DE102020121954A1

DE102020121954A1 - Arrangement for determining the condition of tissues surrounding implants, the ingrowth behavior and the loosening condition of implants

Info

Publication number: DE102020121954A1
Application number: DE102020121954.7A
Authority: DE
Inventors: Marco Stubbe; Rainer Bader
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Universitaet Rostock
Priority date: 2020-08-21
Filing date: 2020-08-21
Publication date: 2022-02-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung des Zustandes von Implantaten umgebenden Geweben, des Einwachsverhaltens sowie des Lockerungszustandes von Implantaten basierend auf der Frequenzverschiebung der Resonanzfrequenz von integrierten RFID-Transpondern sowie RFID-Transponder-Arrays.Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine Anordnung zur Ermittlung des Einwachsverhaltens sowie des Lockerungszustandes von Implantaten bereit zu stellen, wobei die Anordnung strahlungsarm arbeitet und somit Patienten vor einer Strahlenbelastung schützen soll.Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die in den Ansprüchen aufgeführten Merkmale.The invention relates to an arrangement for determining the state of tissues surrounding implants, the ingrowth behavior and the loosening state of implants based on the frequency shift of the resonance frequency of integrated RFID transponders and RFID transponder arrays. It is therefore the object of the invention to overcome the disadvantages of the prior art To eliminate technology and to provide an arrangement for determining the ingrowth behavior and the loosening state of implants, the arrangement working with low radiation and thus protecting patients from radiation exposure. This task is solved by the features listed in the claims.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ermittlung des Zustandes von Implantaten umgebenden Geweben, des Einwachsverhaltens sowie des Lockerungszustandes von Implantaten basierend auf der Frequenzverschiebung der Resonanzfrequenz von integrierten RFID-Transpondern sowie RFID-Transponder-Arrays.The invention relates to an arrangement for determining the condition of tissues surrounding implants, the ingrowth behavior and the loosening condition of implants based on the frequency shift of the resonant frequency of integrated RFID transponders and RFID transponder arrays.

Die Anwendungsmöglichkeiten liegen im medizinischen/orthopädischen Sektor.The possible applications are in the medical/orthopaedic sector.

Die Hauptursache für einen Hüftendoprothesenwechsel ist mit einer Häufigkeit von ca. 75 % die aseptische Lockerung. Die aseptische Lockerung von Hüftendoprothesen wird überwiegend anhand klinischer Symptomatik und Röntgenaufnahmen diagnostiziert, jedoch sind die Sensitivitäten und Spezifitäten suboptimal. Eine neue Form der Lockerungsdiagnostik ist von hoher klinischer Relevanz, um einerseits unnötige Operationen zu vermeiden und andererseits der Entstehung großer Knochendefekte bei verspäteter Revision vorzubeugen. Im Allgemeinen erfolgt bislang der Nachweis der Lockerung z.B. einer Hüftendoprothese durch ein einfaches Röntgenbild. Teilweise werden auch hochauflösende Schnittbilder mit Computertomographie (CT) oder Magnetresonanztomographie (MRT) erstellt. Zusätzlich dazu hat sich die Skelettszintigraphie als „Screening“-Methode dagegen bewährt, da sie frei von Artefaktbildung ist, einfach in der Ausführung und universell einsetzbar. Sie ist eine nuklearmedizinische Untersuchung des Skeletts bei der dem Patienten eine radioaktive Phosphatverbindung gespritzt wird. Die diagnostische Aussagekraft der Skelettszintigraphie beträgt zwar nur 50-70%, aber es ist allgemein akzeptiert, dass ein skelettszintigraphischer Normalbefund eine Prothesenlockerung ausschließt.The main reason for a hip replacement with a frequency of approx. 75% is aseptic loosening. The aseptic loosening of hip endoprostheses is mainly diagnosed on the basis of clinical symptoms and radiographs, but the sensitivities and specificities are suboptimal. A new form of loosening diagnostics is of high clinical relevance, on the one hand to avoid unnecessary operations and on the other hand to prevent the development of large bone defects in the event of a late revision. In general, loosening, e.g. In some cases, high-resolution cross-sectional images are also created using computed tomography (CT) or magnetic resonance imaging (MRI). In addition to this, skeletal scintigraphy has proven effective as a "screening" method because it is free of artefact formation, simple to perform and universally applicable. It is a nuclear medical examination of the skeleton in which the patient is injected with a radioactive phosphate compound. Although the diagnostic value of skeletal scintigraphy is only 50-70%, it is generally accepted that normal skeletal scintigraphic findings rule out loosening of the prosthesis.

Es existieren Forschungskonzepte wie der akusto-mechanisch orientierte Ansatz zur In-situ-Lockerungsdiagnostik. Dieser basiert auf Massenschwingern, welche innerhalb der Endoprothese angebracht sind. Die magnetische Nord-Süd-Polung der Ferritkörper erlaubt eine Schwingungserregung mittels eines äußeren Wechselfeldimpules sowie ein Auslesen der Schwingung mit Hilfe einer extrakorporalen Spule. Dabei wird der Vorteil genutzt, dass die gängigsten Implantatwerkstoffe in der Endoprothetik, Titan- und Kobalt-Chrom-Legierungen keine ferromagnetischen Materialien sind. Zudem besteht ein piezo-akustisch basierter Ansatz zur In-situ-Lockerungsdiagnostik, der auf Piezoelementen beruht, welche an einer dünnwandigen Membran an der Implantatoberfläche lokalisiert sind. Die Piezoelemente sind mit einer Spule und einer Kapazität in Reihe geschaltet. Mittels einer externen Spule wird eine Spannung im Implantat induziert und das Piezoelement zum Schwingen angeregt. Die durch das Ausschwingen des Piezoelements erzeugten Spannungen werden von der internen Spule in ein elektromagnetisches Feld umgewandelt, welches von extern registriert wird.There are research concepts such as the acousto-mechanical approach to in-situ loosening diagnostics. This is based on mass vibrators, which are attached within the endoprosthesis. The magnetic north-south polarity of the ferrite bodies allows vibrations to be excited by means of an external alternating field impulse and the vibrations to be read out using an extracorporeal coil. The advantage is used that the most common implant materials in endoprosthetics, titanium and cobalt-chromium alloys, are not ferromagnetic materials. In addition, there is a piezo-acoustic-based approach to in-situ loosening diagnostics, which is based on piezo elements that are localized on a thin-walled membrane on the implant surface. The piezo elements are connected in series with a coil and a capacitor. A voltage is induced in the implant by means of an external coil and the piezo element is stimulated to oscillate. The voltages generated by the oscillation of the piezo element are converted by the internal coil into an electromagnetic field, which is registered externally.

