DE2611744A1

DE2611744A1 - Langzeit-endoprothese

Info

Publication number: DE2611744A1
Application number: DE19762611744
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Kraus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-03-19
Filing date: 1976-03-19
Publication date: 1977-09-29
Also published as: FR2344274A1; CH616839A5; FR2344274B1; JPS6226781B2; NL181077B; AT369256B; CA1082851A; ATA190777A; NL7702791A; GB1575841A; DE2611744C2; US4195367A; ES457331A1; DD129864A1; US4214322A; JPS52131692A; SE7703155L; NL181077C

Description

Aus der DT-PS 1 918 299, DT-OS 2 116 869, DT-OS 2 315 517 und DT-OS 2 311 817 sind Anordnungen zur Heilung von komplizierten Knochenbrüchen, Trümmerfrakturen in Verbindung mit Weichteilschäden, pathologischen Frakturen, Spontanfrakturen sowie zur Überwindung von Heilungsstörungen auf Grund von Pseudoarthrosen, Osteomyelitiden und dergleichen bekannt, bei denen durch Magnetfeldinduktion bioelektrische Potentiale und Ströme im defekten Gewebe erzeugt werden, mit denen die Regeneration beschleunigt und in therapieresistenten Fällen die Heilung ermöglicht werden kann.

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Dabei wird im Bereich der Fraktur eine Spule implantiert, die die Sekundärinduktivität eines Transformators darstellt und einem Osteosyntheseteil üblicher Art, wie einer Stützplatte, einem Marknagel oder auch einer Gelenkprothese ,zu-

oder in efne Geienkpro-

geordnet bzw. in ein solches Osteosyntheseteil/eingebaut \these ist. Das induzierende Magnetfeld wird in einer die kranke Geweberegion umgebenden Spule erzeugt, die von einem Niederfrequenzgenerator mit Strom versorgt wird und die Primärinduktivität des Transformators darstellt. Das niederfrequente Magnetfeld der Spule durchflutet die gesamte Geweberegion, die den Knochendefekt enthält und induziert in der implantierten Spule eine elektrische Spannung, die über Elektroden in Form von Knochenschrauben, Drähten oder an der Oberfläche eines Implantats isoliert angeordnete Metallfolien im Gewebe zur Wirkung gebracht wird.

Tierexperimentelle Untersuchungen und zahlreiche klinische Anwendungen dieser Technik zeigen, daß im magnetfelddurchfluteten Gewebe die durch die niederfrequenten elektrischen Wechselpotentiale angeregte Knochenbildung in der unmittelbaren Umgebung der Elektroden beginnt und sich in die Geweberegion zwischen den Elektroden fortsetzt. Wie die histologische Analyse zeigt, folgt das stimulierte Wachstum des Knochens den Gradienten des elektrischen Potentials. Durchdringen die Elektroden einen Frakturspalt etwa senkrecht zur Frakturfläche, so bilden sich unter dem Einfluß der induzierten Potentiale "Knochenbrücken" aus, die in rasch zunehmendem Maße die Stützfunktionen der Osteosyntheseelemente übernehmen können. Ist die Tragfähigkeit des neugebildeten Knochens hinreichend, so wird das ganze Osteosyntheseteil mit der implantierten Spule und den Elektroden aus dem Gewebe entfernt.

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-ar-

Für die Knochenbruchbehandlung und Knochenregeneratioh genügen erfahrungsgemäß wenige, z.B. zwei bis vier, diskrete Elektroden, die mit räumlich konzentrierten elektrischen Potentialen durch eine Wachstumgsanregung die Regeneration des Gewebes einleiten und beschleunigen. Ihr Zweck ist mit der Ausbildung einer belastungsfähigen knöchernen überbrückung des Knochendefekts erfüllt. Die weitere Regenerierung und Konsolidierung des Knochens vollzieht sich dann unter dem Einfluß des funktioneilen Beanspruchung im Sinne des Wolff'sehen Gesetzes.

In vieler Hinsicht andersartige und effektiv viel höhere Anforderungen werden an ein Implantat gestellt, das für lange Zeiträume, möglichst für Lebenszeit, im Gewebe verbleiben soll, um dort die Funktionen fehlender Knochenbestandteile, die Stützung und Lagerung eines Kunstgelenkes oder die Verankerung eines Zahnes im Alveolenlager des Kiefernknochens zu übernehmen.

