DE202009004348U1 - Vorrichtung zur In-situ-Messung der Verankerungsfestigkeit von Endoprothesen - Google Patents

Vorrichtung zur In-situ-Messung der Verankerungsfestigkeit von Endoprothesen Download PDF

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Abstract

Lockerungssensor, platziert innerhalb einer Endoprothese, bestehend aus einer Feder und einem ferromagnetischen Massenschwinger, mit der Möglichkeit, dass der Massenschwinger eine anliegende Membran zum Schwingen anregen kann.

Description

  • Der Hauptgrund für einen Hüftendoprothesenwechsel ist mit einer Häufigkeit von ca. 75 die aseptische Lockerung. Die aseptische Lockerung von Hüftendoprothesen wird überwiegend anhand klinischer Symptomatik und Röntgenaufnahmen diagnostiziert, jedoch sind die Sensitivitäten und Spezifitäten suboptimal. Eine neue Form der Lockerungsdiagnostik ist von hoher klinischer Relevanz, um einerseits unnötige Operationen zu vermeiden und andererseits der Entstehung großer Knochendefekte bei verspäteter Revision vorzubeugen.
  • Ziel der Erfindung ist es, den Zustand der Verankerung von Endoprothesen mit Hilfe von Sensoren, welche innerhalb der Endoprothese angebracht sind, zu erfassen und die Information ex-vivo zu übertragen. Die Erfindung basiert auf zwei verschiedenen Sensortypen, die im Folgenden beschrieben werden.
  • Der akusto-mechanisch orientierte Ansatz zur In-situ-Lockerungsdiagnostik basiert auf Massenschwingern, welche innerhalb der Endoprothese angebracht sind. Bei den Massenschwingern handelt es sich um magnetische Ferritkörper, welche an einem Federstahl aufgehängt sind. Die magnetische Nord-Süd-Polung der Ferritkörper erlaubt eine Schwingungserregung mittels äußerem Wechselfeldimpuls sowie ein Auslesen der Schwingung mit Hilfe einer extrakorporalen Spule. Dabei wird der Vorteil genutzt, dass die gängigsten Implantatwerkstoffe in der Endoprothetik, Titan- und Kobalt-Chrom-Legierungen, keine ferromagnetischen Materialien sind.
  • Angrenzend an den ferromagnetischen Massenschwinger soll eine Membran die Schwingungen auf den benachbarten Knochen übertragen. Bei der Messung der Verankerungsfestigkeit wird zunächst mittels einer extrakorporalen Spule ein Wechselfeldimpuls aufgebracht, welcher den Massenschwinger in Schwingungen versetzt und auf die Membran treffen lässt. Je nach Verankerungszustand der Membran im Knochen wird dabei die Schwingung mehr oder weniger gedämpft. Diese Dämpfung kann ebenfalls mit der extrakorporalen Spule anhand der resultierenden Bewegung des ferromagnetischen Massenschwingers registriert werden. Um eine ungewollte Schwingung der Ferritkörper außerhalb der Messungen zu verhindern, soll mit dem Federstahl eine gewisse mechanische Vorspannung aufgebracht werden, wodurch die Ferritkörper an die Membran gedrückt werden.
  • Der piezo-akustisch basierte Ansatz zur In-situ-Lockerungsdiagnostik beruht auf Piezoelementen, welche an einer dünnwandigen Membran an der Implantatoberfläche lokalisiert sind. Die Piezoelemente sind mit einer Spule und einer Kapazität in Reihe geschaltet. Mittels einer externen Spule wird eine Spannung im Implantat induziert und das Piezoelement zum Schwingen angeregt. Anschließend wird die gleiche Schaltung als Sender verwendet. Die durch das Ausschwingen des Piezoelements erzeugten Spannungen werden von der internen Spule in ein elektromagnetisches Feld umgewandelt, welches von extern registriert wird.
  • Die Grundlage beider Verfahren ist der Impedanzunterschied zwischen den periprothetisch angelagerten biologischen Materialien: Befindet sich an der Außenseite der Membran weiches Gewebe oder Flüssigkeit, ergibt sich ein großer Unterschied in der mechanischen Impedanz. Folglich werden die Schwingungen des jeweiligen Sensors größtenteils reflektiert und nicht weitergeleitet, wodurch eine geringe Dämpfung eintritt. Ist die Membran hingegen mit festem Knochengewebe verbunden, ergibt dieses einen geringen Unterschied in der mechanischen Impedanz. Die Schwingungen werden größtenteils weitergeleitet und klingen schnell ab. Eine starke Dämpfung signalisiert folglich festen Knochenkontakt. Dieser Effekt wird verstärkt, wenn der erregte Schwinger und die anliegende Membran gleiche Eigenfrequenzen aufweisen. Die gemessene Dämpfung der Schwingung des Sensors ist folglich der Indikator für die Verankerungsfestigkeit der Endoprothese.
  • Durch Anbringen mehrerer Sensoren innerhalb der Endoprothese sollen zuverlässige Informationen über die Verankerungsfestigkeit gewonnen werden. Die Sensoren lassen sich dabei einzeln steuern sofern deren Eigenfrequenz in ausreichendem Maße voneinander abweicht.
  • 1: Übersicht einer Endoprothese (I) im Knochenlager (II). In der teilweisen Schnittdarstellung ist der Lockerungssensor (III) nach Anspruch 1 im Inneren des Endoprothesenstiels abgebildet
  • 2: Schnittdarstellung einer Endoprothese (I) im umgebenden Knochenlager (II) mit Implantat-Knochen-Grenzschicht (III). Lockerungssensor nach Anspruch 1, bestehend aus Feder (IV) und ferromagnetischem Massenschwinger (V), angrenzend an eine Membran (VI)
  • 3: Schnittdarstellung einer Endoprothese (I) im umgebenden Knochenlager (II) mit Implantat-Knochen-Grenzschicht (III). Lockerungssensor nach Anspruch 2, bestehend aus Piezoelement (IV), in Reihe geschaltet mit einer Induktivität (C1) und einer Spule (L1), angrenzend an eine Membran (V)

Claims (4)

  1. Lockerungssensor, platziert innerhalb einer Endoprothese, bestehend aus einer Feder und einem ferromagnetischen Massenschwinger, mit der Möglichkeit, dass der Massenschwinger eine anliegende Membran zum Schwingen anregen kann.
  2. Piezoelement als Lockerungssensor, platziert innerhalb einer Endoprothese, welches eine anliegende Membran zum Schwingen anregen kann und mit einer Spule und einer Kapazität in Reihe geschaltet ist.
  3. Mehrere Lockerungssensoren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, platziert an verschiedenen Stellen innerhalb der Endoprothese. Die verschiedenen Stellen entsprechen dabei den charakteristischen Orten, an welchen der jeweilige Endoprothesen-Typ die ersten auf klinischen Erfahrungen basierenden Lockerungserscheinungen zeigt.
  4. Platzierung mehrerer Lockerungssensoren nach Anspruch 1 und Anspruch 2 in Form von Anspruch 3, wobei die Lockerungssensoren über verschiedene Eigenfrequenzen verfügen und somit einzeln angesteuert werden können.
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