Im Stand der Technik finden sich zudem Ansätze zur Messung der Festigkeit von Zahnimplantaten mit Hilfe von Impedanzspektroskopie. Bei zuletzt genannten Methoden finden sich jedoch keine Hinweise auf einen bereits erfolgten klinischen Einsatz.In the prior art there are also approaches for measuring the strength of dental implants using impedance spectroscopy. With the latter methods, however, there is no evidence that they have already been used clinically.

Nachteilig im Stand der Technik ist, dass der Patient einer erhöhten Strahlenbelastung (Röntgen- oder radioaktive Strahlung) ausgesetzt ist. CT- und MRT-Verfahren sind auf Grund teilweiser starker Artefaktbildungen durch das metallische Implantatmaterial zur Ermittlung des Einwachsverhaltens bzw. Lockerungsdiagnostik nur eingeschränkt einsetzbar. Die Verfahren bringen zudem teilweise langwierige Wartezeiten, Vorbereitungen und Messungen mit sich.A disadvantage of the prior art is that the patient is exposed to increased exposure to radiation (X-rays or radioactive radiation). CT and MRI methods can only be used to a limited extent to determine the ingrowth behavior or loosening diagnostics due to the sometimes strong artefact formation caused by the metallic implant material. The procedures also sometimes involve lengthy waiting times, preparations and measurements.

Zusätzlich dazu sind Untersuchungen mit den meisten der oben genannten Verfahren mit einem hohen finanziellen Aufwand verbunden. Dadurch ist ein Einsatz zur Verfolgung des Einwachsverhaltens bzw. des Heilungsprozesses nicht wirtschaftlich durchführbar.In addition to this, examinations with most of the methods mentioned above are associated with a high financial outlay. As a result, it is not economically viable to use it to track the ingrowth behavior or the healing process.

Im Stand der Technik sind keine bisherigen Lösungsversuche zur Untersuchung des Einwachsverhaltens bzw. der Heilungsprozesse oder zur Lockerungsdiagnostik mittels RFID-Transpondern / Transponder-Arrays bekannt.In the state of the art, no previous attempts at a solution for investigating the ingrowth behavior or the healing processes or for diagnosing loosening by means of RFID transponders/transponder arrays are known.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine Anordnung zur Ermittlung des Einwachsverhaltens sowie des Lockerungszustandes von Implantaten bereit zu stellen, wobei die Anordnung strahlungsarm mit nicht ionisierender Strahlung arbeitet und somit Patienten vor einer Strahlenbelastung schützen soll.It is therefore the object of the invention to eliminate the disadvantages of the prior art and to provide an arrangement for determining the ingrowth behavior and the loosening state of implants, the arrangement working with low radiation with non-ionizing radiation and thus protecting patients from radiation exposure.

Die Aufgabe der Erfindung ist es außerdem, das Einwachsverhalten von Implantaten zu verfolgen und/oder deren Lockerung zu detektieren.The object of the invention is also to monitor the ingrowth behavior of implants and/or to detect their loosening.

Ferner soll die Herstellung des Systems kostengünstig und einfach möglich sein.Furthermore, the production of the system should be possible in a cost-effective and simple manner.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die in den Ansprüchen aufgeführten Merkmale.This problem is solved by the features listed in the claims.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Ermittlung des Zustandes von Implantat umgebenden Geweben weist folgende Komponenten auf: zumindest ein Implantat, in welches oder auf welchem zumindest ein RFID-Transponder angeordnet ist. Der zumindest eine RFID-Transponder ist derart ausgestaltet, dass dieser bei einer Anregung mit seiner spezifische Resonanzfrequenz eine Identifikationsnummer aussendet. Ferner weist die Anordnung eine externe Auswerteeinheit auf, wobei die externe Auswerteeinheit derart ausgestaltet ist, ein elektromagnetisches Feld mit einer entsprechenden Anregungsfrequenz auszusenden, wobei die Anregungsfrequenz verschieden von der spezifischen Resonanzfrequenz des zumindest einen RFID-Transponders ist und wobei die Anregungsfrequenz derart ausgestaltet ist, dass der RFID-Transponder angeregt wird und seine Identifikationsnummer an die Auswerteeinheit aussendet. Ferner ist die Auswerteeinheit derart ausgestaltet, die Identifikationsnummer und/oder weitere vom Transponder übermittelte Daten zu erfassen. Die Auswerteeinheit wertet die erfasste Identifikationsnummer derart aus, dass die spezifische Resonanzfrequenz des zumindest einen RFID-Transponders ermittelt wird. Die Auswerteeinheit ist ferner derart ausgestaltet eine Differenz zwischen der ermittelten spezifischen Resonanzfrequenz des zumindest einen RFID-Transponders und der Anregungsfrequenz zu ermitteln. Anhand der ermittelten Differenz kann die Auswerteinheit auf den Zustand des das Implantat umgebenden Gewebes und/oder den Zustand des Implantates im Gewebe ermitteln.The arrangement according to the invention for determining the state of the implant the tissues has the following components: at least one implant, in which or on which at least one RFID transponder is arranged. The at least one RFID transponder is designed in such a way that it emits an identification number when excited with its specific resonant frequency. The arrangement also has an external evaluation unit, the external evaluation unit being designed in such a way that it emits an electromagnetic field with a corresponding excitation frequency, the excitation frequency being different from the specific resonant frequency of the at least one RFID transponder and the excitation frequency being designed in such a way that the RFID transponder is activated and transmits its identification number to the evaluation unit. Furthermore, the evaluation unit is designed in such a way that it can record the identification number and/or other data transmitted by the transponder. The evaluation unit evaluates the detected identification number in such a way that the specific resonant frequency of the at least one RFID transponder is determined. The evaluation unit is also designed to determine a difference between the determined specific resonant frequency of the at least one RFID transponder and the excitation frequency. Based on the determined difference, the evaluation unit can determine the condition of the tissue surrounding the implant and/or the condition of the implant in the tissue.

