplung von Schwingungen oder Schallwellen in periphere Bereiche des Systems ermöglicht.
Es ist somit ein direkter Betrieb des dritten Wandlerelements möglich, wenn das piezoelektrische Wandlerelement wie beschrieben als Aktor genutzt wird. Dabei kann dieser mit der elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements in einem Gehäuse oder Formkörper angeordnet sein.
Beim inversen Betrieb eines solchen erfindungsgemäßen Systems können aus externen Bewegungen, Schwingungen oder Schallwellen mit dem piezoelektrischen Wandlerelement elektrische Spannungen erzeugt und somit die kinetische Energie in elektrische Energie gewandelt werden. Sind die elektrische Spule des zweiten Wandlerelements und das piezoelektrische Wandlerelement des dritten Wandlerelements elektrisch leitend miteinander verbunden, fließt ein elektrischer Strom durch die elektrische Spule des zweiten Wandlerelements und es wird ein entsprechendes magnetisches Feld generiert. Eine Verstärkung dieses magnetischen Feldes kann mit dem weichmagnetischen Kern und der damit verbundene Ausbildung eines Streufeldes erreicht werden.
In Abhängigkeit von der Kinetik der Bewegung, den Schwingungen oder den Schallwellen, die auf den piezoelektrischen Wandler übertragen werden, kann ein elektrischer Wechselstrom oder ein bestimmt gepulster elektrischer Strom oder auch ein unregelmäßiger Stromfluss und damit auch ein entsprechend veränderliches Magnetfeld resultieren. Mit dessen magnetischer Energie kann wiederum eine elektrische Spannung in der Spule des ersten Wandlerelements induziert und eine entsprechende Energiewandlung erreicht werden. Das erste Wandlerelement kann dabei außerhalb eines Gehäuses, eines Formkörpers und auch außerhalb eines dieses umgebenden Körpers oder Zellgewebes angeordnet sein kann.
Das erste Wandlerelement kann an eine Messeinrichtung zur Bestimmung der induzierten elektrischen Spannung angeschlossen sein, so dass über eine Bestimmung des elektrischen Stromes und/oder der elektrischen Spannung des ersten Wandlerelements eine drahtlose externe Detektion von mechanischen und akustischen Prozessen in peripheren Bereichen des dritten Wandlerelements oder auch eine definierte drahtlose Signalübertragung möglich ist, die frequenz- und/oder amplitudenabhängig und/oder signalformanhängig ausgewertet werden kann. Das erfindungsgemäße System kann somit auch als Sensor genutzt werden, bei dem die Signalübertragung über die Energieübertragung des erzeugten und veränderlichen Magnetfeldes erfolgt.
Es ist auch eine Detektion der auf diese Weise von der Spule des zweiten Wandlerelements generierten Magnetfelder mit einem extern angeordneten Magnetfeldsensor möglich. So ist beispielsweise eine Anwendung als Schrittzähler bis hin zur Gang- bzw. Bewegungsformdetektion möglich, wenn ein Teil des erfindungsgemäßen Systems an einem Lebewesen fixiert worden ist. Eine solche Fixierung kann in Doppelfunktion beispielsweise an einer Körperprothese/-orthese erfolgt sein, die ohnehin vom Lebewesen mitbewegt werden muss. In diesem Zusammenhang kann die kraft- und formschlüssige Fixierung eines solchen erfindungsgemäßen Systems mit einem lochförmigen Integrationsbereich an einer Osteosyntheseplatte oder anderen Osteosynthesekomponente mit einer traditionellen Lochanordnung bspw. über Verschraubung bei Anwendungen im/am Frakturbereich einen weiteren sensorischen Vorteil neben der bereits o.g. Einheilungsstimulation ermöglichen. Bei einer definierten physikalischen Belastung des Frakturbereiches erzeugt das erfindungsgemäße System beispielsweise an der Osteosyntheseplatte definierte Signale, die ein integraler Ausdruck des Fortschritts oder der Stagnation oder gar der Regression der Osteosynthese darstellen können.
In einem erfindungsgemäßen System sollte mindestens ein drittes und/oder viertes Wandlerelement mittels eines Aufnahmeelements fixiert sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass beliebige Kombinationen aus zweiten, dritten und vierten Wandlerelementen in einer Aufnahme fixiert sind.
Vorteilhaft ist es, wenn am Aufnahmeelement mindestens ein Konturelement ausgebildet ist. Damit kann eine verbesserte kraft- und formschlüssige Verbindung zu einem Formkörper und damit eine Kraft- oder Momentenübertragung und/oder eine Übertragung thermischer Energie oder auch anderer Energieformen in den Formkörper erreicht werden. Dazu ist es günstig, wenn das Aufnahmeelement mit mindestens einem dritten und/oder vierten Wandlerelement in einen Formkörper integriert oder zumindest teilweise vom diesem umschlossen ist. Das Aufnahmeelement sollte zumindest in dem Bereich, in dem das/die Konturelement(e) ausgebildet ist/sind den umgebenden Formkörper oder periphere Bereiche des Systems wie beispielsweise lebendes Zellgewebe erreichen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn ein Formkörper beispielsweise eine Prothese oder ein Implantat oder eine Osteosyntheseplatte oder ein anderes Osteosynthesematerial ist.
Ein Aufnahmeelement für mindestens ein zweites, drittes oder viertes Wandlerelement sollte je nach Anwendungszweck und Ausgestaltung des jeweiligen Wandlerelements vorteilhaft zumindest bereichsweise aus einem akustisch leitenden und/oder elastisch verformbaren Werkstoff gebildet und/oder akustisch leitend oder elastisch verformbar bzw. thermisch leitfähig oder thermisch isolierend, elektrisch leitfähig oder elektrisch isolierend ausgebildet sein.
Ein Aufnahmeelement kann beispielsweise aus einem elastisch verformbaren und thermisch wie auch elektrisch leitfähigen Werkstoff, insbesondere aus Titan oder Titanlegierungen, gebildet sein.
Außerdem besteht auch die Möglichkeit, dass ein Aufnahmeelement für ein Wandlerelement zumindest bereichsweise als Bestandteil eines anderen Wandlerelements fungiert, so kann das Aufnahmeelement eines zweiten und/oder dritten Wandlerelements zumindest bereichsweise als viertes Wandlerelement ausgebildet sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Aufnahmeelement thermische Energie weiterleitet und gleichzeitig, zumindest bereichsweise, durch Dehnungs- oder Memoryprozesse in kinetische Energie umwandelt.
Ein erfindungsgemäßes System wie oben beschrieben kann in jeden nicht ferromagnetischen Formkörper eingebracht werden. Dieser Formkörper kann auch elektrisch leitfähig sein. Weiterhin kann das System auch in weitere räumlich getrennte Bereiche, wie menschliche oder tierische Organismen, fluidische Systeme, Gas- und Flüssigkeitsdruckbehälter sowie Bau- und Tragwerke eingebracht werden. Das System kann zudem auch ausschließlich in eine Richtung betrieben werden, also sowohl ausschließlich Energie applizieren als auch ausschließlich als sensorisch wirksames Element fungieren.
Es ist günstig, ein erfindungsgemäßes System mit einem ersten Wandlerelement zu betreiben, welches magnetische Wechselfelder mit einer Frequenz im Bereich von 10 Hz bis 3000 Hz und bevorzugt in den Bereichen 10 Hz bis 50 Hz, 125 Hz bis 175 Hz sowie 300 Hz bis 3000 Hz generiert und somit in der elektrische Spule mindestens eines zweiten Wandlerelements elektrische Spannungen in ebendiesen Frequenzbereichen induziert.
Zur Ausbildung des magnetischen Wechselfeldes des ersten Wandlerelements kann eine mit Wechselspannung beaufschlagte elektrische Spule, die beispielsweise an einen Frequenzgenerator oder an eine definierte Invertersteuerung angeschlossen ist, oder ein sich bewegender Permanentmagnet genutzt werden. Zum Betrieb des Systems muss dann das erste Wandlerelement lediglich ausreichend nah an die im Aufnahmeelement aufgenommene elektrische Spule des zweiten Wandlerelements herangeführt sein, so dass ein Maximalabstand nicht überschritten wird, mit dem gesichert werden kann, dass in der elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements eine ausreichend große elektrische Spannung induziert werden kann. Mit einem zwischen Funktionsgenerator und elektrischer Spule des ersten Wandlerelements angeschlossenen Verstärker, z.B. mit 10-facher Verstärkung, kann der Maximalabstand vergrößert oder die Effektivität erhöht werden. Der Frequenzgenerator kann sinusförmig und ggf. mit variabler Frequenz betrieben werden. Prinzipiell sind aber auch andere Signalformen für den Betrieb eines Frequenzgenerators möglich.