Metallimplantate haben sich für diesen Zweck nicht * bewährt, da das Metall angegriffen und vom Gewebe nicht angenommen wird. Auch die in jüngerer Zeit für Implantatzwecke entwickelten keramischen Werkstoffe auf der Basis von Aluminiumoxid, Quarz, Siliciumnitrid und keramische Verbundwerkstoffe lassen noch erheblich zu wünschen übrig. Die keramischen Implantatwerkstoffe haben zwar eine ausreichende mechanische Festigkeit und sie werden von den Körperflüssigkeiten auch nicht nennenswert angegriffen, das Problem besteht bei diesen Materialien jedoch ähnlich wie bei den bisher verwendeten Metallimplantaten in der immer noch ungenügenden biologischen Toleranz. _m selbst im Tierversuch dauert die Einheilung z.B. einer Keramik-Gelenkprothese trotz der hohen

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Regenerationskraft von Tieren etwa drei Monate. Solange muß das Gelenkfliunktionslos, die Extremität also ruhiggestellt bleiben. Beim unfallgeschädigten oder alternden Menschen heilt das Implantat nicht mehr oder nur in wesentlich längeren Zeiten ein. Aber schon Ruhigstellungszeiten yon 1/4

gesundheitlichen

Jahr führen bei menschlichen Patienten zu schweren/Problemen.

lungzeiten

Man hat versucht,., diese Ruhigste 1/durch eine besondere Formgebung der Implantate zu verkürzen» z.B. durch Gewinde- oder Tragrippen-Konstruktionen, die das Implantat ohne oder mit Zement im Knochen verankern. Implantate dieser Art sind zwar schneller belastbar, ein funktionsfähiger Kontakt des Implantats mit dem vitalen Gewebe bleibt jedoch auch bei derartig konstruierten Keramikprothesen auf die aus der Metallprothetik bekannten Zeiten beschränkt, also im Mittel auf etwa 6 bis 7 Jahre. Eine allmählich forschreitende bindegewebige Einscheidung (Abkapselung) des als Fremdkörper wirkenden Implantats führt nämlich mit der Zeit zu einer schmerzhaften Lockerung der Prothese. Es wird dann schließlich die Entfernung der Prothese und eine Neuimplantation erforderlich, die eine erheblich geringere Haltbarkeitserwartung hat. Mit der rapiden Zunahme der degenerativen und unfallbedingten Schäden des menschlichen Skeletts, die mit der Implantation von Knochenprothesen repariert werden (zur Zeit etwa 1500 pro Tag) entwickelt sich hier ein medizinisches und volkswirtschaftliches Problem beträchtlichen Ausmaßes.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine als Langzeitimplantat geeignete Endoprothese anzugeben, deren Verankerung im Knochen wesentlich sicherer und langer haltbar ist als bei den bekannten Endoprothesen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 unter Schutz gestellten Maßnahmen gelöst.

Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen von Langzeit-Endoprothesen.

Im Gegensatz zu den eingangs erwähnten bekannten "Elektro"- Osteosyntheseimplantaten/ die nur für den Zweck der Knochenneubildung bis zur Belastbarkeit des geschädigten Knochenbereichs im Gewebe verbleiben, sind die erfindungsgemäßen Endoprothesen speziell dafür entwickelt, einen funktionsfähigen, kraftschlüssigen und beschwerdefreien Verbund des vitalen Knochens mit der Oberfläche des Prothesenkörpers möglichst rasch herzustellen und dann zeitlebens zu erhalten. Es wird, was sich als besonders wichtig erwiesen hat, ein relativ gleichmäßiger und großflächiger Kontakt zwischen Knochen und Prothes&lörper hergestellt und aufrecht erhalten.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, dabei werden auch noch weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der erfindungsgemäßen Langzeit-Endoprothesen zur Sprache kommen.

