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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung des physischen Gesamtzustands eines Kniegelenks; enthaltend
- (a) eine Aufnahme, in welcher das zu untersuchende Kniegelenk fixierbar ist;
- (b) einen Aktuator zum Erzeugen einer Kraft auf die Patella des fixierten Kniegelenks; und
- (c) einen Wegsensor, mit welchem der Verschiebeweg der Patella aus ihrer natürlichen Lage bei Ausübung einer Kraft auf die Patella messbar ist.
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Sowohl Hyper- als auch Hypomobilität der Patella können in unterschiedlichen Kniepathologien klinisch symptomatisch werden. Eine bekannte Methode ist die manuelle Verdrängungsprüfung. Diese ist beispielsweise aus Manske, Robert C., and George J. Davies. 2003. „A Nonsurgical Approach To Examination And Treatment Of The Patellofemoral Joint, Part 1: Examination Of The Patellofemoral Joint“. Critical Reviews In Physical And Rehabilitation Medicine 15 (2): 141-166 bekannt. Das bekannte Verfahren lässt keine genaue Abschätzung der mediolateralen Patellamobilität zu, weil die ausgeübte Kraft nicht quantifizierbar ist.
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Es gibt mehrere anatomische und histologische Faktoren, die einen direkten Einfluss auf die Beweglichkeit der Patella haben. Dies betrifft beispielsweise das Weichgewebe aufgrund des medialen und lateralen Retinaculums, einschließlich des medialen patellofemoralen Bandes und des Iliotibialbandes, der knöcherne Morphologie des patellofemoralen Teils, die Position der Patella in Bezug zur Trochlea-Furche und zur Funktion des Quadrizeps und Gesäßmuskels. Die Patella kann eine Hypermobilität aufweisen, die möglicherweise in einer Patellaluxation mit oder ohne Trauma endet. Das Gegenteil, Patella-Hypomobilität, kann Steifheit und Schmerzen verursachen. Für die Patellamobilität existieren praktisch keine Referenzdaten. Es ist daher schwer zu beurteilen, ob eine Patellamobilität pathologisch ist oder nicht.
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Der physische Gesamtzustand eines Kniegelenkes (Beweglichkeit, Stabilität, Arthrose) und die Mobilität der Kniescheibe (Patella) stehen in einem nachweisbaren Zusammenhang. Orthopädische oder unfallchirurgische Behandlungsmethoden am Kniegelenk begründen sich aktuell auch auf die „gefühlte“ Patellamobilität in Korrelation zum Kraftanstieg je Weg. Da es sich um kleine Verschiebewege im Millimeterbereich handelt, sowohl nach innen als auch nach außen, und dazu die Handkraft des Arztes eingesetzt wurde, ist es bisher bei der einfachen und konservativen Untersuchungsmethodik geblieben, die allerdings Vergleiche und systematische Zuordnungen von Insuffizienzen und dem Patella-Verhalten ausschließt.
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Stand der Technik
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EP 2 004 082 B1 offenbart eine Vorrichtung zur Benutzung beim Bestimmen der Trajektorie einer Kniescheibe während einer gelenkten chirurgischen Knieersetzungsprozedur.
DE 103 09 500 A1 offenbart eine Patella-Referenzvorrichtung zum Bestimmen der räumlichen Lage der Patella bei einem navigationsgestützten chirurgischen Eingriff.
WO2012/034239 A1 offenbart einen Kniescheibengreifer.