Die Feldstärke des vom ersten Wandlerelement generierten magnetischen Wechselfeldes kann über die elektrische Spannung am Frequenzgenerator oder mit dem Verstärker beeinflusst werden. Dies beeinflusst neben dem Maximalabstand auch die in der elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements induzierte elektrische Spannung und somit die dorthin übertragene Energie.
Die in der elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements induzierte elektrische Spannung kann bei Einsatz eines bewegten Permanentmagneten im ersten Wandlerelement durch dessen magnetische Feldstärke, den Abstand zum zweiten Wandlerelement und die auf den Permanentmagneten wirkende kinetische Bewegungsenergie beeinflusst werden. Durch eine definierte Polausrichtung und Bewegungsrichtung des Permanentmagneten kann Einfluss auf die Richtung des generierten Magnetfeldes und damit auf die induzierte Spannung und den elektrischen Strom, der durch die elektrische Spule des zweites Wandlerelements fließt, genommen werden, was wiederum auch ein drittes Wandlerelement richtungsabhängig beeinflussen kann.
Gemäß des Gesetzes von BIOT-SAVART ist die magnetische Feldstärke an jedem Raumpunkt um eine elektrische Spule direkt proportional zum elektrischen Strom, der durch die elektrische Spule fließt. Dies trifft auch am Ort der elektrischen Spule des erfindungsgemäßen zweiten Wandlerelements zu. Setzt man zusätzlich einen Kern aus einem weichmagnetischen Werkstoff ein, der im Inneren der elektrischen Spule angeordnet ist, kann schon bei sehr geringen Feldstärken eine sehr hohe Magnetisierung erreicht werden. Diese kann durch die Wahl des Kernwerkstoffs zusätzlich beeinflusst werden. In Abhängigkeit von der Geometrie des verwendeten Kerns aus weichmagnetischem Werkstoff stellt sich im Kern ein entmagnetisierendes Feld ein, das die Feldstärke im Kern reduziert. Dieser Effekt kann folglich auch durch die Kerngeometrie beeinflusst werden. Als Folge ergibt sich eine resultierende magnetische Flussdichte im Kern, die sich bei steigendem Magnetfeld quasi linear ändert. Außerdem erfolgt durch die längliche Form eine Ausrichtung der Feldlinien senkrecht zu den Spulenwindungen, relativ unabhängig von der Richtung des magnetischen Feldes des ersten Wandlerelements. Da die Spulengeometrie der elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements, d.h. die Querschnittsfläche der Windungen und die Windungszahl unveränderlich sind, ändert sich der magnetische Fluss durch diese Spule nur bei einer Änderung der magnetischen Flussdichte. Die Änderung der magnetischen Flussdichte in der elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements erfolgt entsprechend der Magnetisierungskurve des Kernwerkstoffs und wird durch die periodische Änderung der Feldstärke des zur Anregung genutzten magnetischen Wechselfeldes des ersten Wandlerelements verursacht. Der Skalierungsfaktor zwischen magnetischer Feldstärke und Flussdichte ist die Permeabilität. Gemäß Induktionsgesetz ist die in der elektrischen Spule induzierte elektrische Spannung gleich der negativen zeitlichen Änderung des elektrischen Flusses durch die Spulenwindungen. Damit ist die Induktionsspannung in der Spule des zweiten Wandlerelements bei der beschriebenen Anordnung lediglich von der magnetischen Flussdichteänderung abhängig und damit sowohl proportional zur Anregungsfrequenz der elektrischen Spule, wie auch proportional zur Feldstärke des Magnetfeldes des ersten Wandlerelements. Das Magnetfeld des ersten Wandlerelements wird durch den elektrischen Stromfluss in dessen Spule hervorgerufen und ist der elektrischen Stromstärke proportional. Die elektrische Stromstärke ergibt sich gemäß den Gesetzen der elektrischen Wechselstromtechnik aus der an die Spule angelegten elektrischen Spannung und dem Wechselstromwiderstand. In diesem Fall ergibt sie sich aus dem Ohm’schen und dem induktivem Widerstand der Spule. Bei Vernachlässigung des sehr kleinen Ohm’schen Anteils, wie er beispielsweise durch einen großen Drahtdurchmesser erreichbar ist, sind der elektrische Strom und damit auch die magnetische Feldstärke des ersten Wandlerelements nur noch vom induktiven Widerstand abhängig und damit indirekt proportional zur Anregungsfrequenz. Zusammenfassend folgt also aus der direkten Proportionalität von Induktionsspannung in der Spule des zweiten Wandlerelements und Anregungsfrequenz, der direkten Proportionalität von Induktionsspannung in der Spule des zweiten Wandlerelements und magnetischer Feldstärke des ersten
Wandlerelements sowie der indirekten Proportionalität von Anregungsfrequenz und magnetischer Feldstärke des ersten Wandlerelements unter den genannten Annahmen und Vereinfachungen in der Spule des zweiten Wandlerelements eine konstante Induktionsspannung. Wird die Anregungsfrequenz verdoppelt, würde sich die in der Spule des zweiten Wandlerelements induzierte elektrische Spannung bei konstanter magnetischer Flussdichte ebenfalls verdoppeln, da jedoch die magnetische Feldstärke des ersten Wandlerelements durch den geringeren Stromfluss, bedingt durch den induktiven Widerstand der Spule halbiert wird, sinkt auch die magnetische Flussdichte auf die Hälfte und die in der Spule des zweiten Wandlerelements induzierte elektrische Spannung bleibt in Summe gleich. Damit ist gezeigt, dass eine erfindungsgemäße Frequenzunabhängigkeit der in der Spule des zweiten Wandlerelements induzierten elektrischen Spannung und damit eine frequenzunabhängige Erzeugung gleichstarker Gradienten ausgenutzt werden kann.
Wird für das erfindungsgemäße System ein viertes Wandlerelement genutzt, mit dem die thermische Energie, die mit einem zuvor beschriebenen zweiten Wandlerelement erhalten worden ist, in kinetische gewandelt werden soll, kann der Effekt der thermischen Ausdehnung oder eine Änderung der Geometrie eines Formgedächtnismaterials ausgenutzt werden. Dazu kann als viertes Wandlerelement eine Komponente genutzt werden, welche temperaturabhängig in mindestens einer Dimension seine Ausdehnung oder Länge ändert. Diese Komponente kann auch zumindest ein Teil des bereits erwähnten Aufnahmeelements sein. Ein solches viertes Wandlerelement kann auch über ein thermisches Leiterelement, welches eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, mit wenigstens Teilbereichen der elektrisch kurzgeschlossenen oder an einen elektrischen Verbraucher angeschlossenen Spule des zweiten Wandlerelements oder einem dieser zugeordneten ferromagnetischen Kern thermisch leitend verbunden sein. Dadurch kann das vierte Wandlerelement flexibler an einem bestimmten Ort angeordnet und dort die gewünschte Wirkung auf einen Formkörper oder periphere Bereiche des Systems erreicht werden.
Die thermische Energie des zweiten Wandlerelements kann aber auch über ein thermisches Leiterelement zu einem Ort weitergeleitet werden, an dem die Wärmeenergie in chemische Energie umgewandelt und/oder mittels thermochemischer Prozesse in einem Reaktor oder durch Reaktionen mit Bestandteilen und Stoffen in peripheren Bereichen des Systems zur Manipulation der Umgebung genutzt werden kann.
Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Systems mit einem ersten Wandlerelement, bei der eine elektrische Spule zur Wandlung der magnetischen in elektrische Energie benutzt wird, kann eine Überlagerung der elektrischen Betriebsspannung der Spule mit einer zusätzlich über die Aktivität des piezoelektrischen Wandlers in diese Spule induzierten elektrischen Spannung erfolgen. Das Verhältnis von elektrischer Betriebsspannung zu induzierter elektrischer Spannung kann relativ groß sein und z.B. bei 170V zu 10mV liegen. Demzufolge ist eine Differenzmessung der elektrischen Spannungen vorteilhaft, um die erhaltenen Spannungssignale von der Betriebsspannung zu diskriminieren.
Ein analoges Vorgehen ist bei der Messung mit einem externen Magnetfeldsensor als Empfänger günstig, wobei dort die Überlagerung des durch den Betrieb der Spule des ersten Wandlerelements direkt generierten Magnetfeldes mit dem von der magnetischen Spule des zweiten Wandlerelements aufgrund der Aktivität des piezoelektrischen Wandlers erzeugten Magnetfelds bei der Differenzmessung zu berücksichtigen ist.
Es kann vorteilhaft sein, die überlagerten Spannungs- oder Feldsignale zusätzlich einer Frequenz-Filterung zu unterziehen.