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• ί.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Hüftgelenkkopfprothese gemäß einem Ausführungsbeispxel der Erfindung;

Fig. 2.A einen Querschnitt in einer Ebene A-A der Fig. 1;

Fig. 2B einen Längsschnitt in einer Ebene B-B der Fig. 1 und 2A;

Fig. 2-C eine Fig. 2B entsprechende Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform;

Fig. 3 eine schematische Ansicht des Schaftteiles einer Endoprothese gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3A ein Schaltschema einer Wicklungs- und Elektrodenanordnung für die Ausführungsform gem. Fig. 3;

Fig. 4 einen Teilschnitt eines Schaftteiles einer Endoprothese der in Fig. 3 dargestellten Art;

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* 40'

Fig. 5 eine Fig. 4 entsprechende Ansicht mit

einer etwas abgewandelten Spulen- und Elektrodenanordnung;

Fig. 6 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Hüftgelenkprothese gemäß einem AusführungsMspiel der Erfindung;

Fig. 6A und 6B schematische Darstellungen von Aufnehmerspulen und Elektrodenanordnungen für die Hüftgelenkprothese gemäß Fig. 6;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer anderen Hüftgelenkprothese gemäß der Erfindung;

Fig. 7A und 7B Draufsicht auf Elektrodenanordnungen für eine Hüftgelenkprothese der in Fig. 7 dargestellten Art;

Fig. 8A und 8B schematische Darstellungen zur Erläuterung der Arbeitsweise von Hüftgelenkprothesen der in Fig. 6 und 7 dargestellten Art;

Fig. 9 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer weiteren Hüftgelenkprothese gemäß der Erfindung; «

Fig. 1OA und 1OB Darstellung bevorzugter Elektrodenanordnungen;

Fig. 11 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Zahnprothese gemäß der Erfindung;

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Fig. 12 eine Seitenansicht einer anderen Ausführuhgsform einer Zahnprothese gemäß der Erfindung

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Die Langzeit-Endoprothesen gemäß der Erfindung bestehen vorzugsweise zumindest an der Oberfläche aus einem gewebeverträglichen Keramikwerkstoff, z.B. auf der Basis von Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Siliciumnitrid. Ferner können Verbundwerkstoffe aus metlalischen oder nichtmetallischen Fäden in einer nichtmetallischen oder metallischen Matrix verwednet werden.

Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Langzeit-Endoprothesen ist, daß ein relativ großer Teil der Oberfläche, der im implantierten Zustand am Knochen des Implantatträgers anliegt, mit Elektroden versehen ist. Die Elektroden sind mit einer Quelle für eine niederfrequente elektrische Spannung verbunden und so angeordnet, daß sie sich im Berührungsbereich in relativ kurzen Abständen abwechseln. Die Elektrodenabstände werden vorzugsweise umso kleiner gewählt, je größer die mechanische Flächenbelastung des entsprechenden Teiles des Berührungsbereiches ist.

Die Wechselspannung für die Elektroden kann in bekannter Weise durch ein äußeres magnetisches Wechselfeld induziert werden. Da bei einem Langzeitimplantat gemäß der Erfindung nach dem Einwachsen nur noch relativ kleine Spannungen benötigt werden, um den mit dem Implantat in Berührung stehenden Knochen "am Leben" zu erhalten und einen festen Sitz der Prothese zu gewährleisten, sind bei dem vorliegenden Langzeitimplantat vorzugsweise Vorkehrungen getroffen, um die erforderlichen niederfrequenten Wechselspannungen beim normalen Gebrauch der Endoprothese automatisch zu erzeugen. Dies hat den Vorteil, daß keine besondere Behandlung mit einem Magnetfeldgenerator erforderlich ist. Vorzugsweise ist jedoch zusätzlich zu dem internen Wechselspannungsgenerator oder, was besonders zweckmäßig ist, als Teil dieses internen Wechselspannungsgenerators, eine Aufnehmerspule vorgesehen, in der von außen eine Spannung induziert

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werden kann, so daß für die Einwachsperiode eine höhere Wechselspannung an den Elektroden zur Wirkung gebracht werden kann. Für die Vitalerhaltung des Gewebes um den Implantatkörper reichen erfahrungsgemäß Soannungen aus, die Feldstärken in der Größenordnung von 1,0 bis 10 mV/cm erzeugen.

In den Figuren 1, 2A und 2B ist als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Hüftgelenkkopfprothese dargestellt. Sie kann z.B. aus gewebeverträglicher Aluminiumoxidkeramik bestehen und hat einen Schaft 10, der in einen entsprechend abgeschnittenen Oberschenkelknochen 12 eingesetzt wird. An den Schaft 10 schließen sich eine Anlagefläche 14 und ein üblicher Gelenkkopfteil an.