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DE 36 15 675 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Erfassung einer Patella-Anomalie. Bei der bekannten Vorrichtung wird das Knie fixiert und eine Kraft auf die Patella ausgeübt. Gemessen wird die Abweichung der Lage des Mittelpunktes der Patella, die Veränderung der Neigung der Patellaoberfläche und/oder eine Empfindlichkeit der Patella gegenüber einer Druckbeaufschlagung. Bei der Empfindlichkeit erfolgt eine Beaufschlagung der Patella mit einer Kraft, bis bei einem bestimmten Wert der Druckbeaufschlagung entsprechende Schmerzen beim Patienten verursacht werden. Gemessen wird anschließend der Verschiebeweg, bei dem diese Schmerzen ausgelöst werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher der physische Gesamtzustands eines Kniegelenks ohne Schmerzen zuverlässig bestimmt werden kann. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass
- (d) ein Kraftsensor zum Ermitteln der auf die auf die Patella ausgeübten Kraft vorgesehen ist;
- (e) der Verschiebeweg der Patella mit einem Wegsensor für verschiedene auf die Patella ausgeübten Kräfte messbar ist; und
- (f) eine mit den Messwerten des Kraftsensors und des Wegsensors beaufschlagte Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, mit welcher der physische Gesamtzustand des Kniegelenks bestimmbar ist.
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Anders als bei der aus
DE 36 15 675 A1 bekannten Anordnung kann mit einer solchen Anordnung die für jeden Verschiebeweg erforderliche Kraft bestimmt werden. Dies kann für eine Vielzahl von Verschiebewegen erfolgen. Die Anordnung ermöglicht die Ermittlung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen Kraft und Verschiebeweg, sowohl für den Hinweg, bei welchem die Patella aus ihrer natürlichen Lage gedrückt wird, als auch für den Rückweg, bei welchem die Patella wieder zurück in ihre natürliche Lage entspannt wird. Der funktionale Zusammenhang, beispielsweise die Steigung und Steigungsänderung, lässt Rückschlüsse auf den Gesamtzustand des Kniegelenks zu. Die Patella muss hierfür nicht bis zur Schmerzgrenze bewegt werden. Das ist deutlich angenehmer für die Patienten. Alternativ können auch andere Parameter, etwa bei einem funktionalen Zusammenhang höherer Ordnung, sowie die Abweichung zwischen Hinweg und Rückweg (Hysterese) zur Bestimmung des Gesamtzustands des Kniegelenks hinzugezogen werden.
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Die Bestimmung kann bei gesunden Probanden erfolgen. Auf diese Weise kann eine Referenz geschaffen werden. Mit Hilfe einer solchen Referenz kann der Zustand jedes Kniegelenks bestimmt werden, unabhängig davon, ob das Kniegelenk als gesund eingeordnet wird oder nicht.
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Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Anordnung, weil die Messwerte des Kraftsensors und des Wegsensors nicht von Hand abgelesen werden, sondern in einer Auswerteeinrichtung ausgewertet werden. Die Auswerteeinrichtung kann beispielsweise einen Prozessor zur Signalauswertung und einen elektronischen Speicher umfassen, in dem Referenzwerte gespeichert sind. Dann liegt das Ergebnis unmittelbar nach der Messung in digitaler Form vor. Sie lassen sich leicht speichern, weiterleiten, als Graphik darstellen und verarbeiten. Die Ergebnisse sind unabhängig vom individuellen Schmerzempfinden der Patienten und Patientinnen und damit deutlich zuverlässiger.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anordnung eine Grundplatte aufweist, auf welcher eine schwenkbare Tragsäule oder ein anderer lösbarer Träger mit Kraftsensor und Wegsensor befestigt ist. Das Knie muss dann nicht mühsam in die Aufnahme eingefädelt werden. Die Tragsäule kann von der Aufnahme weg geschwenkt oder geklappt werden, das Knie von oben in die Aufnahme bewegt werden und anschließend kann die Tragsäule wieder über das Knie zurückgeschwenkt oder zurückgeklappt werden.
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Vorzugsweise ist eine formadaptierte Unterlage zum Ablegen des Knies vorgesehen. Damit wird das Knie immer in die gleiche Position gelegt. Das vereinfacht die Justierung und Fixierung. Die Aufnahme und/oder die Unterlage können so ausgebildet sein, dass sie an jede Körpergröße angepasst werden können. Insbesondere kann die Anpassung an besonders kleine Gelenke, etwa von Kindern oder besonders große Gelenke, etwa von adipösen oder besonders großen Menschen erfolgen.
