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Die
Erfindung betrifft Gewebedistraktoren, insbesondere einen Mechanismus
zum Antreiben eines selbst verlängerbaren
Gewebedistraktors wie etwa eines Knochenfixierers.
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Seit
der Wende des letzten Jahrhunderts, als Ilizarov fand, dass neues
Knochen- und Weichgewebe sich unter der Wirkung langsamer und allmählicher
Distraktion regeneriert, wurde eine externe Fixierung bei der Behandlung
verschiedener Knochenzustände
benutzt. Unterschiedliche Gliedlängen,
die aus angeborenen, entwicklungsmäßigen, posttraumatischen oder
postoperativen Ursachen her rühren, können auf
diese Weise behandelt werden. Das Verfahren eignet sich auch zur
Behandlung angeborener Missbildungen, posttraumatischer Knochenmissbildungen,
nicht heilender Brüche
und von Knochenverlust durch Tumor, Trauma oder Infektion.
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Traditionell
wurde ein externer Knochenfixator benutzt, der ein Rahmen aus durch
Stäbe verbundenen
Metallringen aufweist, wobei jeder Ring durch mehrere gespannte
Drähte
oder durch Stifte mit dem Knochen verbunden ist. Titanstifte können zur
Halterung des Knochens dienen. Gegenwärtig sind sehr verschiedene
Fixatorformen verfügbar
und geeignet, den durch das vollständige Gewicht des Patienten einwirkenden
Kräften
Stand zu halten. Das Dokument
US-A-5180380 beschreibt ein solches Gerät mit einem
Motor und einem Steuergerät.
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Bei
einer chirurgischen Gliedverlängerung wird
der Knochen der Knochendurchtrennung unterzogen, um ihn in zwei
oder mehr Teile zu trennen, bevor der Fixator an die getrennten
Teile des Knochens angelegt wird. Im Laufe der Operation wird der
Chirurg wenigstens ein Paar Stifte an jedem der getrennten Knochenteile
anbringen und dann die Stifte mittels eines Stabes oder Stäben außerhalb
des Gliedes des Patienten verbinden. Im Allgemeinen hat man wenigstens
einen Stab auf jeder Seite des Gliedes. Ein paar Tage nach der Operation
wird der Patient angehalten, die normale Benutzung des Gliedes wiederaufzunehmen,
um die Gelenkbeweglichkeit zu erhalten und Muskelwachstum zur Anpassung
an die Knochenbildung zu erleichtern.
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Etwa
eine Woche nach der Operation zum Ansetzen des Fixators werden manuelle
Einstellungen begonnen, um die Stäbe gleichmäßig zu verlängern und so die getrennten
Enden des Knochens mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 mm je Tag
zu strecken. Eine Zunahme von mehr als etwa 1 mm pro Tag führt zu einer
Verlangsamung der Knochenbildung, und eine Zunahme von weniger als
etwa 1 mm pro Tag kann zu einer vorzeitigen Verfestigung führen.
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Bei
der chirurgischen Geraderichtung eines Gliedes kann der Knochen
vollständig
oder teilweise getrennt werden. Wenn der Knochen vollständig getrennt
wird, können
der Stab oder die Stäbe
auf einer Seite des Gliedes mit einer größeren Geschwindigkeit als der
Stab oder die Stäbe
auf der anderen Seite des Gliedes verlängert werden. Andererseits
kann der Knochen nach einer als Offenkeil-Knochendurchtrennung bekannten
Technik partiell getrennt werden; in diesem Fall wird ein Knochenfixator
nur auf der Seite des Knochens benötigt, auf der der Schnitt von dem
Chirurgen gemacht wurde.
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Es
wurde ferner gefunden, dass eine Knochenbildung zufriedenstellender
fortschreitet, wenn durch Distraktion häufige kleine Einstellungen
der Knochenlänge
anstatt größere weniger
häufige
Einstellungen der Knochenlänge
vorgenommen werden. Daher werden alle sechs Stunden Nachstellungen von
etwa 0,25 mm empfohlen. Dies belästigt
den Patienten und Pfleger bei der Einordnung in einen gewohnheitsmäßigen Arbeitsgang,
was für
den alltäglichen
Tagesablauf äußerst störend sein
kann.
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Es
ist für
Patienten sehr normal, jedes Mal, wenn der Fixator ein Stück verlängert wird,
einen starken Schmerz zu empfinden. Dies kann für die viermalige tägliche Verlängerungsprozedur
eine traumatische Erfahrung für
den Patienten und für
den Pfleger des Patienten sein, insbesondere, wenn der Patient ein
kleines Kind ist. Da das gesamte Knochenverlängerungs- oder Geraderichtungsverfahren drei
bis sechs Monate dauern kann, kann dies eine fortgesetzte große Last
nicht nur für
den Patienten, sondern auch für
jene sein, die sich um den Patienten bemühen. Außerdem führt diese Prozedur tendenziell
zu sehr hohen Komplikationsraten, so dass es für die Komplikationsrate nicht
ungewöhnlich
ist, dass sie so hoch wie etwa 200 Prozent liegt. Dies bedeutet,
dass jeder Patient nach mittleren Erfahrungen im Verlau fe der Knochenverlängerungsbehandlung
oder Knochenbegradigungsbehandlung wenigstens zwei Vorfälle hat,
die eine Rückkehr
ins Krankenhaus möglicherweise
für weitere
Operation erfordern.
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Ein
anderes Problem bei äußeren Knochenfixatoren
besteht darin, dass ein bedeutendes Infektionsrisiko an der Stelle
jedes Stiftes oder Drahtes entsteht. Ein internes Gerät zur Knochenverlängerung
ist in dem Dokument
US-A-5,961,553 beschrieben.
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Es
wurde vorgeschlagen, eine stufenweise fortschreitende motorisierte
Distraktion anzuwenden, bei der eine typische Arbeitsweise die Vornahme
einer sehr kleinen Zuwachsverlängerung über 1000 Mal
pro Tag beinhalten könnte,
die dennoch eine mittlere Knochenverlängerungsgeschwindigkeit von etwa
1 mm je Tag erreicht.
