DE112004002886T5

DE112004002886T5 - Vorrichtung für die Messung von Tibiofemoral-Kraftamplituden und Kraftangriffspunkten in einer totalen Kniegelenkplastik

Info

Publication number: DE112004002886T5
Application number: DE112004002886T
Authority: DE
Inventors: Denis Crottet; Petros Ion Pappas; Thomas Maeder; Caroline Jacq; Hannes Bleuler
Original assignee: Synthes AG Chur
Current assignee: AO Technology AG
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2024-06-16
Also published as: CH697473B1; US20090288502A1; DE112004002886B4; US20080306413A1; US7587945B2; WO2005122899A1; US8065927B2; US7412897B2; US20070180922A1

Abstract

Sonde (1) zur Messung von Kraftamplituden und Kraftangriffspunkten während einer totalen Kniegelenkarthroplastik, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei belastungssensitive Platten (2; 3) umfasst, welche für die Einführung in je ein Gelenksegment eines Kniegelenks geeignet sind und mit je einer oberen Fläche (6) und einer unteren Fläche (7) versehen sind; wobei jede belastungssensitive Platte (2; 3) mindestens zwei Belastungssensoren (10) umfasst.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonde für die Messung von Kraftamplituden und Kraftangriffspunkten und Momenten nach dem Oberbegriff in Anspruch 1.
Bei einer totalen Kniegelenkarthroplastik (TKA) gleicht der Chirurg die Ligamenta collateralia des Kniegelenks aus, um ein stabiles künstliches Gelenk zu gewährleisten. Die Ausgleichsbeurteilung beruht üblicherweise auf des Chirurgen Wahrnehmung und Erfahrung bei der Handhabung des Kniegelenks. Die Beurteilung der auf die Ligamente im Knie einwirkenden Kräfte und Momente ist subjektiv and kann zu relativ großen Fehlern und Wiederholbarkeitsproblemen führen.
Aus dem EP 1 304 093 von Gougeon ist eine Sonde bekannt, die die Messung der Druckkräfte zwischen jeder Gelenkkondyle des Femurs und des Tibiaplateaus gestattet. Diese bekannte Sonde umfasst zwei Belastungssensoren, einen für jede Gelenkkondyle, und ist an einer plattenähnlichen Halterung befestigt. Diese bekannte Sonde hat den Nachteil, dass die Bestimmung des Angriffspunktes der Druckkraft nicht möglich ist. Die für den Ausgleich der Ligamente wichtigen Momente bleiben unbekannt.
In dieser Hinsicht sieht die Erfindung vor, Abhilfemaßnahmen zu schaffen. Die Erfindung hat das Ziel, eine Sonde zur Verfügung zu stellen, die eine Messung der Amplitude und des Ortes der von jeder Gelenkkondyle ausgeübten Druckkraft erlaubt.
Die Erfindung löst das gestellte Problem durch eine Sonde mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind grundsätzlich darin zu sehen, dass die Sonde nach der Erfindung folgendes zulässt:

– eine für jede Gelenkkondyle gesonderte Messung der Kraftamplitude und des Kraftangriffspunktes, und daher
– eine Berechnung der auf das Kniegelenk einwirkenden Momente, um den Ligament-Ausgleich besser zu beurteilen;
– eine Messung in Realzeit; und
– eine Festhaltung der Kniescheibe während der Messung in einer anatomischen Lage, die dem postoperativen Zustand näher entspricht.

