DE102021123656A1

DE102021123656A1 - Implantat zur fixierung und genesungsunterstützung von knochenfrakturen

Info

Publication number: DE102021123656A1
Application number: DE102021123656.8A
Authority: DE
Inventors: Rouven Britz; Lukas Zimmer; Paul Motzki; Stefan Seelecke; Tim POHLEMANN
Original assignee: Univ Des Saarlandes Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Universitaet Des Saarlandes Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Zema - Zentrum fur Mechatronik und Automatisierungstechnik Gemeinnuetzige GmbH; Zema Zentrum Fuer Mechatronik und Automatisierungstechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Univ Des Saarlandes Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Universitaet Des Saarlandes Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Zema - Zentrum fur Mechatronik und Automatisierungstechnik Gemeinnuetzige GmbH; Zema Zentrum Fuer Mechatronik und Automatisierungstechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2021-09-13
Filing date: 2021-09-13
Publication date: 2023-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Implantat (50) zur Fixierung von Knochenfragmenten um eine Frakturstelle, umfassend:
- mehrere Halteelemente (51, 52) zum Fixieren der Knochenfragmente;
- mindestens einen Steifigkeitsaktor (54, 1), der mindestens zwei der Halteelemente (51, 52) miteinander verbindet und ausgebildet ist, um eine Steifigkeit zwischen den verbundenen Halteelementen (51, 52) variabel abhängig von einer mechanischen Verformung eines thermoelastischen Aktorelements (9) einzustellen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft medizinische Implantate, insbesondere zur Fixierung von Knochenfrakturen und Einrichtungen zur Verbesserung der Knochenbruchheilung. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Implantate, die eine aktive Stimulation auf die Knochenfraktur ausüben können.
Technischer Hintergrund
Ein Implantat zur Heilung von Knochenfrakturen dient in erster Linie dazu, die Knochenfragmente an der Bruchstelle gegeneinander zu fixieren, so dass ein optimales Zusammenwachsen der Knochenfragmente möglich ist. Dazu wird das Implantat mit zwei oder mehr als zwei Knochenfragmenten, insbesondere durch Schrauben oder Knochennägel, verbunden, so dass die Knochenfragmente in einer relativen Positionierung gegeneinander gehalten werden.
Es hat sich herausgestellt, dass ein Zusammenwachsen der Knochenfragmente beschleunigt werden kann, wenn die Frakturstelle mechanisch stimuliert wird. Die mechanische Stimulation sollte jedoch nur im Bereich geringer Abmessungen erfolgen und sich auf die Anordnungsrichtung der Knochenfragmente, eine Verdrehung der Knochenfragmente um die Anordnungsrichtung und eine Verkippung bezüglich der Anordnungsrichtung beschränken. In der Regel ist das Einbringen solcher mechanischer Stimulationen aufwendig und erfordert aktive Verstellelemente. Diese können derzeit nur extern eingesetzt werden, so dass eine Stimulation der Knochenfragmente nur indirekt durch Krafteinwirkung auf das die Knochenfragmente umgebende Gewebe möglich ist.
Die äußere Einbringung einer mechanischen Stimulation erfordert jedoch eine aufwendige konstruktive Apparatur, die um das Körperteil angeordnet werden muss, in dem die Knochenfraktur vorliegt. Diese erschwert den normalen Bewegungsablauf, da die Stimulation in der Regel zumindest während der Wachzeit des Patienten erfolgen muss.
Insbesondere hat sich herausgestellt, dass eine zeitliche Variation der Stimulation durch variierende Belastungseinwirkungen besonders vorteilhafte Wirkungen hinsichtlich des Zusammenwachsens der Knochenfragmente erzielt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der eine Stimulation einer Knochenfraktur in möglichst einfacher Weise möglich ist. Insbesondere soll ein Implantat zur Verfügung gestellt werden, das die Frakturstelle fixiert und gleichzeitig in einfacher Weise eine kontrollierte mechanische Stimulation der Knochenfraktur ermöglicht.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Implantat zur Fixierung von Knochenfragmenten um eine Frakturstelle gemäß Anspruch 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Implantat zur Fixierung von Knochenfragmenten um eine Frakturstelle vorgesehen, umfassend:

- mehrere Halteelemente zum Fixieren der Knochenfragmente;
- mindestens einen Steifigkeitsaktor, der mindestens zwei der Halteelemente miteinander verbindet und ausgebildet ist, um eine Steifigkeit zwischen den verbundenen Halteelementen variabel abhängig von einer mechanischen Verformung eines thermoelastischen Aktorelements einzustellen.

Eine Idee des obigen Implantats zur Fixierung von Knochenfragmenten um eine Frakturstelle besteht darin, dass die Knochenfragmente über mindestens einen Steifigkeitsaktor verbunden sind. Dazu können die Knochenfragmente mit Halteelementen fixiert sein, zwischen denen mindestens ein Steifigkeitsaktor angeordnet ist, um die Steifigkeit zwischen den Halteelementen variabel einstellen zu können.
Dadurch können bei der Nutzung des Implantats durch die Bewegung des Patienten während der Wachzeit unterschiedliche einstellbare Belastungen auf die Knochenfragmente ausgeübt werden, die entsprechend einer Steifigkeitseinstellung des Steifigkeitsaktors zu einer entsprechenden relativen Mikrobewegung zwischen den Knochenfragmenten an der Frakturstelle führen. Dies ermöglicht es, dem Patienten nach Einsetzen des Implantats durch vorsichtiges Bewegen, das Körperteil mit der Frakturstelle zu nutzen, wobei zeitlich variierend unterschiedliche Belastungen auf die Frakturstelle ausgeübt werden können, indem die Steifigkeit des Steifigkeitsaktors variiert wird. Die Steifigkeiten sind mithilfe des Steifigkeitsaktors einstellbar, so dass gleiche externe mechanische Belastungen je nach Einstellung der Steifigkeit durch den Steifigkeitsaktor zu unterschiedlichen Mikrobewegungen an der Frakturstelle führen. Dies ermöglicht eine gezielte Einstellung der mechanischen Stimulation der Frakturstelle.
Das Einstellen der Steifigkeit kann mithilfe eines thermoelastischen Aktorelements erfolgen. Thermoelastische Aktorelemente sind in der Regel aus einem thermoelastischen Material ausgebildet, das z.B. eine Formgedächtnislegierung aufweist, bei der durch eine Umwandlung der Gitterstruktur aufgrund einer Zug-, Druck-, Biege-, Torsions- oder Scherbelastung oder -entlastung latente Wärme freigesetzt oder aufgenommen wird.
Das thermoelastische Material des drahtförmigen thermoelastischen Aktorelements kann z.B. eine Formgedächtnislegierung, wie z.B. NiTi, enthalten und so durch einen Phasenübergang, d.h. eine Umwandlung der Gitterstruktur, bei Zufuhr oder Abfuhr von Wärme sich elastisch verspannen oder entspannen. Üblicherweise wandelt sich bei Formgedächtnislegierungen, die eine Wärmezufuhr ausgesetzt werden, eine martensitische Materialstruktur in eine austenitische Materialstruktur um und die Länge des Drahtes verringert sich. Wird das Material abgekühlt, so nimmt dieses bei Wirken einer geringen Zugspannung aufgrund der elastischen Verformung die ursprüngliche Form wieder ein, wobei sich die austenitische Materialstruktur in die martensitische Materialstruktur zurückwandelt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Halteelemente insbesondere u-förmig ausgebildet sind, um das jeweilige Knochenfragment zu umschließen, wobei insbesondere die Halteelemente jeweils ein oder mehrere Fixierungslöcher aufweisen, um diese mithilfe einer Knochenschraube oder eines Knochennagels an dem betreffenden Knochenfragment zu fixieren. Durch die U-förmige Ausbildung der Halteelemente kann das Implantat beispielsweise einen Oberschenkelknochen, Oberarmknochen oder einen sonstigen länglichen Knochen durch Umschließen fixieren.