Die Übertragung der Identifikationsnummer erfolgt bei RFID-Systemen folgendermaßen: Ein Lesegerät (Reader) oder eine externe Auswerteieinheit erzeugt ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld, dem der RFID-Transponder ausgesetzt wird. Die von ihm über die Antenne aufgenommene Hochfrequenzenergie dient während des Kommunikationsvorganges als Stromversorgung für den RFID-Transponder. Der so aktivierte RFID-Transponder decodiert die vom Lesegerät/von der Auswerteinheit gesendeten Befehle. Die Antwort codiert und moduliert der RFID-Transponder in das eingestrahlte elektromagnetische Feld durch Feldschwächung im kontaktfreien Kurzschluss oder gegenphasige Reflexion des vom Lesegerät ausgesendeten Feldes. Damit überträgt der RFID-Transponder seine Identifikationsnummer (ID), weitere Daten des gekennzeichneten Objekts oder andere vom Lesegerät abgefragte Information. Der RFID-Transponder erzeugt selbst also kein Feld, sondern beeinflusst das elektromagnetische Sendefeld des Lesegerätes bzw. der Auswerteinheit.In RFID systems, the identification number is transmitted as follows: A reading device (reader) or an external evaluation unit generates a high-frequency electromagnetic alternating field to which the RFID transponder is exposed. The high-frequency energy it picks up via the antenna serves as the power supply for the RFID transponder during the communication process. The RFID transponder activated in this way decodes the commands sent by the reader/processor unit. The response is encoded and modulated by the RFID transponder in the radiated electromagnetic field through field weakening in the contact-free short circuit or anti-phase reflection of the field emitted by the reader. The RFID transponder thus transmits its identification number (ID), further data on the marked object or other information requested by the reader. The RFID transponder itself does not generate a field, but influences the electromagnetic transmission field of the reading device or the evaluation unit.

RFID-Transponderwerden so gefertigt, dass diese eine spezifische Resonanzfrequenz aufweisen und eine einzigartige ID besitzen. Die spezifische Resonanzfrequenz ist eine Art Grundfrequenz, welche bei der Herstellung, der Konzeption und/oder des Designs des RFID-Transponders und/oder der RFID-Antenne definiert wird. Die spezifische Resonanzfrequenz wird ermittelt, in dem diese in einem bekannten Medium, beispielsweise Luft, oder Knochen, oder ein anderes Gewebe, gemessen wird. Werden diese Transponder in ein anderes Material/Gewebe eingebracht, erfolgt eine Verschiebung der spezifischen Resonanzfrequenz abhängig von den dielektrischen Eigenschaften des umgebenden Gewebes. Bei gelockerten Implantaten beispielsweise befindet sich direkt über dem Transponder ein Flüssigkeitsfilm bzw. Bindegewebe, wohingegen bei festsitzenden Implantaten das knöcherne Gewebe direkt mit dem Transponder Kontakt hat. Flüssigkeitsfilm, Bindegewebe und Knochengewebe besitzen unterschiedliche dielektrische Eigenschaften, welche zu einer Verschiebung der spezifischen Resonanzfrequenz des RFID-Transponders führen, so dass der zumindest eine RFID-Transponder bei einer Anregungsfrequenz antwortet, welche verschieden ist von der Grundfrequenz/spezifischen Resonanzfrequenz. Die Anregungsfrequenz ist die Frequenz, welche die Auswerteeinheit aussendet. Die Auswerteinheit kann eine einzelne Anregungsfrequenz aussenden oder die Auswerteeinheit durchläuft einen Frequenzsweep, bei dem alle Frequenzen eines zuvor definierten Frequenzbereiches periodisch und stetig durchlaufen werden. In einigen Fällen ist es auch möglich, dass die Anregungsfrequenz gleich ist der spezifischen Resonanzfrequenz, beispielsweise wenn die speifische Resonanzfrequenz bei Knochen als umgebendes Material ermittelt wurde und das Implantat gut einwachsen ist, so dass um das Implantat und damit auch um den RFID-Transponder Knochenmaterial vorhanden ist.RFID transponders are manufactured to have a specific resonant frequency and a unique ID. The specific resonant frequency is a type of fundamental frequency that is defined during the manufacture, conception and/or design of the RFID transponder and/or the RFID antenna. The specific resonant frequency is determined by measuring it in a known medium, such as air or bone or another tissue. If these transponders are introduced into another material/tissue, the specific resonant frequency is shifted depending on the dielectric properties of the surrounding tissue. In the case of loosened implants, for example, there is a liquid film or connective tissue directly above the transponder, whereas in the case of fixed implants, the bony tissue is in direct contact with the transponder. Liquid film, connective tissue and bone tissue have different dielectric properties, which lead to a shift in the specific resonant frequency of the RFID transponder, so that the at least one RFID transponder responds at an excitation frequency that is different from the fundamental frequency/specific resonant frequency. The excitation frequency is the frequency that the evaluation unit sends out. The evaluation unit can emit a single excitation frequency or the evaluation unit runs through a frequency sweep in which all frequencies of a previously defined frequency range are run through periodically and continuously. In some cases it is also possible that the excitation frequency is the same as the specific resonance frequency, for example if the specific resonance frequency was determined with bone as the surrounding material and the implant has grown well, so that bone material surrounds the implant and thus also the RFID transponder is available.