Soll eine solche Differenzmessung der Spannungen oder Feldstärken vermieden werden, so kann im ausgeschalteten Zustand des ersten Wandlerelements der ausschließlich durch die Aktivität des piezoelektrischen Wandlers und der elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements mit ggf. darin angeordnetem Kern ausgebildete Anteil des magnetischen Feldes gemessen werden. Dieser kann bspw. von der magnetischen Vorgeschichte und oder der Remanenz des Kerns beeinflusst sein. Die Messung kann auch in diesem Fall wie beschrieben entweder direkt mit einem Magnetfeldsensor oder durch die Messung der in der Spule des ersten Wandlerelements induzierten elektrischen Spannung erfolgen.
Bei einem erfindungsgemäßen System besteht auch die Möglichkeit, das zweite Wandlerelement, insbesondere also die elektrische Spule nicht permanent mit dem dritten Wandlerelement, das als piezoelektrischer Wandler ausgebildet sein kann, zu verbinden, sondern deren Verbindung extern getriggert zu schalten. Dies kann beispielsweise mit einem Reed-Kontakt erreicht werden. Dadurch kann die elektrische Spannung am piezoelektrischen Wandler des dritten Wandlerelements länger aufrechterhalten werden, wenn dieser vorab mit einer mechanisch Kraft beaufschlagt worden ist. Beim Schließen der elektrischen Verbindung zwischen dem piezoelektrischen Wandler und der elektrischen Spule kann über einen kürzeren Zeitraum ein größerer elektrischer Strom fließen. Dadurch kann eine bessere Detektion eines Messsignals ermöglicht werden, da die Intensität des Signals erhöht wird und der Zeitpunkt des Auftretens durch die extern getriggerte Schaltung bekannt ist.
Als Werkstoff des piezoelektrischen Wandlers des dritten Wandlerelements kann ein möglichst weicher piezoelektrischer Werkstoff mit hoher Hysterese eingesetzt werden. Bei einem piezoelektrischen Wandler (Stapelaktuator) mit den Abmessungen 3 × 3 × 2 mm³ und einer elektrischen Betriebsspannung der Spule des erstes Wandlerelements von 100 V (im getriggert geschalteten Betrieb) kann eine laterale Dehnung von 22 µm erreicht werden. Die elektrische Kapazität dieses piezoelektrischen Wandlers kann bei 25 nF liegen. Die Blockierkraft, mit der der piezoelektrischen Wandler im Aufnahmeelement fixiert ist, sollte größer 120 N sein.
Der piezoelektrischen Wandler des dritten Wandlerelements vollzieht bei Anregung mit elektrischer Wechselspannung eine Volumenschwingung. Die Querkontraktion vollzieht sich gemäß dem Steifigkeitstensor. Bei einem in Hauptdehnungsrichtung polarisierten piezoelektrischen Wandler kann die Querkontraktion durch Multiplikation mit der Poissonzahl (0,28...0,36) erhalten werden. Die dynamischen Steifigkeiten der Piezowerkstoffe sind sehr hoch und liegen üblicherweise im Bereich von mehr als 10 GPa. In einem erfindungsgemäßen System kann die Querdehnung ausgenutzt werden. Diese kann längs eines dünnen plattenförmigen Aufnahmeelements, das bevorzugt aus Titan oder einer entsprechenden Titanvanadiumaluminiumlegierung gebildet sein kann, übertragen werden. Der piezoelektrische Wandler des dritten Wandlerelements kann durch thermische Passung in dieses plattenförmige Aufnahmeelement integriert sein. Der ferromagnetische Kern, der im Inneren der elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements angeordnet ist, kann ebenfalls durch thermische Passung in das plattenförmige Aufnahmeelement integriert sein. Dadurch kann ein Teil der Schwingungswellenausbreitung außer über seitliche Stege/Konturelemente zum Teil durch den Kernwerkstoff erfolgen, wobei ausgenutzt werden kann, dass Stähle und Titan vergleichbare Schallkennimpedanzen haben (Stahl z.B. 5900 Ns/m³ vs. Titan 6100 Ns/m³).
Ein von einem ersten Wandlerelement generiertes magnetisches Wechselfeld mit einer magnetischen Feldstärke von ca. 2 kA/m kann in der elektrischen Spule des zweiten Wandlerelements beispielsweise eine Spannung mit einer Amplitude von mindestens 300 mV und einer Frequenz von 300 Hz induzieren. Da das mechanische Spannungs-Dehnungs-Verhalten eines piezoelektrischen Wandlers aus weicher Piezokeramik bei kleinen elektrischen Spannungen, beispielsweise bis zu einem Tausendstel der elektrischen Betriebsspannung, noch linear ist, kann ein so betriebener piezoelektrischer Wandler in einem erfindungsgemäßen System für kleine Leistungsschallanwendungen wie beispielsweise Körperschallanwendungen eingesetzt werden.
Ein piezoelektrischer Wandler als drittes Wandlerelement kann mit dem erfindungsgemäßen System somit energieautark und ohne interne Regelelektronik betrieben werden.
Ein polarisierter Piezo-Stapelaktuator als drittes Wandlerelement weist im Bereich unterhalb der Sättigungspolarisation einen linearen Zusammenhang zwischen elektrischer Feldstärke E und mechanischer Dehnung S auf. Im unteren Spannungs- bzw. Feldstärkebereich, bis zu etwa einem Drittel der elektrischen Betriebsspannung, gilt dies auch für den Betrieb entgegen der Polarisationsrichtung. Im quasi-statischen Betrieb bei Frequenzen kleiner als 10 Hz kann der Anstieg der U-S- bzw. E-S-Kennlinie jedoch abweichen. Die elektrische Betriebsspannung liegt in der Regel bei der elektrischen Spannung, die der halben Sättigungsfeldstärke entspricht. Das lineare Verhalten wird nicht durch das Einwirken einer konstanten von außen wirkenden Kraft beeinflusst. Weit unterhalb der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers ist bei konstanter Amplitude der elektrischen Spannung die mechanische Dehnung frequenzunabhängig. Die Resonanzfrequenz in 33-Richtung eines beschriebenen Stapelaktuators liegt bei 660 kHz und damit oberhalb der als günstig angegebenen Betriebsfrequenzen.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei zeigen:
1.1 ein Beispiel eines Teils eines erfindungsgemäßen Systems zur Applizierung von mechanischer Energie in teilweise geschnittener seitlicher Ansicht;
1.2 das Beispiel nach 1.1 in geschnittener seitlicher Ansicht mit sichtbarem ferromagnetischem Kern;
2.1 ein Beispiel eines Teils eines erfindungsgemäßen Systems zur Applizierung von mechanischer Energie im Querschnitt;
2.2 das Beispiel nach 2.1 in einer seitlichen Ansicht;
3.1 ein Beispiel eines Teils eines erfindungsgemäßen Systems zur Applizierung von thermischer Energie mit einem thermischen Leiterelement im Querschnitt;
3.2 das Beispiel nach 3.1 in einer seitlichen Ansicht;
3.3 das Beispiel nach 3.1 mit einem zusätzlichen Schaltelement in einer seitlichen Ansicht;
4.1 ein Beispiel eines Teils eines erfindungsgemäßen Systems, einer sogenannten Integrationskomponente, zur Applizierung von mechanischer und/oder thermischer Energie für die Integration in einen Formkörper im Querschnitt;
4.2 das Beispiel einer Integrationskomponente nach 4.1 mit gekennzeichneten Integrationsbereichen in einer Ansicht von oben;
4.3 das Beispiel einer Integrationskomponente nach 4.1 mit gekennzeichneten Integrationsbereichen in einer seitlichen Ansicht;
4.4 das Beispiel einer Integrationskomponente nach 4.1 integriert in einem Formkörper mit gekennzeichneten Integrationsbereichen in einer Ansicht von oben;
5.1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit einer vertikal in einen Formkörper eingebrachten Integrationskomponente zur Applizierung von mechanischer Energie mit sichtbaren Integrationsbereichen und zwei außerhalb angeordneten Spulen als erste Wandlerelemente zur Generierung mindestens eines magnetischen Wechselfeldes sowie Auslenkungsvektoren in seitlicher Ansicht;
5.2 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit einer horizontal in einen Formkörper eingebrachten Integrationskomponente zur Applizierung von mechanischer Energie mit sichtbarer Integrationsschnittstelle und zwei außerhalb angeordneten Spulen als erste Wandlerelemente zur Generierung mindestens eines magnetischen Wechselfeldes sowie Auslenkungsvektoren in seitlicher Ansicht;
5.3 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems nach 5.2 mit zusätzlich am Formkörper angeordneten Sensoren in seitlicher Ansicht;
5.4 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems nach 5.2 mit zusätzlich am Formkörper angeordneten Sensoren sowie einem am Formkörper angeordneten sensorisch-porösen Probekörper und einer Aktor-Sensor-Aktor-Anordnung in seitlicher Ansicht;
6.1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit einer vertikal in einen Formkörper eingebrachten Integrationskomponente zur Erzeugung von thermischer Energie und einem Wandlerelement zur nachgelagerter Wandlung in mechanische Energie inklusive einer Spule als erstes Wandlerelement in seitlicher Ansicht;
7.1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit einer horizontal in einen Formkörper eingebrachten Integrationskomponente zur Applizierung von mechanischer Energie in eine auf dem Formkörper angeordneten Aufnahmeeinheit für biologische Proben sowie zwei Spulen als erste Wandlerelemente, die an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Formkörpers und der Aufnahmeeinheit angeordnet sind, in seitlicher Ansicht;
7.2 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit einer vertikal in einen Formkörper eingebrachten Integrationskomponente zur Applizierung von mechanischer Energie in eine auf dem Formkörper angeordneten Aufnahmeeinheit für biologische Proben sowie zwei Spulen als erste Wandlerelemente, die an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Formkörpers und der Aufnahmeeinheit angeordnet sind, in seitlicher Ansicht;
8.1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit einer Integrationskomponente zur Applizierung von mechanischer Energie, welches in einem als Hüftgelenkprothese ausgebildetem Formkörper integriert ist sowie außerhalb angeordneter Spule als erstes Wandlerelement und Sensor in seitlicher Ansicht;
8.2 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit zwei Integrationskomponenten zur Erzeugung von thermischer Energie, welche in einem als Hüftgelenkprothese ausgebildetem Formkörper integriert sind, zwei vierten Wandlerelementen zur nachgelagerter Wandlung der thermischen in mechanische Energie sowie außerhalb angeordneter Spule als erstes Wandlerelement und Sensor in seitlicher Ansicht.