Weiterhin kann jedes der Halteelemente an deren Schenkeln und an deren Basis mit einem jeweiligen des mindestens einen Steifigkeitsaktor verbunden sein.
Das Implantat kann mit mehreren Steifigkeitsaktoren versehen sein, die insbesondere axial parallel zueinander angeordnet sind und die Halteelemente entsprechend halten. Durch Vorsehen unterschiedlicher Steifigkeiten in den mehreren Steifigkeitsaktoren können bei äußerer Kraft- oder Momenteneinwirkung gezielt Verkippungsmomente auf die Frakturstelle eingebracht werden, die zu einer weiteren mechanischen Stimulation führen.
Der mindestens eine Steifigkeitsaktor kann an den Halteelementen fest verbunden sein, um die Knochenfragmente gegen eine Verkippung oder Verdrehung gegeneinander zu fixieren.
Gemäß einer Ausführungsform kann der mindestens eine Steifigkeitsaktor umfassen:

- ein erstes und zweites Basiselement, die in einer Längsrichtung angeordnet sind;
- ein elastisches und volumeninkompressibles Element, das in einem Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten Basiselement angeordnet ist;
- eine Einrichtung zum Zulassen und/oder Unterbinden einer Verformung des elastischen Elements bei Einwirken einer Kraft zwischen dem ersten und zweiten Basiselement, wobei das Zulassen und/oder Unterbinden der Verformung des elastischen Elements durch eine mechanische Verformung eines insbesondere drahtförmigen thermoelastischen Aktorelements einstellbar ist.

Weiterhin kann die Einrichtung zum Zulassen und/oder Unterbinden einer Verformung des elastischen Elements umfassen:

- ein entlang der Längsrichtung über den Zwischenraum verschiebliches Hülsenelement, wobei das Hülsenelement in einer ersten Stellung so über dem Zwischenraum angeordnet ist, dass eine Verformung des elastischen Elements unterbunden wird;
- das insbesondere drahtförmiges thermoelastisches Aktorelement, das angeordnet ist, um bei seiner Aktivierung (wodurch insbesondere eine Kontraktion hervorgerufen wird) das Hülsenelement entlang der Längsrichtung zu verschieben, um den Zwischenraum zumindest teilweise freizugeben.

Das elastische Element kann den Zwischenraum so ausfüllen, dass die außenliegenden Seiten bei der ersten Stellung des Hülsenelements an diesem anliegen oder durch diese in ihrer Ausdehnung durch elastische Verformung, insbesondere vollumfänglich, begrenzt werden.
Eine Idee der Verwendung des obigen Steifigkeitsaktors in einem Implantat besteht darin, ein Modul bereitzustellen, mit zwei starren Basiselementen, zwischen denen ein elastisches Material, insbesondere in Form eines Polymers, wie z.B. eines Elastomers, angeordnet ist. Das Elastomer ist volumeninkompressibel und kann entsprechend in einer Längsrichtung nur dann eine ausreichende Elastizität bewirken, wenn z.B. quer zur Längsrichtung (quer zur Stauchung) oder in sonstiger Weise Freiraum für eine Verformung besteht.
Der obige Steifigkeitsaktor kann daher in einer Ausführungsform ein Hülsenelement vorsehen, das den Bereich des elastischen Elements umgibt und dadurch das elastische Material im Wesentlichen vollständig umschließt und in seiner Möglichkeit der Verformung begrenzt. Das Hülsenelement ist verschieblich angeordnet und kann bei einer Verschiebung in Längsrichtung das elastische Material ganz oder teilweise freigeben und so bei einer von insbesondere außen wirkenden Druckbelastung zwischen den Basiselementen eine Dickenänderung (Stauchung) des elastischen Materials zulassen. Durch das Zulassen der Verformung erhöht sich die Elastizität, und eine Stauchung des Steifigkeitsaktors wird in der zweiten Stellung in einem größeren Umfang zugelassen als in der ersten Stellung des Hülsenelements.
Somit kann in einer Ausführungsform ein entlang der Längsrichtung über den Zwischenraum verschiebliches Hülsenelement vorgesehen sein, das in einer ersten Stellung so über dem Zwischenraum angeordnet ist, dass eine Verformung des elastischen Elements unterbunden wird, wobei das Hülsenelement durch das insbesondere drahtförmiges thermoelastisches Aktorelement entlang der Längsrichtung verschoben werden kann, um den Zwischenraum zumindest teilweise freizugeben und so eine Formveränderung des elastischen Elements in höherem Umfang zuzulassen. Das elastische Element kann den Zwischenraum so ausfüllen, dass die außenliegenden Seiten bei der ersten Stellung des Hülsenelements an diesem anliegen oder durch diese in ihrer Ausdehnung durch elastische Verformung, insbesondere vollumfänglich, begrenzt werden.
Der in dem Implantat verwendete Steifigkeitsaktor im Sinne dieser Beschreibung ermöglicht somit das Einstellen einer variablen Steifigkeit zwischen den Halteelementen, mit den die Basiselemente verbunden sind. Dazu kann der Steifigkeitsaktor mit einem ersten und einem zweiten Basiselement versehen sein, die in einer Längsrichtung angeordnet sind. In einem Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten Basiselement ist das elastisches und volumeninkompressibles Element angeordnet, dessen Formveränderung aufgrund einer von außen einwirkenden Druckbelastung in einstellbaren Umfang zugelassen oder unterbunden wird.
Durch die Verwendung eines variabel einstellbaren Steifigkeitsaktor ist es möglich, mithilfe des elastischen Elements aus elastischem und inkompressiblen Material eine Steifigkeit, d.h. die Elastizität, einzustellen, die zwischen den Basiselementen wirkt. Die Steifigkeit hängt dabei wesentlich von einem Freiraum für eine Verformung des elastischen Materials ab, insbesondere quer zur Längsrichtung (seitlich). Durch Begrenzung der Verformung des elastischen Materials kann aufgrund der Volumeninkompressibilität des elastischen Materials die Steifigkeit gegenüber dem Fall erhöht werden, bei dem die Verformung des elastischen Elements unbegrenzt zugelassen wird.
Eine Rückstellung des Hülsenelements zur Erhöhung der Steifigkeit kann während zeitlichen Phasen, in denen das elastische Element entlastet ist, vorgenommen werden. Dann ist das elastische Material vollständig in dem Zwischenraum aufgenommen und eine Bewegung des Hülsenelements zurück in die erste Stellung ist ohne Widerstand möglich.
Die beiden Basiselemente, zwischen denen das elastische Element angeordnet ist, können zur Aufnahme von Längsbewegungen, d. h. in Richtung ihrer Anordnung, so geführt sein, so dass eine Druckbeaufschlagung in Längsrichtung zu einem Stauchen des elastischen Elements führen kann.
Das elastische Element kann aus einem elastischen Material, insbesondere einem Elastomer, ausgebildet sein, wobei das elastische Element aus einem homogenen elastischen Material ausgebildet ist oder mehrere in Längsrichtung angeordnete Schichten von elastischem Material mit mindestens zwei unterschiedlichen Elastizitäten aufweist.
Weiterhin kann das erste und das zweite Basiselement in Längsrichtung relativ zueinander beweglich geführt sein und insbesondere auf Druckbelastung vorgespannt sein, so dass das elastische Element formschlüssig an dem Hülsenelement anliegt.