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Bei einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein lateral beweglicher Stempel zur Fixierung des Knies vorgesehen ist. Das Knie kann beispielsweise an eine feste Wandung angelegt und mit dem Stempel fixiert werden. Dabei wird der Stempel in Richtung Wandung an das Knie heranbewegt, bis es sich nicht mehr bewegen kann. Bevorzugt ist aber die Variante, dass zwei lateral bewegliche Stempel vorgesehen sind. Dann können von jeder Seite Stempel beispielsweise seitlich an das Knie heranbewegt werden. Wenn das Knie eine besondere Stellung einnehmen soll, können auch weitere bewegliche Stempel verwendet werden.
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Dies kann insbesondere dadurch verwirklicht werden, dass
- (a) zwei Stempel zur Fixierung des Knies vorgesehen sind,
- (b) die Stempel mit einer Gewindestange verbunden sind, welche mit einem in dem Träger vorgesehenen Gewinde zusammenwirkt; und
- (c) ein Antrieb oder ein Handgriff zum Rotieren der Gewindestange vorgesehen sind, so dass die Stempel durch Rotation der Gewindestange lateral zum Knie oder vom Knie weg bewegbar sind.
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Der Antrieb kann mit einem Motor, beispielsweise Elektromotor, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen. Dabei kann ein Sensor die Kraft erfassen, so dass das Knie nicht mehr als nötig zusammengedrückt wird. Es kann aber auch ein einfaches Handrad oder ein manuell betätigter Griff vorgesehen sein, mit welchem die Gewindestange rotiert wird. Die Knie-seitigen Stempel werden durch die Rotation der Gewindestange bewegt.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Aktuator einen vertikal beweglichen Patellagreifer umfasst, welcher senkrecht, typischerweise von oben in Richtung zur Patella beweglich ist und derart veränderlich ist, dass er in einer unteren Stellung formschlüssig an der Patella anliegt. Wenn das Knie so fixiert ist, dass die Patella oben ist, wird der Patellagreifer von oben in Richtung Knie bewegt. Der Greifer kann eine Krümmung aufweisen, so dass die Patella gut darin aufgenommen wird. Es können auch weiche Kissen oder Formteile vorgesehen sein, so dass sich der Patellagreifer gut an die Patella anschmiegt. Wichtig ist, dass die Patella während der Messung nicht innerhalb des Patellagreifers verrutscht. Es versteht sich, dass der Patellagreifer auch aus einer anderen Richtung an die Patella heranbewegt werden kann, wenn das Knie eine andere Orientierung hat, etwa bei Seitenlage des Patienten oder der Patientin.
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Bei dieser Anordnung umfasst der Aktuator an dem Träger vorzugsweise einen Antrieb zum Bewegen des Patellagreifers in lateraler Richtung. Der Aktuator kann einen Motor, etwa eine Elektromotor umfassen oder hydraulisch oder pneumatisch betätigt werden. Alternativ kann auch ein mechanisch betätigter Aktuator verwendet werden. Mit dem Aktuator wird die Patella, wenn das Knie eine Lage einnimmt, bei der die Patella oben ist, nach rechts und links bewegt.
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Der Verschiebeweg der Patella kann beispielsweise optisch gemessen werden. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass der Verschiebeweg der Patella mit einem Wegsensor messbar ist, welche an einem Träger befestigt ist und den Verschiebeweg des Patellagreifers in lateraler Richtung misst. Bei einer solchen Anordnung wird davon ausgegangen, dass der Verschiebeweg der Patella der Gleiche ist, wie der Verschiebeweg des Patellagreifers.