9.1 ein Beispiel einer Osteosynthesekomponente/-platte mit Loch-anordnung;
9.2 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit Lochanordnung im Integrationsbereich in Draufsicht;
9.3 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit Lochanordnung im Integrationsbereich in seitlicher Ansicht;
9.4 ein Beispiel der Integration eines erfindungsgemäßen Systems mit Lochanordnung im Integrationsbereich an einer Osteosynthesekomponente/-platte mit Lochanordnung ohne Schrauben in Draufsicht;
9.5 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit Lochanordnung im Integrationsbereich in seitlicher Ansicht, welches mittels thermischen Spritzens bspw. mit einer Titanvanadiumaluminiumlegierung eingebettet wurde;
9.6 ein Beispiel der Integration eines erfindungsgemäßen Systems mit Lochanordnung im Integrationsbereich an einer Osteosynthesekomponente/-platte mit Lochanordnung ohne Schrauben (Draufsicht), welches mittels thermischen Spritzens bspw. mit einer Titanvanadiumaluminiumlegierung eingebettet wurde
9.7 ein Beispiel der Integration eines erfindungsgemäßen Systems mit ankerförmiger Integrationsschnittstelle in einer Osteosyntheseschraube
9.8 ein Beispiel der Integration eines erfindungsgemäßen Systems mit radialer Integrationsschnittstelle in Gestalt einer Hülse oder einer thermisch gespritzten Plasmaschicht in einer Osteosyntheseschraube
In 1.1 und 1.2 ist ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems in zwei Ansichten gezeigt, bei dem in einem Aufnahmeelement 1, das bevorzugt aus Titan besteht eine elektrische Spule 2 als zweites Wandlerelement sowie ein piezoelektrisches Wandlerelement 15 als drittes Wandlerelement, das mit mehreren übereinandergestapelten plattenförmigen piezoelektrischen Elementen gebildet und mit der elektrischen Spule 2 durch elektrische Leiterelemente 25 so elektrisch leitend verbunden ist, dass bei einer an der elektrischen Spule 2 und dem piezoelektrischen Wandlerelement 15 anliegenden elektrischen Spannung eine Kontraktion oder Dehnung des piezoelektrischen Wandlerelements 15 erfolgt. Da zumindest das piezoelektrische Wandlerelement 15 kraft- und/oder formschlüssig mit dem Aufnahmeelement 1 verbunden ist, führt diese Veränderung des piezoelektrischen Wandlerelements 15 zu einer Kraftwirkung oder Verformung des Aufnahmeelements 1. Diese Kraftwirkung oder Verformung kann genutzt werden, um beispielsweise Schwingungen oder Schallwellen in einen mit dem Aufnahmeelement 1 verbundenen oder diesen zumindest bereichsweise umschließenden Formkörper 13 einzukoppeln.
Um diesen Effekt der Einkopplung zu verbessern, sind, wie die Darstellung in 1.2 zeigt, am Aufnahmeelement 1 Konturelemente 1a vorhanden, die zu einem verbesserten Formschluss und größerer Hebelwirkung führen. Bei diesem Beispiel sind die Konturelemente 1a nasenförmig ausgebildet. Es können aber auch andere geometrische Formen für Konturelemente 1a, wie z.B. haken- und/oder abgewinkelte Elemente oder Flansche gewählt werden.
Das Aufnahmeelement 1 hat bei diesem Beispiel einen rechteckigen Querschnitt. Das piezoelektrische Wandlerelement 15 ist von einer keramischen Schicht 4 umschlossen, die lediglich von den elektrischen Leiterelementen 25 zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement 15 und der elektrischen Spule 2 durchbrochen und wodurch eine elektrische und/oder thermische Isolation der Bestandteile des Systems erreichbar ist.
Seitlich des Aufnahmeelementes 1 sind untereinander drei Varianten eines ersten Wandlerelements dargestellt, wobei die erste Varianten des ersten Wandlerelements aus einer elektrische Spule 9 zur Generierung eines magnetischen Wechselfeldes gebildet wird. In der zweiten darunter liegenden Variante enthält das erste Wandlerelement zusätzlich noch einen in der elektrischen Spule 9 angeordneten ferromagnetischen Kern 10.1. Bei der Darunter liegenden dritten Variante ist der ferromagnetische Kern 10.2 außerhalb der elektrischen Spule 9 angeordnet. Die dargestellten Varianten erster Wandlerelemente können alternativ wie auch kombiniert verwendet werden. Außerdem sind auch von der dargestellten seitlichen Anordnung der ersten Wandlerelemente zum Aufnahmeelement 1 abweichende Anordnungen einzelner oder mehrerer erster Wandlerelemente möglich.
Mit den beschriebenen Varianten eines ersten Wandlerelements können magnetische Wechselfelder unterschiedlicher Frequenz generiert werden, wenn die elektrische Spule 9 eines ersten Wandlerelements mit einer Wechselspannung, die beispielsweise von einem nicht gezeigten Frequenzgenerator erzeugt werden kann, gespeist wird. Befindet sich in der Umgebung und in ausreichender Nähe dieses magnetischen Wechselfeldes die elektrische Spule 2 eines zweiten Wandlerelements, so wird in dieser eine elektrische Spannung induziert. Zur Erhöhung der induzierten Spannung ist in der Spule 2 ein ferromagnetischer Kern 3 aus weichmagnetischen Material angeordnet. Da das piezoelektrische Wandlerelement 15 mittels der elektrischen Leiterelemente 25 elektrisch leitend mit der elektrischen Spule 2 verbunden ist, kommt es je nach Polung und Verlauf der induzierten Spannung, die unter Beachtung der Lenzschen Regel beeinflusst werden kann, zu Deformationen des piezoelektrischen Wandlerelements 15, die über das Aufnahmeelement 1 und die angebrachten Konturelemente 1a auf die Umgebung und insbesondere auf einen hier nicht dargestellten verbundenen Formkörper in Form von Schwingungen oder Schallwellen übertragen werden können.
So kann mit dem erfindungsgemäßen System drahtlos Energie von einem ersten Bereich, in dem sich mindestens ein erstes Wandlerelement befindet in einen zweiten räumlich getrennten, nicht elektrisch leitende verbundenen Bereich mit mindesten einem zweiten Wandlerelement übertragen und in diesem Bereich mittels einem als piezoelektrisches Wandlerelement 15 ausgebildeten dritten Wandlerelements Schwingungen oder Schallwellen emittiert und mittels des Aufnahmeelements 1 auf die Umgebung übertragen und/oder in einen verbundenen Formkörper eingekoppelt werden.
2.1 und 2.2. zeigen einen komplexeren Aufbau eines Teils eines erfindungsgemäßen Systems in zwei Ansichten. Es ist erkennbar, dass eine elektrische Spule 2 als zweites Wandlerelement einen ferromagnetischen Kern 3 umschließt, so dass dieser im Inneren der elektrischen Spule 2 angeordnet ist. Elektrische Spule 2, ferromagnetischer Kern 3 sowie ein Teil des Aufnahmeelements 1 sind von mehreren zylinderförmigen keramischen Schichten 4 und 6, die sowohl elektrisch, wie auch thermisch isolierend wirken, umschlossen. Die keramischen Schichten 4 und 6 können aus dielektrischen keramischen Werkstoffen, bevorzugt Zirkon- oder Aluminiumoxid gebildet sein.