Weiterhin kann eine Rasteinrichtung vorgesehen sein, um das Hülsenelement in der mindestens einen zweiten Stellung zu verrasten, in der das Hülsenelement das elastische Element in dem Zwischenraum zumindest teilweise für eine seitliche Verformung freigibt und in der das Hülsenelement gegen eine Rückstellkraft ohne Beaufschlagung bzw. Aktivierung durch das thermoelastische Aktorelement gehalten wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Steifigkeitsaktor ein weiteres thermoelastisches Aktorelement umfassen, das ausgebildet ist, um bei Aktivieren eine einstellbare Druckkraft zwischen dem ersten und dem zweiten Basiselement auszuüben, so dass eine aktive Stimulation über die Halteelemente auf die Knochenfragmente ausgeübt wird.
Weiterhin können das thermoelastische Aktorelement und/oder das weitere thermoelastische Aktorelement sich in Längsrichtung erstrecken und insbesondere ein oder mehrfach umgelenkt sind, so dass Abschnitte des betreffenden Aktorelements zueinander parallel verlaufen.
Gemäß einer Ausführungsform kann in das elastische Element des Steifigkeitsaktors ein Verformungssensor eingebettet sein, der ausgebildet ist, um eine Verformung des elastischen Elements zu erfassen. Der Verformungssensor kann als kapazitiver, resistiver oder piezoresistiver Sensor oder als ein elektroaktives-Polymer-Sensor vorgesehen sein, der eine Verformung des elastischen Materials des elastischen Elements in eine elektrische Größe, insbesondere eine Kapazitätsänderung, umwandeln kann.
Durch Vorsehen des Verformungssensors in dem elastischen Material des elastischen Elements kann die Stimulation durch die Bewegung der Halteelemente relativ zueinander ermittelt werden, um so ein Maß der erreichten mechanischen Stimulation der Frakturstelle zu ermitteln.
Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, um insbesondere abhängig von der gemessenen elektrischen Größe oder von einem zeitlichen Verlauf der gemessenen elektrischen Größe die Einrichtung zum Zulassen und/oder Unterbinden einer Verformung des elastischen Elements anzusteuern, um eine Verformung des elastischen Elements zuzulassen oder zu unterbinden und so eine Steifigkeit des Steifigkeitsaktors auf einen vorgegebenen Sollwert einzustellen, wobei insbesondere der vorgegebene Sollwert von der gemessenen elektrischen Größe oder von dem zeitlichen Verlauf der gemessenen elektrischen Größe abhängt.
So kann abhängig von der Verformung, die durch den Verformungssensor gemessen wird, und/oder abhängig von einem zeitlichen Verlauf der Verformung, die Steifigkeit durch den Steifigkeitsaktor mithilfe der Steuereinheit eingestellt werden.
Die Steifigkeitsaktoren können von einer Steuereinheit angesteuert werden, um insbesondere abhängig von der gemessenen elektrischen Größe die Einrichtung zum Zulassen und/oder Unterbinden einer Verformung des elastischen Elements anzusteuern, um eine Verformung des elastischen Elements durch ein insbesondere drahtförmiges thermoelastisches Aktorelement einzustellen und so eine Steifigkeit des Steifigkeitsaktors auf einen vorgegebenen Sollwert einzustellen.
Die Steuereinheit kann ebenfalls in dem Implantat integriert sein und über eine Batterie zur Stromversorgung betrieben wird. Die Batterie kann induktiv aufgeladen werden und dient zur Ansteuerung der Steifigkeitsaktoren. Alternativ kann die Ansteuerung der Aktoren auch direkt über die induktive Energieübertragung erfolgen, während eine Batterie nur für die Energiepufferung zum Betreiben und Auswerten der Verformungssensorik vorgesehen ist.
Zusätzlich in Kombination mit dem Verformungssensor können auch sensorische Eigenschaften der Aktoren verwendet werden. Der elektrische Widerstand kann beispielsweise ebenfalls ausgewertet werden, um die Dehnung des thermoelastischen Aktorelements zu bestimmen. Die ermöglicht eine zusätzliche Information, um den Heilungsfortschritt zu bestimmen, da mit dem Fortschritt des Knochenwachstums die Stimulation schwerer wird.
In der Ausführungsform, in der der mindestens eine Steifigkeitsaktor mindestens ein weiteres thermoelastisches Aktorelement aufweist, kann die Steuereinheit den Verlauf der Verformung anhand des Verlaufs der elektrischen Größe während eines passiven Betriebs des mindestens einen Steifigkeitsaktors erfassen. Abhängig von dem Verlauf der elektrischen Größe während eines Zeitraums, während der der weitere thermoelastische Aktorelement passiv ist, kann nach Erkennen eines Zeitraums, in dem eine geringe Belastung (kumulierte Belastung innerhalb eines Zeitraums geringer als ein vorgegebener Schwellenwert) durch einen Schwellenwertvergleich erkannt wird, eine aktive Stimulation durch das weitere thermoelastische Aktorelement gemäß einem vorgegebenen zeitlichen Profil über das Implantat eingebracht werden.
Auf diese Weise kann eine durch den Verformungssensor gemessene Stimulation auf die Frakturstelle, die aus der Belastung im Alltag resultiert, erfasst werden und bei Nachlassen der Belastung, z.B. am Ende des Tages oder Einnehmen der Bettruhe, eine individuelle „Nachsteuerung“ durch Einbringen einer zusätzlichen aktiven Stimulation abhängig von einer kumulierten Belastung während einer Bewegungszeit des Patienten erfolgen.
Im Ausführungsfall, in dem der Steifigkeitsaktor ein weiteres thermoelastisches Aktorelement umfasst, um bei Aktivieren eine einstellbare Druckkraft zwischen dem ersten und dem zweiten Basiselement auszuüben, kann die Steuereinheit ausgebildet sein , um insbesondere abhängig von der gemessenen elektrischen Größe oder von einem zeitlichen Verlauf der insbesondere während einer Zeitphase eines deaktivierten weiteren thermoelastischen Aktorelements gemessenen elektrischen Größe das weitere thermoelastische Aktorelement anzusteuern, um eine vorgegebene aktive Stimulation über die Halteelemente auf die Knochenfragmente auszuüben.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Steifigkeitsaktor insbesondere zur Verwendung in einem Implantat zur Fixierung von Knochenfragmenten um eine Frakturstelle vorgesehen, wobei der mindestens eine Steifigkeitsaktor umfasst:

- ein erstes und zweites Basiselement, die in einer Längsrichtung angeordnet sind;
- ein elastisches und volumeninkompressibles Element, das in einem Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten Basiselement angeordnet ist;
- eine Einrichtung zum Zulassen und/oder Unterbinden einer Verformung des elastischen Elements bei Einwirken einer Kraft zwischen dem ersten und zweiten Basiselement, wobei das Zulassen und/oder Unterbinden der Verformung des elastischen Elements durch das insbesondere drahtförmige thermoelastische Aktorelement einstellbar ist.

Der vorstehende Steifigkeitsaktor kann ein weiteres thermoelastisches Aktorelement umfassen, das ausgebildet ist, um bei Aktivieren, wodurch insbesondere das weitere thermoelastische Aktorelement kontrahiert, eine einstellbare Druckkraft zwischen dem ersten und dem zweiten Basiselement auszuüben, so dass eine aktive Stimulation über die Halteelemente auf die Knochenfragmente ausgeübt wird.
Als ein Gegenspieler zum Rückstellen des weiteren thermoelastischen Aktorelements kann ein thermoelastisches Rückstell-Aktorelement oder eine Rückstellfeder vorgesehen sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben des obigen Implantats vorgesehen, wobei die elektrische Größe oder der zeitliche Verlauf der gemessenen elektrischen Größe gemessen wird, wobei insbesondere abhängig von der gemessenen elektrischen Größe oder von einem zeitlichen Verlauf der gemessenen elektrischen Größe die Einrichtung zum Zulassen und/oder Unterbinden einer Verformung des elastischen Elements angesteuert wird, um eine Verformung des elastischen Elements zuzulassen oder zu unterbinden und so eine Steifigkeit des Steifigkeitsaktors auf einen vorgegebenen Sollwert einzustellen, wobei insbesondere der vorgegebene Sollwert von der gemessenen elektrischen Größe oder von dem zeitlichen Verlauf der gemessenen elektrischen Größe abhängt.