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Es
wäre erwünscht, einen
selbst verlängerbaren
Gewebedistraktor, wie etwa einen Knochenfixator zu schaffen, der
eine im Wesentlichen kontinuierliche Distraktion des Knochens oder
anderen lebenden Gewebes während
des Tages bewirkt, selbst wenn der Patient schläft, wodurch der mit einer mehrfachen
täglichen
stufenweisen Verlängerung
des Knochens oder anderen Gewebes verbundene Schmerz für den Patienten
vermieden wird. Es wäre auch
erwünscht,
einen Knochenfixator von genügend kompakter
Größe zu schaffen,
um seinen Einsatz als einen inerten Knochenfixator zu ermöglichen,
der an der Außenseite
des Knochens des Patienten oder sogar an der Innenseite des Knochens
des Patienten chirurgisch angebracht wird, wodurch der Fixator nach
Beendigung des Knochenverlängerungs-
oder Knochenbegradigungsverfahrens in situ verbleiben kann. Es wäre ferner
erwünscht,
einen Knochenfixator zu schaffen, der eine kontinuierliche Knochendistraktion
bewirkt und zur äußeren Anwendung
oder zur Implantation in oder an dem zu verlängernden Knochen geeignet ist.
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Die
vorliegende Erfindung zielt demgemäß auf die Schaffung eines Mechanismus
zur Benutzung bei einem Gewebedistraktor, der es ermöglicht,
während
des gesamten Gewebedistraktionsverfahrens eine Gewebedistraktion
im Wesentlichen kontinuierlich über
Tag und Nacht durchzuführen.
Sie zielt ferner auf die Schaffung eines Mechanismus für den Antrieb
eines selbst verlängerbaren
Knochenfixators. Sie zielt ferner auf die Schaffung eines solchen Mechanismus,
der bei einem äußeren Fixator
benutzt werden kann. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung
eines Mechanismus für
den Antrieb eines selbst verlängerbaren
internen Gewebedistraktors. Ferner zielt die Erfindung auf die Schaffung
eines selbst verlängerbaren
Knochenfixators, der den mit einer viermaligen täglichen stufenweisen Verlängerung
von etwa 0,25 mm verbundenen Schmerz für den Patienten dadurch vermeidet,
dass während
der Wachstunden des Patienten (und möglicherweise auch während der
Schlafstunden des Patienten) eine im Wesentlichen kontinuierliche
Knochendistraktion durchgeführt
wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines
Mechanismus für
den Antrieb eines Gewebedistraktors, wie etwa eines Knochenfixators,
um diesen zu veranlassen, sich in einer Reihe sehr kleiner Stufen
zu verlängern,
um das Erleiden von mit der Verlängerung
des Gewebedistraktors verbundenem Schmerz bei einem Patienten zu
vermeiden, der mit dem Gewebedistraktor ausgerüstet ist. Noch eine andere
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines kompakten Knochenfixators,
der als innerer Knochenfixator benutzt werden kann, z. B. durch
chirurgische Anbringung an der Außenseite des Knochens des Patienten
oder durch Implantierung in dem Knochen des Patienten. Ferner zielt
die Erfindung auf die Schaffung einer kompakten Konstruktion eines
Knochenfixators, die eine im Wesentlichen kontinuierliche Knochendistraktion
bewirkt und sich zur externen Anwendung oder zur Implantation innerhalb
oder an einem Knochen eignet, der chirurgisch verlängert oder
begradigt werden soll. Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung eines
selbst verlängerbaren
Mechanismus für
einen Knochenfixator, der sich mit einer im Wesentlichen kontinuierlichen und
steuerbaren Geschwindigkeit automatisch verlängern kann, wobei die Geschwindigkeit
der Verlängerung
und auch die Last gemessen wird, die an den in der Verlängerung
befindlichen Knochen und sein benachbartes Weichgewebe angreift.
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Nach
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen ein Mechanismus zum Antreiben
eines selbst verlängerbaren
Gewebedistraktors mit
einem länglichen Element mit einem
proximalen Ende, einem distalen Ende und einer Längsachse,
wenigstens einem
beweglichen Gerät,
das auf dem länglichen
Element zur Längsbewegung
auf ihm in einer Richtung von dem proximalen Ende zu dem distalen
Ende hin beweglich angebracht ist, wobei das bewegliche Gerät umfasst
ein
erstes Kriecherteil, das mit dem länglichen Element betriebsmäßig in Eingriff
ist und ein erstes Nichtumkehrmittel zur Verhinderung einer Bewegung
des ersten Kriecherteils wenigstens in Richtung auf das proximale
Ende hat,
ein zweites Kriecherteil, das mit dem länglichen
Element betriebsmäßig in Eingriff
ist, dem distalen Ende näher
als das erste Kriecherteil angeordnet ist und ein zweites Nichtumkehrmittel
zur Verhinderung einer Bewegung des zweiten Kriecherteils wenigstens in
Richtung auf das proximale Ende hat,
piezoelektrische Antriebsmittel,
die bei Anlegung eines ausgewählten
Spannungspotentials eine Verlängerung
um einen diskreten Zuwachsbetrag in einer Verlängerungsrichtung und mit einer
Verlängerungsgeschwindigkeit
ausführen,
die von der Anstiegsgeschwindigkeit der angelegten Spannung abhängt, wobei
die piezoelektrischen Antriebsmittel betriebsmäßig zwischen dem ersten und
zweiten Kriecherteil angebracht sind und ihre Verlängerungsrichtung
im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des länglichen
Elements ausgerichtet ist, so dass bei Anlegung des ausgewählten Spannungspotentials
mit einer vorbestimmten Anstiegsgeschwindigkeit der angelegten Spannung
und Verhinderung der Bewegung des ersten Kriecherteils in Richtung
auf das proximale Ende des länglichen
Elements durch das erste Nichtumkehrmittel und Zulassung der Bewegung
des zweiten Kriecherteils zu dem distalen Ende durch das zweite
Nichtumkehrmittel das zweite Kriecherteil zur Bewegung mit einer
bestimmten Verlängerungsgeschwindigkeit
um eine dem Zuwachsbetrag entsprechende Strecke zum distalen Ende
hin veranlasst wird, und so dass bei Entfernung der ausgewählten Spannung
von dem piezoelektrischen Mittel bei Verhinderung der Bewegung des
zweiten Kriecherteils zu dem proximalen Ende hin durch das zweite
Nichtumkehrmittel und Zulassung der Bewegung des ersten Kriecherteils
zu dem distalen Ende hin durch das erste Nichtumkehrmittel das piezoelektrische
Antriebsmittel seine Ausgangslänge
wieder annimmt und dadurch das erste Kriecherteil eine dem Zuwachsbetrag
entsprechende Strecke entlang des länglichen Elements zu dem distalen
Ende hin bewegt,
Spannungserzeugungsmittel zur Anlegung eines Spannungspotentials
an die piezoelektrischen Mittel und Steuermittel zur wiederholten
Anlegung des ausgewählten
Spannungspotentials mit der vorbestimmten Anstiegsgeschwindigkeit
der angelegten Spannung an die piezoelektrischen Mittel, um das
bewegliche Gerät
gesteuert in Zuwachsstufen längs
des länglichen
Elements zu bewegen.