Darüber ist eine diese keramischen Schichten 4 und 6 ummantelnde Schicht 7 aus Molybdän vorhanden. Diese Molybdänschicht 7 ist von einer Hülse 8 aus Titan, die kraft-, form- und/oder stoffschlüssig mit der Schicht 7 verbunden ist, umschlossen, wobei zwei Stirnflächen offen sind, so dass die Konturelemente 1a oder ein thermischer Leiter 5, der hier nicht dargestellt ist, herausragen können. In der Anordnung kann außerdem ein hier nicht dargestelltes drittes Wandlerelement, beispielsweise ein piezoelektrischer Wandler integriert sein.
Die integrierte Anordnung der Bestandteile des erfindungsgemäßen Systems in der beschriebenen gekapselten Art erlaubt eine einfache Integration dieser in einen hier nicht abgebildeten Formkörper sowie die elektrische und thermische Isolation einzelner Systembestandteile untereinander und/oder der Systembestandteile zu peripheren Bereichen des Systems und wird als Ganzes in folgenden als Integrationskomponente 28 bezeichnet.
In 3.1 und 3.2 ist ein weiteres Beispiel einer Integrationskomponente 28, also eines komplexeren Aufbaus eines Teils eines erfindungsgemäßen Systems in zwei Ansichten gezeigt, bei dem wieder in einem Aufnahmeelement 1 eine elektrische Spule 2 als zweites Wandlerelement form- und/oder kraftschlüssig aufgenommen und wiederum von mehreren zylinderförmigen keramischen Schichten 4 und 6, die sowohl elektrisch, wie auch thermisch isolierend wirken, umschlossen ist. Darüber ist wieder eine diese keramischen Schichten 4 und 6 ummantelnde Schicht 7 aus Molybdän vorhanden, die von einer Hülse 8 aus Titan kraft-, form- und/oder stoffschlüssig umgeben ist.
Die elektrische Spule 2 und/oder ein nicht erkennbarer ferromagnetischer Kern 3 ist mit einem thermischen Leiterelement 5 verbunden, das nach außen aus dem Aufnahmeelement 1 herausgeführt ist. Dieses thermische Leiterelement 5 kann dabei vollständig oder nur bereichsweise nach außen geführt sein. Das thermische Leiterelement 5 kann aus einem thermisch gut leitenden Metall, wie z.B. Aluminium, Kupfer oder einer Legierung dieser Elemente gebildet sein. Es können aber auch Edelmetalle oder Titan dafür genutzt werden. Es kann zudem vollständig oder bereichsweise aus einem Formgedächtnismetall gebildet sein. Ein thermisches Leiterelement 5 kann auch mit einem Element, das in Abhängigkeit der jeweiligen Temperatur seine Längenausdehnung verändert und aus einem Werkstoff mit einem hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet sein.
Befinden sich die Bestandsteile des dargestellten Systems in einem mittels hier nicht gezeigten ersten Wandlerelementen generierten magnetischen Wechselfeld, so führt der durch die in der Spule 2 induzierte elektrische Spannung entstehende Stromfluss bei kurzgeschlossener oder mit einem elektrischen Verbraucher belasteten Spule 2 und die Hystereseverluste im ferromagnetischen Kern sowie die Wirbelströme in den elektrisch leifähigen Bestandteilen des Systems zu einer Erwärmung der elektrischen Spule 2 und des ferromagnetischen Kerns 3. Über Wärmeleitung im thermischen Leiterelement 5 erreicht diese Temperaturerhöhung auch die Bereiche des Formgedächtnismetalls oder des sich bei Erwärmung ausdehnenden Elements und es kann thermische Energie in mechanische Energie gewandelt werden.
Ist ein zusätzliches thermisch aktivierbares Element 12 als viertes Wandlerelement, insbesondere ein Aktor der thermische in mechanische Energie wandelt und beispielsweise aus einem Formgedächtnismetall besteht, vorhanden, kann dieses außerhalb der Hülse 8 angeordnet und mittels des thermischen Leiterelements 5 mit den in der Hülse 8 integrierten Bestandteilen, insbesondere der elektrischen Spule 2 und dem ferromagnetischen Kern 3 thermisch leitend verbunden sein.
Ein solches viertes Wandlerelement kann aber auch im Inneren der Hülse 8 und von den keramischen Schichten 4 und 6 umgeben angeordnet sein. In diesem Fall kann es mit dem Aufnahmeelement 1 so verbunden sein, dass eine Bewegung bei Über- und Unterschreiten einer jeweiligen Sprungtemperatur oder eine entsprechende Verformung des Aufnahmeelements 1 möglich ist.
3.3 zeigt ein Beispiel einer Integrationskomponente 28 gemäß 3.1 und 3.2 mit einem zusätzlichen Schaltelement 26, mit welchem der Zeitpunkt der Wandlung der Energie des magnetischen Wechselfeldes des ersten Wandlerelements in thermische und/oder elektrische Energie und/oder dessen Weiterleitung an dritte und/oder vierte Wandlerelemente oder periphere Bereiches des Systems extern getriggert beeinflusst werden kann.
Insbesondere kann ein Kurzschluss der elektrischen Spule 2 und/oder die elektrische Verbindung zwischen elektrischer Spule 2 und einem elektrischen Verbraucher, wie beispielsweise einem Glühdraht und/oder die Verbindung zwischen der elektrischen Spule 2 einem integrierten dritten Wandlerelement, wie beispielsweise einem piezoelektrischen Wandler und/oder die elektrische Verbindung zu einem vierten Wandlerelement mittels eines Reed-Kontakts als Schaltelement 26 definiert hergestellt oder unterbrochen werden. Dadurch ist auch der Zeitpunkt der Erzeugung von thermischer Energie im zweiten Wandlerelement beeinflussbar. Ebenso kann damit, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung dargelegt, der Zeitpunkt der Entladung eines zu Detektionszwecken benutzten, mit mechanischen Impulsen beaufschlagten piezoelektrischen Wandlers über die Spule 2 beeinflusst werden.
Weiterhin ist auch eine extern getriggerte Herstellung oder Unterbrechung einer thermischen Verbindung, beispielsweise zwischen thermischen Leiter 5 und einem vierten Wandlerelement, welches die thermische in mechanische Energie wandelt möglich. Dazu kann das Schaltelement 26 beispielsweise zusätzlich zu einem Reed-Kontakt eine Bimetallkomponente enthalten oder ganz als Bimetallkomponente ausgebildet sein, die bei Verformung einen thermischen und ggf. zusätzlich einen elektrischen Kontakt herstellt oder unterbricht.
4.1 zeigt beispielhaft den Querschnitt eines Teils eines erfindungsgemäßen Systems gemäß 2.1, welches sich bevorzugt für die Integration in einem Formkörper 13 eignet und eine Integrationskomponente 28 bildet.
4.2 und 4.3 zeigen die Integrationskomponente 28 in einer Ansicht von oben bzw. einer seitlichen Ansicht. Dabei sind die Integrationsbereiche 27, durch welche die Verbindung des Teils mit dem Formkörper hergestellt wird mit gestichelten Linien umrahmt. Diese können Teile der Aufnahmeeinheit 1 oder daran gebildeter Konturelemente 1a wie auch Teile der Hülse 8 enthalten. Die Verbindung des Formkörpers 13 mit den Integrationsbereichen 27 der Integrationskomponente 28 kann beispielsweise über Passungen oder Klemmungen aber auch über Löt- oder Schmelzprozesse erfolgen.
4.4 zeigt einen Teil eines Formkörpers 13, in dem eine erfindungsgemäße Integrationskomponente 28 gemäß 4.1, 4.2 und 4.3 integriert ist. Dabei sind wieder die Integrationsbereiche 27 mit einer gestrichelten Linie umrahmt. Weiterhin ist ersichtlich, dass sich die Integrationsbereiche 27 der Integrationskomponente, über welche die Verbindung mit dem Formkörper 13 hergestellt wird, in den Bereichen der am Aufnahmeelement 1 ausgebildeten Konturelemente 1a befinden.