Beim Auslesen mittels der Auswerteinheit wird jedem RFID-Transponder mit Hilfe seiner eigenen einzigartigen ID die spezifische Resonanzfrequenz zugeordnet. Die Zuordnung kann beispielsweise über Referenzwerte, Herstellerangaben und/oder über eine Datenübertragung des RFID-Sensors an die Auswerteeinheit selbst erfolgen.When reading out using the evaluation unit, each RFID transponder is assigned the specific resonant frequency using its own unique ID. The assignment can take place, for example, via reference values, manufacturer information and/or via data transmission from the RFID sensor to the evaluation unit itself.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist die erfindungsgemäße Anordnung ferner eine Speichereinheit auf. Diese kann beispielsweise verwendet werden, um Referenzwerte für die Ermittlung des Zustandes des das Implantat umgebenden Gewebes und/oder des Zustandes des Implantates zu speichern und der Auswerteeinheit zur Verfügung zu stellen. Referenzwerte könnten beispielsweise sein: Differenzwerte der Resonanzfrequenzen und der Anregungsfrequenzen, eine Zuordnung der Differenzwerte zu einem bestimmten Zustand des Gewebes und/oder Implantates und/oder verschiedene Identifikationsnummern sowie eine Zuordnung dieser zu verschiedenen spezifischen Resonanzfrequenzen. Die Speichereinheit kann ferner Daten speichern, welche beispielsweise auch mittels des RFID-Transponders an die Auswerteeinheit übermittelt werden. Diese Daten können beispielsweise sein: Implantat-Nummern, Patientennummern, Sensorwerte, welche mittels eines Sensors am Implantat und/oder am RFID-Sensor erfasst werden. Weitere Speicherinhalte sind denkbar.According to various embodiments, the arrangement according to the invention also has a memory unit. This can be used, for example, to store reference values for determining the state of the tissue surrounding the implant and/or the state of the implant and to make them available to the evaluation unit. Reference values could be, for example: difference values of the resonance frequencies and the excitation frequencies, an assignment of the difference values to a specific condition of the tissue and/or implant and/or different identification numbers and an assignment of these to different specific resonance frequencies. The memory unit can also store data which, for example, can also be stored using the RFID transponders are transmitted to the evaluation unit. This data can be, for example: implant numbers, patient numbers, sensor values, which are recorded by means of a sensor on the implant and/or on the RFID sensor. Other memory contents are conceivable.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist die erfindungsgemäße Anordnung zumindest eine Anzeigeeinheit auf, welche derart ausgestaltet ist, den ermittelten Zustand des das Implantat umgebenden Gewebes und/oder den ermittelten Zustand des Implantates optisch darzustellen. Hierbei ist es denkbar, dass beispielsweise bei einer mehrwöchigen Begleitung eines Patienten nach der Insertion eines Implantates die Frequenzverschiebung bzw. der Differenzwert zwischen Resonanzfrequenz und tatsächlicher Anregungsfrequenz in einem Diagramm über die entsprechende Überwachungszeit dargestellt wird. Es ist aber auch denkbar, dass eine 3-dimensionale mehrfarben Darstellung des Einwachsens oder der Lockerung des Implantates erzeugt werden kann. Hierzu können Farbskalen genutzt werden. Z.B. Bereiche in denen das Implantat fest sitz werden grün gefärbt und Bereiche mit Lockerungen werden rot dargestellt, wobei mögliche Zwischenzustände in Gelbtönen dargestellt werden können. Bevorzugt ist hierbei die Position des zumindest einen RFID-Chips bekannt. Ferner bevorzugt wird für eine solche Darstellung ein RFID-Array verwendet, wobei mehrere RFID-Transponder über das Implantat verteilt angeordnet sind.According to various embodiments, the arrangement according to the invention has at least one display unit, which is designed in such a way to visually display the determined state of the tissue surrounding the implant and/or the determined state of the implant. Here it is conceivable that, for example, when a patient is accompanied for several weeks after the insertion of an implant, the frequency shift or the difference value between the resonance frequency and the actual excitation frequency is displayed in a diagram over the corresponding monitoring time. However, it is also conceivable that a 3-dimensional, multicolored representation of the ingrowth or loosening of the implant can be generated. Color scales can be used for this. For example, areas in which the implant is firmly seated are colored green and areas with loosening are shown in red, with possible intermediate states being shown in shades of yellow. In this case, the position of the at least one RFID chip is preferably known. Furthermore, an RFID array is preferably used for such a display, with several RFID transponders being arranged distributed over the implant.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist der zumindest eine RFID-Transponder ein RFID-Transponder-Array. Ein Array ist eine Ansammlung von mehreren RFID-Transpondern. Diese RFID-Transponder weisen bevorzugt verschiedene Identifikationsnummern sowie verschiedene spezifische Resonanzfrequenzen auf.According to various embodiments, the at least one RFID transponder is an RFID transponder array. An array is a collection of multiple RFID transponders. These RFID transponders preferably have different identification numbers and different specific resonance frequencies.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist der zumindest eine RFID-Transponder an einer Oberfläche des Implantates angeordnet. Notwendige Elektronik kann im Schaft des Implantates eingebracht sein. Dies ist platzsparend und vermeidet Schäden an der Elektronik, welche während einer Implantation entstehen können. Ein RFID-Transponder jedoch besteht in der Regel nur aus einer Antenne und einen Mikrochip, welcher durch Induktion von der Antenne mit Strom versorgt wird. Der induzierte Strom reicht für die Antwort des RFID aus. Daher ist eine zusätzliche Elektronik in der Regel nicht notwendig. Nur für besondere Zusatzfunktionen kann eine zusätzliche Elektronik beispielsweise eine Sensoreinheit und/oder eine Auswerteinheit und/oder eine Energiequelle und/oder eine Speichereinheit und/oder Ähnliches aufweisen.According to various embodiments, the at least one RFID transponder is arranged on a surface of the implant. Necessary electronics can be installed in the shaft of the implant. This saves space and avoids damage to the electronics, which can occur during an implantation. However, an RFID transponder usually only consists of an antenna and a microchip, which is supplied with power by induction from the antenna. The induced current is sufficient for the RFID to respond. Therefore, additional electronics are usually not necessary. Additional electronics can have, for example, a sensor unit and/or an evaluation unit and/or an energy source and/or a memory unit and/or the like only for special additional functions.