Der Schaft 10 ist außen mit axial verlaufenden Rippen 18 versehen, zwischen denen sich nutenartige Vertiefungen 20 befinden. Ferner weist der Schaft 10 einen Hohlraum 22 auf, in dem sich eine Solenoidspule 24 befindet, die auf einen röhrchenförmigen Spulenkörper 26 gewickelt ist.

Auf der Oberfläche des Schafts befinden sich zwei Elektroden 28 und 30, die jeweils eine kammartige Reihe von streifen- oder fingerartigen Ansätzen aufweisen, die so angeordnet sind, daß sich längs des Schaftumfanges die Ansätze der beiden Elektroden abwechseln. Der Hohlraum 22 ist durch eine Kappe 32 zugänglich, die durch eine Har&otschicht 34 aus aewebeverträalichem Metall mit dem Hauptteil des Schaftes 10 verbunden ist. Die Hartlotschicht wird isoliert oder aus dem gleichen Metall, z.B. Osteosynthesemetall hergestellt, wie die Elektroden, damit lein galvanisches Element entsteht.Die Hartlotschicht 34 bildet einen Teil der Elektrode 28 und ist mit den streifenförmigen Ansätzen 28a dieser Elektrode verbunden,, die sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf den Rippen 18 befinden. Die Ansätze 28a können durch Aufdampfen, Aufstäuben, Galvanisieren oder irgend ein anderes bekanntes Keramik-Metallisierungsverfahren aufgebracht werden und reichen vorzugsweise etwas in die

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. ftf,

Seitenwände der Vertiefungen 20 hinein, damit eine durchgehende elektrische Verbindung auch dann sichergestellt ist, wenn ein Teil der auf einer Rippe 18 befindlichen Metallschicht beim Eintreiben des Schaftes 10 in den Knochen abgewetzt oder anderweitig beschädigt wird. Die Ansätze 30a der Elektrode 30 bestehen ebenfalls aus Metallschichten und befinden sich auf dem Boden der Vertiefungen 20. Sie sind entweder einzeln oder wie bei Fig. 1 dargestellt ist, mittels eines ringförmigen Metallisierungsbereiches über mit elektrisch leitendem Material ausgefüllte Bohrungen 36 mit dem Inneren des Hohlraumes 22 verbunden. Dort machen die Enden der Solenoidspule 24 über eine Feder 38 bzw. ein am Ende des Spulenkörpers 26 angebrachtes Metallteil mit den Elektroden 3O bzw. 28 Kontakt.

In der Solenoidspule 24 kann, wie aus den eingangs genannten Veröffentlichungen bekannt ist, eine niederfrequente elektrische Spannung induziert werden, die an den Elektroden 28, 30 wirksam wird und das Einwachsen des Schaftes 10 in den Oberschenkelknochen 12 fördert sowiefspäter eine Devitalisierung des an den Prothesenschaft anliegenden Knochenbereiches verhindert.

Zur automatischen Erzeugung einer schwachen Wechselspannung zwischen den Elektroden 28 und 30 kann, wie in Fig. IC dargestellt ist, im Spulenkörper 26 ein stabförmiger Permanentmagnet 42 mittels zweier relativ schwacher Schraubenfedern 44, 46 axial beweglich gelagert sein. Die Solenoidspule 24 hat eine in Axialrichtung ungleiche Windungsdichte oder nimmt, wie in Fig. IC dargestellt ist, nur einen Teil des Bewegungsbereiches des Permanentmagneten 42 ein.

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Durch die beim Gehen und anderen Bewegungen des Prothesenträgers auftretenden Trägheitskräfte führt der Permanentmagnet 42 axiale Bewegungen im Spulenkörper 26 aus, durch die automatisch die gewünschte geringe Wechselspannung in der Solenoidspule 24 induziert wird. Federn + Kern sollen vorzugsweise eine Eigenschwingungszahl =" 20 Hz besitzen.