Den 5.1 und 5.2 kann man beispielhaft die Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Systems mit einer in einen Formkörper 13 integrierten Integrationskomponente 28 entnehmen. Dabei kann mit den beiden elektrischen Spulen 9.1 und 9.2 als erste Wandlerelemente, die an einen hier nicht gezeigten Frequenzgenerator angeschlossen sind, ein magnetisches Wechselfeld generiert werden, durch welches in einer hier nicht gezeigten elektrischen Spule 2 eines zweiten Wandlerelements, das sich in der Integrationskomponente 28 befindet, eine elektrische Spannung mit der gleichen Frequenz induziert wird, was wiederum zu den vorab erläuterten Deformationen eines piezoelektrischen Wandlerelements 15 als drittes Wandlerelement führt. Mit den gezeigten Pfeilen 29 soll die jeweilige Wirkrichtung der entsprechenden Kräfte verdeutlicht werden. Durch die Verbindung der Integrationskomponente 28 mit dem Formkörper 13 über die Integrationsbereiche 27 werden die durch die wirkenden Kräfte erzeugten mechanischen Impulse als Wellen oder Schwingungen auf den Formkörper 13 übertragen bzw. in diesen eingekoppelt. Der gestrichelte Rahmen um die elektrische Spule 9.2 soll andeuten, dass diese auch unabhängig von der elektrischen Spule 9.1 betrieben werden oder auch ganz entfallen kann
5.1 zeigt dabei eine vertikal in einen Formkörper 13 eingebrachte Integrationskomponente 28, wobei die Spulen 9.1 und 9.2 des ersten Wandlerelements ebenfalls vertikal angeordnet sind, während 5.2 eine horizontal in einen Formkörper 13 eingebrachte Integrationskomponente 28 mit horizontal angeordneten Spulen 9.1 und 9.2 des ersten Wandlerelements darstellt.
5.3 zeigt ein erfindungsgemäßes System gemäß 5.1, wobei am Formkörper 13 zusätzlich Sensoren 18 angebracht sind, mit denen eine Überwachung oder auch Regelung der Wirkung erreicht werden kann. Als Sensoren 18 können beispielsweise Beschleunigungssensoren, Temperatursensoren, Magnetfeldsensoren, elektrische Feldsonden oder akustische Sensoren eingesetzt werden. Die Sensoren 18 können dabei Messsignale skalar wie auch richtungsabhängig erfassen. Die Beeinflussung der Wirkung des Systems kann dabei sowohl über direkt zwischen den Sensoren 18 und den Teilen des Integrationsmoduls 28 angeordnete Leiterelemente wie auch, wie im allgemeinen Teil beschrieben, durch drahtlos eingespeiste Signale aus einem externen Bereich erreicht werden.
5.4 zeigt ein erfindungsgemäßes System gemäß 5.3, bei dem am Formkörper 13 zusätzlich ein sensorisch wirksamer poröser Körper 30 und ein auf diesen wirkendendes bzw. mit diesem interagierendes und schematisch dargestelltes Sensor-Aktor-Netzwerk 31 vorhanden sind.
In der Umgebung des sensorisch wirksamen porösen Körpers 30 können beispielsweise Flüssigkeiten oder Gase vorhanden sein, die den porösen Körper wenigstens teilweise durchdringen und durch das erfindungsgemäße System mit mechanischen Impulsen, Wellen oder Schwingungen beaufschlagt werden. Ändern sich extern bedingt physikalische Eigenschaften der Umgebung wie beispielsweise der Druck, die Temperatur oder das Strömungsverhalten dieser Stoffe, so kann dies zu einem empfindlich veränderten Reaktionsverhalten der in dem sensorisch wirksamen porösen Körpers 30 enthaltenen Stoffe auf die mechanische oder akustische Anregung mit dem erfindungsgemäßen System führen, welches wiederum durch das gezeigte Sensor-Aktor-Netzwerk 31 detektiert werden kann und so empfindliche Messungen der entsprechenden physikalischen Größen ermöglicht.
6.1 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit einem verformbaren Element 32 als viertes Wandlerelement, das an einem Formkörper 13 angeordnet ist und mit einem Initiatorelement 33 verbunden ist, welches in der Lage ist die Deformation des verformbaren Elements 32 auszulösen. Das verformbare Element 32 ist in deformierter Form 32a gestrichelt dargestellt. In dem Formkörper 13 ist eine Integrationskomponente 28 eingebracht, die über ein hier nicht dargestelltes Leiterelement oder den Formkörper direkt mit dem Initiatorelement 33 verbunden ist, wodurch eine Weiterleitung der beim Betrieb des Systems in der Integrationskomponente 28 erzeugten Energie an das Initiatorelement 33 in direkter oder gewandelter Form ermöglicht wird. Die Verbindung kann je nach Art des Initiatorelements 33 elektrischer, thermischer, akustischer, mechanischer, stofflicher oder chemischer Natur sein. Bei dem Initiatorelement 33 kann es sich beispielsweise um ein arretierendes Element aus einem Material mit hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten handeln, welches beim thermisch induzierten Auslösevorgang die gespeicherte Energie eines vorgespannten Federelements als verformbares Element 32 durch Gewährung der Ausdehnung wiederfreigibt. Weiterhin können chemische Reaktoren oder Blähsäcke als Initiatorelement 33 fungieren.
Das hier beispielhaft beschriebene erfindungsgemäße System eignet sich besonders als Wiederverankerungs- oder Wiederblockiersystem, welches den verlorengegangenen Kontakt des Formkörpers mit einem umgebenden Körper bzw. seiner Peripherie wiederherstellt.
Die 7.1 und 7.2 zeigen zwei Varianten eines erfindungsgemäßen Systems mit einer in einem Formkörper 13 integrierten Aufnahme 21 für biologische Proben. Zwei elektrische Spulen 9.1 und 9.2 als erste Wandlerelemente sind an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Formkörpers 13 und der Aufnahme 21 angeordnet. Innerhalb des Formkörpers 13 ist eine Integrationskomponente 28 vorhanden. Die beiden Varianten unterscheiden sich in der Ausrichtung der elektrischen Spulen 9.1. und 9.2 sowie der Integrationskomponente 28 zur Aufnahme 21, wobei 7.1 einer horizontale und 7.2 eine vertikale Anordnung darstellt. Mit dem dargestellten System kann eine Beeinflussung einer in der Aufnahme 21 enthaltenen biologischen Probe durch Schwingungen erreicht werden.
Die beiden elektrischen Spulen 9.1 und 9.2 können, angedeutet durch den gestrichelten Rahmen um Spule 9.2 in 7.2 auch unabhängig voneinander, alternierend oder zeitversetzt betrieben werden, so dass sich die Ausbreitungsrichtung von in den Formkörper eingekoppelten Schwingungen oder Schallwellen beeinflussen lässt. Es kann auch eine der Spulen allein genutzt werden. Eine solche Anordnung mehrerer elektrischer Spulen 9 eines ersten Wandlerelements kann auch bei anderen Ausführungsformen und Applikationen für die Erfindung genutzt werden.
Bei diesem Beispiel ist auch ein Sensor 18 vorhanden, mit dem die Wirkung des erfindungsgemäßen Systems, wie schon zuvor beschrieben, überwacht und/oder eine Regelung realisiert werden kann.
Die 8.1 und 8.2 sollen vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten erfindungsgemäßer Systeme verdeutlichen.
In 8.1 ist eine Integrationskomponente 28 zur Erzeugung, Weiterleitung und Einkopplung von mechanischer Energie in eine Prothese für ein Hüftgelenk als Formkörper 13 aufgenommen. Ein Teil der Prothese liegt am Femur 22.1 an. Die Kugel der Prothese ist im Pelvis 22.2 gehalten. Außerhalb des jeweiligen Lebewesens oberhalb der Außenhaut 23 ist eine elektrische Spule 9 als erstes Wandlerelement in einem Abstand angeordnet. Das von der Spule 9 generierte magnetische Wechselfeld bewirkt, wie vorab beschrieben und erläutert, mittels einer elektrischen Spule 2 als zweites Wandlerelement und einem elektrisch mit dieser verbundenen piezoelektrischen Wandler 15 als drittes Wandlerelement, wobei sich beide Wandlerelemente in der Integrationskomponente 28 befinden, vermittelt über ein Aufnahmeelement 1 mit Konturelementen 1a eine Einkopplung von mechanischen Schwingungen und Wellen in die Prothese als Formkörper und in deren periphere Bereiche. Dadurch kann das Einwachsen der Prothese in das Knochengewebe stimuliert werden.
Es ist auch eine spätere Überprüfung der Festigkeit des Sitzes der Prothese im Knochen möglich. Dazu kann beispielsweise mit der elektrischen Spule 9 als invers betriebenes erstes Wandlerelement ein von der elektrischen Spule 2 des zweiten Wandlerelements generiertes magnetisches Wechselfeld oder magnetisches Signal detektiert und ausgewertet werden. Ein solches kann dann entstehen, wenn beispielsweise durch Schwingungen oder Deformationen des Formkörpers 13 in Gestalt der Prothese bedingt, elektrische Spannungen mit einem piezoelektrischen Wandlerelement als drittes Wandlerelement 15 erzeugt werden. Mit dem daraus resultierenden elektrischen Stromfluss durch die direkt mit dem piezoelektrischen Wandlerelement verbundene elektrische Spule 2 wird dann ein magnetisches Wechselfeld generiert, das mit der Spule 9 des ersten Wandlerelements detektiert und ausgewertet werden kann.