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Mit dem Aktuator kann insbesondere eine Maximalkraft mit einem definierten Wert von 8 bis zu 12 N (Newton), vorzugsweise 9 bis 11 N und höchst vorzugsweise 10 N ausübbar sein, sowie zu einem anderen Zeitpunkt wenigstens zwei Kräfte, die einen definierten Bruchteil der definierten Maximalkraft betragen. Auf diese Weise wird das Knie und seine Patella jederzeit schonend und schmerzfrei getestet. Beispielsweise kann die Messreihe bei einer geringen Kraft von 1 N begonnen werden. Für diese Kraft wird die damit bewirkte Verschiebung gemessen. Bei einer sehr beweglichen Patella wird ein vergleichsweise großer Verschiebungsweg und bei einer eher unbeweglichen Patella nur ein geringer Verschiebeweg mit dieser Kraft bewirkt. Dies kann nun für weitere Kräfte schrittweise wiederholt werden, bis die Maximalkraft von beispielsweise 10 N erreicht wird. Anschließend wird die Kraft sukzessive wieder reduziert. Es hat sich herausgestellt, dass der für eine Kraft gemessene Verschiebeweg auf dem Rückweg, d.h. bei der Entspannung, bei der die Kraft sukzessive verringert wird, eine andere ist, als auf dem Hinweg, d.h. beim Aufbau der Spannung, bei der die Kraft schrittweise erhöht wird. Es ergibt sich also eine Art Hysterese, welche ebenfalls Rückschlüsse auf den Gesamtzustand des Knies zulassen.
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Besonders bei der Anwendung mit einer Vielzahl von Probanden und Probandinnen ist es sinnvoll, wenn ein Signalgeber vorgesehen ist, welcher ein optisches und/oder akustisches Signal erzeugt, wenn der definierte Kraftwert erreicht ist. Die Kraft auf die Patella wird dann sukzessive erhöht oder verringert, bis das nächste Signal emittiert wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein oder mehrere Kraftsensoren vorgesehen sind, die alle möglichen auf die Patella ausgeübten Kräfte in alle möglichen Richtungen erfassen. Eine besonders einfache Ausgestaltung der Erfindung sieht jedoch vor, dass mit dem Kraftsensor die auf die Patella ausgeübte Kraft in lateraler Richtung erfassbar ist.
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Dabei können die von dem Wegsensor gemessenen Werte für jede auf die Patella ausgeübte und gemessene Kraft in Abhängigkeit der zugehörigen Kraftwerte mit der Auswerteeinrichtung speicherbar und ausgebbar sind. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn Zustände und Behandlungsverläufe dokumentiert werden sollen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Auswerteeinrichtung derart eingerichtet ist, dass eine Funktionalität zwischen den mit dem Wegsensor gemessenen Werte und der zugehörigen Kraftwerte ermittelbar ist und aus der Funktionalität eine Hysterese und Progression für jedes Knie bestimmbar ist.
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Dabei kann die Auswerteeinrichtung ein Bedienpaneel mit einem Display umfassen, auf dem die Funktionalität als Graph darstellbar ist. Es versteht sich, dass auch die Wiedergabe und Speicherung in Form von Parametern oder Datenbanken erfolgen kann.
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Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Definitionen
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In dieser Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen haben alle Begriffe eine dem Fachmann geläufige Bedeutung, welche der Fachliteratur, Normen und den einschlägigen Internetseiten und Publikationen, insbesondere lexikalischer Art, beispielsweise www.Wikipedia.de, www.wissen.de oder der Wettbewerber, forschenden Institute, Universitäten und Verbände, dargelegt sind. Insbesondere haben die verwendeten Begriffe nicht die gegenteilige Bedeutung dessen, was die fachkundige Person den obigen Publikationen entnimmt.
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Figurenliste
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- 1 ist ein schematischer Vertikalschnitt durch eine Anordnung zur Bestimmung des physischen Gesamtzustands eines Kniegelenks.
- 2 ist ein Graph, der die Abhängigkeit der auf die Patella ausgeübte laterale Kraft vom Verschiebeweg der Patella eines gesunden Knies illustriert.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt ein allgemein mit 10 bezeichnete Anordnung zur Bestimmung des physischen Gesamtzustands eines Kniegelenks (Patellometer). Das Patellometer 10 hat eine Grundplatte 12, beispielsweise aus Aluminium, und zwei seitliche Trägerwandungen 14 und 16. Die Trägerwandungen 14 und 16 sind parallel zueinander, senkrecht auf der Grundplatte 12 aufgebracht und bilden mit der Grundplatte 12 einen Grundrahmen.