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In
dieser Beschreibung und den Ansprüchen beziehen sich die Bezeichnungen „zunehmen" und „zunehmend" bei Benutzung in
Bezug auf Spannungspotentiale auf die Größe der Spannung und besagen
nicht notwendigerweise z. B., dass das Spannungspotential von 0
bis +1000 V anwächst,
aber sie umfassen in ihrer Bedeutung auch den Fall, bei dem das
Spannungspotential z. B. von 0 auf –1000 V abnimmt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Mechanismus
umfasst das bewegliche Gerät
ein starres äußeres Rohrelement, das
das erste Kriecherteil, das zweite Kriecherteil und die piezoelektrischen
Mittel umgibt. Außerdem können die
piezoelektrischen Mittel zwischen dem ersten Kriecherteil und dem
zweiten Kriecherteil angeordnet sein, um das erste Kriecherteil
und das zweite Kriecherteil zur Trennung in Längsrichtung des länglichen
Elements zu veranlassen.
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Bei
einem solchen Mechanismus kann das erste Kriecherteil eine erste
im Wesentlichen kegelstumpfförmige
Vertiefung haben, deren Achse im Wesentlichen koaxial zu der Längsachse
des länglichen
Elements ist, und das erste Nichtumkehrmittel einen federbelasteten
Spannring aufweisen, der zwecks Ausübung einer Bremswirkung auf
das erste Kriecherteil zum Sitz in der ersten im Wesentlichen kegelstumpfförmigen Vertiefung
eingerichtet ist, wobei der Mechanismus ferner zur Aufhebung der Bremswirkung
des ersten Nichtumkehrmittels ein erstes piezoelektrisches Ergänzungsmittel
zur Bewegung des Spannrings aus der ersten im Wesentlichen kegelstumpfförmigen Vertiefung
heraus umfasst. Typischerweise weist das erste piezoelektrische
Ergänzungsmittel
ein rohrförmiges
piezoelektrisches Betätigungselement
auf. Alternativ kann das erste piezoelektrische Ergänzungsmittel
ein Paar stabartige piezoelektrische Betätigungselemente aufweisen.
Ferner kann das zweite Kriecherteil eine zweite im Wesentlichen
kegelstumpfförmige
Vertiefung haben, deren Achse im Wesentlichen koaxial zu der Längsachse
des länglichen
Elements ist, während
das zweite Nichtumkehrmittel einen federbelasteten Spannring aufweist,
der zum Sitz in der zweiten im Wesentlichen kegelstumpfförmigen Vertiefung
zwecks Ausübung
einer Bremswirkung auf das zweite Kriecherteil eingerichtet ist,
wobei der Mechanismus ferner ein zweites piezoelektrisches Ergänzungsmittel
zur Bewegung des Spannrings aus der zweiten im Wesentlichen kegelstumpfförmigen Vertiefung
heraus umfasst, um die Bremswirkung des zweiten Nichtumkehrmittels
aufzuheben. Ein solches zweites piezoelektrisches Ergänzungsmittel
kann ein rohrförmiges piezoelektrisches
Betätigungselement
oder ein Paar stabartige piezoelektrische Betätigungselemente aufweisen.
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Bei
einem solchen Mechanismus kann das piezoelektrische Mittel rohrförmig sein.
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Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
umfassen das erste Nichtumkehrmittel und das zweite Nichtumkehrmittel
jeweils Bremskeile, die eine Bewegung zum proximalen Ende des länglichen Elements
hin bremsen und nur die Bewegung in Richtung auf das distale Ende
des länglichen
Elements zulassen. Bei einem solchen Mechanismus kann das zweite
Kriecherteil auf dem ersten Kriecherteil unverlierbar gehalten und
durch Federspannung von diesem weg gespannt sein, während das
piezoelektrische Mittel ein Paar stabartige piezoelektrische Betätigungselemente
aufweist.
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Bei
noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mechanismus
ist das zweite Kriecherteil auf dem ersten Kriecherteil unverlierbar
gehalten und durch Federspannung von diesem weg gespannt und weist
das piezoelektrische Mittel ein das längliche Element umgebendes
rohrförmiges
piezoelektrisches Betätigungselement
auf. Bei einem solchen Mechanismus kann das erste Kriecherteil eine
Manschette, die ein Paar freier Enden hat und zum Fassen des länglichen
Stabes zwecks Abbremsung der Bewegung des ersten Kriecherteils relativ
zu dem länglichen
Stab eingerichtet ist, und Bremsaufhebungsmittel mit einem quer
angebrachten piezoelektrischen Mittel aufweisen, das zur Trennung
der freien Enden der Manschette zwecks Aufhebung ihrer Bremswirkung
auf das längliche
Element eingerichtet ist. In diesem Fall kann das zweite Kriecherteil
eine Manschette, die ein paar freier Enden hat und zum Fassen des
länglichen
Stabes zwecks Abbremsung der Bewegung des zweiten Kriecherteils
relativ zu dem länglichen
Stab eingerichtet ist, und Bremsaufhebungsmittel mit einem quer
angebrachten piezoelektrischen Mittel aufweisen, das zur Trennung
der freien Enden der Manschette zwecks Aufhebung ihrer Bremswirkung
auf das längliche
Element eingerichtet ist.