Bei Vorsehen des weiteren thermoelastischen Aktorelements kann bei Aktivieren eine einstellbare Druckkraft zwischen dem ersten und dem zweiten Basiselement ausgeübt werden, die zu einer entsprechend einstellbaren Veränderung der Breite des Zwischenraums (in Längsrichtung) führt. Dies führt zu der aktiven Stimulation der Frakturstelle. Insbesondere kann abhängig von der gemessenen elektrischen Größe oder von einem zeitlichen Verlauf der insbesondere während einer Zeitphase eines deaktivierten weiteren thermoelastischen Aktorelements gemessenen elektrischen Größe das weitere thermoelastische Aktorelement angesteuert werden um eine vorgegebene aktive Stimulation über die Halteelemente auf die Knochenfragmente auszuüben, wenn die von außen durch die Bewegung des Patienten einwirkende Stimulation nachlässt.
Figurenliste
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Implantats mit beispielhaft drei Steifigkeitsaktoren;
2 eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen beispielhaften Steifigkeitsaktor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
3a und 3c schematische Darstellungen von verschiedenen Stellungen des Hülsenelements zum Bewirken von verschiedenen Steifigkeiten des Steifigkeitsaktors;
4a und 4b verschiedene Stellungen des Hülsenelements für einen Steifigkeitsaktor einer weiteren Ausführungsform mit einem elastischen Material mit unterschiedlichen Elastizitäten;
5 Detailansicht eines elastischen Elements mit einem eingebetteten Verformungssensor zur Messung einer Stauchung des Steifigkeitsaktors als elektroaktiver Polymer-Sensor; und
6 eine Darstellung eines Gesamtsystems aus Steifigkeitsaktor und Steuereinheit zum Einstellen einer gewünschten Steifigkeit.

Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt beispielhaft ein Implantat 50 für einen Oberschenkelknochen zur Fixierung einer Frakturstelle und zur Unterstützung des Heilungsprozesses. Das Implantat 50 weist ein erstes Halteelement 51 und ein zweites Halteelement 52 auf. Das erste und das zweite Halteelement 51, 52 werden jeweils an einem Knochenfragment um die Frakturstelle fixiert. Das Befestigen kann mithilfe von Knochenschrauben oder Knochennägeln erfolgen. Dazu können Fixierungslöcher 53 zur Aufnahme der Knochenschrauben oder der Knochennägel vorgesehen sein.
Die Halteelemente 51, 52 können u-förmig sein, so dass diese sich in einfacher Weise auf das Knochenfragment aufgesetzt und dort verschraubt oder in sonstiger Weise fixiert werden können. Die Innenkontur kann zur Individualisierung an die Kontur des entsprechenden Knochenfragments angepasst werden, insbesondere durch additive Fertigung / rapid prototyping. Dies ermöglicht es, dass die Halteelemente 51, 52 fest und zuverlässig mit dem Knochenfragment verbunden werden.
Die Halteelemente 51, 52 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit drei Steifigkeitsaktoren 54 miteinander verbunden. Die Steifigkeitsaktoren 54 ermöglichen, wie nachfolgend beschrieben, eine stufige oder variable Verstellung einer Steifigkeit bzw. Elastizität zwischen den Halteelementen 51, 52.
Der Steifigkeitsaktor 54 weist dazu zwei Basiselemente auf, zwischen denen ein elastisches Element vorgesehen ist, dessen Formveränderung aufgrund eines einwirkenden Drucks zugelassen, begrenzt zugelassen oder unterbunden wird. Die Basiselemente sind an den Halteelementen 51, 52 fixiert, um zumindest eine Druckbelastung in Längsrichtung bzw. in Anordnungsrichtung der Halteelemente 51, 52 aufzunehmen.
Die Basiselemente können dazu fest mit dem jeweiligen Halteelement 51, 52 verbunden sein oder einseitig mit einem Kugelgelenk mit dem jeweiligen Halteelement 51, 52 verbunden sein, um die so die Aufnahme von Momenten aufgrund von nicht in Anordnungsrichtung verlaufenden Kräften, die auf die Steifigkeitsaktoren 54 einwirken, zu vermeiden.
Die Steifigkeitsaktoren 54 ermöglichen es, die Halteelemente 51, 52 grundsätzlich in ihrer relativen Position zueinander zu fixieren, so dass die Knochenfragmente festgehalten werden. Die Steifigkeitsaktoren 54 können sowohl in einer passiven als auch aktiven Variante vorgesehen werden.
In der passiven Variante der Steifigkeitsaktoren 54 ist es möglich, die Steifigkeit zwischen den Basiselementen durch Erhöhen des Freiraums zur Formveränderung aufgrund einer äußeren Druckeinwirkung zu reduzieren. Die Steifigkeit kann nur dadurch erhöht werden, dass die Druckbelastung zwischen den Basiselementen durch externe Einwirkung aufgehoben wird, so dass der Freiraum zur Formveränderung ohne Krafteinwirkung auf das elastische Element wieder reduziert werden kann.
Bei einer aktiven Variante des Steifigkeitsaktors ist es möglich, gezielt eine wirkende Druckbelastung zwischen den an den Halteelementen 51, 52 fixierten Basiselementen durch eine entsprechendes weiteres Aktorelement einzubringen, um so eine aktive Stimulation zu bewirken. Aktiv bedeutet die Frakturstelle wird durch das Implantat 50 also durch Aktivierung des weiteren Aktorelements belastet. Die Belastung kann im Wesentlichen derjenigen Belastung entsprechen, die bei einem Oberschenkenbruch einem Gehen oder bei einem Oberarmbruch einem Heben eines Gegenstands gleicht. Die aktive variante soll unterstützen, wenn sich Patienten z.B. zu wenig bewegen.
Weiterhin kann entsprechend eine Steuereinheit 55 vorgesehen sein, um bei der aktiven Variante die Steifigkeitsaktoren anzusteuern, so dass zeitlich gesteuert unterschiedliche Belastungen auf die Frakturstelle wirken.
Nachfolgend wird die Funktionsweise eines Steifigkeitsaktors detaillierter beschrieben.
2 zeigt eine Querschnittsdarstellung in Längsrichtung durch einen Steifigkeitsaktor 1 mit einem ersten Basiselement 2 und einem zweiten Basiselement 3. Das erste und das zweite Basiselement 2, 3 sind in einer Anordnungsrichtung angeordnet, die einer Längsrichtung L entspricht. Die Basiselemente 2, 3 weisen Befestigungen für den Steifigkeitsaktor 1 auf, zwischen denen einer Steifigkeit gegenüber Relativbewegungen in Längsrichtung L eingestellt werden soll.
Zwischen dem ersten Basiselement 2 und dem zweiten Basiselement 3 ist ein Zwischenraum 4 vorgesehen, in dem ein elastisches Element 5 aus einem elastischen Material angeordnet ist. Dazu weisen das erste und das zweite Basiselement 2, 3 einander zugewandte z.B. planparallele Endflächen A, B auf, an denen das elastische Material anliegt. Das in dem Zwischenraum angeordnete elastische Element 5 weist dadurch eine gleichförmige Dicke auf. Auch andere Konturen der Endflächen A, B sind denkbar, solange der gebildete Zwischenraum 4 vollständig mit dem elastischen Material gefüllt ist.
Das elastische Material kann in Form eines elastischen Polymers oder eines Elastomers vorgesehen sein und zeichnet sich durch eine vorgegebene Elastizität und eine Volumeninkompressibilität gegenüber Druckbelastungen aus. Als elastische Materialien kommen beispielsweise Silikon, Kautschuk, Acryle, PVDF und dergleichen in Betracht. Die Breite des elastischen Elements kann zwischen 0,3 mm und 10 mm betragen.
