DE10326828A1

DE10326828A1 - Electronically controllable external fixation for automated treatment of bone fracture points has a controlled drive unit with an integral force measurement unit for adjustment of the joining force at the fracture point

Info

Publication number: DE10326828A1
Application number: DE2003126828
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr. Segsa; Peter Dr. Reimers; F. Prof. Dr. Durbin; Joachim Augustin; Heinz Bertram; Gerhard Strache
Original assignee: Spreehybrid & Kommunikationste; Spreehybrid & Kommunikationstechnik GmbH
Current assignee: Spreehybrid & Kommunikationste; Spreehybrid & Kommunikationstechnik GmbH
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2005-01-05

Abstract

Electronically controllable external fixation for automated treatment of bone fracture points has a program controlled drive unit with measurement means for automated variation of the distance of the fastening elements relative to each other and for adjustment of tensile and compressive forces. The measurement means comprise an axially loaded force sensor (14) for continuous measurement of the force at the fracture point (2). Based on the measurement, fastening elements are positioned at a position such that there is an optimum force of between 0 and 200 N at the fracture point.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronisch steuerbaren Fixateur externe zur automatisierten Behandlung von Frakturstellen und -verlängerungen mit zumindest zwei, über jeweils zumindest eine parallel zum Knochen angeordnete Fixierungsstange verschiebbar miteinander verbundenen Befestigungselementen an den Frakturteilen mit einer Messmittel umfassenden, programmgesteuerten Antriebseinheit zur Variation des Abstands der Befestigungselemente zueinander und zur Einstellung vorgegebener Zug- und Druckkräfte.The The invention relates to an electronically controllable fixator external for automated treatment of fracture sites and extensions with at least two, over each at least one parallel to the bone arranged fixation rod displaced interconnected fasteners on the fracture parts with a measuring means comprehensive, program-controlled drive unit for varying the distance of the fasteners to each other and for setting predetermined tensile and compressive forces.

In der Traumatologie von Frakturstellen (Osteosynthese) werden die konservative und die operative Behandlung unterschieden. Die konservative Behandlung mit Lagerung, Ruhigstellung in Gips oder Extension stellt auch heute noch eine der tragenden Säulen der Knochenbruchbehandlung dar. Bei Indikationen mit Nachteilen der konservativen Behandlung hat die operative Behandlung zunehmende Verbreitung gefunden. Daneben gibt es eine Vielzahl von Einzel- oder Mehrfachverletzungen, für deren Behandlung sowohl die konservative als auch die invasiv operative Therapie an ihre Grenzen stoßen und mit erheblichen Risiken und Gefahren für die Verletzung und damit für den Patienten verbunden sind. Dies gilt vor allem bei offenen Frakturen, besonders in Verbindung mit schweren Weichteilschäden, bei infizierten, infektgefährdeten Frakturen und Pseudoarthrosen, bei Mehrfachverletzungen (Polytraumen), bei Korrekturosteotomien im metaphysären Bereich, bei Knochenverlängerungen (Kallusdistraktionen), denen eine natürlich oder künstlich herbeigeführte Frakturstelle vorausgeht, und bei Arthrodesen. In solchen Fällen hat in der Unfallchirurgie und in der Orthopädie eine Behandlung mit einer äußeren Knochenfixation als semiinvasive Knochenstabilisierung durch den sogenannten „Fixateur externe", mit dem die Knochenhauptfragmente in einer anatomisch korrekten Position gehalten und darüber hinaus dosierbare Zug- und Druckkräfte auf Frakturen ausgeübt werden können, einen festen Platz im Behandlungsspektrum. In der semiinvasiven Frakturbehandlung werden derzeit verschiedene Fixateurexterne-Systeme verwendet, beispielsweise nach Charnley, nach Raoul Hoffmann, das baukastenartige AO-System (Arbeitgemeinschaft für Osteosynthese, Davos) und unilaterale Spannsysteme für Schaftfrakturen, beispielsweise das italienische Orthofix-System. Weiterhin ist das System nach Ilizarow weit verbreitet, bei dem zwei oder mehrere ringförmige Bügel über gekreuzte Drähte miteinander verspannt werden und das eine physiologisch günstige axiale elastische Belastung der Fraktur aufbaut. Außerdem werden nicht nachspannbare one-way-Systeme mit Spannelementen, die durch Kunststoffharz in einer beliebigen Anordnung fixiert werden können, und nagel- oder schraubenfreie Klammer-Systeme, die den Knochen kaum beschädigen, eingesetzt.In The traumatology of fracture sites (osteosynthesis) are the Conservative and surgical treatment distinguished. The conservative Treatment with storage, immobilization in plaster or extension provides even today one of the mainstays of bone fracture treatment In indications with disadvantages of conservative treatment the operative treatment has become increasingly popular. Besides There are a variety of single or multiple injuries, for whose Treatment of both conservative and invasive surgical Therapy reach its limits and with significant risks and dangers to the injury and thus for the Patients are connected. This is especially true for open fractures, especially in conjunction with severe soft tissue damage, at infected, at risk of infection Fractures and pseudarthrosis, in multiple injuries (polytrumen), at Correction osteotomies in the metaphyseal Area, with bone extensions (Callus distractions), which are natural or artificial induced fracture site precedes, and in arthrodeses. In such cases did in accident surgery and in orthopedics a treatment with an external bone fixation as semi-invasive bone stabilization by the so-called "fixator external ", with which the main bone fragments held in an anatomically correct position and beyond metered tensile and compressive forces be exercised on fractures can, a permanent place in the treatment spectrum. In the semi-invasive Fracture treatment are currently various external fixate systems used, for example, after Charnley, after Raoul Hoffmann, the modular AO system (working group for osteosynthesis, Davos) and unilateral Clamping systems for Shank fractures, such as the Italian Orthofix system. Furthermore, the system is widely used by Ilizarow, in which two or more annular Strap over crossed wires be clamped together and the one physiologically favorable axial builds up elastic load on the fracture. Also, not restressable one-way systems with clamping elements that are protected by plastic resin can be fixed in any arrangement, and nailing or screw-free Clamp systems that hardly damage the bone are used.