Ferner ist gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine Antenne des zumindest einen RFID-Transponders aus dem gleichen Material gefertigt wie das Implantat selbst, wobei die Antenne eine elektrisch nichtleitende Isolierschicht aufweist, um von der Implantatoberfläche isoliert zu sein. Ein RFID-Transponder samt Antenne kann auf der Implantatoberfläche befestigt werden. Eine Befestigung kann beispielsweise mittels Glas-Lot auf der Oberfläche erfolgen, beispielsweise mittels löten. Eine Verwendung anderer biokompatible Kleber zum Befestigen des Systems am Implantat ist jedoch denkbar.Furthermore, according to various embodiments, an antenna of the at least one RFID transponder is made of the same material as the implant itself, with the antenna having an electrically non-conductive insulating layer in order to be insulated from the implant surface. An RFID transponder with an antenna can be attached to the implant surface. Fastening can take place, for example, by means of glass solder on the surface, for example by means of soldering. However, it is conceivable to use other biocompatible adhesives to attach the system to the implant.

Bevorzugt ist das Material der Antennen des zumindest einen RFID-Transponders biokompatibel, wobei das Material eine Osteokonduktivität und/oder eine Gewebeeinwachsung fördert und/oder nicht behindert. Hierfür können v.a. biokompatible Metalle, beispielsweise Platin und/oder Titan und/oder Gold verwendet werden.The material of the antennas of the at least one RFID transponder is preferably biocompatible, with the material promoting and/or not impeding osteoconductivity and/or tissue ingrowth. Above all, biocompatible metals such as platinum and/or titanium and/or gold can be used for this purpose.

Mit dem erfindungsgemäßen System werden die Resonanzfrequenzen der einzelnen Transponder durch das Gewebe hindurch, sprich von außerhalb des Patienten, mit einem Lesegerät bzw. einer Auswerteeinheit ausgelesen. Dies erfolgt nicht invasiv. Das Lesegerät wird dazu an die Position des Implantates geführt bzw. auf der Haut des Patienten entlanggeführt und die einzelnen Transponder des Arrays ausgelesen. Durch die ausgelesene einzigartige Identifikationsnummer der Transponder und der zugehörigen ermittelten Resonanzfrequenz erfolgt an einem Computer oder innerhalb der Lesegerätes oder innerhalb der Auswerteeinheit die Rekonstruktion eines 3D-Bildes des Transponder-Arrays/Implantates, mit dem die Gewebezustände um den Transponder/des Transponder-Arrays und/oder des Implantates dargestellt und das Einwachsverhalten des Implantates und/oder mögliche Lockerungen angezeigt werden können.With the system according to the invention, the resonant frequencies of the individual transponders are read through the tissue, ie from outside the patient, using a reading device or an evaluation unit. This is non-invasive. The reader is guided to the position of the implant or along the patient's skin and the individual transponders of the array are read. A 3D image of the transponder array/implant is reconstructed on a computer or within the reading device or within the evaluation unit using the unique identification number of the transponder that has been read out and the associated determined resonant frequency, with which the tissue conditions around the transponder/transponder array and /or the implant can be shown and the ingrowth behavior of the implant and/or possible loosening can be displayed.

Die Neuheit der Erfindung liegt in der nicht-invasiven Messung des Einwachsverhaltens und der Lockerung von Implantaten mit Hilfe von RFID-Transpondern/Transponder-Arrays, welche direkt auf dem Implantat aufgebracht sind und gleichzeitig als Sensor- und/oder Sendeeinheit dienen. Hierbei wird die Verschiebung der Resonanzfrequenz der Transponder abhängig vom sie umgebenden Material/Gewebe ausgenutzt. Mit Hilfe eines Lesegerätes wird die Transponder-ID und die zugehörige Resonanzfrequenz jedes einzelnen Transponders erfasst und zur Weiterverarbeitung gespeichert. Aus den Daten kann durch eine 3D-Rekonstruktion eine Aussage über den aktuellen Zustand des Implantates im Gewebe abgeleitet werden.The novelty of the invention lies in the non-invasive measurement of the ingrowth behavior and the loosening of implants using RFID transponders/transponder arrays, which are applied directly to the implant and at the same time serve as a sensor and/or transmitter unit. Here, the shift in the resonant frequency of the transponders depending on the surrounding material/tissue is exploited. With the help of a reading device, the transponder ID and the associated resonance frequency of each individual transponder are recorded and stored for further processing. A statement about the current condition of the implant in the tissue can be derived from the data using a 3D reconstruction.

Von dem erfindungsgemäßen System profitieren sowohl die Patienten als auch das behandelnde Personal durch eine schonendere, sicherere und kürzere Diagnose. Ebenfalls besteht eine Reduktion der Strahlenbelastung der Patienten und behandelnden Personenbei der erfindungsgemäßen Lockerungsdiagnostik.Both the patients and the treated benefit from the system according to the invention ted personnel through a gentler, safer and shorter diagnosis. There is also a reduction in the radiation exposure of the patients and treating persons with the loosening diagnostics according to the invention.

Ziel der Erfindung ist es, den Lockerungs- bzw. Einwachszustand eines Implantates mit Hilfe von Sensoren, welche in die Implantate integriert sind, zu erfassen und die Information ex-situ zu übertragen. Als Beispiel ist die Verankerung von Endoprothesen im Knochen oder anderer Implantate im/am Knochen/Gewebe zu nennen. Mit der Erfindung sollen das Einwachsverhalten und die Lockerung von Implantaten durch die Verschiebung der Resonanzfrequenz von einzelnen RFID-Transpondern sowie einzelnen bzw. mehreren Transpondern/Transpondergruppen innerhalb eines Arrays detektiert werden.The aim of the invention is to detect the loosening or ingrowth state of an implant with the aid of sensors which are integrated into the implants and to transmit the information ex-situ. An example is the anchoring of endoprostheses in the bone or other implants in/on the bone/tissue. With the invention, the ingrowth behavior and the loosening of implants are to be detected by shifting the resonant frequency of individual RFID transponders and individual or multiple transponders/transponder groups within an array.