Für alternative Anwendungen wie Bauteil- oder Tragwerkmonitoring kann eine solche Schwingung oder Deformation des sensorisch wirkenden Formkörpers 13 auch definiert generiert werden, beispielsweise wie bei Härteprüfungen mit einem Poldi-/Baumannhammer oder mittels anderer akustischer Signalgeneratoren. Durch diese Methodik können auch Veränderungen im Spannungszustand des Formkörpers an sich und seiner Peripherie sowie in den Verbindungsstellen zwischen Formkörper und Peripherie detektiert werden.
Die Messung des von der Spule 2 des zweiten Wandlerelements generierten Magnetfeldes kann auch mit einem extern angeordneten Magnetfeldsensor oder einer separaten Sensorspule als Sensor 18 gemessen und anschließend ausgewertet werden.
In 8.2 sind zwei Integrationskomponenten 28 zur Erzeugung und Weiterleitung von thermischer Energie in einer Prothese für ein Hüftgelenk als Formkörper 13 aufgenommen. Ein Teil der Prothese liegt am Femur 22.1 an. Die Kugel der Prothese ist im Pelvis 22.2 gehalten. Außerhalb des jeweiligen Lebewesens oberhalb der Außenhaut 23 ist eine elektrische Spule 9 als erstes Wandlerelement in einem Abstand angeordnet. Das von der Spule 9 generierte magnetische Wechselfeld bewirkt, wie vorab beschrieben und erläutert, mittels der beiden zweiten Wandlerelemente, die sich in den beiden Integrationskomponenten 28 befinden, über die Prinzipien der Jouleschen Erwärmung sowie der Hysterese- und Wirbelstromverluste eine Erwärmung wenigstens von Bestandteilen der Integrationskomponenten 28, insbesondere von deren Spulen 2 und/oder integrierten ferromagnetischen Kernen 3. Mit den verformbaren Elementen 32 als vierte Wandlerelemente kann zumindest ein Teil dieser Wärmeenergie in kinetische Energie gewandelt werden. Dadurch kann beispielsweise eine Wiederverankerung der Prothese im Knochengewebe erreicht werden.
Bei erfindungsgemäßen Systemen, insbesondere bei den zuvor beschriebenen Beispielen kann ein in der elektrischen Spule 2 angeordneter ferromagnetischer Kern 3 eines zweiten Wandlerelements beispielsweise eine Länge von 6 mm und einen Außendurchmesser von 2 mm aufweisen. Der Kernwerkstoff kann beispielsweise ein weichmagnetisches Material, welches unter der Handelsbezeichnung PERMENORM 5000H2 kommerziell erhältlich ist oder ein magnetisch halbhartes Material, das unter der Handelsbezeichnung VACOZET 258 kommerziell erhältlich ist, sein. Bei ersterem handelt es sich um eine Nickel-Eisen-Legierung mit einer Sättigungspolarisation von 1.55T, bei letzterem um eine Kobalt-Eisen-Nickel-Legierung mit einer Remanenzinduktion von 1,4 T und einer Koerzitivfeldstärke von 1–5 kA/cm.
Der ferromagnetische Kern 3 eines zweiten Wandlerelements kann bei erfindungsgemäßen Systemen zur Erzeugung thermischer Energie mit einer vorzugsweise kurzgeschlossenen elektrischen Spule 2 umwickelt sein.
Eine elektrische Spule 2 eines zweiten Wandlerelements kann aus einem Kupferdraht mit einem Drahtdurchmesser von 0,18 mm und einer Windungszahl N = 100 hergestellt worden sein. Ihre Länge in Längsachsrichtung kann 5–6 mm betragen.
Bei der thermischen und elektrischen Isolierung der Bestandteile der Integrationseinheit 28 ist es günstig, eine Temperaturbeständigkeit von 1000 °C bis 1600 °C, eine Wärmeleitfähigkeit von 0,48 W/m – 1K–1 bis 2,1 Wm – 1K–1, eine thermische Ausdehnung von 7 × 10–6 K–1 bis 14 × 10–6 K–1, einen spezifischer elektrischer Widerstand von 108 bis 109 cm und eine dielektrische Spannungsfestigkeit von 5 kV/mm einzuhalten.
Das zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Systems benötigte und vom ersten Wandlerelement generierte magnetische Wechselfeld kann mittels einem oder mehrerer bewegter Permanentmagnete und/oder mittels einer elektrischen Spule oder einer Kombination von elektrischen Spulen, denen ein oder mehrere ferromagnetische Kerne 10 zugeordnet sein können, erzeugt werden.
In 9.1 wird als ein Beispiel eines Formkörpers 13 eine Osteosyntheseplatte mit einer Lochanordnung 14.1 gezeigt, wie sie zur Verschraubung von Knochenfrakturelementen benutzt wird.
In 9.2 wird als ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Systems eine akustische Anregungseinheit in einer Titanhülse 8 mit an beiden Enden angeordneten verschraubungsförmigen Konturelementen 1a mit einer entsprechenden Lochanordnung 14.2 in Draufsicht gezeigt.
9.3 zeigt eine akustische Anregungseinheit in einer Titanhülse 8 mit an beiden Enden angeordneten verschraubungsförmigen Konturelementen 1a mit einer entsprechenden Lochanordnung 14.2 in seitlicher Ansicht.
In 9.4 wird in Draufsicht die in 9.2 und 9.3 dargestellte akustische Anregungseinheit in einer Titanhülse 8 mit an beiden Enden angeordneten verschraubungsförmigen Konturelementen 1a mit einer entsprechenden Lochanordnung 14.2 in der Gestalt auf die in 9.1 dargestellten Osteosyntheseplatte 13 mit einer Lochanordnung 14.1 gelegt, dass die beiden Lochanordnungen 14.1 und 14.2 formschlüssig übereinanderliegen und somit eine kraftschlüssige Verschraubung der beiden Komponenten untereinander und/oder mit den Knochenfrakturenden ermöglicht wird. Eine von der in einer Hülse angeordneten akustischen Anregungseinheit ausgehende osteostimulative, mechanoakustische Vibration kann so kraftschlüssig auf die Osteosyntheseplatte 13 und über deren Verschraubung an den Knochenfrakturenden direkt auf den Knochen appliziert werden. Die Osteosyntheseplatte regt so die Mechanotransduktion im Frakturbereich topisch an.
In 9.5 wird eine akustische Anregungseinheit, hier eingebettet in einer Titanhülse 8, mit an beiden Enden angeordneten verschraubungsförmigen Konturelementen 1a mit einer entsprechenden Lochanordnung 14.2 in seitlicher Ansicht gezeigt, welche mittels thermischen Spritzens mit einer Titanvanadiumaluminiumlegierung bioaktiv ummantelt wurde.
In 9.6 wird die in 9.5 dargestellte akustische Anregungseinheit analog zur 9.4 in der Gestalt auf die in 9.1 dargestellte Osteosyntheseplatte 13 mit einer Lochanordnung 14.1 gelegt, dass die beiden Lochanordnungen 14.1 und 14.2 formschlüssig übereinanderliegen und somit eine kraftschlüssige Verschraubung der beiden Komponenten untereinander und/oder mit dem Knochenfrakturenden ermöglichen. Eine von der in einer Hülse angeordneten akustischen Anregungseinheit ausgehende osteostimulative, mechanoakustische Vibration kann so kraftschlüssig auf die Osteosyntheseplatte 13 und über deren Verschraubung an den Knochenfrakturenden direkt auf den Knochen appliziert werden. Die Osteosyntheseplatte regt so die Mechanotransduktion im Frakturbereich topisch an.
In 9.7 wird die Integration eines erfindungsgemäßen Systems mit ankerförmigen Integrationsbereichen 27 in einer Osteosyntheseschraube (Formkörper) 13 mit einem vor und einem nach der akustischen Anregungseinheit (Integrationskomponente) 28 angeordneten Gewinden 24 dargestellt.
In 9.8 wird die Integration eines erfindungsgemäßen Systems mit radialer Integrationsschnittstelle in Gestalt einer Hülse 8 oder einer thermisch gespritzten Plasmaschicht in der Bohrung 14.3 in einer Osteosyntheseschraube (Formkörper) 13 mit einem vor und einem nach der akustischen Anregungseinheit (Integrationskomponente) 28 angeordneten Gewinden 24 dargestellt.
In 9.7 und 9.8 kann eine von der in einer Hülse angeordneten akustischen Anregungseinheit (Integrationskomponente) 28 mit einem vor und einem nach der Integrationskomponente 28 angeordneten Gewinde 24 ausgehende osteostimulative, mechanoakustische Vibration so kraftschlüssig auf die Osteosyntheseschraube 13 und über deren Verschraubung an den Knochenfrakturenden direkt auf den Knochen appliziert werden. Die Osteosyntheseschraube regt so die Mechanotransduktion im Frakturbereich topisch an.