Die Bruchheilung läuft jedoch mit dem Fixateur externe häufig langsamer ab als bei den anderen Verfahren, da die über den Fixateur externe angelegten Kräfte mit der Zeit abnehmen. Wie Untersuchungen zur Biomechanik des Fixateur externe und Spannungsmessungen im Frakturspalt nachweisen, lassen die Kräfte initial um 10 % nach. Auch nach Plattenosteosynthesen tritt zwar in den ersten Stunden ein entsprechender Druckabfall auf, der als rein mechanischer Effekt als Folge von Änderungen der Knochenelastizität gedeutet wird. Mit dem Fixateur externe können aber aufgrund der plastischen Verformung von Befestigungselementen nur Kräfte bis 1000 N auf die Fraktur zur Wirkung gebracht werden, während mit der dynamischen Kompressionsplatte Kräfte bis 3000 N erzeugt werden können. Zusätzlich zu dem initialen Druckabfall lässt die angelegte Kraft aufgrund von Reaktionen des vitalen Knochens auf Bewegungsreize im Bohrkanal noch durch die Lockerung der Nägel in den Bohrkanälen nach. Dadurch werden lokale Infektionen begünstigt, welche eine weitere Lockerung der Nägel und einen weiteren Kraftabfall bewirken. Der Kraftabfall macht ein Nachspannen des Fixateur externe notwendig. Die Dosierung der Kraft beim Spannen und Nachspannen erfolgt jedoch in der Regel manuell ohne Kontrolle, wodurch zu hohe oder zu geringe Kräfte erzeugt werden, die gleichermaßen schädlich sein können. Wenn bei beidseitiger Fixation ungleiche Kräfte auf die beiden Rohrsysteme aufgebracht werden, besteht die Gefahr einer Dislokation oder Refraktur. Diese Überlegungen führten zu der Veröffentlichung I von Domres und Neugebauer „Druckmessungen mit dem Dynamometer am Fixateur externe zur Vermeidung von Nachfolgeosteosysthesen" (akt. traumatol. 10 (1989) pp 307–310) in der über den Einsatz von Dynamometern beim Spannen und Nachspannen des Fixateur externe berichtet wird. Im Ergebnis der Untersuchungen zeigt sich, dass bereits Kräfte von 500 N eine ausreichende Stabilität erzeugen. Für die normale Frakturheilung werden derzeit Kräfte von 300 bis 1000 N empfohlen.The Break healing is on However, with the fixator external often slower than at the other methods, since the over the fixator external forces applied to decrease over time. Like investigations on biomechanics of the fixator external and tension measurements in the fracture gap, the forces initially decrease by 10%. Also after Plattenosteosynthesen occurs during the first few hours a corresponding Pressure drop on, as a purely mechanical effect as a result of changes the bone elasticity is interpreted. With the fixator external can but due to the plastic Deformation of fasteners only forces up to 1000 N on the fracture be brought into action while with the dynamic compression plate forces up to 3000 N are generated can. additionally to the initial pressure drop leaves the applied force due to reactions of the vital bone on movement stimuli in the drill hole still by the loosening of the nails in the Bohrkanälen to. This favors local infections, which is another Relaxation of the nails and cause another drop in power. The power loss is on Tightening of the external fixator necessary. The dosage of the force when tightening and retightening is usually done manually without control, creating too high or too low forces be that alike harmful could be. If with bilateral fixation unequal forces on the two tube systems be applied, there is a risk of dislocation or refraction. These considerations led to the publication I von Domres and Neugebauer "Pressure measurements with the dynamometer on the fixator external to avoid Nachfolgeosteosysthesen "(act traumatol. 10 (1989) pp 307-310) in the over the use of dynamometers when tensioning and retightening the fixator external is reported. The result of the investigations shows that already powers of 500 N sufficient stability produce. For the Normal fracture healing is currently recommended for forces of 300 to 1000 N.