Mithilfe einer Führungsanordnung 6 sind das erste Basiselement 2 und das zweite Basiselement 3 miteinander verbunden und lediglich in die Längsrichtung L relativ zueinander beweglich angeordnet. Die Führungsanordnung 6 kann dazu mit einer Führungsstange 62 ausgebildet sein, die in einer Führungshülse 61 translatorisch geführt ist. Die Führungshülse 61 ist mit dem ersten Basiselement 2 fest verbunden und vorzugsweise im Inneren des ersten Basiselements 2 angeordnet, während die Führungsstange 62 sich durch den Zwischenraum 4 und das elastische Element 5 hindurch erstreckt und mit dem zweiten Basiselement 3 fest verbunden ist.
Es können mehrere Führungsanordnungen 6 vorgesehen sein, die zueinander parallel angeordnet sind, um eine erhöhte Sicherheit gegenüber einem Verkippen oder Verdrehen des ersten Basiselements 2 gegenüber dem zweiten Basiselement 3 bereitzustellen.
An dem ersten Basiselement 2 ist ein verschiebliches Hülsenelement 8 beweglich geführt, die sich in einer ersten Stellung so den Zwischenraum 4 umschließt, dass die Innenwände des Hülsenelements 8 bündig bzw. schlüssig an dem elastischen Element 5 in dem Zwischenraum 4 anliegen.
Extern einwirkende Druckbelastungen in Längsrichtung L führen in einer ersten Stellung des Hülsenelements 8 nicht zur Stauchung des elastischen Element 5, da dieses inkompressibel ist und durch das umschließende Hülsenelement 8 keine Verformung in radialer Richtung zugelassen wird. Die Gesamtanordnung weist eine hohe Steifigkeit auf.
Das Hülsenelement 8 lässt sich variabel in eine zweite Stellung bringen, in dem das Hülsenelement 8 vollständig von dem Zwischenraum 4 in Richtung des ersten Basiselements 2 bewegt wird, so dass das elastische Element 5 vollständig freiliegt und nicht mehr von dem Hülsenelement 8 umschlossen wird. Auf diese Weise können Druckbelastungen in Längsrichtung L, die zur Stauchung des elastischen Element 5 führen, durch das elastische Element 5 aufgenommen werden, indem sich dieses elastisch verformt und sich seitlich, d. h. quer zur Längsrichtung L bzw. in radialer Richtung, ausdehnt. Dadurch kann die Dicke des Zwischenraums 4 verringert werden, wobei das elastische Element 5 eine Gegenkraft zur externen Druckbelastung ausübt. Die niedrigere Dicke des elastischen Elements 5 resultiert in einer niedrigeren Steifigkeit. Diese Stellung ist in 2 dargestellt.
Das Hülsenelement 8 kann mithilfe eines thermoelastischen Aktorelements 9, insbesondere als thermoelastischer Aktordraht oder Formgedächtnis-Aktordraht, in Längsrichtung bewegt werden, insbesondere weg vom zweiten Basiselement 3, um so den Zwischenraum 4 und das darin befindliche elastische Element 5 ganz oder teilweise freizugeben. Durch Aktivierung des thermoelastischen Aktorelements 9 wird das Hülsenelement 8 in Richtung der zweiten Stellung bewegt.
Als thermische Aktorelemente werden hierin Aktoren mit thermischen Aktorelementen bezeichnet, die durch Einwirkung von Wärme eine Stellbewegung hervorrufen können. Thermische Aktoranordnungen können beispielsweise mit einem thermoelastischen Material (auch als elastokalorisches oder mechanokalorisches Material bezeichnet) ausgebildet sein. Derartige thermoelastische Materialien ändern ihre Mikrostruktur bei Einwirkung einer Temperaturänderung. Dadurch können thermoelastische Aktorelemente bei Erwärmung ihre Abmessungen verringern bzw. eine Zugkraft ausüben. Im Falle einer Abkühlung nimmt das thermoelastische Aktorelement 9 insbesondere bei Vorliegen einer entsprechenden Rückstellkraft die ursprüngliche Form wieder ein. Eine Gruppe gebräuchlicher thermoelastischen Materialien sind Formgedächtnislegierungen.
Das Hülsenelement 8 kann durch eine Federkraft einer Rückstellfeder 7, die als Gegenspieler zu dem thermoelastischen Aktorelement 9 dient, in der ersten Stellung gehalten oder in Richtung der ersten Stellung gedrückt werden. Die Rückstellfeder 7 dient auch dazu, das thermoelastische Aktorelement 9 bei seiner Abkühlung in die ursprüngliche Länge zu dehnen.
Die erreichte Steifigkeit ist abhängig von dem verwendetem elastischen Material des elastischen Elements 5 und von der Federkonstanten der optionalen Druckfeder 10, wenn diese vorgesehen ist. Wenn das Hülsenelement 8 aus der ersten Stellung verschoben ist und das elastischen Element 5 somit verformbar wird, wird beim Aufbringen einer Druckkraft zwischen den Basiselementen 2, 3 auch die Druckfeder 10 verformt.
Das thermoelastische Aktorelement 9 kann drahtförmig ausgebildet sein, um bei Erwärmung eine Längenverkürzung zu erfahren, die direkt auf das Hülsenelement 8 wirkt, um dieses gegen die Federkraft der Rückstellfeder 7 aus der ersten Stellung in Richtung der zweiten Stellung zu ziehen.
Als thermische Aktorelemente werden hierin Aktoren mit thermischen Aktorelementen bezeichnet, die durch Einwirkung von Wärme eine Stellbewegung hervorrufen können. Thermische Aktoranordnungen können beispielsweise mit einem thermoelastischen Material (auch als elastokalorisches oder mechanokalorisches Material bezeichnet) ausgebildet sein. Derartige thermoelastische Materialien ändern ihre Mikrostruktur bei Einwirkung einer Temperaturänderung. Die Erwärmung des Aktorelements kann durch eine entsprechende Bestromung erfolgen, bei der elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Dadurch können thermoelastische Aktorelemente bei Erwärmung ihre Abmessungen verringern bzw. eine Zugkraft ausüben. Im Falle einer Abkühlung nimmt das thermoelastische Element insbesondere bei Vorliegen einer entsprechenden Rückstellkraft die ursprüngliche Form wieder ein. Eine Gruppe gebräuchlicher thermoelastischen Materialien sind Formgedächtnislegierungen.
Das Hülsenelement 8 kann durch eine Federkraft einer Rückstellfeder 7, die als Gegenspieler zu dem thermoelastischen Aktorelement 9 dient, in der ersten Stellung gehalten oder in Richtung der ersten Stellung gedrückt werden. Die Rückstellfeder 7 dient auch dazu, das thermoelastische Aktorelement 9 bei seiner Abkühlung in die ursprüngliche Länge zu dehnen.
Das thermoelastische Aktorelement 9 kann drahtförmig ausgebildet sein, um bei Erwärmung, insbesondere durch Zufuhr elektrischer Energie, eine Längenverkürzung zu erfahren, die direkt auf das Hülsenelement 8 wirkt, um dieses gegen die Federkraft der Rückstellfeder 7 aus der ersten Stellung in Richtung der zweiten Stellung zu ziehen.
Um eine ausreichende Hublänge des drahtförmigen thermoelastischen Aktorelements 9 zu erreichen, kann dieses ein- oder mehrfach umgelenkt, so dass mehrere Abschnitte des thermoelastischen Aktorelements 9 parallel zueinander verlaufen, um die Gesamtlänge des Steifigkeitsaktors 1 gegebenenfalls zu reduzieren. Alternativ oder zusätzlich kann das Aktorelement als Bündel aus thermoelastischen Aktordrähten 9 ausgeführt sein, um höhere Kräfte zu erzeugen.