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Bei
noch einer weiteren Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Mechanismus
weist das längliche
Element ein Rohrteil auf, das erste Kriecherteil weist einen ersten
Stopfen auf, der in dem Rohrteil gleitbar angeordnet und mit einem
das längliche
Element umgebenden äußeren Ringelement verbunden
ist, das zweite Kriecherteil weist einen zweiten Stopfen auf, der
in dem Rohrteil gleitbar angeordnet und mit einem das längliche
Element umgebenden Hauptkörperteil
verbunden ist, das erste Nichtumkehrmittel und das zweite Nichtumkehrmittel weisen
jeweils Bremskeile auf, das piezoelektrische Antriebsmittel ist
in dem Rohrteil zwischen dem ersten und zweiten Stopfen angeordnet
und ein Federvorspannungsmittel ist zwischen dem ersten Kriecherteil
und dem zweiten Kriecherteil vorgesehen und so eingerichtet, dass
es einer Spannung unterliegt, wenn das erste Nichtumkehrmittel während der Bewegung
des zweiten Kriecherteils eine Bewegung des ersten Kriecherteils
verhindert, und die Spannung aufhebt, wenn das zweite Nichtumkehrmittel eine
Bewegung des zweiten Kriecherteils verhindert, um so das erste Kriecherteil
zu einer Bewegung zum distalen Ende des länglichen Elements hin zu veranlassen.
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Bei
dem Mechanismus der Erfindung kann das Steuermittel einen Belastungssensor,
wie etwa eine Belastungszelle zur Messung der Belastung haben, die
durch oder auf das piezoelektrische Antriebsmittel ausgeübt wird.
Eine solche Belastungszelle kann einen piezoelektrischen Kristall
umfassen und das piezo elektrische Antriebsmittel ist so eingerichtet,
dass es auf den piezoelektrischen Kristall einwirkt.
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Bei
einer bevorzugten Form der Erfindung umfasst das Steuermittel einen
Mikroprozessor, Verstärkermittel,
die funktionsmäßig an das
piezoelektrische Antriebsmittel angeschlossen sind und von dem Mikroprozessor
gesteuert werden zwecks Zuführung wenigstens
eines Spannungspotentialsignals zu dem piezoelektrischen Antriebsmittel
mit einer ausgewählten
Signalanstiegsgeschwindigkeit zwecks Veranlassung einer gesteuerten
Bewegung des beweglichen Geräts
in Zuwachsstufen entlang des länglichen
Elements, und Rückkopplungsverstärkermittel, die
an den Belastungssensor angeschlossen und zum Empfang eines Rückkopplungssignals
von dort eingerichtet sind, wobei die Rückkopplungsverstärkermittel
funktionsmäßig an dem
Mikroprozessor angeschlossen sind, um diesem ein Rückkopplungssignal
in Abhängigkeit
von der von dem Belastungssensor abgefragten Belastung zuzuführen, und
der Mikroprozessor zum Empfang des Rückkopplungssignals von den
Rückkopplungsverstärkermitteln
und zur Einstellung der Anstiegsgeschwindigkeit des wenigstens einen
Spannungspotentialsignals eingerichtet ist, um sicherzustellen,
dass die durch oder auf das piezoelektrische Antriebsmittel ausgeübte und durch
den Belastungssensor abgefragte Belastung einen vorbestimmten Wert
nicht überschreitet.
Vorzugsweise ist der Mikroprozessor zur Speicherung von Daten eingerichtet,
die das wenigstens eine Spannungspotentialsignal, die Zeit und das
Rückkopplungssignal
von den Rückkopplungsverstärkermitteln
angeben. Typischerweise umfasst das wenigstens eine Spannungspotentialsignal
ein Gleichspannungspotentialsignal, das typischerweise in dem Bereich
von etwa 100 V bis etwa 1000 V liegt. Gewünschtenfalls kann jedoch das
wenigstens eine Spannungspotentialsignal ein periodisches Signal mit
einer Frequenz von etwa 5 Hz bis etwa 2 kHz, z. B. etwa 1 kHz aufweisen,
das eine Amplitude von etwa 1 μm
bis etwa 10 μm
hat und auf das Gleichspannungspotentialsignal aufgeprägt ist.
Bei diesem zuletzt erwähnten
Fall darf die Amplitude des periodischen Signals die durch das Gleichspannungspotential
zu der Zeit verursachte Gesamtverlängerung des piezoelektrischen
Antriebsmittels nicht überschreiten,
damit das piezoelektrische Antriebsmittel nicht beschädigt wird.
Das periodische Signal kann das Gleichspannungspotentialsignal bei
zunehmender Größe des Spannungspotentials
oder im Wesentlichen konstant gehaltenem Gleichspannungspotential überlagern
bevor oder nachdem das piezoelektrische Antriebsmittel während einer
Zuwachsstufe seine maximale Verlängerung
erreicht hat.
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Normalerweise
wird es bevorzugt, den Mikroprozessor an ein Eingabe/Ausgabegerät anzuschließen, durch
das von einem externen Eingabegerät Sollwerte in den Mikroprozessor
eingegeben und in dem Mikroprozessor gespeicherte Daten auf eine
externe Quelle herunter geladen werden können. Diese Sollwerte können z.
B. solche sein, die wenigstens einen der folgenden Punkte anzeigen:
- (i) Die Anstiegsgeschwindigkeit des an das
piezoelektrische Antriebsmittel angelegten Gleichspannungspotentials
mit der Zeit, um dadurch dessen Verlängerungsgeschwindigkeit zu
bestimmen,
- (ii) eine funktionelle Beziehung, die die Anstiegsgeschwindigkeit
des an das piezoelektrische Antriebsmittel angelegten Gleichspannungspotentials
und auch die durch die Belastungszelle abgefragte Belastung beinhaltet,
- (iii) das an das piezoelektrische Antriebsmittel anzulegende
maximale Gleichspannungspotential, um dadurch die Größe jeder
genannten Zuwachsstufe zu bestimmen,
- (iv) die von dem Belastungssensor abgefragte, durch oder an
das piezoelektrische Antriebsmittel anlegbare maximale Belastung,
um dadurch die auf den Knochenkallus und das angeschlossene Weichgewebe
aufgelegte Belastung zu bestimmen,
- (v) die maximale Zeitdauer, während der sich das bewegliche
Gerät bewegen
kann, um dadurch die maximale Strecke zu bestimmen, über die
sich das bewegliche Gerät
längs des
länglichen
Elements bewegen kann,
- (vi) die maximale Strecke, über
die sich das bewegliche Gerät
längs des
länglichen
Elements bewegen kann.