In der Veröffentlichung II von J. Lazo-Zbikowski et al. „Biokompression External Fixation" (Clin. Orthop. 1986 (206), pp 169–184) wird über einen Fixateur externe mit Teleskopstangen zur gleitenden externen Osteosynthese berichtet. Die erzielbare „Biokompression" unterstützt die Heilung mit Kallusbildung. Größte Bedeutung bei der Frakturheilung hat zunächst die Stabilität der Frakturfragmente zueinander und der direkte Kontakt miteinander, während die Mobilität der Knochenteile für die Kallusbildung eine entscheidende Bedeutung hat. Bei jeder Frakturheilung ist die Bildung neuen Knochenmaterials essenziell. Die Biokompression wurde bereits in vielen bekannten Techniken angewendet, die unter unterschiedlichen Namen bekannt wurden, wie z.B. funktionelle Aktivität, mechanische Stimulation, axiale Kompression, Lastübertragung oder Dynamisierung. Bei allen genannten Methoden wurde eine deutlich verbesserte Heilung mit Kallusbildung beobachtet. In der Veröffentlichung III berichten Zacheja et al.: „Aufbau und Charakterisierung eines modifizierten Fixateurs externe zur Einleitung und Überwachung von Mikrobewegungen in Frakturzonen" (Biomed. Technik Band 43, Ergänzungsband 1, 1998, pp 190/191) über das Vorhaben, einen „Frakturzonenmonitor" zu entwickeln. Für Vorversuche an einem Knochenbruchmodell wurde ein handelsüblicher Rohrfixateur mit einem piezoelektrisch angetriebenen Aktuator und mikromechanischen Beschleunigungssensoren modifiziert. Erkenntnisse über den Einfluss der Bewegungsparameter auf den Heilungsprozess konnten mit diesen Modellversuchen jedoch nicht gewonnen werden. Ein frühzeitiger knöcherner Durchbau der Frakturzone konnte beobachtet werden, der eine frühere Belastung des beschädigten Knochens ermöglicht. Somit werden heute immer mehr biodynamische Fixationsverfahren verwendet, welche Mikrobewegungen der Knochenteile zueinander zulassen und die Bruchheilung durch Kallogenese fördern. Durch kontrollierte mechanische Stimulationen am Fixateur externe werden Mikrobewegungen in die Bruchzone eingeleitet. Durch diese Mikrobewegungen, welche nach bisherigen Erfahrungen spätestens eine Woche nach Operation einsetzen sollen, kann die Heilungszeit nach Tibiafrakturen beträchtlich verkürzt werden. Der Einfluss der Parameter dieser Mikrobewegungen – Amplitude, Beschleunigung, Frequenz – auf den Heilungsprozess ist jedoch bisher nicht untersucht worden. Die in der Literatur angegebenen Werte scheinen eher willkürlich gewählt zu sein. Im bisherigen "Normalfall" werden Knochenteilbewegungen durch die natürlichen Bewegungen des Patienten verursacht, haben jedoch dann i.a. größere Auslenkungen (beobachtet wurden bis zu 8 mm), sodass Abriss der Kallussäule, Refraktur, Verschiebung, Verdrehung etc. auftreten können, was die Heilung jedoch eher behindert als fördert. Weiterhin ist die Veröffentlichung IV von K. Seide et al.: „Erste klinische Erfahrungen mit einem elektromotorisch einstellbaren Fixateur externe" (Trauma Berufskrankh. 2002, 4, pp 427–430) bekannt. Hier wird über eine sukzessive Reposition von Knochenfragmenten mittels computergesteuerter Elektromotoren berichtet, die aufgrund der langsamen Kontinuität ohne größere Belastungen für den Patienten abläuft. Eine automatisierte Behandlung im Abhängigkeit vom aktuellen Behandlungszustand ist jedoch nicht vorgesehen.In the publication II of J. Lazo-Zbikowski et al. "Biocompression External Fixation" (Clin. Orthop., 1986 (206), pp 169-184) is reported via an external fixator with telescopic rods for sliding external osteosynthesis.The achievable "biocompression" promotes healing with callus formation. First of all, the stability of the fracture fragments in relation to each other and the direct contact with each other is of great importance in fracture healing, while the mobility of the bone parts has a decisive significance for callus formation. In every fracture healing, the formation of new bone is essential. Biocompression has already been in many known techniques have been known under different names, such as functional activity, mechanical stimulation, axial compression, load transfer or dynamization. In all of these methods a significantly improved healing with callus formation was observed. In the publication III Zacheja et al .: "Structure and characterization of a modified external fixator for initiation and monitoring of micromovements in fracture zones" (Biomed., Technique, Volume 43, Supplementary Volume 1, 1998, pp 190/191) report the project " Frakturzonenmonitor "develop. For preliminary tests on a bone fracture model, a commercially available tube fixator was modified with a piezoelectrically driven actuator and micromechanical acceleration sensors. However, findings on the influence of the movement parameters on the healing process could not be obtained with these model experiments. Early bony union of the fracture zone could be observed, allowing for earlier loading of the damaged bone. Thus, more and more biodynamic fixation methods are used today, which allow micro-movements of the bone parts to each other and promote fracture healing by callogenesis. By means of controlled mechanical stimulations on the external fixator, micro movements are introduced into the fracture zone. Due to these micromovements, which according to previous experience should start no later than one week after the operation, the healing time after tibial fractures can be considerably shortened. However, the influence of the parameters of these micro-movements - amplitude, acceleration, frequency - on the healing process has not been investigated. The values given in the literature seem rather arbitrary. In the previous "normal case" bone partial movements are caused by the natural movements of the patient, but then have ia larger deflections (were observed up to 8 mm), so that demolition of the callipace, refracture, displacement, rotation, etc. may occur, what the cure but rather hindered than encourages. Furthermore, the publication IV of K. Seide et al .: "First clinical experience with an externally adjustable electromotoric fixator" (Trauma Berufskrankh 2002, 4, pp 427-430) is known, in which a successive reduction of bone fragments by means of computer-controlled electric motors is described However, due to its slow continuity, it does not involve much patient burden, but it does not provide for automated treatment depending on the current treatment status.