Figur 3 zeigt schematisch einen Schaft 110 einer Endoprothese, z.B. einer Gelenkprothese, der wie der Schaft 10 (Fig. 1) aus einem gewebeverträglichen Keramikmaterial bestehen kann. Der Keramikschaft 110 enthält einen eingebetteten , stabförmigen Kern 111 aus ferromagnetische«! Material geringer Koerzitivkraft, z.B. aus einem "magnetisch weichen" Ferrit. Auf der im wesentlichen zylindrischen Außenseite des Schaftes IO ist eine Spule aufgedampft, deren Windungen gleich— zeitig als Elektroden dienen. Die Windungen können eine zweigängige Schraube bilden und elektrisch in Reihe geschaltet sein, wie es in Fig. 3A dargestellt ist, so daß zwischen zwei benachbarten Windungen eine Spannungsdifferenz entsprechend der Spannung liegt, die in dem einen der beiden hintereinandergeschalteten wendeiförmigen Wicklungsteile induziert wird. Der Windungsabstand der auf diese Weise gebildeten Solenoidspule 124 kann, wie dargestellt, ungleichmäßig sein, um im Bereich hoher Druckbelastungen zwischen Knochen 112 und Prothesenschaft höhere Feldstärken zu erzeugen als in Bereichen niedrigerer Belastung.

Fig. 4 zeigt einen Teil eines Prothesenschaftes 210, der eingebettete Wicklungen 224 und eingebettete oder niedergeschlagene Elektroden 228 aufweist, die jeweils mit entsprechenden Windungen der Wicklivng 224 verbunden sind. Die Außenseite des Schaftes 210 kann, wie dargestellt, als Gewinde ausgebildet sein. Wenn die Elektroden eingebettet

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sind, wird das zwischen eingebetteten Elektroden und der Oberfläche des Schaftes liegende Keramikmaterial vorzugsweise durch Implantation"von Dotierungsstoffen halbleitend gemacht (siehe z.B. die DT-OS 1 939 267).Die Anordnung der Elektroden in verschiedenen Ebenen hat wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 den Vorteil, daß radiale Spannungsgradienten entstehen, die das Wachsen einer axial ausgerichteten Knochenstruktur fördern.

Wie Fig. 5 zeigt, können im Implantatshaft ring förmige Nuten vorgesehen sein, in denen in Reihe geschaltete Scheibenwicklungen 324 untergebracht sind. Je eine Windung jeder Scheibenwicklung ist mit einer außen liegenden Elektrode 328, 330 usw. elektrisch verbunden.

Einen radialen Feldgradienten kann man auch dadurch erreichen, daß man zwei in radialer Richtung beabstandete Elektroden vorsieht, die durch eine relativ grobporige Schicht aus Keramikmaterial getrennt sind. Die Oberfläche dieser porigen Schicht trägt dann also eine Elektrode, z.B. in Form einer durchbrochenen Schicht, während die andere Elektrode sich am Boden der Poren befindet. Man kann eine solche Struktur dadurch herstellen, daß man auf einen Keramikkörper zuerst eine löcherige, aber zusammenhängende Schicht aus Metallteilchen und dann eine löcherige Schicht aus Keramik so aufbringt, daß ein Teil der Metallteilchen durch die Löcher zugänglich sind und die Keramik durch die Löcher in der Metallschicht eine feste Verbindung mit dem darunterliegenden Ke-' ' ramikmaterial herstellt. Die Oberfläche der porösen Schicht wird dann mit einer die zweite Elektrode bildenden Metallschicht versehen.

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Fig. 6 zeigt eine Hüftgelenkprothese, die aus einer Keramikkalotte 410 und einer Gelenkpfanne 411 aus Keramik besteht. Die Keramikkalotte 410 ist auf einen erhaltenen Schenkelhalsknochen 412 aufgesetzt. Die Gelenkpfanne 411 ist im Hüftknochen 413 implantiert. In der Keramikkalotte 410 und der Gelenkpfanne 411 sind stabförmige' Permanentmagnete 442 und diesen jeweils gegenüberliegend Spulen 424 angeordnet, welche stabförmige Magnetkerne 443 aus magnetisch weichem Material enthalten. Es liegt sich jeweils ein Permanentmagnet 442 und eine Spule 424 mit weichmagnetischem Kern 44 3 gegenüber. Die Enden der Spulen 424 sind jeweils mit Elektroden 428 bzw. 430 (Fig.6A .) verbunden. Je eine solche Elektrodenanordnung ist auf der mit dem Schenkelhalsknochen 412 in Berührung stehenden Innenseite der Keramikkalotte 410 bzw. der mit dem Hüftknochen 413 in Verbindung stehenden Außenseite der Gelenkpfanne 411 angeordnet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 enthält die Keramikkalotte 410 zwei Spulen 442; diese können in Reihe geschaltet oder jeweils mit einem eigenen Elektrodensatz verbunden sein. Die Elektroden 428, 430 bilden zwei elektrisch gegeneinander isolierte, nebeneinander herlaufende Spiralen, deren gegenseitiger Abstand entsprechend der Lastverteilung gewählt sein kann, wie anhand von Fig. 3 bereits erläutert wurde.