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Der
Mechanismus ist erwünschtermaßen so eingerichtet,
dass die Zuwachsstufen in dem Bereich von etwa 5 μm bis etwa
120 μm,
vorzugsweise etwa 10 μm
bis etwa 120 μm,
z. B. von etwa 40 μm
bis etwa 80 μm
liegen.
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Der
Mechanismus wird typischerweise so eingestellt, dass das Steuermittel
das bewegliche Gerät
zu einer Bewegung mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 mm pro Tag
längs des
beweglichen Elements veranlasst.
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Die
Erfindung erstreckt sich auch auf einen selbst verlängerbaren
Gewebedistraktor, wie etwa einen Knochenfixator, der mit einem Mechanismus
der oben beschriebenen Art ausgestattet ist.
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Damit
die Erfindung deutlich verstanden und leicht ausgeführt werden
kann, werden nun einige ihrer bevorzugten Ausführungsformen nur beispielhaft unter
Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben.
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1 ist
ein Längsschnitt
einer ersten Form des Mechanismus zum Antrieb eines erfindungsgemäß konstruierten
selbst verlängerbaren
Knochenfixators.
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2 ist
ein Längsschnitt
durch einen Teil einer zweiten Form des Mechanismus zum Antrieb
eines selbst verlängerbaren
Knochenfixators nach der Erfindung.
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3 ist
ein Schnitt nach der Linie III-III der 2.
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4 ist
eine Seitenansicht im Schnitt durch den Mechanismus der 2 und 3.
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5 ist
ein Schnitt nach der Linie V-V der 4.
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6 ist
ein Längsschnitt
durch eine dritte Form des Mechanismus zum Antrieb eines erfindungsgemäß gebauten
Knochenfixators.
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7 ist
eine Seitenansicht, auch im Schnitt, des Mechanismus der 6.
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8 ist
ein Längsschnitt
durch eine vierte Form des Mechanismus zum Antrieb eines nach der Lehre
der Erfindung gebauten selbst verlängerbaren Knochenfixators.
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9 ist
eine Endansicht des Mechanismus der 8.
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10 ist
ein Schnitt nach der Linie X-X der 8.
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11 ist
ein Längsschnitt
durch eine weitere Form des Mechanismus zum Antrieb eines erfindungsgemäßen selbst
verlängerbaren
Knochenfixators.
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12 gibt
Spannung-Zeit-Darstellungen an, die die Betriebsweise des Mechanismus
der 8 bis 10 erläutern.
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13 ist
ein Blockdiagramm, das die Betriebsweise des Mechanismus der 11 erläutert.
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14 ist
ein weiteres Blockdiagramm, das ein Verfahren der Steuerung des
Mechanismus der 8 bis 10 erläutert.
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15 ist
ein Längsschnitt
durch noch eine weitere Ausführungsform
der Erfindung.
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Ein
Mechanismus 20 zum Antrieb eines selbst verlängerbaren
Knochenfixators umfasst unter Bezugnahme auf 1 der Zeichnung
ein nur teilweise gezeigtes längliches
Element 21 mit einem proximalen Ende 22 und einem
distalen Ende 23 und einer Längsachse 24. Auf dem
länglichen
Element 21 ist ein bewegliches Gerät 25 angebracht, das
ein zylindrisches Außengehäuse 26 und
Einsätze 27 und 28 umfasst.
In den Einsätzen 27 und 28 ist
ein äußeres zylindrisches
piezoelektrisches Betätigungselement 29 aufgenommen,
das einen Stapel ringförmiger
piezoelektrischer Kristalle aufweist. Ein typischer Werkstoff für die piezoelektrischen
Kristalle ist Bleizirkonattitanat. Die einzelnen piezoelektrischen Kristalle
sind nicht gezeigt, aber jeder ist sandwichartig zwischen einem
Elektrodenpaar eingelegt, an das ein elektrisches Potential angelegt
werden kann. Außerdem
ist jeder piezoelektrische Kristall von seinen Nachbarn isoliert.
Beim Anlegen eines elektrischen Potentials von etwa 100 Volt bis
etwa 1000 Volt an jeden der Kristalle des Betätigungselements 29 verlängert sich
der ganze Stapel um einen kleinen Betrag, z. B. bis zu etwa 120 μm in einer
zu der Längsachse 24 des
länglichen
Elements 21 parallelen Richtung. Hierbei übt er eine
Kraft von bis zu 3000 Newton aus.
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Zwischen
den Einsätzen 27 und 28 besteht ein
Luftspalt 30, der ein erstes Kriecherteil 31 von
einem zweiten Kriecherteil 32 trennt. Um das längliche Element 22 herum
befindet sich ein zweites piezoelektrisches Betätigungselement 33,
das einen Teil eines ersten Nichtumkehrmittels 34 bildet,
das das erste Kriecherteil 31 mit dem länglichen Element 22 verblockt
und seine Bewegung wenigstens zum proximalen Ende 22 des
länglichen
Elements 21 verhindern soll. Wie in dem Fall des piezoelektrischen Betätigungselements 29 umfasst
das zweite piezoelektrische Betätigungselement 33 einen
Stapel ringförmiger
piezoelektrischer Kristalle, die jeweils sandwichartig zwischen
einem Paar Elektroden eingelegt und von jedem benachbarten piezoelektrischen
Kristall des Stapels isoliert sind, so dass sich die Länge des
Stapels beim Anlegen eines elektrischen Potentials an ihn um eine
kleine Strecke, z. B. 50 μm
in einer zur Längsachse 22 des
länglichen
Elements 21 parallelen Richtung ausdehnt.
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An
dem anderen Ende des beweglichen Geräts 26 ist ähnlich dem
piezoelektrischen Betätigungselements 33 ein
drittes piezoelektrisches Betätigungselement 35,
das einen Teil eines zweiten Nichtumkehrmittels 36 bildet,
das das zweite Kriecherteil 32 mit dem länglichen
Element 21 verriegeln und so seine Bewegung wenigstens
in Richtung auf das proximale Ende 22 des länglichen
Elements 21 verhindern soll.