Der nächstliegende Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wird in der DE 690 21 232 T2 offenbart. Hier wird ein elektronisch steuerbarer Fixateur externe, der bevorzugt ringfömig nach Ilizarov ausgebildet ist, beschrieben, bei dem eine programmierbare Steuerung zur individuellen Therapieanpassung vorgesehen ist. Die Grundlage hierzu bildet die Erkenntnis, dass eine möglichst geringe, aber oft herbeigeführte Distraktion einen verbesserten Heilungserfolg bringt. Dazu sind Digitalmotoren mit den Fixierungsstangen verbunden, über deren programmierbare Steuerung eine Verstellung der mit den Führungsstangen verbundenen Befestigungselemente erreicht wird. Über eine Software wird der Behandlungsverlauf, das heißt, die Aufeinanderfolge von Kompression, Distraktion und Torsion durch Wahl der Verstellwege, vor Behandlungsbeginn festgelegt und über Rückmeldesensormittel kontrolliert. Eine Anpassung an den aktuellen Behandlungszustand erfolgt jedoch nicht, da dieser nicht automatisch erfassbar ist. Aus der US 5.334.202 ist ein dynamischer Fixateur externe bekannt, bei dem über zusätzliche Messmittel die Hauttemperatur und der Sauerstoffgehalt im Frakturbereich registriert werden, um auf den Heilungszustand rückschließen zu können. Die im Umfeld der Fraktur gemessenen Daten werden jedoch nur bei Grenzüberschreitungen in der Distraktionsrate und -frequenz berücksichtigt. In der DE 41 18 303 A1 wird ein axial-dynamisierbarer Fixateur externe beschrieben, bei dem über Feder- und Dämpfungselemente eine einstellbare Kraft auf die Fraktur ausgeübt wird, die über eine Druckmesssonde kontrolliert wird. Eine automatische Anpassung erfolgt jedoch nicht. Aus der US 4.576.158 ist ein ähnlicher Fixateur externe bekannt, bei dem die gemessenen Daten einem Mikroprozessor zur Erzeugung von Warnsignalen nach einem programmierten Datenvergleich zugeführt werden. Eine automatisierte motorische Verstellung der Befestigungselemente ist bei diesem bekannten Fixateur externe jedoch nicht vorgesehen. In der DE 39 12 080 C1 wird ein Überwachungssystem zum Heilungsverlauf von Frakturen vorgestellt, bei dem sporadisch der Fixateur externe mit einer über eine Kraftmesseinrichtung quantifizierbaren Kraft beaufschlagt und der Abstand der Befestigungselemente zueinander für den weiteren Behandlungsverlauf ausgewertet wird. Ein automatisierter Betrieb findet jedoch nicht statt.The closest prior art, from which the invention proceeds, is in the DE 690 21 232 T2 disclosed. In this case, an electronically controllable external fixator, which is preferably ring-shaped according to Ilizarov, is described, in which a programmable controller for individual therapy adaptation is provided. The basis for this is the realization that the lowest possible, but often induced distraction brings an improved healing success. For this purpose, digital motors are connected to the fixing rods, via whose programmable control an adjustment of the fastening elements connected to the guide rods is achieved. By means of software, the course of treatment, that is to say the sequence of compression, distraction and torsion, is determined by selection of the adjustment paths, before the start of treatment, and monitored by means of feedback sensor means. However, an adaptation to the current treatment state does not take place, since this is not automatically detectable. From the US 5,334,202 is a dynamic external fixator known in which additional means of measurement, the skin temperature and the oxygen content in the fracture area are registered in order to infer the healing state can. However, the data measured in the area around the fracture are taken into account only when limits in the distraction rate and frequency are exceeded. In the DE 41 18 303 A1 an axially-dynamizable external fixator is described in which an adjustable force is exerted on the fracture via spring and damping elements, which is controlled by a pressure measuring probe. However, an automatic adjustment does not take place. From the US 4,576,158 a similar fixator external is known, in which the measured data are supplied to a microprocessor for generating warning signals after a programmed data comparison. An automated motorized adjustment of the fasteners is external but not provided in this known fixator. In the DE 39 12 080 C1 a monitoring system for the healing process of fractures is presented, in which sporadically the external fixator is subjected to a force quantifiable by a force measuring device and the distance of the fastening elements from one another is evaluated for the further course of treatment. However, automated operation does not take place.

Ausgehend von dem nächstliegenden Stand der Technik gemäß der DE 690 21 232 T2 vor dem Hintergrund der allgemeinen Erkenntnisse bei der Heilung von Frakturstellen ist daher die Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin zu sehen, einen gattungsgemäßen Fixateur externe mit Messmitteln so weiterzubilden, dass besonders kurze Heilungszeiten, die deutlich unter den Behandlungszeiten der bekannten, handelsüblichen Fixateure externe liegen, für Frakturstellen erreicht werden. Dabei sollen eine umfassende Multifunktionalität, die eine multiple Kraftausübung ermöglicht, sowie eine Überwachung des heilungswesentlichen Parameters und dessen automatische Berücksichtigung umgesetzt werden. Über eine Programmierbarkeit sollen heilungsfördernde Vorgänge berücksichtigt werden können. Schließlich soll der Fixateur externe nach der Erfindung preisgünstig, einfach handhabbar und kompatibel zu den handelsüblichen Befestigungssystemen sein.Starting from the closest prior art according to the DE 690 21 232 T2 Against the background of the general knowledge in the healing of fracture sites, therefore, the object for the present invention is to further develop a generic external fixator with measuring means so that particularly short healing times, which are significantly below the treatment times of the known, commercial fixators external, be achieved for fracture sites. It should be a comprehensive multi-functionality that allows a multiple exercise of power, as well as a monitoring of the essential healing parameter and its automatic consideration be implemented. By means of programmability, healing processes should be considered. Finally, the external fixator according to the invention should be inexpensive, easy to handle and compatible with the commercially available fastening systems.

Als Lösung für diese Aufgabe ist bei einem Fixateur externe der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Messmittel zumindest einen ausschließlich axial belasteten Kraftsensor zur kontinuierlichen Kraftermittlung an der Frakturstelle umfassen und dass die Befestigungselemente in Abhängigkeit von der kontinuierlich gemessenen Kraft über die Antriebseinheit in einer Regelschleife automatisch in einen, eine für die Knochenheilung optimale Kraft in einem Kraftbereich zwischen 0 N und 200 N an der Frakturstelle erzeugenden Abstand zueinander gebracht werden, wobei die aktuell einzustellende Kraft oder der Kraftverlauf im Kraftbereich in der Programmsteuerung festgelegt ist.When solution for this The task is external to a fixator of the type mentioned provided according to the invention, in that the measuring means comprise at least one exclusively axially loaded force sensor for continuous force determination at the fracture site and that the fasteners depending on the continuous measured force over the drive unit in a control loop automatically into one, one for the bone healing optimal force in a force range between 0 N and 200 N at the fracture site generating distance to each other be brought, with the currently adjusted force or Force curve in the force range is set in the program control.