Die Erwärmung des drahtförmigen thermoelastischen Aktorelements 9 kann vorzugsweise durch Beaufschlagen mit elektrischer Leistung in an sich bekannter Weise durch Durchleiten von elektrischem Strom erfolgen. Dazu sind die drahtförmigen thermoelastischen Aktorelements 9 vorzugsweise elektrisch isoliert angeordnet und über elektrische Verbindungsleitungen (nicht gezeigt) ansteuerbar.
Um das Hülsenelement 8 in einer von der ersten Stellung ausgelenkten Stellung, wie z.B. der zweiten Stellung zu fixieren, kann eine Rasteinrichtung 11 vorgesehen sein, die bei Verfahren des Hülsenelements 8 gegen die Federkraft um eine bestimmte Hublänge in einer ersten Raststellung einrastet. Die Rasteinrichtung 11 kann ausgebildet sein, um nach einem kurzen weiteren Anziehen des Hülsenelements 8 die Verrastung aus der ersten Raststellung zu lösen und nach Deaktivieren des drahtförmigen thermoelastischen Aktorelements 9 zuzulassen, dass sich das Hülsenelement 8 unter Wirkung der Federkraft der Rückstellfeder 7 in die erste Stellung zurückbewegt.
Die Rasteinrichtung 11 kann auch mehr als eine Raststellung aufweisen, so dass bei einem weiteren Verfahren das Hülsenelement 8 in Richtung des ersten Basiselements 2 in eine zweite Raststellung einrastet, bei das Hülsenelement 8 noch weiter gegenüber dem Zwischenraum 4 angehoben ist. Bei einem weiteren Anziehen durch das drahtförmige thermoelastische Aktorelement 9 kann die zweite Raststellung dann verlassen und bei einer Wegnahme der elektrischen Leistung an dem drahtförmigen thermoelastischen Aktorelement 9 wird das Hülsenelement 8 durch die Federkraft der Rückstellfeder 7 in die erste Stellung zurückbewegt.
Eine Ausführung ohne Rastmechanismus ist ebenfalls möglich. In diesem Fall muss das thermoelastische Aktorelement 9 dauerbestromt und im Fall von Zwischenpositionen auf diese geregelt werden.
Um ein Zurückstellen des Hülsenelements 8 in die erste Stellung zu ermöglichen, ist es notwendig, die Steifigkeitsaktoren 54, 1 von einer Druckbeaufschlagung zunächst zu entlasten, damit die seitliche Ausdehnung des elastischen Elements 5 zurückgenommen wird und das elastische Material wieder vollständig innerhalb des Zwischenraums 4 zwischen dem ersten Basiselement 2 und dem zweiten Basiselement 3 angeordnet ist. Auf diese Weise kann ein seitliches Beaufschlagen von aus dem Zwischenraum 4 verdrängtem elastischen Material durch seitliches Beaufschlagen oder Abscheren durch das Hülsenelement 8 vermieden werden.
Bei der oben beschriebenen passiven Ausbildung des Steifigkeitsaktors erfolgt eine Stauchung des Steifigkeitsaktors in der Regel nur durch Einwirkung externer Druckkräfte. Ein Rückstellen auf eine maximale Steifigkeit (erste Stellung des Hülsenelements) ist nur bei Wegfall der externen Druckkräfte möglich. Eine Entlastung kann beispielsweise bei einem Oberschenkenbruch durch Hängenlassen des Beins im entspannten Zustand erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform, die den aktiven Steifigkeitsaktor betrifft, ist ein weiteres thermoelastisches Aktorelement 12 vorgesehen, dass insbesondere bei einer Kontraktion eine Druckkraft zwischen den Basiselementen 2, 3 ausüben kann, um ungeachtet einer externen Druckkraftbeaufschlagung, die Basiselemente 2, 3 gegeneinander zu drücken, um eine aktive Stimulation auf das Implantat 1 mithilfe des Steifigkeitsaktors auszuüben.
Als Gegenspieler zu dem weiteren thermoelastischen Aktorelement 12 können eine oder mehrere Druckfedern 10 vorgesehen sein, die das weitere thermoelastische Aktorelement 12 nach seiner Kontraktion in Folge einer Aktivierung nach Wegfall der Aktivierung (Abkühlung) wieder dehnt. Die Aufgabe der einen oder der mehreren Druckfedern 10 kann auch von einem thermoelastischen Rückstell-Aktorelement übernommen werden, das bei Aktivierung und deaktivierten weiteren thermoelastischen Aktorelements 12 dieses dehnt und auch die Stauchung des elastischen Elements 5 wieder aufhebt, um eine Rückstellung des Hülsenelements 8 in die erste Stellung ermöglicht.
Ebenso wie das thermoelastische Aktorelement 9 kann das weitere thermoelastische Aktorelement 12 als Bündel (mehrere Drähte parallel) ausgeführt sein, um höhere Kräfte zu erzeugen. Um eine ausreichende Hublänge des weiteren drahtförmigen thermoelastischen Aktorelements 12 zu erreichen, kann dieses ein- oder mehrfach umgelenkt werden, so dass mehrere Abschnitte des thermoelastischen Aktorelements 12 parallel zueinander verlaufen, um die Gesamtlänge des Steifigkeitsaktors 1 gegebenenfalls zu reduzieren.
3a- 3c zeigen in einer schematisierten Form den Steifigkeitsaktor 1 der 2. In den 3a und 3b ist das Hülsenelement 8 in der ersten bzw. einer zweiten Stellung gezeigt, wobei letztere der ersten Raststellung entsprechen kann. 2c zeigt das Hülsenelement 8 in einer weiteren zweiten Stellung, die der zweiten Raststellung entsprechen kann. Man erkennt, dass in der zweiten Stellung des Hülsenelements 8 (d.h., in der ersten Raststellung) das elastische Element 5 nur teilweise (in Längsrichtung L) freigegeben ist und dadurch die Ausdehnung des elastischen Materials aufgrund einer Druckbeaufschlagung auf den Steifigkeitsaktor 1 nur in dem freigegebenen Abschnitt C erfolgt. Dadurch weist der Steifigkeitsaktor 1 zwar eine geringere Steifigkeit auf als in der ersten Stellung des Hülsenelements 8, bei der das elastische Element 5 vollständig durch das Hülsenelement 8 umschlossen ist, jedoch auch eine höhere Steifigkeit als bei einer vollständigen Freigabe des elastischen Elements, wie es in 3c dargestellt ist.
In den 4a bis 4c sind Teildarstellungen des Bereichs des Zwischenraums 4 für eine weitere Ausführungsform des Steifigkeitsaktors 1 in verschiedenen Stellungen des Hülsenelements 8 gezeigt. Die Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch, dass das elastische Element 5 zwei- oder mehrschichtig (im vorliegenden Fall dreischichtig) ausgebildet sein kann, mit elastischen Materialien 51, 52, 53 unterschiedlicher Elastizitäten. Somit können durch das variable Verschieben des Hülsenelements 8 nichtlineare Verläufe und auch Sprünge der Steifigkeit (bezüglich des Verschiebehubs des Hülsenelements 8) bewirkt werden, die unterschiedliche Höhen aufweisen. So kann beispielsweise, wie in 4b gezeigt ist, durch Freigabe des ersten elastischen Materials 51 (erste Schicht) des elastischen Elements 5 eine erste Steifigkeit eingestellt werden. In 4b sind das erste und das zweite elastische Material 51, 52 (erste und zweite Schicht) des elastischen Elements 5 mit unterschiedlichen Elastizitäten freigegeben, während das dritte elastische Material 53 (dritte Schicht) des elastischen Elements 5 noch von dem Hülsenelement 8 umschlossen ist. Daraus ergibt sich eine Steifigkeitsverringerung auf eine Steifigkeit. In 4c ist dargestellt, dass das elastische Material des elastischen Elements 5 vollständig freigegeben, so dass eine deutliche Verringerung der Steifigkeit des Steifigkeitsaktors 1 bewirkt wird.
