DE102015120516A1

DE102015120516A1 - Vorrichtung zum Anregen einer Vibration für Knochen

Info

Publication number: DE102015120516A1
Application number: DE102015120516.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bender; Rainer Bader; Martin Sass; Daniel Klüß; Christian Schulze
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Universitaet Rostock
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2017-06-01

Abstract

Ein implantierbarer Schwingungserzeuger (18) kann in ein Implantat (13) oder direkt in einen Knochen (12) eingesetzt werden. Er enthält einen federnd aufgehängten magnetischen Schwingkörper (22), der von einer externen, ein pulsierendes oder die Feldrichtung wechselndes Magnetfeld in Schwingung versetzt wird. Das Magnetfeld kann von einer externen Einrichtung (23), jedoch auch von einem mobilen, vom Patienten getragenen Gerät erzeugt werden. Es ist auch möglich, die Vibration intern mit einem elektrisch betriebenen Schwingungserzeuger zu erzeugen, der von einer Batterie oder einem Akkumulator gespeist und ggf. über Induktion aufladbar ist. Die in den Knochen oder über das Implantat mittelbar in den Knochen eingebrachte Vibration hat eine Doppelfunktion: es fördert die Ossiointegration, das Einwachsen eines Implantats und wirkt einer Osteoporose entgegen.