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Das
erste Nichtumkehrmittel 34 hat ferner einen Spannring 37,
der gegen das distale Ende 23 des länglichen Elements 21 mittels
einer Membranfeder 38 vorgespannt ist, die einen Teil einer
an dem proximalen Ende des Gehäuses 26 angebrachten Endkappe 39 bildet.
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Ein
zweites Nichtumkehrmittel 36 hat ebenfalls einen Spannring 40,
der gegen das proximale Ende 22 des länglichen Elements 21 mittels
einer Membranfeder 41 vorgespannt ist, die einen Teil einer
an dem distalen Ende 23 des Gehäuses 26 befestigten
Endkappe 42 bildet.
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Beim
Gebrauch eines mit dem Mechanismus 20 ausgestatteten Knochenfixators
befestigt der Chirurg an dem proximalen Endteil des länglichen
Elements 21 mittels geeigneter (nicht gezeigter) Klemmen
und Ringe ein Paar Stifte, die an einem der getrennten Enden des
zu verlängernden
oder zu begradigenden Knochens angebracht sind, und er befestigt
an dem beweglichen Gerät 25 mittels
weiterer Klemmen und Ringe (nicht gezeigt) ein ähnliches Paar Stifte, die an
dem anderen abgetrennten Ende des zu verlängernden oder zu begradigenden
Knochens befestigt sind.
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Bei
Abwesenheit eines Spannungssignals an einem der piezoelektrischen
Betätigungselemente 29, 33 und 35 ist
das bewegliche Gerät 25 unter
der Wirkung der zwei Nichtumkehrmittel 34 und 36 mit dem
länglichen
Element 21 verblockt, wobei die Membranfedern 38 und 41 die
betreffenden Spannringe 37 und 40 in Anlage an
die Stirnflächen
der Gummieinlage 30 drücken
und eine Bewegung des beweglichen Geräts längs des länglichen Elements 21 in
jeder Richtung verhindern.
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Bei
Zuführung
eines Spannungspotentials zu dem piezoelektrischen Betätigungselement 35 erfährt dieses
eine Ausdehnung, und es hebt den Spannring 40 gegen die
Federwirkung der Membran 41 um eine geringe Strecke, z.
B. 50 μm,
was ausreichend ist, um die Bremswirkung des Nichtumkehrmittels 36 aufzuheben,
die die Bewegung des zweiten Kriecherteils 32 zu dem distalen
Ende 23 des länglichen
Elements 21 verhindert hat. Bei an dem piezoelektrischen
Betätigungselement 35 noch
anliegenden Spannungspotential wird dann ein Spannungspotential
an das piezoelektrische Betätigungselement 29 angelegt.
Als Ergebnis der entstehenden Ausdehnung des piezoelektrischen Betätigungselements 29 bewegt
sich das zweite Kriecherteil 32 eine entsprechende Strecke
zu dem distalen Ende 23 des länglichen Elements 21,
wodurch der zu verlängernde
oder zu begradigende Knochen um einen entsprechenden Betrag verlängert wird.
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Während noch
das Spannungspotential an dem piezoelektrischen Betätigungselement 29 anliegt,
wird das an das piezoelektrische Betätigungselement 35 angelegte
Spannungspotential abgeschaltet, wodurch dieses Betätigungselement
in seine ursprüngliche
Länge zurückkehrt.
Unter dem Einfluss der Membranfeder 41 kehrt der Spannring 40 in
eine Verblockungsstellung zurück
und erzeugt so wiederum eine Bremswirkung auf das zweite Kriecherteil 32.
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Ein
Spannungspotential wird dann an das piezoelektrische Betätigungselement 33 angelegt,
das dadurch veranlasst wird, sich um einen vorbestimmten Betrag
auszudehnen. Dabei schiebt es den Spannring 37 gegen die
Wirkung der Membranfeder 38 zu dem proximalen Ende 22 des
länglichen
Elements 21 und hebt die Verblockungswirkung des Nichtumkehrmittels 34 auf,
die eine Bewegung des ersten Kriecherteils 31 relativ zu
dem länglichen
Element 21 verhindert. Dann wird das an das piezoelektrische
Betätigungselement 29 angelegte
Spannungspotential auf Null redu ziert, wodurch dieses Betätigungselement
veranlasst wird, wieder seine Ausgangslänge anzunehmen. Dabei veranlasst
es das erste Kriecherteil 30, sich eine entsprechende Strecke
zu dem distalen Ende 23 des länglichen Elements 21 zu
bewegen.
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Die
gesamte Verfahrensweise kann dann möglicherweise nach einem bestimmten
Zeitintervall wiederholt werden, um so den Knochenfixator 20 zu veranlassen,
sich in einer Reihe von Zyklen durch eine „Zollschnecken"-Technik auszudehnen,
wobei jeder Zyklus die Bewegung des beweglichen Geräts 25 in
Zuwachsstufen längs
des länglichen
Elements 21 beinhaltet, wodurch eine im Wesentlichen fortlaufende
Verlängerung
des Knochenfixators 20 während der Wachstunden (und
möglicherweise
auch während
der Schlafstunden) des Patienten mit einer Geschwindigkeit von etwa
1 mm pro Tag geschaffen wird, ohne dass bei dem Patienten bedeutende Schmerzen
verursacht werden.
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Im
Hinblick auf eine Verstärkung
des Prozesses der Knochenbildung kann ein Schwingungssignal von
geringer Amplitude z. B. mit einer Frequenz von etwa 5 Hz bis etwa
2 kHz den an die piezoelektrischen Betätigungselemente 29, 33 und 35 angelegten
Spannungspotentialen gewünschtenfalls überlagert
werden.
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Der
Mechanismus 20 der 1 hat drei
piezoelektrische Betätigungselemente 29, 33 und 35. Die 2 bis 5 zeigen
eine zweite Form des Mechanismus 100 zum Antrieb eines
selbst verlängerbaren
Knochenfixators mit sechs piezoelektrischen Betätigungselementen. Wie in 2 gezeigt
ist, hat der Mechanismus 100 ein längliches Element 21 und ein
bewegliches Gerät 120,
das ein äußeres zylindrisches
Gehäuse 121,
einen ein erstes Kriecherteil bildenden ersten Einsatz 122 und
einen ein zweites Kriecherteil bildenden zweiten Einsatz 123.