Der Nachweis der Lockerung des Implantates mittels RFID-Transponder-Arrays erfolgt für die Patienten schmerzfrei, nicht invasiv sowie kontaktfrei und/oder nur durch Hautkontakt. Es sind keine speziellen Schutzmaßnamen für den Patienten und/oder das behandelnde Personal notwendig. Eine Artefaktbildung durch das Implantatmaterial, wie z.B. beim CT oder MRT, ist ausgeschlossen, da die Transponder auf dem Implantat aufliegen und nur durch das umgebende Gewebe beeinflusst werden und durch dieses senden müssen. Weiterhin kann das Material der Transponderantenne so gewählt werden, dass die allgemeine Osteokonduktivität des Implantats nicht beeinflusst wird.The proof of loosening of the implant by means of RFID transponder arrays is painless for the patient, non-invasive and contact-free and/or only through skin contact. No special protective measures are necessary for the patient and/or the treating staff. The formation of artefacts through the implant material, e.g. with CT or MRT, is excluded, since the transponders lie on the implant and are only influenced by the surrounding tissue and have to transmit through it. Furthermore, the material of the transponder antenna can be selected so that the general osteoconductivity of the implant is not affected.

Durch das Transponderarray wird, ähnlich den oben genannten bildgebenden Verfahren, eine hohe dreidimensionale räumliche Auflösung möglich, wodurch es möglich ist das Einwachsverhalten zu bestimmen und/oder zu bestimmen an welchen Positionen das Implantat gelockert ist. Die Erfindung ermöglicht eine 3D-Bildgebung zur Kontrolle des Einwachsverhaltens von Implantaten sowie zur Lockerungsdiagnostik ohne den Einsatz von Großgeräten.Similar to the imaging methods mentioned above, the transponder array enables a high three-dimensional spatial resolution, which makes it possible to determine the ingrowth behavior and/or to determine the positions at which the implant is loosened. The invention enables 3D imaging to monitor the ingrowth behavior of implants and to diagnose loosening without the use of large devices.

Der Zeitaufwand für die Messung beträgt Minuten, im Gegensatz zu den oben genannten klassischen Verfahren, welche teilweise langwierige Vorbereitungen und Messzeiten mit sich bringen.The time required for the measurement is minutes, in contrast to the classic methods mentioned above, which sometimes entail lengthy preparations and measurement times.

Die Anwendung erfolgt z.B. in der Diagnostik von Lockerungen von Gelenkendoprothesen. Hier kann mit Hilfe der Erfindung bei Problemen mit dem künstlichen Gelenkersatz schnell erkannt werden, ob sich das Implantat im Knochen gelockert hat. Denkbar ist auch, das Einwachsverhalten einer Gelenkendoprothese direkt nach der Implantation über mehrere Tage/Woche zu überwachen, um postoperative Belastungsübungen optimal einstellen zu können.It is used, for example, in the diagnosis of loosening of joint endoprostheses. In the event of problems with the artificial joint replacement, the invention can be used to quickly identify whether the implant has become loose in the bone. It is also conceivable to monitor the ingrowth behavior of a joint endoprosthesis directly after the implantation for several days/week in order to be able to optimally adjust postoperative stress exercises.

Die Erfindung lässt sich im Allgemeinen auf alle Implantate anwenden auf denen sich RFID-Transponder/-Transponder-Arrays aufbringen lassen. Beschränkend hierbei ist lediglich die Größe der zur Verfügung stehenden Transponder.In general, the invention can be applied to all implants on which RFID transponders/transponder arrays can be applied. The only limitation here is the size of the available transponders.

Ausführung der Erfindungimplementation of the invention

Die Erfindung wird anhand eines/mehrerer Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierzu zeigen

1 ein Implantat mit einem RFID-Array
2 Querschnittsansicht eines Implantates mit eingebetteten RFID-Transponder auf der Oberfläche des Implantates
3 Querschnittsansicht eines Implantates mit eingebetteten RFID-Transponder im Inneren des Implantates

The invention is explained in more detail using one/several exemplary embodiments. show this

1 an implant with an RFID array
2 Cross-sectional view of an implant with an embedded RFID transponder on the surface of the implant
3 Cross-sectional view of an implant with an embedded RFID transponder inside the implant

In der Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die erfindungsgemäße Anordnung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird eine Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“ usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Zeichnungen verwendet. Die Richtungsterminologie dient der Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend.In the description, reference is made to the accompanying drawings, in which is shown by way of illustration specific embodiments in which the assembly of the invention may be practiced. In this regard, directional terminology such as "up," "down," etc. is used with reference to the orientation of the described drawings. The directional terminology is used for purposes of illustration and is in no way limiting.

Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.It is understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the scope of the present invention. It is understood that the features of the various exemplary embodiments described herein can be combined with one another unless specifically stated otherwise. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is defined by the appended claims.

Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden“, „angeschlossen“ sowie „gekoppelt“ zum Beschreiben verwendet sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung (beispielsweise ohmsch und/oder elektrisch leitfähig, z.B. in einer elektrisch leitfähigen Verbindung), eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung.Within the scope of this description, the terms "connected", "connected" and "coupled" are used to describe both a direct and an indirect connection (e.g. ohmic and/or electrically conductive, eg in an electrically conductive connection), a direct or indirect connection connection as well as a direct or indirect coupling.