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Etwa mittig auf der Grundplatte 12 befindet sich ein elastisches Kissen, beispielsweise aus Moosgummi oder eine an die Knieform angepasste Aufnahme 18. Die Aufnahme 18 ist leicht zu sterilisieren und/oder austauschbar. In den Trägerwandungen 14 und 16 sind vertikale Langlöcher vorgesehen. In den Langlöchern ist eine Gewindemutter vertikal verschiebbar geführt. In die Gewindemutter ist eine Gewindestange 20 bzw. 22 eingeschraubt. Auf der Außenseite ist ein Drehgriff 24 bzw. 26, beispielsweise eine Rändelschraube, an der zugehörigen Gewindestange 20 bzw. 22 befestigt. Durch Drehen am Drehgriff 24 bzw. 26 erhält die Gewindestange 20 bzw. 22 einen Vorschub in horizontaler Richtung in der Darstellungsebene.
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Am inneren Ende jeder der Gewindestangen 20 bzw. 22 ist eine Fixieraufnahme 28 bzw. 30 mit befestigt. An der Fixieraufnahme 28 bzw. 30 ist ein leicht zu sterilisierendes und/oder austauschbares Kissen, beispielsweise aus Moosgummi oder dergleichen befestigt. An einer der Trägerwandungen, hier an der linken Trägerwandung 16, ist eine um ihre Längsachse schwenkbare oder abnehmbare Tragsäule 36 gehaltert. An der Tragsäule 36 befinden sich nachstehend beschriebene Komponenten zur Durchführung der Messung.
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Zum Einlegen des Knies werden die Gewindestangen durch manuelles Drehen am Drehgriff zunächst nach außen bewegt und die Tragsäule 36 verschwenkt, so dass der Bereich oberhalb der Grundplatte 12 frei ist. Dann kann das Knie eingelegt werden. Zur Fixierung werden die Gewindestangen wieder in Richtung Knie bewegt, bis dieses für die nachfolgenden Messungen gut fixiert ist. Die Tragsäule 36 wird in Richtung des Pfeils 38 in die in 1 dargestellte Lage zurückgeschwenkt. Statt einer manuellen Betätigung können auch ein oder mehrere kleine Antriebe vorgesehen sein.
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An der Tragsäule 36 ist eine horizontale Trägerschiene 40 befestigt. Auf der Trägerschiene 40 ist ein Läufer 42 horizontal beweglich geführt. Dies ist durch einen Pfeil 44 illustriert. Zur Bewegung des Läufers 42 ist ein Antrieb 48 vorgesehen, der über die Steuerung einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 46 gesteuert wird. Ein Wegsensor misst die horizontale Lage in Richtung des Pfeils 44.
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An dem Läufer 42 ist eine vertikale Führung 50 befestigt. Eine vertikal in Richtung des Pfeils 52 bewegliche Stange 54 ist in der Führung geführt. Die Stange 54 wird mittels eines Antriebs 15 auf- und ab bewegt. Am knieseitigen Ende der Stange 54 ist ein Greifer 56 befestigt. Der Greifer 56 ist auf der Unterseite gekrümmt und mit einem elastischen, leicht zu sterilisierenden und/oder austauschbaren Material, etwa Moosgummi, belegt. Für unterschiedlich große Knie können unterschiedliche Greifer 56 an der Stange 54 befestigt werden. Der Greifer 56 wird mit der Stange 54 nach unten bewegt, bis er formschlüssig im Bereich der Patella am Knie anliegt.