Der erfindungsgemäße Fixateur externe weist einen geschlossenen automatisierten Regelkreis auf, in dem über die kontinuierlich gemessene Regelgröße „Kraft auf die Frakturstelle" als heilungswesentlichem Parameter ein besonders schneller Heilungs- bzw. Therapieerfolg durch eine optimale Anpassung der im Fixateur externe und damit an die im Bereich der Frakturstelle herrschenden Kräfte an den tatsächlichen Heilungsverlauf erzielt wird. Diese Anpassung basiert auf den umfassenden, langfristig gewonnenen Erkenntnissen im Zusammenspiel zwischen der Belastung einer Knochenfraktur und deren Heilung. Gleiches gilt natürlich auch für längerfristig angelegte Knochenverlängerungen oder bei krankheitsbedingten Knochenverkürzungen. Durch eine Berücksichtigung dieser Erkenntnisse in der Programmsteuerung bei der Erfindung werden die Behandlungsmaßnahmen des Arztes unterstützt. Weiterhin werden die aktuellen Behandlungsfortschritte durch eine kontinuierliche Kraftmessung überprüft und erforderlichenfalls durch eine Veränderung der Kraftdosierung automatisch ausgeregelt. Somit wird der Heilungsprozess unabhängig von subjektiven Eindrücken des Arztes und des Patienten sowie von nicht quantifizierten Eingriffen, die dem persönlichen Gefühl der Beteiligten unterliegen. Aufgrund dieser heilungsnahen Kraftbeaufschlagung ist auch die bislang praktizierte Überdimensionierung nicht mehr erforderlich. Moderate Zug- oder Druckkräfte in einem Bereich bis 200 N sind absolut ausreichend. Im Gegensatz zu den bekannten Fixateuren externe kann bei dem Fixateur externe nach der Erfindung auch eine Kraftaufhebung (0 N) erfolgen, um die Knochenfraktur zu bestimmten Behandlungszeiten überhaupt nicht zu belasten.Of the Fixator according to the invention external has a closed automated control loop, in the over the continuously measured controlled variable "force on the fracture site" as essential for healing Parameter a particularly fast healing or therapeutic success by an optimal adaptation of the external fixator and thus to the forces prevailing in the area of the fracture site on the actual Healing progress is achieved. This adaptation is based on the comprehensive, long - term findings in the interaction between the Stress on a bone fracture and its healing. same for Naturally also for longer term bone extensions or disease-related bone shortening. By a consideration These findings in the program control in the invention the treatment measures supported by the doctor. Furthermore, the current treatment progress by a Continuous force measurement checked and, if necessary through a change the force metering automatically corrected. Thus, the healing process becomes independently of subjective impressions the physician and the patient, as well as non-quantified procedures, the personal feeling of those involved subject. Because of this near-health force application is also the previously practiced oversizing not necessary anymore. Moderate tensile or compressive forces in one area up to 200 N are absolutely sufficient. In contrast to the known ones External fixators may be external to the fixator according to the invention also a force canceling (0 N) done to the bone fracture too certain treatment times not at all to charge.

Weiterhin ist es gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, wenn in der Programmsteuerung in Abhängigkeit von der aktuellen Beanspruchung der Frakturstelle ein Grundwert für die einzustellende Kraft vorgegeben ist. Durch die aktuelle Beanspruchung kann der aktuelle Zustand des Patienten ermittelt werden. Befindet er sich in Ruhe, beispielsweise nachts, kann der Grundwert sehr gering eingestellt werden, sodass ein starkes Kalluswachstum möglich ist. Am Tage ist ein höherer Grundwert einzustellen, um eine ausreichende Stabilisierung sicherzustellen. Dabei wird ein höherer Druck zwischen den Frakturstellen erzeugt, der wiederum der Vernetzung des neugebildeten Kallusgewebes dient. Durch das Alternieren zwischen Neuwachstum und Vernetzung kann somit eine verbesserte Heilung der Knochenfraktur erzielt werden. Dies gilt analog für die Kallusdistraktion. Der Heilungsprozess kann optimiert werden, wenn gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung in der Programmsteuerung Mikrooszillationen um den eingestellten Grundwert herum vorgegeben sind. Dadurch werden stimulierende Mikrobewegungen im Frakturbereich hervorgerufen, die – wie bereits weiter oben erläutert – im Stand der Technik als besonders heilungsfördernd und effizient bei der Knochenverlängerung erkannt worden sind. Weitere Verbesserungen im automatisierten Behandlungsverlauf bei dem erfindungsgemäßen Fixateur externe können erreicht werden, wenn neben dem heilungswesentlichen Parameter der Kraftausübung im Frakturbereich noch weitere Heilungsparameter im Regelprozess Berücksichtigung finden. Dazu können nach einer nächsten erfindungsgemäßen Ausgestaltung weitere Messsensoren, insbesondere zur Bestimmung der Umgebungstemperatur im Bereich der Frakturstelle, vorgesehen sein. Weiterhin können zusätzliche Mittel zur Erzeugung von elektromagnetischen Wärmewellen im Bereich der Frakturstelle vorgesehen sein. Derartige zusätzliche Maßnahmen lassen sich über ihre Parametrierung leicht erfassen und in den automatisierten Regelkreis integrieren, wodurch der Heilungs- und Behandlungsprozess optimiert und damit so kurz wie möglich gehalten wird.Farther is it according to one Embodiment of the invention advantageous when in the program control dependent on from the current stress of the fracture site a basic value for the is set to be set force. Due to the current stress The current status of the patient can be determined. is he is at rest, for example, at night, the basic value can be very be set low, so that a strong callus growth is possible. By day is a higher one Set basic value to ensure sufficient stabilization. This is a higher Pressure generated between the fracture sites, in turn, of interconnectedness of the newly formed callus tissue. By alternating between Re-growth and cross-linking can thus improve healing of the bone fracture be achieved. This applies analogously to the callus distraction. Of the Healing process can be optimized if, according to a next invention embodiment in the program control micro oscillations around the set Basic value are given around. This will stimulate micro-movements caused in the fracture area, which - as already explained above - in the state the technique as particularly healing and efficient in the bone lengthening have been recognized. Further improvements in the automated treatment process in the fixator according to the invention external can be achieved if, in addition to the essential healing parameters of the Exercise of power in Fracture area still considered other healing parameters in the control process Find. Can do this after another inventive design other measuring sensors, in particular for determining the ambient temperature in the area of the fracture site. Furthermore, additional Means for generating electromagnetic heat waves in the area of the fracture site be provided. Such additional Leave measures over capture their parameterization easily and into the automated control loop integrate, thereby optimizing the healing and treatment process and as short as possible is held.