Statt zweier getrennter Elektroden kann man auch eine spiralförmige Wicklung verwenden, wie sie in Fig. 6B dargestellt ist. Der die Windungen der Spirale kreuzende Rückführungsleiter 429 wird ebenso wie die Rückführungsleiter der Spulen gemäß Fig.3A^ geeigneter Weise von den Windungen isoliert, z.B. durch eine aufgedampfte Zwischen schicht aus Siliciumdioxid oder durch Ausbildung als "vergrabener" Leiter. Bei Fig. 6B wird die Spannung zwischen den einzelnen Windungen der Spirale wirksam.

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Wenn sich im Gebrauch der Hüftgelenkprothese gemäß Fig. 6 die Permanentmagnete bezüglich der Spulen verschieben/ ändert sich die magnetische Durchflutung der Spulen und es wird in ihnen eine entsprechende Spannung induziert, die an den Elektroden wirksam wird und eine Devitalisierung (Einscheidung) der mit den Prothesenteilen in Berührung stehenden Knochenbereiche verhindert.

Die Hüftgelenkprothese gemäß Fig. 7 hat einen Hüftkopfteil 510, dessen Schaft so ausgebildet sein kann, wie es anhand von Fig. 1 bis 2C erläutert wurde. Der Gelenkkopfteil 516 enthält hier jedoch mehrere radial angeordnete stabförmige Permanentmagnete 542 und in der Gelenkpfanne 511 sind eine Anzahl von Spulen 524 so eingebettet, daß sich die durch die Ferromagnete erzeugte magnetische Durchflutung der Spulen bei der natürlichen Bewegung-des Gelenkes ändert und in den Spulen dadurch eine entsprechende Spannung induziert wird. Einem Permanentmagneten können mehrere Spulen zugeordnet sein, wie es durch die Spulen 524a und 524b dargestellt ist. Die Spulen können selbstverständlich wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 Magnetkerne hoher Permeabilität und geringer Koerzitivkraft enthalten .

Die Außenseite der Gelenkpfanne 511 ist wieder mit Elektroden versehen, die durch die Spulen geschweißt werden. Die Elektroden 528 und 530 können Ansätze haben, die wie Fig. 7A zeigt, strahlenförmig.- verlaufen und abwechselnd ineinandergreifen. Wie Fig. 7B zeigt, können die Elektroden auch die Form von exzentrisch ineinander angeordneten Ringen haben, wobei benachbarte Elektroden mit verschiedenen Spulenenden verbunden sind. Im Bereich stärkster mechanischer Beanspruchung ist der Elektrodenabstand am geringsten.

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In den Figuren 8A und 8B ist schematisch dargestellt, wie die Spannung für die Elektroden erzeugt wird. Der Hüftgelenkkopfteil 616 enthält einen radial angeordneten stabförmigen Permanentmagneten 642. Die Gelenkpfanne 611 enthält eine Solenoidspule 624 mit radialer Achse, die auf einen Magnetkern 643 hoher Permeabilität gewickelt ist. Die Enden der Spule sind mit Elektroden 628 bzw. 630 verbunden. Bei der Bewegung des Gelenks bezüglich der Gelenkpfanne wechseln sich Zustände ab, bei denen der Permanentmagnet 642 der Spule 624 direkt gegenübersteht (Fig. 8A) bzw. bei denen zwischen Permanentmagnet und Spule ein relativ großer Abstand herrscht (Fig. 8B). Die magnetische Durchflutung der Spule ändert sich dementsprechend von einem hohen auf einen niedrigen Wert, wodurch in der Spule eine entsprechende Spannung induziert wird, die über die Oberflächenelektroden an das Gewebe angelegt werden.