In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.In the figures, identical or similar elements are provided with identical reference symbols, insofar as this is appropriate.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Ermittlung des Zustandes von ein Implantat (1) umgebendes Gewebe (2) weist folgende Komponenten auf: zumindest ein Implantat (1), welches zumindest einen RFID-Transponder (3) aufweist, wobei der zumindest eine RFID-Transponder (3) derart ausgestaltetet ist, dass dieser bei einer Anregung mit seiner spezifische Resonanzfrequenz eine Identifikationsnummer aussendet. Ferner weist die Anordnung eine externe Auswerteeinheit auf, wobei die externe Auswerteeinheit derart ausgestaltet ist, eine Anregungsfrequenz auszugeben. Die Anregungsfrequenz ist dabei in den meisten Fällen verschieden von der spezifischen Resonanzfrequenz des zumindest einen RFID-Transponders (3). Dennoch ist die Anregungsfrequenz derart ausgestaltet ist, dass der RFID-Transponder (3) mit der Anregungsfrequenz angeregt wird und daraufhin seine Identifikationsnummer an die externe Auswerteeinheit aussendet. Die externe Auswerteeinheit ist ferner derart ausgestaltet, die Identifikationsnummer zu erfassen und anhand der erfassten Identifikationsnummer die spezifische Resonanzfrequenz des zumindest einen RFID-Transponders (3) zu ermitteln und eine Differenz zwischen der spezifischen Resonanzfrequenz des zumindest einen RFID-Transponders (3) und der Anregungsfrequenz zu ermitteln. Anhand der ermittelten Differenz wird/werden der Zustand des das Implantat umgebenden Gewebes (2) und/oder der Zustand des Implantates (1) im Gewebe (2) ermittelt.The arrangement according to the invention for determining the state of tissue (2) surrounding an implant (1) has the following components: at least one implant (1) which at least at least one RFID transponder (3), wherein the at least one RFID transponder (3) is designed in such a way that it emits an identification number when excited with its specific resonant frequency. Furthermore, the arrangement has an external evaluation unit, the external evaluation unit being designed in such a way that it outputs an excitation frequency. In most cases, the excitation frequency is different from the specific resonant frequency of the at least one RFID transponder (3). Nevertheless, the excitation frequency is designed in such a way that the RFID transponder (3) is excited with the excitation frequency and then transmits its identification number to the external evaluation unit. The external evaluation unit is also designed in such a way that it detects the identification number and uses the detected identification number to determine the specific resonance frequency of the at least one RFID transponder (3) and a difference between the specific resonance frequency of the at least one RFID transponder (3) and the excitation frequency to determine. The state of the tissue (2) surrounding the implant and/or the state of the implant (1) in the tissue (2) is/are determined on the basis of the determined difference.

In 1 ist ein Implantat (1) der erfindungsgemäßen Anordnung, nämlich ein Verankerungsschaft mit Hüftkopf einer Hüftendoprothese, mit zumindest einem RFID-Transponder (3) dargestellt. Das Implantat (1) ist in einem Oberschenkelknochen implantiert, so dass das Implantat umgebende Gewebe (2) in diesem Ausführungsbeispiel Knochengewebe ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist der zumindest eine RFID-Transponder (3) ein RFID-Transponder-Array, wie auch in 1 dargestellt. In diesem Fall sind mehrere RFID-Transponder (3) aufweisend jeweils eine Antenne (4) auf und/oder in der Oberfläche des Implantates (1) befestigt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist der zumindest eine RFID-Transponder und/oder seine Antenne (4) mittels eines Einbettmaterials (5) an bzw. auf dem Implantat (1) befestigt, wie in 2 in einer Querschnittsansicht des Implantates (1) detailliert dargestellt ist.In 1 an implant (1) of the arrangement according to the invention, namely an anchoring shaft with a femoral head of a hip endoprosthesis, is shown with at least one RFID transponder (3). The implant (1) is implanted in a femur, so that the tissue (2) surrounding the implant is bone tissue in this exemplary embodiment. According to various embodiments, the at least one RFID transponder (3) is an RFID transponder array, as also in 1 shown. In this case, several RFID transponders (3), each having an antenna (4), are fixed on and/or in the surface of the implant (1). According to various embodiments, the at least one RFID transponder and/or its antenna (4) is attached to or on the implant (1) by means of an embedding material (5), as shown in 2 is shown in detail in a cross-sectional view of the implant (1).

Ferner kann die Anordnung eine Speichereinheit (hier nicht dargestellt) aufweisen, welche derart ausgestaltet ist Referenzwerte für die Ermittlung des Zustandes des das Implantat (1) umgebenden Gewebes (2) und/oder des Zustandes des Implantates (2) zu speichern und der Auswerteeinheit zur Verfügung zu stellen.Furthermore, the arrangement can have a memory unit (not shown here), which is designed to store reference values for determining the state of the tissue (2) surrounding the implant (1) and/or the state of the implant (2) and to transmit it to the evaluation unit To make available.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist die erfindungsgemäße Anordnung zumindest eine Anzeigeeinheit (hier nicht dargestellt) auf, welche derart ausgestaltet ist, den ermittelten Zustand des das Implantat (1) umgebende Gewebe (2) und/oder den ermittelten Zustand des Implantates (1) optisch darzustellen. Hierbei ist es denkbar, dass beispielsweise bei einer mehrwöchigen Begleitung eines Patienten nach der Insertion eines Implantates (1) die Frequenzverschiebung bzw. der Differenzwert zwischen Resonanzfrequenz und tatsächlicher Anregungsfrequenz in einem Diagramm über die entsprechende Überwachungszeit dargestellt wird. Es ist aber auch denkbar, dass eine 3-dimensionale mehrfarben Darstellung des Einwachsens oder der Lockerung des Implantates (1) erzeugt werden kann. Hierzu können Farbskalen genutzt werden. Z.B. Bereiche in denen das Implantat (1) fest sitz werden grün gefärbt und Bereiche mit Lockerungen werden rot dargestellt, wobei mögliche Zwischenzustände in Gelbtönen dargestellt werden können. Bevorzugt ist hierbei die Position des zumindest einen RFID-Transponders (3) bekannt. Ferner bevorzugt wird für eine solche Darstellung ein RFID-Array verwendet, wobei mehrere RFID-Transponder (3) über das Implantat (1) verteilt, wie in 1 dargestellt, angeordnet sind.According to various embodiments, the arrangement according to the invention has at least one display unit (not shown here), which is designed in such a way to visually display the determined state of the tissue (2) surrounding the implant (1) and/or the determined state of the implant (1). It is conceivable that, for example, if a patient is followed for several weeks after the insertion of an implant (1), the frequency shift or the difference between the resonance frequency and the actual excitation frequency is displayed in a diagram over the corresponding monitoring time. However, it is also conceivable that a 3-dimensional, multicolored representation of the ingrowth or loosening of the implant (1) can be generated. Color scales can be used for this. For example, areas in which the implant (1) is firmly seated are colored green and areas with loosening are shown in red, with possible intermediate states being shown in shades of yellow. The position of the at least one RFID transponder (3) is preferably known here. An RFID array is also preferably used for such a display, with several RFID transponders (3) distributed over the implant (1), as in 1 shown, are arranged.

Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der zumindest eine RFID-Transponder (3) an einer Oberfläche des Implantates (1) angeordnet sein. Hierfür kann der RFID-Transponder (3) und/oder seine Antenne (4) an der Oberfläche des Implantates (1) befestigt sein oder in die Oberfläche des Implantates (1) eingebracht sein (wie in 2 dargestellt). Denkbar ist auch, dass zum Schutz des RFID-Transponders (3) und/oder weiterer schaltungstechnischer Elemente diese im Inneren eines Implantates (1) eingebracht ist, wie in 3 beispielshaft dargestellt. Hierfür eignen sich Hohlräume im Implantat (1), beispielsweise ein hohler Schaft (6) im Inneren eines Verankerungsschaftes einer Hüftendoprothese.According to various exemplary embodiments, the at least one RFID transponder (3) can be arranged on a surface of the implant (1). For this purpose, the RFID transponder (3) and/or its antenna (4) can be attached to the surface of the implant (1) or incorporated into the surface of the implant (1) (as in 2 shown). It is also conceivable that, to protect the RFID transponder (3) and/or other circuitry elements, it is placed inside an implant (1), as in 3 shown as an example. Cavities in the implant (1) are suitable for this, for example a hollow shaft (6) inside an anchoring shaft of a hip endoprosthesis.

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist die Antenne (4) des zumindest einen RFID-Transponders (3) aus dem gleichen Material wie das Implantat (1) gefertigt, wobei die Antenne (4) eine elektrisch nichtleitende Isolierschicht aufweist und oder mittels des Einbettmaterials von elektrisch von dem Implantat isoliert wird.According to various embodiments, the antenna (4) of the at least one RFID transponder (3) is made of the same material as the implant (1), the antenna (4) having an electrically non-conductive insulating layer and/or by means of the embedding material of electrically from the implant is isolated.

Ferner ist es denkbar, dass der RFID-Transponder (3) und/oder die Antenne (4) in einem Einbettmaterial (5) in bzw. an dem Implantat (1) befestigt ist/sind.It is also conceivable that the RFID transponder (3) and/or the antenna (4) is/are fastened in an embedding material (5) in or on the implant (1).

Bevorzugt handelt es sich bei dem Material der Antenne (4) des zumindest einen RFID-Transponders (3) um biokompatibles Material und/oder um Material, welches eine Osteokonduktivität und/oder eine Gewebeeinwachsung fördert und/oder nicht behindern.The material of the antenna (4) of the at least one RFID transponder (3) is preferably biocompatible material and/or material that promotes and/or does not impede osteoconductivity and/or tissue ingrowth.

Bezugszeichenlistereference list

11: Implantatimplant
22: Implantat umgebendes Gewebe, beispielsweise KnochengewebeTissue surrounding the implant, for example bone tissue
33: RFID-TransponderRFID transponder
44: RFID-AntenneRFID antenna
55: Einbettmaterialembedding material
66: Implantatschaft / Hohlraum im Implantat (1)Implant shaft / cavity in the implant (1)

Claims

Arrangement for determining the condition of tissue (2) surrounding an implant at least one implant (1) which has at least one RFID transponder (3), the at least one RFID transponder (3) being designed in such a way that it emits an identification number when excited with its specific resonance frequency, further comprising an external evaluation unit, wherein the external evaluation unit is designed in such a way that it outputs an electromagnetic field with an excitation frequency, the excitation frequency being different from the specific resonant frequency of the at least one RFID transponder (3) and the excitation frequency being designed in such a way that the at least one RFID transponder (3) is excited and transmits its identification number to the evaluation unit, wherein the evaluation unit is also designed in such a way that it detects the identification number and uses the detected identification number to determine the specific resonant frequency of the at least one RFID transponder (3) and to determine a difference between the specific resonant frequency of the at least one RFID transponder and the excitation frequency and using the determined difference to determine the condition of the tissue (2) surrounding the implant and/or the condition of the implant (1) in the tissue.

Arrangement according to claim 1 , further comprising a storage unit which is designed to store reference values for determining the state of the tissue (2) surrounding the implant and/or the state of the implant (1) and to make them available to the evaluation unit.

Arrangement according to claim 1 , further comprising a display unit, which is designed such that the determined state of the tissue surrounding the implant (2) and / or the determined state of the implant (1) to represent optically.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one RFID transponder (3) is an RFID transponder array.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one RFID transponder (3) is arranged on a surface of the implant (1).

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that an antenna (4) of the at least one RFID transponder (3) is made of the same material as the implant (1), the antenna (4) having an electrically non-conductive insulating layer.

Arrangement according to claim 6 , characterized in that the material of the antenna (4) of the at least one RFID transponder (3) is biocompatible and/or promotes and/or does not impede osteoconductivity and/or tissue ingrowth.

Arrangement according to claim 7 , characterized in that the material of the antenna (4) is a titanium alloy, a platinum alloy, surgical stainless steel, a cobalt-chromium alloy, a nickel-titanium alloy and/or a tantalum alloy.