Neben den programmgesteuerten Aspekten umfasst der Fixateur externe nach der Erfindung auch konstruktionstechnische Aspekte, die die Kostengünstigkeit, einfache Handhabung und maximale Kompatibilität zu marktüblichen Befestigungselementen berücksichtigen. Deshalb ist in einer weiteren Ausgestaltung des Fixateurs externe nach der Erfindung vorgesehen, dass alle zugehörigen Mittel bis auf die knochenseitigen Befestigungselemente in einem gemeinsamen Bauteil, das entweder zwischen den Befestigungselementen oder peripher angeordnet ist, zusammengefasst sind. Dieses Bauteil kann mit dem Begriff „Spannkörper" bezeichnet werden. Durch das Vorsehen eines einzigen zentralen Elements ergibt sich eine laterale Anordnung, die die aufzubringenden Kräfte einseitig auf den Knochen ausübt. Eine kompakte, verwindungssteife Anordnung, die auch insbesondere bei einseitig lateralen Fixateuren externe auftretende Biegemomente, die proportional zu den äußeren und zu den erzeugten Belastungen sind, ohne zu starke, die Longitudinalbewegung der Befestigungselemente behindernde Reibung in der Fixierungsstange problemlos aufnimmt, erleichtert die Handhabung und verringert das Verletzungs- und Versagensrisiko. Desweiteren kann das gemeinsame Bauteil vorteilhaft mit den marktüblichen Befestigungselementen kompatibel sein, wodurch sich eine besondere Kostengünstigkeit ergibt. Dabei sollen im Sinne von Befestigungselementen vorhandene Instrumente, wie beispielsweise Nägel, Schrauben, Gelenke und Verbindungselemente erfasst sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des elektronisch steuerbaren Fixateurs externe nach der Erfindung kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Kraftsensor und die Antriebseinheit vom äußeren Kraftfluss entlang des Knochens entkoppelt sind. Im Laufe der Entwicklung seit ca. 1960 hat sich das Prinzip der einseitigen äußeren Fixierung von Knochenbrüchen durchgesetzt, vor allem, um den Patienten zu schonen, indem nur halb so viele Haut- und Muskelpenetrationen erforderlich sind wie bei der beidseitigen äußeren Fixierung. Die einseitige Fixierung hat jedoch den großen Nachteil, dass starke Biegemomente an den Nägeln oder Schrauben und den Klemm- und Spannelementen des Fixateurs externe auftreten. Daher werden bei den üblichen Systemen so massive Spannelemente eingesetzt, dass eine Verbiegung der zentrale Bauteile nicht möglich ist und eher die Befestigungselemente, insbesondere die Nägel oder Schrauben verbiegen. Bei allen Vorschlägen und Prototypen mit beweglichen Klemmbacken als Befestigungselemente, die eine kontinuierliche oder punktuelle Dynamisierung der Bruchstelle erlauben sollen, gibt es große Probleme durch starke Reibung in den Gleitelementen infolge von Biegemomenten an den Klemmbacken. Bei dem Fixateur externe nach der Erfindung, welcher eine kontinuierliche Verstellung der Breite des Frakturspaltes bzw. dessen mechanischer Belastung bis zu 200 N ermöglicht, kann hingegen die Konstruktion in einfacher Weise so gewählt werden, dass der äußere Kraftfluss an der Fraktur nicht das Stellelement und den Kraftsensor berührt. Weitere konstruktive Details sind dem nachfolgenden speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.In addition to the program-controlled aspects, the external fixator according to the invention also includes constructional aspects which take into account the cost-effectiveness, ease of use and maximum compatibility with standard fastening elements. Therefore, in a further embodiment of the fixator external according to the invention provided that all associated means are summarized except for the bone-side fasteners in a common component, which is either arranged between the fasteners or peripherally. This component can be referred to by the term "clamping body." The provision of a single central element results in a lateral arrangement which places the forces to be applied on one side of the bone exercises. A compact, torsion-resistant arrangement, which also absorbs externally occurring bending moments, in particular in the case of one-sided lateral fixators, which are proportional to the external and to the generated loads without too much friction in the fixation rod which hinders the longitudinal movement of the fastening elements, facilitates the handling and reduces it the risk of injury and failure. Furthermore, the common component can be advantageously compatible with the commercially available fastening elements, resulting in a special cost. It should be detected in the sense of fasteners existing instruments such as nails, screws, joints and fasteners. In a preferred embodiment of the electronically controllable fixator external according to the invention can also be provided that the force sensor and the drive unit are decoupled from the external power flow along the bone. In the course of development since about 1960, the principle of one-sided external fixation of fractures has prevailed, especially to protect the patient, by only half as many skin and muscle penetrations are required as in the bilateral external fixation. However, the one-sided fixation has the great disadvantage that strong bending moments occur on the nails or screws and the clamping and clamping elements of the fixator external. Therefore, in the conventional systems so massive clamping elements are used that a bending of the central components is not possible and rather bend the fasteners, especially the nails or screws. In all proposals and prototypes with movable jaws as fasteners, which should allow a continuous or punctual dynamization of the fracture, there are great problems due to strong friction in the sliding elements due to bending moments on the jaws. In the external fixator according to the invention, which allows a continuous adjustment of the width of the fracture gap or its mechanical load up to 200 N, however, the construction can be chosen in a simple manner so that the external force flow to the fracture not the actuator and the Force sensor touched. Further constructive details can be found in the following special description part.