Alle Komponenten eines erfindungsgemäßen Systems, welche in den Beispielen als Einzelkomponenten ausgeführt sind, insbesondere die ersten, zweiten, dritten und vierten Wandlerelemente sowie die Aufnahme- und Leiterelemente können zudem auch mehrfach und in Kombination Bestandteile eines erfindungsgemäßen Systems sein
Bezugszeichenliste

1: Aufnahmeelement
1a: Konturelemente
2: elektrische Spule eines zweiten Wandlerelements
3: ferromagnetischer Kern eines zweiten Wandlerelements
4: erste keramische Schicht
5: thermisches Leiterelement
6: zweite keramische Schicht
7: Molybdänschicht
8: Titanhülse / Titanplasmashülle
9: elektrische Spule des ersten Wandlerelements
9.1: erste elektrische Spule des ersten Wandlerelements
9.2: zweite elektrische Spule des ersten Wandlerelemente
10: ferromagnetischer Kern eines ersten Wandlerelements
12: thermisch aktivierbares Element / viertes Wandlerelement
13: Formkörper
14.1: Bohrungen in Formkörper (z. B. hier in Osteosyntheseplatte)
14.2: Bohrungen in Integrationskomponente
14.3: Bohrungen in Formkörper (z. B. hier in Osteosyntheseschraube)
15: piezoelektrisches Wandlerelement / drittes Wandlerelement
18: Sensoren
21: Aufnahme für biologische Proben
22.1: Femur
22.2: Pelvis
23: Außenhaut
24: Gewinde
25: elektrische Leiterelemente
26: Schaltelement
27: Integrationsbereiche
28: Integrationskomponenten
29: Kraftwirkrichtungen
30: sensorisch wirksamer poröser Körper
31: Sensor-Aktor-Netzwerk
32: verformbares Element / viertes Wandlerelement
32a: deformiertes verformbares Element / viertes Wandlerelement
33: Initiatorelement

Claims

System zur drahtlosen Übertragung von Energie und/oder Signalen zwischen räumlich voneinander getrennten Bereichen ohne elektrisch leitende Verbindungen, der Wandlung der Energie und/oder Signale in andere Energieformen und/oder Signalformen sowie deren Applizierung und/oder Detektion in mindestens einem peripheren Bereich des Systems mit – mindestens einem ersten Wandlerelement (9), insbesondere einer ersten elektrischen Spule oder einem magnetisierbaren Material oder einem bewegbaren Permanentmagnet, mit dem magnetische Wechselfelder und/oder magnetische Signalformen generierbar und/oder detektierbar sind, wobei das erste Wandlerelement (9) in einem ersten Bereich angeordnet ist, – mindestens einem zweiten Wandlerelement (2), insbesondere einer zweiten elektrischen Spule, das eine wechselseitige, uni- oder bidirektionale Wandlung von Energie der magnetischen Wechselfelder und/oder der magnetischen Signalformen in elektrische Energie und/oder elektrische Signalformen ermöglicht sowie einem dritten Wandlerelement (15), das eine wechselseitige, uni- oder bidirektionale Wandlung der elektrischen Energie und/oder elektrischen Signalformen in mechanische Energie, insbesondere in Form von Schwingungen oder Schallwellen, ermöglicht, wobei das zweite Wandlerelement (2) und das dritte Wandlerelement (15) in einem dem ersten Bereich benachbarten weiteren Bereich angeordnet ist, oder – mindestens einem zweiten Wandlerelement (2), insbesondere einer zweiten elektrischen Spule, mit dem die Energie der vom ersten Wandlerelement (9) generierbaren magnetischen Wechselfelder durch Hysterese-Erwärmung und/oder Wirbelströme und/oder durch Joulesche Erwärmung des zweiten Wandlerelements (2) in thermische Energie wandelbar ist sowie einem thermischen Leiterelement (5), das die thermische Energie zum Ort der Applizierung weiterleitet, wobei das zweite Wandlerelement (2) sowie das thermische Leiterelement (5) in einem dem ersten Bereich benachbarten weiteren Bereich angeordnet ist, oder – mindestens einem zweiten Wandlerelement (2), insbesondere einer zweiten elektrischen Spule, das eine wechselseitige, uni- oder bidirektionale Wandlung von Energie der magnetischen Wechselfelder und/oder der magnetischen Signalformen in elektrische Energie und/oder elektrische Signalformen und/oder thermische Energie ermöglicht sowie mindestens einem vierten Wandlerelement (32, 32a), das mit dem zweiten Wandlerelement (2) elektrisch und/oder thermisch leitend verbunden ist und das eine wechselseitige, uni- oder bidirektionale Wandlung der elektrischen Energie und/oder elektrischen Signalformen und/oder thermischen Energie in weitere Energieformen, insbesondere mechanische Energie und/oder chemische Energie und/oder elektromagnetische Strahlung, wenigstens anteilsweise, ermöglicht und/oder diese Energieformen weiterleitet, wobei das zweite Wandlerelement (2) und das vierte Wandlerelement (32, 32a) in einem dem ersten Bereich benachbarten weiteren Bereich angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zweite, dritte oder vierte Wandlerelemente allein oder mit anderen Wandlerelementen gemeinsam in einem Aufnahmeelement (1) fixiert sind.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Wandlerelement (15) ein piezoelektrisches Wandlerelement ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in einem zweiten Wandlerelement (2) ein ferromagnetischer Kern angeordnet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wandlerelement (2) und das dritte Wandlerelement (15) direkt elektrisch leitend verbunden sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein drittes Wandlerelement (15) als Kurzschlusstrecke der Spule des zweiten Wandlerelements (2) ausgebildet ist oder eine solche beinhaltet.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein viertes Wandlerelement die Energie mindestens eines zweiten Wandlerelements (2) und/oder mindestens eines dritten Wandlerelements (15) wenigstens teilweise in andere Energieformen, insbesondere kinetische, thermische, elektromagnetische oder chemische Energie wandelt und/oder weiterleitet.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten, dritten oder vierten Wandlerelemente (2, 15, 32) in einer Parallel- und/oder Reihenanordnung oder unabhängig voneinander angeordnet sind, so dass eine mehrfache Wandlung magnetischer Energie in elektrische, mechanische, kinetische Energie und/oder thermische Energie erreichbar ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Wandlerelement (9) eine elektrische Spule mit einem ferromagnetischen Kern (10, 10.1, 10.2) ist, wobei der ferromagnetische Kern (10, 10.1, 10.2) in und/oder an der elektrischen Spule angeordnet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Wandlerelement (9) aus einer Kombination mehrerer Spulen besteht, denen ein oder mehrere ferromagnetische Kerne (10, 10.1, 10.2) aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien zugeordnet sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Aufnahmeelement (1) mindestens ein Konturelement (1a) vorhanden ist oder das Aufnahmeelement (1) aus einem elastisch verformbaren oder akustisch leitenden Werkstoff, insbesondere aus Metall oder einer Metalllegierung, gebildet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wandlerelement (2), das dritte Wandlerelement (15) und/oder das vierte Wandlerelement (32) zumindest teilweise von einem Formkörper (13) umschlossen ist.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (13) eine Prothese, eine Orthese, ein Implantat oder ein Osteosynthesehilfsmittel ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wandlerelement (9) magnetische Felder und Signalformen mit Frequenzen im Bereich 10 Hz bis 3000 Hz, bevorzugt im Bereich 175 Hz bis 300 Hz bereitstellt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wandlerelement (9) mindestens eine mit einer konstanten Wechselspannung beaufschlagte elektrische Spule enthält und mindestens eines der zweiten, dritten oder vierten Wandlerelemente (2, 15, 32) die Wandlung der Energie der magnetischen Wechselfelder und/oder der magnetischen Signalformen des ersten Wandlerelements (9) in elektrische Energie und/oder elektrische Signalformen und/oder weitere Energie- oder Signalformen derart ermöglicht, so dass durch das letzte Wandlerelement einer Kaskade ein physikalischer Gradient frequenzunabhängig realisiert ist.
System nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem Formkörper (13) mindestens ein Sensor oder sensorisch wirksamer, bevorzugt poröser Körper (30) zugeordnet ist.
System nach Anspruch 12, 13 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Formkörper (13) mindestens eine Aufnahme (21) für eine Probe vorhanden ist, wobei die Probe bevorzugt eine biologische Probe ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von mindestens einem der zweiten, dritten oder vierten Wandlerelementen erzeugten Signale von einem Sensor aufnehmbar sind, wobei der Sensor in dem ersten Bereich oder in einem weiteren Bereich in denen sich die Wandlerelemente nicht befinden angeordnet ist.
System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Sensor zur Detektion von Magnetfeldern, insbesondere ein Magnetfeldsensor oder eine Sensorspule (18) ist.
System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorspule (18) mit mindestens einer der elektrischen Spulen (9.1, 9.2) des ersten Wandlerelements (9) zusammenfällt.