In einer bevorzugten Ausführung umfassen die erste und die zweite belastungssensitive Platte mindestens je drei Belastungssensoren, die nicht colinear ausgerichtet sind und daher die Messung der Kraftamplituden und Kraftangriffspunke bezüglich zweier senkrechter Achsen erlauben, wovon vorzugsweise die eine in einer medio-lateralen Richtung und die andere in einer antero-posterioren Richtung verläuft.
In einer anderen bevorzugten Ausführung umfasst die Sonde eine Tibia-Basisplatte. Dadurch kann der Vorteil einer für die Sonde festen und bestimmten Bezugsfläche erreicht werden.
In einer weiteren Ausführung umfasst die Sonde auch einen Satz Keile, die eine Variation des tibio-femoralen Spaltes je nach Anatomie des Patienten und Ligament-Entspannungsvorgangs erlauben.
In wiederum einer weiteren Ausführung haben die ersten und zweiten belastungssensitiven Platten benachbarte innere Seitenwände und sind an diesen benachbarten inneren Seitenwänden miteinander verbunden. Damit ist eine leichtere Einführung der Sonde in den tibio-femoralen Spalt erzielbar. Die erste und zweite belastungssensitive Platte sind an ihren benachbarten inneren Seitenwänden mit diesen flexibel verbunden, und erlauben dadurch eine Änderung des tibio-femoralen Spaltes durch die erwähnten Keile.
Jeder Belastungssensor umfasst vorzugsweise eine brückenförmige Struktur und mindestens einen daran befestigten piezoelektrischen Sensor. Die brückenförmige Struktur kann so ausgebildet sein, dass jeder Sensor eine Messung an einem diskreten Punkt erlaubt. Die Messungen der Belastungssensoren an diskreten Punkten sind vorzugsweise durch einen Abstand von über 2 mm voneinander getrennt.
Die gemessenen Parameter können als Eingänge für ein rechnerisches, biomechanisches Modell des Kniegelenks verwendet werden, das als ein unterstützendes Expertensystem wirkt.
Anstatt die belastungssensitiven Sensoren mit dem datenverarbeitenden Gerät (z.B. den Computer) über Kabel elektrisch zu verbinden, kann für die Übertragung der gemessenen Signale der Belastungssensoren an das datenverarbeitende Gerät, z.B. den Computer auch drahtlose Telemetrie verwendet werden. Dadurch kann die Ergonomie der Sonde verbessert und ihre Handhabung erleichtert werden.
Die Erfindung und zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die teilweise schematischen Abbildungen mehrerer Ausführungen noch eingehender beschrieben. Es zeigen:
1 eine Perspektivansicht eines menschlichen Kniegelenks mit einer nach einer Ausführung der Erfindung eingeführten Sonde und einem Computer;
2 eine Perspektivansicht der Ausführung der in 1 gezeigten Sonde.
Die 1 ist eine Darstellung des Messgerätes 22, das eine zwischen dem Tibiaplateau 25 und den zwei Kondylen 8; 9 eines menschlichen Kniegelenks 4 eingelegte Sonde 1 umfasst. Das Messgerät 22 umfasst außerdem ein drahtlos oder über Kabel 20 an die Sonde 1 angeschlossenes Datenerfassungs- und Verarbeitungsgerät 24 und einen Computer. Die Sonde 1 umfasst zwei belastungssensitive Platten 2; 3, deren untere Flächen 7 mit der oberen Fläche einer Tibia-Basisplatte 28 in Berührung stehen, die auf dem Tibiaplateau 25 aufliegt und deren obere Flächen 6 mit je einer Kondyle 8; 9 des Femurs 26 in Berührung stehen. Jede belastungssensitive Platte 2; 3 ist in einem Knieabschnitt gelegen und erfährt die Kräfte einer Kondyle 8; 9. Jede belastungssensitive Platte 2; 3 umfasst außerdem drei brückenförmige Strukturen 30 (2), die durch die auf die oberen Flächen 6 der belastungssensitiven Platten 2; 3 aufgebrachten Belastungen elastisch deformierbar sind.
Die 2 zeigt eine Perspektivansicht einer beispielhaften Ausführung der Sonde 1, die je zwei belastungssensitive Platten 2; 3 für eine Kondyle 8; 9 eines menschlichen Kniegelenks 4 umfasst. Jede Platte 2; 3 hat eine obere Fläche 6 und eine untere Fläche 7. In einer Aufsicht haben die zwei Platten 2; 3 eine polygonähnliche Form mit abgerundeten Ecken. Jede Platte 2; 3 enthält drei an der oberen Fläche 6 nahe der Peripherie der Platten 2; 3 gelegene Belastungssensoren 10. Die Ränder der Platten 2; 3 sind so ausgestaltet, dass die Form der Sonde 1 der Form des Tibiaplateaus 25 angepasst ist. Die zwei belastungssensitiven Platten 2; 3 sind über ein flexibles Verbindungselement 19 miteinander verbunden, das an den oberen Flächen 6 in der Nähe der benachbarten inneren Seitenwände 14a; 14b der belastungssensitiven Platten 2: 3 befestigt ist. In der beispielhaften, in 2 gezeigten Ausführung sind die Belastungssensoren 10 mit Kabel 20 versehen, die in einer Kabelform 21 in der Nähe der Peripherie der ersten bzw. zweiten belastungssensitiven Platte 2: 3 zusammengeführt sind, wobei jedes Kabel 20 an das Datenerfassungs- und Verarbeitungsgerät 24 angeschlossen ist (1). Am Spalt zwischen den inneren Seitenwänden 14a, 14b sind die Kabel 20 der in der ersten belastungssensitiven Platte 2 gelegenen Belastungssensoren 10 in das biegsame Verbindungselement 19 eingebaut. Anstatt Kabel 20 zu verwenden, könnten die Mess-Signale auch drahtlos übertragen werden.