Das erste Kriecherteil 122 ist durch einen Luftspalt 124 von dem
zweiten Kriecherteil 123 getrennt.
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Anstelle
eines zylindrischen rohrförmigen
piezoelektrischen Betätigungselements 28 wie
in Mechanismus 20 der 1 hat der
Mechanismus 100 zwei stabartige piezoelektrische Betätigungselemente 125 und 126.
Außerdem
hat der Mechanismus 100 anstelle des rohrförmigen piezoelektrischen
Betätigungselements 32 der 1 zwei
stabartige piezoelektrische Betätigungselemente 127 und 128.
An den piezoelektrischen Betätigungselementen 127 und 128 befindet
sich eine Druckplatte 129, die auf den Spannring 130 einwirkt.
Der Spannring 130 wird mittels einer Membranfeder 131,
die einen Teil der Endkappe 132 bildet, gegen das distale
Ende 23 des länglichen
Elements 21 gedrückt.
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Das
rohrförmige
piezoelektrische Betätigungselement 34 des
Fixators 20 der 1 ist ferner durch ein Paar
stabartige piezoelektrische Betätigungselemente 133 und 134 ersetzt,
die auf eine Druckplatte 135 einwirken (die ähnlich der
Druckplatte 129 ist). Druckplatte 135 drückt ihrerseits
gegen den Spannring 136, der durch eine einen Teil der Endkappe 138 bildende
Membranfeder 137 gegen das proximale Ende 22 des
länglichen
Elements 21 vorgespannt ist.
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Die 6 und 7 zeigen
eine dritte Ausführungsform
des Mechanismus 200 für
den Antrieb eines selbst verlängerbaren
Knochenfixators, der ein paar piezoelektrische Betätigungselemente
anstelle der drei piezoelektrischen Betätigungselemente 28, 32 und 24 des
Mechanismus 20 der 1 oder der drei
Paare piezoelektrischer Betätigungselemente des
Mechanismus 100 der 2 bis 5 enthält.
-
Der
Mechanismus 200 enthält
ein bewegliches Gerät 220,
das auf dem länglichen
Element 21 angebracht gezeigt ist. Er umfasst ein erstes
Kriecherteil 221 und ein zweites Kriecherteil 222 aus
z. B. Edelstahl mit einem Luftspalt 223 zwischen ihnen. Ein
Paar Bolzen 224 und 225 ist in Gewindebohrungen 226 und 227 in
das erste Kriecherteil 221 eingeschraubt. Die Bolzen 224 und 225 greifen
durch eine Platte 228 auf dem zweiten Kriecherteil 222,
und ihre Köpfe 229 und 230 sind
durch Druckfedern 231 und 232 von der Platte 228 weg
gespannt. Die Schäfte der
Bolzen 224 und 225 durchstoßen in der Platte 226 glatte
Bohrungen 233 und 234. Durch diese Einrichtung
wird das zweite Kriecherteil 222 von dem ersten Kriecherteil 221 weg
in eine Richtung hin zu dem distalen Ende 23 des länglichen
Elements 21 gespannt, aber in Bezug auf dieses unverlierbar
festgehalten.
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Das
erste Kriecherteil 221 ist ferner mit einem Paar Bremskörpern 235 und 236 ausgestattet, die
dem beweglichen Gerät 220 ermöglichen,
sich längs
des länglichen
Elements 21 in Rich tung auf das distale Ende 23,
aber nicht in der entgegengesetzten Richtung zu bewegen. Die Bremskörper 235 und 236 wirken
somit als eine Verriegelung in einer Richtung. Ähnliche Bremskörper 237 und 238 sind
auf dem zweiten Kriecherteil 222 vorgesehen und ermöglichen
dem beweglichen Gerät 220,
sich längs
des länglichen
Elements 21 zu dem distalen Ende 23 hin zu bewegen,
aber nicht in der entgegengesetzten Richtung. Die Bremskörper 237, 238 wirken
ebenfalls als eine Verriegelung in einer Richtung.
-
Das
bewegliche Gerät 220 enthält auch
ein Paar stabartige piezoelektrische Betätigungselemente 239 und 240,
die wie die piezoelektrischen Betätigungselemente der Ausführungsformen
der 1 und der 2 bis 5 jeweils
aus einem Stapel piezoelektrischer Kristalle gebildet sind, von
denen jeder zwischen einem Elektrodenpaar eingelegt ist, durch das
ein Spannungspotential gleichzeitig an die einzelnen piezoelektrischen
Kristalle angelegt werden kann, um den Stapel 239 oder 240 zu
veranlassen, sich um einen bestimmten Betrag, z. B. etwa 60 μm mit einer
Kraft von bis zu etwa 3000 Newton zu verlängern.
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Die
Bezugszahlen 241 und 242 bezeichnen Belastungssensoren,
während
die Bezugszahl 243 eine Membrandichtung aus Silikongummi
zur Verhinderung des Eintritts von Verunreinigungen bezeichnet.
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Bei
Anlegung eines Spannungspotentials an die piezoelektrischen Betätigungselemente 239 und 240 werden
diese zur Verlängerung
veranlasst. Bremskörper 237 und 238 wirken
als Nichtumkehrmittel, um eine Bewegung des ersten Kriecherteils 221 zu
dem proximalen Ende 22 des länglichen Elements 21 hin
zu verhindern, aber die Bremskörper 235 und 236 lassen
eine Bewegung des zweiten Kriecherteils 222 zu dem distalen
Ende 23 hin zu. Bei Entfernung des Spannungspotentials
an den piezoelektrischen Betätigungselementen 239 und 240 nehmen
diese wieder ihre ursprüngliche
Länge an.