Der spezielle Aufbau und die spezielle Funktion des elektronisch steuerbaren Fixateurs externe nach der Erfindung kann gut durch die Kurzbezeichnung „ELFIX" charakterisiert werden. Um das vorhandene medizinische Hintergrundwissen zu implementieren, kann noch ein Bezug zu dem als Erfinder beteiligten, in der Fachwelt bekannten Mediziner hergestellt werden, sodass sich die Bezeichnung „Fixateur Externe nach Professor Durbin" (ELFIX) ergibt.Of the special construction and the special function of electronically controllable Fixateurs external according to the invention can be well characterized by the short name "ELFIX" become. To implement the existing medical background knowledge, can still relate to the inventor involved, in the art known physicians are produced, so that the term "fixator External to Professor Durbin "(ELFIX) results.

Ausbildungsformen der Erfindung werden zur deren weiterem Verständnis nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigtforms of training The invention will be further understood below with reference to the schematic figures closer explained. It shows

1 einen elektronisch steuerbaren Fixateur externe mit einem peripheren gemeinsamen Bauteil im Querschnitt und 1 an electronically controllable external fixator with a peripheral common component in cross section and

2 ein Blockschaltbild der elektronischen Steuerung. 2 a block diagram of the electronic control.

In der 1 ist ein elektronisch steuerbarer Fixateur externe 1 zur Behandlung einer Frakturstelle 2 dargestellt. Auf einer parallel zum gebrochenen Knochen 3 angeordneten Fixierungsstange 4, die im Ausführungsbeispiel als Nutwelle ausgeführt ist, sind zwei als Klemmbacken ausgebildete Befestigungselemente 5, die jeweils eine Schlitzkupplung 6 umfassen, verschieb- und feststellbar angeordnet. Dabei wird das eine Befestigungselement 5 über eine als Linearlager ausgebildete Lagerbuchse 7 geführt, die eine Verdrehung der Befestigungselemente 5 zueinander verhindert. In den Schlitzkupplungen 6 werden Nägel oder Schrauben 8, die beidseitig der Frakturstelle 2 kraftschlüssig in den Knochen 3 eingebracht sind, aufgenommen und längenverstellbar geführt. In einem gemeinsamen Bauteil 9, das peripher von der Frakturstelle 2 angeordnet ist, sind weitere funktionelle Mittel angeordnet. Hierbei handelt es sich um eine auf die Fixierungsstange 4 aufgeschobene Feder 10, über die Zug- und Druckkräfte an der Frakturstelle 2 erzeugt werden. Die Einstellung des Kraftbetrages erfolgt über eine Spannmutter 11, die in einem Feingewinde auf der als Nutwelle ausgebildeten Fixierungsstange 4 läuft. Gedreht wird die Spannmutter 11 über eine Kupplung 12 von einer Antriebseinheit 13 in Form eines Antriebsmotors. Die Programmansteuerung der Antriebseinheit 13 erfolgt über eine integrierte Schaltung mit digitalen Eingängen. Diese wird direkt vom einem Mikroprozessorsystem MCU (vergleiche 2) gesteuert, das in das gemeinsame Bauelement 9 integriert oder über Zuleitungen angeschlossen sein kann. Durch die beschriebene Konstruktion sind die Antriebseinheit 13 und ein Kraftsensor 14, der kontinuierlich und präzise die Kraft an der Frakturstelle 2 misst, von dem gesamten Kraftfluss entlang des Knochens 3 entkoppelt. Das Prinzip der Kraftmessung des Kraftsensors 14 besteht in der Anwendung einer präzisen Messung der Kontraktion oder Ausdehnung der Feder mit bekannter Konstante und deren Erfassung als elektrische Größe. Die an der Frakturstelle 2 gemessene Kraft unterscheidet sich von der an der Feder 10 gemessenen Kraft um die Reibungskraft, welche zur Überwindung der Reibung in der Lagerbuchse 7 benötigt wird. Diese lässt sich berechnen und wird durch Kalibrierungsmessungen quantifiziert.In the 1 is an electronically controllable fixator external 1 for the treatment of a fracture site 2 shown. On a parallel to the broken bone 3 arranged fixation rod 4 , which is designed in the embodiment as a groove shaft, are two clamping elements designed as clamping jaws 5 each having a slot coupling 6 include, slidably and lockable arranged. This will be a fastener 5 via a trained as a linear bearing bushing 7 led, a twisting of the fasteners 5 prevented each other. In the slot couplings 6 be nails or screws 8th , on both sides of the fracture site 2 non-positively in the bone 3 are introduced, recorded and guided adjustable in length. In a common component 9 , peripheral to the fracture site 2 is arranged, further functional means are arranged. This is one on the fixation rod 4 deferred spring 10 , about the tensile and compressive forces at the fracture site 2 be generated. The adjustment of the amount of force via a clamping nut 11 , which in a fine thread on the fixing rod designed as a groove shaft 4 running. The clamping nut is turned 11 via a clutch 12 from a drive unit 13 in the form of a drive motor. The program control of the drive unit 13 via an integrated circuit with digital inputs. This is directly from a microprocessor system MCU (cf. 2 ) controlled in the common component 9 integrated or can be connected via leads. By the construction described are the drive unit 13 and a force sensor 14 that continuously and precisely the force at the fracture site 2 measures, of the entire power flow along the bone 3 decoupled. The principle of force measurement of the force sensor 14 consists in the application of a precise measurement of the contraction or expansion of the spring with a known constant and their detection as an electrical quantity. The at the fracture site 2 measured force is different from that on the spring 10 measured force around the friction force, which helps to overcome the friction in the bearing bush 7 is needed. This can be calculated and quantified by calibration measurements.