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Hüftgelenkprothese gemäß der Erfindung mit einem Hüftkopfteil 716 und einem Gelenkpfannenteil 711. Beide bestehen aus Keramik, in die Körnchen aus magnetisch weichem und aus magnetisch hartem Material eingebettet sind. Der Gelenkkopf ist mit einer aufgedampften oder eingebetteten Wicklung 724a versehen, die über eingebettete Leiter 725 mit Elektroden 728, 730 verbunden sind, welche entsprechend Fig. 1 ausgebildet sein können.

Die Außenseite der Gelenkpfanne 411 trägt eine Wicklung 724b, die in sich geschlossen ist. Die Körnchen können einen Durchmesser von beispielsweise 0,5 bis 1 mm haben und sind in die Keramik eingesintert. Die magnetisch harten Körnchen werden durch einen Magnetfeldimpuls magnetisiert, vorzugsweise in Axialrichtung des Gelenkkopfteiles (Pfeil 445). Bei der Bewegung des Gelenkkopfes bezüglich der Gelenk-

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pfanne werden auch hier Spannungen in den Windungen induziert. Man kann jedoch auch mit gutem Wirkungsgrad mittels eines äußeren magnetischen Wechselfeldes Spannungen in den Wicklungen induzieren, da die magnetisch weichen Körnchen das Feld konzentrieren und als Magnetkern für die Wicklungen wirken.

Fig. 10 zeigt die elektrische Feldverteilung einer Wicklungsanordnung, die zwei in verschiedenen Tiefen liegende "bifilare" Wicklungsteile enthält, die ähnlich wie bei Fig. 3A in Reihe mit einer Spulenwicklung geschaltet sind. Der Abstand X zwischen den Flächen, in denen die Wicklungsteile liegen, braucht in der Praxis nicht sehr groß zu sein, er kann beispielsweise gleich der Hälfte oder zwei Drittel des Windungsabstandes sein oder auch nur wenige μπι betragen.

Fig. 1OB zeigt eine entsprechende Wicklungsanordnung mit Wicklungen, die ein rechteckiges Profil haben. Die Wicklungen, Elektroden und andere mit dem Gewebe in Berührung kommende Metallteile können beispielsweise aus einer Platin-Iridium-Legierung bestehen.

Fig. 11 zeigt eine Zahnprothese 810 aus Keramik, die einen eingebetteten Magnetkern 843 hoher Permeabilität und niedriger Koerzitivkraft enthält. Der Wurzelteil 816 der Zahnprothese, der in den Kiefernknochen eingebettet wird, trägt auf seiner Außenseite eine Spulenwicklung 824, die wie die anhand von Fig. 3, 3A, 4 und 5 sowie 10A und lOB beschriebenen Wicklungen ausgebildet sein kann und gleichzeitig als Elektrode dient.

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-W-

Fig. 12 zeigt eine Zahnprothese 910, in die eine Solenoidspule 924 mit einem weichmagnetischen Kern 943 eingebettet ist. Die Enden der Solenoidspule 943 sind ähnlich wie bei Fig. 1 und 2 mit kammartigen, ineinandergreifenden Elektroden 928, 930 elektrisch verbunden.

Wenn'im Ober- und Unterkiefer zwei einander gegenüberliegende oder wenigstens annähernd gegenüberliegende Zahnprothesen vorgesehen werden sollen, so können diese ähnlich wie die Hüftgelenkprothesen gemäß Fig·. 6 bis 8 mit Permanentnagnet-Spulen-Kombinationen zur Spannungserzeugung ausgerüstet sein.^v

Man kann die für die Elektroden erforderlichen Spannungen auch auf piezoelektrischem Wege erzeugen. So kann man z.B. einen Teil ö.e.s Implantats, der beim Gebrauch wechselnden Belastungen ausgesetzt ist, auf Piezokeramik herstellen oder mit einem piezoelektrischen Element versehen, das mit den Elektroden elektrisch gekoppelt ist und an diese einge mit der mechanischen. Belastung wechselnde elektrische Spannung liefert. So könnte man z.B. in die Verbindung zwischen dem Gelenkkopfteil 516 und dem Schaftteil 510 eine Scheibe 517 aus Piezokeramik durch Hartlötung einfügen, die bei der Belastung entstehenden Spannungen durch ein entsprechendes isoliertes Leitersystem abnehmen und dem Elektrodensystem des Schafts zuführen.