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Zur Bestimmung des Gesamtzustands des Knies kann nun der Läufer 42 mit den daran befindlichen Komponenten Stange 54 und Greifer 56 um einen definierten Verschiebeweg in Richtung des Pfeils 44 bewegt werden. Die auf den Läufer 42 wirkende Kraft kann mit einem Kraftsensor 58 , beispielsweise einer Kraftdose, ermittelt werden. Sowohl der Verschiebeweg, als auch die durch die Verschiebung erzeugte Kraft werden in Form von Messsignalen an die Steuer- und Auswerteeinrichtung 46 übertragen. Dort werden diese Messsignale gespeichert und ausgewertet. Ein Display 60 zeigt die aktuellen Werte und ggf. die Ergebnisse der Auswertung an. 2 zeigt beispielhaft eine Funktionalität, wie die ausgeübte Kraft (Y-Achse) vom Verschiebeweg (X-Achse) abhängt. Man erkennt, dass die Messwerte 64 auf dem Hinweg bei sukzessiver Erhöhung der auf die Patella ausgeübten Kraft andere sind, als die Messwerte 66 auf dem Rückweg, bei sukzessiver Verringerung der auf die Patella ausgeübten Kraft. Die Messwerte können sowohl für eine Verschiebung nach links, als auch für eine Verschiebung nach rechts erhoben werden.
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Zur Erreichung medizinischer Erkenntnisse werden die Messwerte an einer Vielzahl von Patienten und Patientinnen erhoben und ausgewertet und können für den Fall eines Traumas oder dergleichen als Referenz genutzt werden. Gute Ergebnisse lassen sich beispielsweise durch Vergleich von Progression und Hysterese erreichen.
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Mit der Erfindung wird über den Zusammenhang zwischen Patellamobilität und Kniegelenkspathologie auf Basis quantifizierbarer und reproduzierbarer Messkurven ermittelt. Daraus resultieren therapeutische Ansätze, basierend auf den Grund der Mobilitätsveränderung, die aus einer Hyper- oder Hypomobilität bestehen kann.
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Die oben erläuterten Ausführungsbeispiele dienen der Illustration der in den Ansprüchen beanspruchten Erfindung. Merkmale, welche gemeinsam mit anderen Merkmalen offenbart sind, können in der Regel auch alleine oder in Kombination mit anderen Merkmalen, die im Text oder in den Zeichnungen explizit oder implizit in den Ausführungsbeispielen offenbart sind, verwendet werden. Maße und Größen sind nur beispielhaft angegeben. Dem Fachmann ergeben sich geeignete Bereiche aus seinem Fachwissen und brauchen hier daher nicht näher erläutert werden. Die Offenbarung einer konkreten Ausgestaltung eines Merkmals bedeutet nicht, dass die Erfindung auf diese konkrete Ausgestaltung beschränkt werden soll. Vielmehr kann ein solches Merkmal durch eine Vielzahl anderer, dem Fachmann geläufigen Ausgestaltungen verwirklicht werden. Die Erfindung kann daher nicht nur in Form der erläuterten Ausgestaltungen verwirklicht werden, sondern durch alle Ausgestaltungen, welche vom Schutzbereich der beigefügten Ansprüche abgedeckt sind.
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Die Begriffe „oben“, „unten“, „rechts“ und „links“ beziehen sich ausschließlich auf die beigefügten Zeichnungen. Es versteht sich, dass beanspruchte Vorrichtungen auch eine andere Orientierung annehmen können. Der Begriff „enthaltend“ und der Begriff „umfassend“ bedeuten, dass weitere, nicht-genannte Komponenten vorgesehen sein können. Unter dem Begriff „im Wesentlichen“, „vorwiegend“ und „überwiegend“ fallen alle Merkmale, die eine Eigenschaft oder einen Gehalt mehrheitlich, d.h. mehr als alle anderen genannten Komponenten oder Eigenschaften des Merkmals aufweisen, also bei zwei Komponenten beispielsweise mehr als 50%.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2004082 B1 [0005]
- DE 10309500 A1 [0005]
- WO 2012034239 A1 [0005]
- DE 3615675 A1 [0006, 0008]