Zusätzlich kann ein Weggeber in dem Fixateur externe nach der Erfindung vorgesehen sein. Eine Wegmessung, d.h. eine Messung des Abstandes der Befestigungselemente als Maß für die Breite des Frakturspaltes, ist bei einer Anwendung zur Extremitätenverlängerung erforderlich. Weiterhin kann zur Vermeidung von Fehlfunktionen, beispielsweise zu hohen ausgeübten Kräften, ein mehrfaches Sicherheitskonzept umgesetzt werden, das in der Prozesssteuerung insbesondere eine Überwachung des Motorstroms und der Batteriespannung und eine Verarbeitung von Überschreitungen vorgegebener Maximalwerte (beispielsweise Nullstellung bei Überschreiten eines maximalen Stellweges) und konstruktiv insbesondere einen manuellen Not-Stopp-Taster, eine Sollbruchstelle und eine Rutschkupplung aufweist.In addition, can a displacement sensor provided in the fixator external according to the invention be. A displacement measurement, i. a measurement of the distance of the fasteners as a measure of the width of the Fracture cleft, is in an application for extremity extension required. Furthermore, to avoid malfunction, For example, too high exercised forces a multiple safety concept can be implemented in process control in particular, a surveillance the motor current and the battery voltage and processing of transgressions predetermined maximum values (for example, zero position when exceeding a maximum travel) and in particular a manual emergency stop button, having a predetermined breaking point and a slip clutch.

In der 2 ist als Ausführungsbeispiel ein mögliches Blockschaltbild zur Umsetzung der Prozesssteuerung des Fixateurs externe nach der Erfindung dargestellt. Die Steuerung, Messwerterfassung und Überwachung aller Abläufe übernimmt ein Mikroprozessorsystem MCU. Ein vom behandelnden Mediziner erstellter Belastungs-Zeitplan wird in einem Datenspeicher abgelegt. Die Kommunikation erfolgt über eine PC-Schnittstelle und BUS-Verbindungen. Zusätzlich ist über einen Timer ein zeitabhängig gesteuerter Funktionsablauf vorgesehen. An einem analogen Eingang des Mikroprozessorsystems MCU ist ein Differenzverstärker OP angeschlossen, der die vom Kraftsensor kommenden Messsignale verstärkt. An digitalen Ein- und Ausgängen I/O sind weitere Messsensoren, beispielsweise zur Längenmessung und zur Endlagenkontrolle, Bedienelemente, der Motor und eine Anzeige angeschlossen.In the 2 is shown as an exemplary embodiment of a possible block diagram for implementing the process control of the fixator external according to the invention. The control, measured value recording and monitoring of all processes are handled by a microprocessor system MCU. A stress schedule created by the attending physician is stored in a data store. Communication takes place via a PC interface and BUS connections. In addition, a time-dependent controlled functional sequence is provided via a timer. Connected to an analog input of the microprocessor system MCU is a differential amplifier OP which amplifies the measurement signals coming from the force sensor. Additional measuring sensors, for example for length measurement and end position control, operating elements, the motor and a display are connected to digital inputs and outputs I / O.

11: Fixateur externefixator external
22: Frakturstellefracture site
33: Knochenbone
44: Fixierungsstangefixation rod
55: Befestigungselementfastener
66: SchlitzkupplungSchlitzkupplung
77: Lagerbuchsebearing bush
88th: Nagel oder Schraubenail or screw
99: gemeinsames Bauteilcommon component
1010: Federfeather
1111: Spannmutterlocknut
1212: Kupplungclutch
1313: Antriebseinheitdrive unit
1414: Kraftsensorforce sensor

Claims

Electronically controllable external fixer for the automated treatment of fracture sites and extensions with at least two fixing elements displaceably connected to each other via at least one fixation rod arranged parallel to the bone with a program-controlled drive unit for varying the spacing of the fastening elements relative to one another and for setting predetermined Tensile and compressive forces, characterized in that the measuring means at least one exclusively axially loaded force sensor ( 14 ) for continuous force determination at the fracture site ( 2 ) and that the fastening elements ( 5 ) as a function of the continuously measured force via the drive unit ( 13 ) in a closed loop automatically in one, a force optimal for bone healing in a force range between 0 N and 200 N at the fracture site ( 2 ) generating distance from each other, wherein the currently set force or the force curve in the force range is set in the program control.

Electronically controllable external fixator according to claim 1, characterized in that in the program control (MCU) depending on the current stress of the fracture site ( 2 ) a basic value for the acting force is given.

Electronically controllable external fixator according to claim 2, characterized in that in the program control (MCU) micro oscillations to are preset around the set basic value.

Electronically controllable fixator external according to one of claims 1 to 3, characterized in that further measuring sensors, in particular for determining the ambient temperature in the region of the fracture site ( 2 ) are provided.

Electronically controllable external fixator according to one of claims 1 to 4, characterized in that all the associated means except for the bone-side fastening elements ( 5 ) in a common component ( 9 ), either between the fasteners ( 5 ) or peripherally arranged, are summarized.

Electronically controllable fixator external according to claim 5, characterized in that the common component ( 9 ) with customary fastening elements ( 5 ) is compatible.

Electronically controllable external fixator according to claim 5 or 6, characterized in that the force sensor ( 14 ) and the drive unit ( 13 ) from the external flow of force along the bone ( 3 ) are decoupled.