Die Belastungssensoren 10 sind durch elastisch deformierbare, brückenförmige Strukturen 30 in der Nähe der Peripherie jeder Platte 2; 3 ausgeführt und mit dickschichtigen piezoelektrischen Sensoren 33 versehen. Die brückenförmigen Strukturen 30 sind in einem Abstand voneinander getrennt, wobei mindestens zwei der brückenförmigen Strukturen 30 in einem Winkel zueinander angeordnet sind. Jede brückenförmige Struktur 30 ist außerdem mit einem zentralen Pfosten 32 versehen, der an seinem unteren Ende konvex, vorzugsweise kugelförmig, geformt ist. Die piezoelektrischen Sensoren erfahren eine elektrische Widerstandsänderung je nach angewandter Kraft. Die Anordnung der piezoelektrischen Sensoren in einer Wheatstone-Brücke erlaubt die Umwandlung der Widerstandsänderung in ein über das Datenerfassungs- und Verarbeitungsgerät 24 (1) messbares elektrisches Signal. Gemäß der in 1 gezeigten Messvorrichtung 22, können innerhalb des Bezugssystems 34 die Amplitude und Kraftangriffspunkte x; y der von jeder Kondyle 8; 9 erzeugten Druckkraft auf die Sonde 1 über den Computer 23 durch die vom Datenerfassungs- und Verarbeitungsgerät 24 gemessenen elektrischen Signalwerte berechnet werden.
Nach Einführung der Sonde 1 in das Kniegelenk kann der Chirurg die berechneten Parameter, d.h. die Amplitude und Angriffspunkte der Druckkräfte und die daraus resultierenden Momente, die die Größe des Ligament-Kräftegleichgewichts auf dem Computer-Bildschirm 27 in Realzeit kennzeichnen, anzeigen lassen. Die wichtigen Parameter können während der Flexion und Extension des Kniegelenks 4 berechnet werden (1).
Jede belastungssensitive Platte 2; 3 enthält drei deformierbare, brückenförmige Strukturen 30, die mit dickschichtigen piezoelektischen Sensoren 33 versehen sind. Der Kontakt zwischen den belastungssensitiven Platten 2; 3 und der Tibia-Basisplatte 28 bzw. den (nicht gezeigten) Keilen erfolgt am Boden des Zentralpfostens 32 jeder brückenförmigen Struktur 30. Dadurch entstehen an den Pfosten 32 der brückenförmigen Strukturen 30 drei Reaktionskräfte R₁; R₂; R₃, sobald an die entsprechenden belastungssensitiven Platten 2; 3 eine Kraft F angelegt wird. Da diese Reaktionskräfte R₁; R₂; R₃, von den piezoelektrischen Sensoren gemessen werden, können aufgrund der mechanischen Gleichgewichtsgleichungen die Amplitude und der Angriffspunkt der Last F berechnet werden.
Beschreibung des chirurgischen Verfahrens:
Nach einer Standard-Öffnung des Kniegelenks 4 wird ein Vorschnitt der Tibia durchgeführt, um eine flache Bezugsfläche und genügend Raum für die Sonde 1 zu schaffen. Die Sonde 1 wird in das Kniegelenk 4 eingeführt und das Meßsystem sowie der Computer 23 werden für die Erfassung, Verarbeitung und Anzeige der Messungen bereitgestellt. Die Amplitude und der Angriffspunkt der Kontakt- Druckkräfte und der Momente jeder Kondyle 8; 9 des Femurs werden dann in Realzeit bei verschiedenen Kniebiegungswinkeln gemessen. Der Computer 23 zeigt die Rohmessungen und die auf einem rechnerischen, biomechanischen und als unterstützendes Expertensystem wirkenden Modell des Kniegelenks 4 basierende Interpretierung dieser Messungen auf. Das ligamentöse Gleichgewicht wird dann aufgrund der Messungen und der biomechanischen Interpretierung korrigiert. Das Mess- und Korrigierverfahren wird solange wiederholt, bis die Ligamente ausgeglichen sind. Die Sonde 1 wird schließlich entfernt und die Prothesenelemente werden eingeführt. Alternativ kann die Sonde 1 nach Einführung des Femur- und/oder Tibia-Prothesenelementes eingesetzt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine während einer totalen Kniegelenkarthroplastik zur Messung der Kräfte und Orte derer Angriffspunkte und dadurch Momente verwendete Sonde (1), die folgendes umfasst:

A) zwei belastungssensitive, für die Einführung in je ein Gelenksegment eines Kniegelenks geeignete und mit je einer oberen Fläche (6) und einer unteren Fläche (7) versehene Platten (2; 3):
B) mindestens zwei an den oberen Flächen (6) und/oder an der unteren Fläche (7) jeder belastungssensitiven Platte (2; 3) gelegene Belastungssensoren (10).

Claims

Sonde (1) zur Messung von Kraftamplituden und Kraftangriffspunkten während einer totalen Kniegelenkarthroplastik, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei belastungssensitive Platten (2; 3) umfasst, welche für die Einführung in je ein Gelenksegment eines Kniegelenks geeignet sind und mit je einer oberen Fläche (6) und einer unteren Fläche (7) versehen sind; wobei jede belastungssensitive Platte (2; 3) mindestens zwei Belastungssensoren (10) umfasst.
Sonde (1) nach Anspruch 1, worin mindestens zwei Belastungssensoren (10) in der oberen Fläche (6) gelegen sind.
Sonde (1) nach Anspruch 1 oder 2, worin mindestens zwei Belastungssensoren (10) in der unteren Fläche (7) gelegen sind.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche von 1 bis 3, worin mindestens ein Belastungssensor (10) in der oberen Fläche (6) und mindestens ein Belastungssensor (10) in der unteren Fläche (6; 7) gelegen ist.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche von 1 bis 4, worin die erste und die zweite belastungssensitive Platte (2; 3) jeweils mindestens drei, nicht linear angeordnete Belastungssensoren (10) umfasst.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche von 1 bis 5, die außerdem eine Tibia-Basisplatte umfasst.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche von 1 bis 6, die außerdem einen Satz Keile umfasst.
Eine Sonde (1) nach einem der Ansprüche von 1 bis 7, worin die erste und die zweite belastungssensitive Platte (2; 3) benachbarte innere Seitenwände (14) haben und an diesen benachbarten inneren Seitenwänden (14) verbunden sind.
Sonde (1) nach Anspruch 8, worin die erste und die zweite belastungssensitive Platte (2; 3) an ihren benachbarten inneren Seitenwänden (14) flexibel verbunden sind.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche von 1 bis 9, worin jeder Belastungssensor (10) eine brückenförmige Struktur (30) und mindestens einen piezoelektrischen Sensor (33) umfasst.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche von 1 bis 10, worin die gemessenen Parameter als Eingänge für ein rechnerisches biomedizinisches Modell eines Kniegelenks verwendet werden, das als unterstützendes Expertensystem wirkt.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche von 1 bis 11, worin drahtlose Telemetrie zur Übertragung der gemessenen, von den Belastungssensoren (10) an einen Computer (23) ausgegebenen Mess-Signalen verwendet wird.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche von 1 bis 12, worin jeder Belastungssensor (10) Messungen an einem diskreten Punkt vornimmt.
Sonde (1) nach Anspruch 13, worin die Messungen der Belastungssensoren (10) an diskreten Punkten einen Abstand von mehr als 2 mm voneinander haben.