In 5 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des elastischen Elements 5 dargestellt. Im elastischen Element 5 ist ein Verformungssensor 14 in Form eines kapazitiven Sensors angeordnet. Der kapazitive Sensor 14 kann auf einer in dem elastischen Element 5 vorgesehenen elektroaktiven Polymer 141 angeordnete leitfähige Schichten 142 aufweisen, so dass bei Stauchung des elastischen Elements 5 das elektroaktive Polymer 141 ebenfalls verformt wird und sich dadurch die Kapazität des kapazitiven Sensors 14 erhöht. Ein elektroaktives Polymer kann in einem EAP-Sensor bei einer Verformung als eine elektrische Größe eine Kapazitätsänderung zur Verfügung stellen, die ein Maß der Verformung angeben kann. Die Kapazitätsänderung entspricht einer Verformung des elastischen Elements 5 und kann gemessen und ausgewertet werden. Die Kapazität kann zur Bestimmung der momentanen Druckbelastung zwischen dem ersten und zweiten Basiselement 2, 3 verwendet werden, die bei bekannten Materialparametern des elastischen Materials des elastischen Elements 5 einer bestimmbaren Steifigkeit des Steifigkeitsaktors 1 entspricht.
Durch Vorsehen des Verformungssensors 14 in dem elastischen Material des elastischen Elements 5 kann die Stimulation durch die Bewegung der Halteelemente 51, 52 relativ zueinander ermittelt werden, um so ein Maß der erreichten mechanischen Stimulation der Frakturstelle zu ermitteln. Die Stimulation kann auch als zeitlich integriertes bzw. kumuliertes Maß der Verformung bestimmt werden.
In einem Gesamtsystem, das in 6 dargestellt ist, kann ein Steifigkeitsaktor 1 mit einem derartigen Verformungssensor 14 über eine Steuereinheit 20 gesteuert werden. Die Steuereinheit 20 kann abhängig von der durch den Verformungssensor 14 gemessenen Druckbelastung die Steifigkeit des Steifigkeitsaktors 1 einstellen. Während bei der ersten Stellung des Hülsenelements 8 bei einer Druckbeaufschlagung der Druck auf das elastische Element 5 am höchsten ist, kann nun durch Vorgabe eines Solldrucks das Hülsenelement 8 so lange in Richtung des ersten Basiselements 2 zur Freigabe des elastischen Elements 5 bewegt werden, bis durch die seitliche Ausdehnung des elastischen Materials sich auch die Dicke der elastischen Membran 121 des Verformungssensors 14 sich verringert und sich dadurch die Kapazität sich erhöht. Somit kann bei Erreichen der Sollkapazität die Bewegung des Hülsenelements 8 durch Einregeln der elektrischen Leistung, mit der das drahtförmige thermoelastische Aktorelement 9 beaufschlagt wird, fixiert werden, um so eine vorgegebene Steifigkeit des Steifigkeitsaktors 1 zu erreichen.
Die Steuereinheit 20 kann entsprechend auch die Steifigkeit abhängig von einem Verlauf der Verformung während eines vorgegebenen Zeitraums einstellen. So kann abhängig von einem Maß der Verformung, das durch den Verformungssensor 14 gemessen wird, und ggfs. abhängig von einem zeitlichen Verlauf der Verformung, die Steifigkeit durch den Steifigkeitsaktor 1 mithilfe der Steuereinheit 55 eingestellt werden.
Die Steifigkeitsaktoren 1 können von der Steuereinheit 55 insbesondere durch Bestromung so angesteuert werden, die ausgebildet ist, um insbesondere abhängig von der gemessenen elektrischen Größe die Einrichtung zum Zulassen und/oder Unterbinden einer Verformung des elastischen Elements 5 zu steuern, so dass eine Verformung des elastischen Elements durch ein insbesondere drahtförmiges thermoelastisches Aktorelement und so eine Steifigkeit des Steifigkeitsaktors auf einen vorgegebenen Sollwert eingestellt wird.
Wenn mindestens einer der Steifigkeitsaktoren 54, 1 mindestens ein weiteres thermoelastisches Aktorelement 12 aufweist, kann die Steuereinheit den Verlauf der Verformung anhand des Verlaufs der elektrischen Größe während eines passiven Betriebs des mindestens einen Steifigkeitsaktors erfassen. Abhängig von dem Verlauf der elektrischen Größe während eines Zeitraums, während der weitere thermoelastische Aktorelement passiv ist, kann nach Erkennen eines Zeitraums, in dem eine geringe Belastung (kumulierte Belastung innerhalb eines Zeitraums geringer als ein vorgegebener Schwellenwert) durch einen Schwellenwertvergleich erkannt wird, eine aktive Stimulation durch das weitere thermoelastische Aktorelement 12 gemäß einem vorgegebenen zeitlichen Profil über das Implantat 50 eingebracht werden.
Auf diese Weise kann eine durch den Verformungssensor gemessene Stimulation auf die Frakturstelle, die aus der Belastung im Alltag resultiert, erfasst werden und bei Nachlassen der Belastung, z.B. am Ende des Tages oder Einnehmen der Bettruhe, eine individuelle „Nachsteuerung“ durch Einbringen einer zusätzlichen aktiven Stimulation abhängig von einer kumulierten Belastung während einer Bewegungszeit des Patienten erfolgen.

Claims

Implantat (50) zur Fixierung von Knochenfragmenten um eine Frakturstelle, umfassend: - mehrere Halteelemente (51, 52) zum Fixieren der Knochenfragmente; - mindestens einen Steifigkeitsaktor (54, 1), der mindestens zwei der Halteelemente (51, 52) miteinander verbindet und ausgebildet ist, um eine Steifigkeit zwischen den verbundenen Halteelementen (51, 52) variabel abhängig von einer mechanischen Verformung eines thermoelastischen Aktorelements (9) einzustellen.
Implantat (50) nach Anspruch 1, wobei die Halteelemente (51, 52) insbesondere u-förmig ausgebildet sind, um das jeweilige Knochenfragment zu umschließen, wobei insbesondere die Halteelemente (51, 52) jeweils ein oder mehrere Fixierungslöcher aufweisen, um diese mithilfe einer Knochenschraube oder eines Knochennagels an dem betreffenden Knochenfragment zu fixieren.
Implantat (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei jedes der Halteelemente (51, 52) an deren Schenkeln und an deren Basis mit einem jeweiligen des mindestens einen Steifigkeitsaktor (54, 1) verbunden ist.
Implantat (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der mindestens eine Steifigkeitsaktor (54, 1) an den Halteelementen (51, 52) fest verbunden ist, um die Knochenfragmente gegen eine Verkippung oder Verdrehung gegeneinander zu fixieren.
Implantat (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der mindestens eine Steifigkeitsaktor (54, 1) umfasst: - ein erstes und zweites Basiselement (2, 3), die in einer Längsrichtung angeordnet sind; - ein elastisches und volumeninkompressibles Element (5), das in einem Zwischenraum (4) zwischen dem ersten und zweiten Basiselement (2, 3) angeordnet ist; - eine Einrichtung zum Zulassen und/oder Unterbinden einer Verformung des elastischen Elements (5) bei Einwirken einer Kraft zwischen dem ersten und zweiten Basiselement (2, 3), wobei das Zulassen und/oder Unterbinden der Verformung des elastischen Elements (5) durch das insbesondere drahtförmige thermoelastische Aktorelement (9) einstellbar ist.