Die Rippen 18 des Prothesenschaftes IO (Fig. 1 und 2) können auch einen dreieckigen, dächartigen Querschnitt haben.

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Leerseite

Claims

9831-76 Dr.ν.B/S

Patentansprüche

.J Langzeit-Endoprothese mit einem Körper, der einen zur Anlage an einen Knochen eines Implantatträgers bestimmten Oberflächenteil aufweist, an dem sich eine Elektrodenanordnung mit mindestens zwei Elektrodenteilen befindet, zwischen denen eine Spannungsdifferenz mittels einer an die Elektrodenanordnung angekoppelten Quelle für eine niederfrequente Wechselspannung erzeugbar ist, dadurch gekennzei chn et , daß die Elektrodenteile (28a, 30a; 124; 228; 328, 330; 428, 430; 528, 530; Fig. 6B; Pig. 7B) auf den aur Anlage an den Knochen des Implantatträgers bestimmten Oberflächenteil verteilt sind.
2. Langzeit-Endoprothese nach Anspruch 1, d ad u r c h gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung mindestens 30, vorzugsweise mindestens 50 ^ofi des Oberflächenteiles einnimmt.
3. Langzeit-Endoprothese nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenteile so auf den Oberflächenbereich verteilt sind, daß der Abstand zwischen jedem vorgegebenen Punkt des Oberflächenbereiches und zv/ei Elektrodenteilen, zwischen denen durch die W'echselspannungsquelle eine Potentialdifferenz erzeugbar ist, höchstens 10 mm, vorzugsv/eise höchstens 5 ram» beträgt.
4. Langzeit-Endoprothese nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenteile durch ineinander verschachtelte Ansätze (28a, 30a) zweier Elektroden (28, 30) gebildet sind.

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5. langzeit-lviidopro these nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenteile (428, 430) die Torrn einer zweigängigen Spirale (!Tig." 6A) haben.
6. Langzeit-Endoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung die Form einer geschlossenen Windung hat (Fig. 3, Fig. 3A, Pig. 6B), in der durch ein niederfrequentes I-Iarnetxeld eine elektromotorische Kraft induzierbar ist, die eine Spannungsdifferenz zwischen den Windungen der Wicklung zur Folge hat.
7. Langzeit-Endoprothese nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Wicklung zwei im wesentlichen bifilar verlaufende, mit gleichem Windungssinn hintereinander geschaltete wendeiförmige Wicklungsteile enthält (Fig. 3A).
8. Langzeit-Endoprothese nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Wicklung ein spiralenförmiges Wicklungsteil enthält (Fig. 6B).
9. langzeit-Endoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung mit einer Spule (24, 224, 324, 424) gekoppelt ist, in der durch ein niederfrequentes magnetisches Wechselfeld eine niederfrequente Wechselspannung induzierbar ist.
10. Langzeit-Endoprothese nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle für die niederfrequente Wechselspannung einen Permanentmagneten (42, 442, 642) enthält, der bezüglich der die Elektrodenanordnung bildende Wicklung bzw. der mit der Elektrodenanordnung gekoppelten Spule beweglich ist.

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11. Langzeit-Endoprothese nach Anspruch 10, mit zwei in "bezug aufeinander beweglichen Teilen, dadurch gekennzeichnet, daß im einen der Teile mindestens ein Permanentmagnet und/oder eine Spule angeordnet sind und daß im anderen der Teile mindestens eine mit dem Permanentmagneten zusammenwirkende Spule \rnd/oder ein mit der Spule des anderen Teiles zusammenwirkender Permanentmagnet angeordnet sind (Pig. 6 und 7).
12. Langzeit-Endoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die . Elektrodenanordnung mit mindestens einem piezoelektrischen Element (517, l^?ig. 7) gekoppelt ist, das bei der Benutzung der Prothese einer wechselnden Belastung ausgesetzt ist und eine Spannungsdifferenz zwischen den Elektrodenteilen erzeugt.

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