Description

Anwendungsgebiet und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anregen einer Vibration in und/oder an Knochen.
Osteoporose ist eine Erkrankung der Knochen, die durch eine verringerte Knochendichte und strukturelle Verschlechterung des Knochengewebes charakterisiert ist. Sie kann zur Knochenbrüchigkeit führen und bringt ein erhöhtes Frakturrisiko mit sich, besonders für Hüfte, Wirbelsäule und Handgelenk. Drei gemeinsame Schlüsselrisikofaktoren für die Osteoporose sind Alter, Unbeweglichkeit, und hormonelle Veränderungen bei Frauen nach der Menopause.
Frakturen im Bereich der Hüfte betreffen am häufigsten den proximalen Femur (Oberschenkelhals) und zählen zu den schwerwiegendsten Folgen der Osteoporose. Zudem ist bei osteoporotischem Knochen das Risiko einer periprothetischen Fraktur nach Implantation eines künstlichen Hüftgelenks erhöht. Das Risiko einer Fraktur kann durch die Aufrechterhaltung der Knochenstärke und die Unterstützung eines schnellen Knochenumbaus reduziert werden.
Es ist bekannt, dass mechanische Reize den Aufbau von Knochenstrukturen positiv beeinflussen. Dieses Ziel kann durch ein körperliches Trainingsprogramm erreicht werden. Jedoch können Unbeweglichkeit, Alter und andere Faktoren die Ausführung eines optimalen Trainingsprogramms negativ beeinflussen oder sogar verhindern. Es wurde herausgefunden, dass mechanische Reize in Form von Ganzkörper-Vibrationstraining förderlich für den Knochenaufbau seien können. So werden für die Einkopplung von Vibrationen auf den Körper externe Vibrationsvorrichtungen verwendet. Bisher vorhandene Lösungen nutzen meist eine Rüttelplatte, welche die Vibrationen von außen in den Körper einkoppelt. Vielfach wird dabei eine variable Amplitude der Vibrationen verwendet und es können zu starke Belastungen auf den Knochen ausgeübt werden. Dadurch kann bei Patienten mit Endoprothesen zu einer Lockerung des Implantats führen.
Aufgabe und Lösung
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen.
Dazu schlägt die Erfindung einen implantierbaren Schwingungserzeuger vor. Dieser kann direkt in einen Knochen implantiert werden, z.B. in einen leicht zugänglichen, für die mechanische Festigkeit wenig bedeutsamen Teil eines Knochens. Besonders bevorzugt ist aber, den Schwingungserzeuger in ein Knochenteil ersetzendes Implantat einzusetzen. Dadurch wird bei Patienten mit einer Endoprothese eine Stärkung der Knochenstruktur durch Mikrovibrationen erreicht. Die mithilfe des in das Implantat integrierten mechanischen Schwingers erzeugten Vibrationen werden dabei an den umgebenden Knochen weitergegeben. Dadurch kann die Therapie räumlich unabhängig gestaltet werden.
Die Anregung des Schwingungserzeugers kann durch ein externes Magnetfeld erzeugt werden, das durch eine körperexterne stationäre oder mobile Einrichtung, also z.B. durch ein Standgerät oder ein am Körper getragenes Gerät aufgebracht wird. In diesem Falle ist es vorteilhaft, dass nur der mechanische Teil des Vibrationssystems in das Implantat bzw. die Endoprothese eingebracht wird. Die notwendige Elektronik zur Schwingungserzeugung und Steuerung befindet sich bei dieser Version außerhalb des Patienten.
Es ist aber auch möglich, den implantierten Schwingungserzeuger mit einer Vibrationseinheit zu versehen, die die Schwingungen elektrisch oder elektronisch intern erzeugt. Sie kann entweder von einer eigenen Energiequelle, zum Beispiel einer Batterie oder einem Akkumulator gespeist werden oder von der körperexternen Einrichtung fernversorgt werden, z.B. durch Induktion.
In jedem Falle spielt bei der Verwendung von Endoprothesen die Sekundärstabilität eine große Rolle. Diese entwickelt sich nach der Implantation durch den Heilungsprozess der Osseointegration, d.h. das Einwachsen des lmplantats in den umgebenden Knochen, nachdem die Primärstabilität intraoperativ hergestellt wurde. Dieser Einheilungsprozess kann durch die Erfindung beschleunigt werden. Ein schnelles Einwachsen des lmplantats ist erstrebenswert, weil sich die Zeit der Bewegungseinschränkung für den Patienten reduziert. Mit der vorliegenden Erfindung wird also die Unterstützung der Osseointegration durch Mikrovibrationen erreicht, die durch den beschriebenen, im Implantat integrierten mechanischen Schwinger erzeugt werden. Die Gefahr einer frühzeitigen Lockerung des lmplantats aus dem Knochen kann somit reduziert werden. Mit spezifischen Vibrationsfrequenzen kann zum Aufbau von Knochenmineraldichte beigetragen werden.
Durch die Erfindung werden somit mechanische Schwingungen erzeugt und diese auf das lmplantatsystem und das umliegende Knochengewebe übertragen. Die mechanische Belastung führt zu einer günstigen Beanspruchung des Knochens. Dadurch wird das Zellwachstum im Knochen angeregt. Dies kann zu einer Stärkung der Knochenstruktur beitragen und die Osseointegration von Endoprothesen verbessern.
Die Schwingungsanregung erfolgt bei der vorliegenden Erfindung intrakorporal, d.h. die Vibrationen werden gezielt dort erzeugt, wo sie angewendet werden sollen. Bei bisherigen Systemen werden die Schwingungen hingegen über eine Vibrationsplatte auf den gesamten Körper übertragen.
Die vorliegende Erfindung hilft also, durch die Erzeugung von Mikrovibrationen die Knochenstruktur zu stärken und damit insbesondere der Osteoporose entgegenwirken. Weiterhin ist eine verbesserte Einheilung von Endoprothesen zu erzielen. Dies bringt für den Patienten den Vorteil einer schnelleren Genesung. Durch die intrakorporale Anregung der Vibrationen ist es zudem möglich, die Amplitude der Schwingungen besser zu steuern und zu gewährleisten, dass ein sicherer Level nicht überschritten wird. Mikrovibrationen werden also an Ort und Stelle erzeugt.
Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischenüberschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
1 und 2 in Front- und Schrägansicht, eine körperexterne Einrichtung zum Betrieb eines in einem Teilschnitt schematisch dargestellten implantierten Schwingungserzeugers,
3 ein Detail aus 1,
4 ein Teil eines Implantats mit eingesetztem Schwingungserzeuger und
5 eine “Explosions-Darstellung“ zu 4.
Detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
In 1 und vergrößert in 3 ist eine Hüfte 11 gezeigt mit dem proximalen Teil des Oberschenkelknochens (Femur) 12 einer Person 10, in den ein Implantat (Endoprothese), bestehend aus Schaft 13, Hals 14 und Kopf 15 eingesetzt ist, das den Oberschenkelhals (Collum ossis femoris) und dessen Kopf (Caput ossis femoris) ersetzt. Der Kopf 15 artikuliert in der Hüftgelenkpfanne 16, die ebenfalls als Implantat in den Beckenknochen 17 eingesetzt ist.
In das Implantat 13 ist ein Schwingungserzeuger 18 eingesetzt. Es handelt sich um eine Schraube aus Titan oder einem anderen biokompatiblem Implantatwerkstoff, die im Innern einen Hohlraum 19 hat. In dem Hohlraum 19 ist eine Blattfeder 20, z.B. aus Messing, angeordnet. Die Feder ist an einem Ende an einem den Hohlraum verschließenden Deckel 21 der Schraube fest eingespannt, am anderen Ende der Blattfeder wird, z.B. mithilfe einer Klebeverbindung, ein Schwingkörper 22, z.B. in Form einer Kugel, befestigt. Der Schwingkörper kann aus permanentmagnetischem oder magnetisierbarem (ferromagnetischem) Material bestehen. Der Schwingungserzeuger 18 kann auf der Außenseite ein Gewinde haben und in eine entsprechende Bohrung des Implantats 13 eingeschraubt sein. Er kann z.B. im proximalen Bereich des Implantats 13 in einer bereits für Auszugwerkzeuge vorhandenen Gewindebohrung 25 eingebracht sein. Die 4 und 5 zeigen in vergrößertem Maßstab die vorher beschriebenen Teile.
Wenn dies aus medizinischen Gründen möglich und sinnvoll ist, kann der Schwingungserzeuger auch direkt in einen Knochen implantiert werden. Er kann so zur Behandlung von Osteoporose eingesetzt werden, wenn dort noch kein knochenersetzendes Implantat notwendig ist.
Zur Schwingungserzeugung wird ein magnetisches Wechselfeld auf den betreffenden Körperbereich aufgebracht. 1 und 2 zeigen eine Einrichtung 23 in Form eines Standgerätes mit zwei Magnetspulen 24, zwischen denen die zu behandelnde Person 10 steht. Sie erzeugen ein magnetisches Wechselfeld mit auf die Schwingungsfrequenz des Schwingungserzeugers 18 abgestimmter Frequenz. Dies versetzt den Schwingkörper 22 in seiner federnden Aufhängung in Schwingung und bringt damit eine Vibration in das Implantat ein, das sich auch auf den das Implantat umgebenden Knochenbereich auswirkt. Bei einem permanentmagnetischen Schwinger entsprechender Ausrichtung führt der periodische Wechsel der magnetischen Feldrichtung zu einer noch kräftigeren Schwingung. Die Einrichtung 23 kann ein Steuergerät zur Anpassung der Frequenz, Amplitude und Dauer der Behandlung enthalten.
Für eine längere Behandlung ist es möglich, die Einrichtung mobil zu gestalten und beispielsweise in einer am Körper zu tragenden Tasche nahe der zu behandelnden Körperstelle unterzubringen. Sie kann einen externen Energiespeicher in Form von Akkumulatoren oder Batterien, eine Steuerungselektronik und Magnetspulen oder andere Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes enthalten. Dies ist besonders dann sinnvoll, wenn der Schwingungserzeuger relativ nahe an der Körperoberfläche platziert ist.
Ferner ist es denkbar, einen elektrisch betriebenen Schwingungserzeuger in das Implantat oder direkt in den Knochen zu integrieren, der von einer Batterie oder durch ein induktives Feld von außen gespeist oder aufgeladen wird.
Gemäß der Erfindung wird also ein implantierbarer Schwingungserzeuger (18) in ein Implantat (13) oder direkt in einen Knochen (12) eingesetzt. Er enthält einen federnd aufgehängten magnetischen Schwingkörper (22), der von einer externen, ein pulsierendes oder die Feldrichtung wechselndes Magnetfeld in Schwingung versetzt wird. Das Magnetfeld kann von einer externen Einrichtung (23), jedoch auch von einem mobilen, vom Patienten getragenen Gerät erzeugt werden. Es ist auch möglich, die Vibration intern mit einem elektrisch betriebenen Schwingungserzeuger zu erzeugen, der von einer Batterie oder einem Akkumulator gespeist und ggf. über Induktion aufladbar ist.
Die in den Knochen oder über das Implantat mittelbar in den Knochen eingebrachte Vibration hat eine Doppelfunktion: es fördert die Osseointegration, das Einwachsen eines Implantats und wirkt einer Verminderung der Knochendichte im Implantatlager entgegen.
Bezugszeichenliste