Implantat (50) nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung zum Zulassen und/oder Unterbinden einer Verformung des elastischen Elements (5) umfasst: - ein entlang der Längsrichtung über den Zwischenraum (4) verschiebliches Hülsenelement (8), wobei das Hülsenelement (8) in einer ersten Stellung so über dem Zwischenraum (4) angeordnet ist, dass eine Verformung des elastischen Elements (5) unterbunden wird; - das insbesondere drahtförmiges thermoelastisches Aktorelement (9), das angeordnet ist, um bei seiner Aktivierung das Hülsenelement (8) entlang der Längsrichtung (L) zu verschieben, um den Zwischenraum (4) zumindest teilweise freizugeben. - Steifigkeitsaktor (1) nach Anspruch 2, wobei das elastische Element (5) so den Zwischenraum (4) ausfüllt, dass die außenliegenden Seiten bei der ersten Stellung des Hülsenelements (8) an diesem anliegen oder durch diese in ihrer Ausdehnung durch elastische Verformung, insbesondere vollumfänglich, begrenzt werden.
Implantat (50) nach Anspruch 5 oder 6, wobei das elastische Element (5) aus einem elastischen Material, insbesondere einem Elastomer, ausgebildet ist, wobei das elastische Element (5) aus einem homogenen elastischen Material ausgebildet ist oder mehrere in Längsrichtung angeordnete Schichten von elastischem Material mit mindestens zwei unterschiedlichen Elastizitäten aufweist.
Implantat (50) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das erste und das zweite Basiselement (2, 3) in Längsrichtung relativ zueinander beweglich geführt sind und insbesondere auf Druckbelastung vorgespannt sind, so dass das elastische Element (5) formschlüssig an dem Hülsenelement (8) anliegt.
Implantat (50) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei eine Rasteinrichtung vorgesehen ist, um das Hülsenelement (8) in mindestens einer zweiten Stellung zu verrasten, in der das Hülsenelement (8) das elastische Element (5) in dem Zwischenraum (4) zumindest teilweise für eine seitliche Verformung freigibt und in der das Hülsenelement (8) gegen eine Rückstellkraft ohne Beaufschlagung bzw. Aktivierung durch das thermoelastische Aktorelement (9) gehalten wird.
Implantat (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Steifigkeitsaktor ein weiteres thermoelastisches Aktorelement (12) umfasst, das ausgebildet ist, um bei Aktivieren eine einstellbare Druckkraft zwischen dem ersten (2) und dem zweiten Basiselement (3) auszuüben, so dass eine aktive Stimulation über die Halteelemente (51, 52) auf die Knochenfragmente ausgeübt wird.
Implantat (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das thermoelastische Aktorelement (9) und/oder das weitere thermoelastische Aktorelement (12) sich in Längsrichtung erstrecken und insbesondere ein oder mehrfach umgelenkt sind, so dass Abschnitte des betreffenden Aktorelements (9, 12) zueinander parallel verlaufen.
Implantat (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei in das elastische Element (5) ein Verformungssensor (14) eingebettet ist, der ausgebildet ist, um eine Verformung des elastischen Elements (5) zu erfassen und eine entsprechende elektrische Größe bereitzustellen.
Implantat (50) nach Anspruch 12 mit einer Steuereinheit (20), die ausgebildet ist, um insbesondere abhängig von der gemessenen elektrischen Größe oder von einem zeitlichen Verlauf der gemessenen elektrischen Größe die Einrichtung zum Zulassen und/oder Unterbinden einer Verformung des elastischen Elements (5) anzusteuern, um eine Verformung des elastischen Elements (5) zuzulassen oder zu unterbinden und so eine Steifigkeit des Steifigkeitsaktors (54, 1) auf einen vorgegebenen Sollwert einzustellen, wobei insbesondere der vorgegebene Sollwert von der gemessenen elektrischen Größe oder von dem zeitlichen Verlauf der gemessenen elektrischen Größe abhängt.
Implantat (50) nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Steifigkeitsaktor (54, 1) ein weiteres thermoelastisches Aktorelement (12) umfasst, das ausgebildet ist, um bei Aktivieren eine einstellbare Druckkraft zwischen dem ersten (2) und dem zweiten Basiselement (3) auszuüben, wobei die Steuereinheit (20) ausgebildet ist, um insbesondere abhängig von der gemessenen elektrischen Größe oder von einem zeitlichen Verlauf der insbesondere während einer Zeitphase eines deaktivierten weiteren thermoelastischen Aktorelements (12) gemessenen elektrischen Größe das weitere thermoelastische Aktorelement (12) anzusteuern, um eine vorgegebene aktive Stimulation über die Halteelemente (51, 52) auf die Knochenfragmente auszuüben.
Steifigkeitsaktor (1) insbesondere zur Verwendung in einem Implantat (50) zur Fixierung von Knochenfragmenten um eine Frakturstelle, wobei der mindestens eine Steifigkeitsaktor (54, 1) umfasst: - ein erstes und zweites Basiselement (2, 3), die in einer Längsrichtung (L) angeordnet sind; - ein elastisches und volumeninkompressibles Element (5), das in einem Zwischenraum (4) zwischen dem ersten und zweiten Basiselement (2, 39 angeordnet ist; - eine Einrichtung zum Zulassen und/oder Unterbinden einer Verformung des elastischen Elements (5) bei Einwirken einer Kraft zwischen dem ersten und zweiten Basiselement (2, 3), wobei das Zulassen und/oder Unterbinden der Verformung des elastischen Elements (5) durch ein Aktivieren oder Deaktivieren des insbesondere drahtförmigen thermoelastischen Aktorelements (9) einstellbar ist.
Steifigkeitsaktor (1) nach Anspruch 15, wobei der Steifigkeitsaktor (1) ein weiteres thermoelastisches Aktorelement (12) umfasst, das ausgebildet ist, um bei Aktivieren, wodurch insbesondere das weitere thermoelastische Aktorelement (12) kontrahiert, eine einstellbare Druckkraft zwischen dem ersten (2) und dem zweiten Basiselement (3) auszuüben, so dass eine aktive Stimulation über die Halteelemente auf die Knochenfragmente ausgeübt wird.
Steifigkeitsaktor (1) nach Anspruch 15 oder 16, wobei als ein Gegenspieler zum Rückstellen des weiteren thermoelastischen Aktorelements (12) ein thermoelastisches Rückstell-Aktorelement oder eine Rückstellfeder (10) vorgesehen ist.
Verwendung des Steifigkeitsaktors (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 17 in einem Implantat (50) zur Fixierung von Knochenfragmenten um eine Frakturstelle.
Verfahren zum Betreiben eines Implantats (50) nach einem der Ansprüche 13 bis 14, wobei die elektrische Größe oder der zeitliche Verlauf der gemessenen elektrischen Größe gemessen wird, wobei insbesondere abhängig von der gemessenen elektrischen Größe oder von einem zeitlichen Verlauf der gemessenen elektrischen Größe die Einrichtung zum Zulassen und/oder Unterbinden einer Verformung des elastischen Elements (5) angesteuert wird, um eine Verformung des elastischen Elements (5) zuzulassen oder zu unterbinden und so eine Steifigkeit des Steifigkeitsaktors (54, 1) auf einen vorgegebenen Sollwert einzustellen, wobei insbesondere der vorgegebene Sollwert von der gemessenen elektrischen Größe oder von dem zeitlichen Verlauf der gemessenen elektrischen Größe abhängt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Steifigkeitsaktor (54, 1) ein weiteres thermoelastisches Aktorelement (12) umfasst, das ausgebildet ist, um bei Aktivieren eine einstellbare Druckkraft zwischen dem ersten (2) und dem zweiten Basiselement (3) auszuüben, wobei insbesondere abhängig von der gemessenen elektrischen Größe oder von einem zeitlichen Verlauf der insbesondere während einer Zeitphase eines deaktivierten weiteren thermoelastischen Aktorelements (12) gemessenen elektrischen Größe das weitere thermoelastische Aktorelement (12) angesteuert wird, um eine vorgegebene aktive Stimulation über die Halteelemente (51, 52) auf die Knochenfragmente auszuüben.