10: Person
11: Hüfte
12: Femur
13: Implantat
14: Hals
15: Kopf
16: Pfanne
17: Beckenknochen
18: Schwingungserzeuger
19: Hohlraum
20: Blattfeder
21: Deckel
22: Schwingkörper
23: Einrichtung
24: Magnetspulen
25: Gewindebohrung

Claims

Vorrichtung zum Anregen einer Vibration in- und/oder an Knochen (12), gekennzeichnet durch einen implantierbaren Schwingungserzeuger (18).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger (18) direkt in einen Knochen (12) implantierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger (18) in einem ein Knochenteilen ersetzendes Implantat (13) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine körperexterne energie- und/oder signalübertragende Einrichtung (23) zum Betrieb des Schwingungserzeugers (18).
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger (18) dazu ausgebildet ist, durch ein externes, von der körperexternen Einrichtung (23) erzeugtes Magnetfeld zur Schwingungserzeugung angeregt zu werden.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger (18) einen magnetischen oder magnetisierbaren Schwingkörper (22) enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger (18) eine Empfangseinrichtung für den Empfang von elektrischer Energie durch Induktion enthält.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger (18) eine eigene Energiequelle aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger (18) nach Art eines Schraub- oder Steck-Einsatzes ausgebildet ist, der in eine Bohrung eines Implantats (13) einsetzbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserzeuger (18) einen Hohlraum (19) aufweist, in dem eine schwingfähige Einheit aus Feder (20) und magnetisch beeinflussbaren Schwingkörper (22) angeordnet ist.