Die Bremskörper 235 und 236 wirken
dann als ein Nichtumkehrmittel, um eine Bewegung des zweiten Kriecherteils 222 zu
dem proximalen Ende 22 des länglichen Elements 21 hin
zu verhindern, aber die Bremskörper 237 und 238 lassen
eine Bewegung des ersten Kriecherteils 221 zu dem distalen
Ende 23 des länglichen
Elements 21 zu. Bei Wiederholung der Prozedur wird das
bewegliche Gerät 220 erneut
eine kleine Strecke längs
des länglichen
Elements 21 zu seinem distalen Ende hin bewegt. Wenn daher
ein Ende des getrennten, zu verlängernden
oder zu begradigenden Knochens durch ein Paar Stifte und geeignete
Klammern (nicht gezeigt) an dem beweglichen Gerät 220 befestigt ist
und das andere Ende des getrennten Knochens in gleicher Weise an
dem proximalen Endteil des länglichen
Elements 21 angebracht ist, kann eine wirklich kontinuierliche
Distraktion des Knochens erreicht werden. Durch Variieren der Anstiegsgeschwindigkeit
des an die piezoelektrischen Kristalle angelegten Spannungspotentials und/oder
der Ruheintervalle zwischen den stufenweisen Bewegungen der Kriecherteile 221 und 222 kann die
Distraktionsgeschwindigkeit wahlweise verändert werden.
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8 zeigt
einen Mechanismus 300 zum Antrieb eines selbst verlängerbaren
Knochenfixators, der ein auf einem länglichen Element 21 angebrachtes
bewegliches Gerät 320 enthält. Es umfasst
ein erstes Kriecherteil 321, das typischerweise aus Edelstahl
hergestellt ist, und ein zweites Kriecherteil 322, das
ein Spiegelbild des ersten Kriecherteils 321 ist. Das erste.
Kriecherteil 321 hat die Form eines Klemmelements, das
das längliche
Element 21 mit Ausnahme eines schmalen Spalts 323 (siehe 9 und 10)
umgibt und das längliche
Element 21 senkrecht fasst. Wie aus 10 ersichtlich
ist, ist in dem ersten Kriecherteil 321 eine Querbohrung 324 ausgebildet,
die einen eingeschnürten
Stab 325 mit Gewindeenden und ein erstes rohrförmiges piezoelektrisches
Betätigungselement 326 aus
mehreren piezoelektrischen Kristallscheiben 327 aufnimmt,
die jeweils zwischen einem Elektrodenpaar (nicht gezeigt) angeordnet
sind, an das ein Spannungspotential angelegt werden kann, um eine
Verlängerung
des piezoelektrischen Betätigungselements 326a um
einen vorbestimmten kleinen Betrag zu veranlassen. Die Enden des
Stabes 325a tragen Muttern 328a und 329a,
die gegen die auf das erste Kriecherteil 321 aufgeschraubte
Endkappen 330a und 331a drücken. Ein eingeschnürter Stab 325a wirkt
wie eine Feder, um den Spalt zwischen den Teilen 332a und 333a zu schließen. Wenn
an die piezoelektrischen Kristallscheiben 327 kein Spannungspotential
angelegt ist, fasst das erste Kriecherteil 321 unter der
Federwir kung des eingeschnürten
Stabes 325a das längliche Element 21,
und es wird auf dem länglichen
Element 21 verblockt und wirkt somit als eine Bremse, um
die Bewegung des ersten Kriecherteils 321 in jeder Richtung
längs des
länglichen
Elements 21 zu verhindern. Bei Anlegung eines Spannungspotentials
an das piezoelektrische Betätigungselement 326a wird
das Betätigungselement 326a jedoch
veranlasst, sich um einen vorbestimmten Betrag zu verlängern, und
es drückt
auf die Endkappen 330a und 331a, wodurch der eingeschnürte Stab 325a gestreckt
wird und sich die Enden 332a und 333a unter Aufweitung
des Spalts 323a trennen können. Als Ergebnis der Aufweitung
des Spalts 323a wird das erste Kriecherteil 321 veranlasst,
seinen Griff des länglichen
Elements 21 zu lösen
und eine Bewegung des ersten Kriecherteils 321 längs des
länglichen
Elements 21 zu ermöglichen.
Das zweite Kriecherteil 322 ist dem ersten Kriecherteil 321 im
Aufbau ähnlich,
und gleiche Teile sind durch gleiche Bezugszahlen, jedoch mit dem
Zusatz „b" anstelle des Zusatzes „a" bezeichnet. Es arbeitet
in ähnlicher
Weise wie das erste Kriecherteil 321.
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Zwischen
dem ersten Kriecherteil 321 und dem zweiten Kriecherteil 322 befindet
sich eine Zugfeder 334. Das erste Kriecherteil 321 ist
mit dem zweiten Kriecherteil 322 durch ein rohrförmiges piezoelektrisches
Betätigungselement 335 verbunden, das
aus mehreren ringförmigen
piezoelektrischen Kristallscheiben 336 besteht, von denen
jede zwischen einem Elektrodenpaar angeordnet ist, an das ein Spannungspotential
angelegt werden kann, um das Betätigungselement 335 zu
veranlassen, sich um einen kleinen Betrag, z. B. etwa 120 μm zu verlängern.
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Die
Bezugszahl 337 bezeichnet eine Belastungszelle für die Überwachung
der durch das piezoelektrische Betätigungselement 335 ausgeübten Belastung.
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Bei
der Benutzung eines mit dem Mechanismus 300 ausgestatteten
Knochenfixators befestigt der Chirurg ein getrenntes Ende des zu
verlängernden
oder zu begradigenden Knochens unter Benutzung herkömmlicher
Stifte, Ringe und Klammern (nicht gezeigt) an dem proximalen Endteil
des länglichen
Elements 21, und er bringt das andere getrennte Ende des
Knochens ebenfalls unter Benutzung üblicher Stifte, Ringe und Klammeren
an dem beweglichen Gerät 320 an.
An das piezoelektrische Betätigungselement 326b des
zweiten Kriecherteils 322 wird ein Spannungspotential angelegt,
damit sich der darin befindliche Spalt 323b ausdehnen kann.
Auf diese Weise wird die Bremswirkung des zweiten Kriecherteils 322 vorübergehend
aufgehoben, so dass sich das zweite Kriecherteil 322 längs des
länglichen Elements 21 bewegen
kann. Zu dieser Zeit wird kein Spannungspotential an das piezoelektrische
Betätigungselement 326a des
ersten Kriecherteils 321 angelegt, der demgemäß aufgrund
seiner Bremswirkung auf dem länglichen
Element 21 verblockt bleibt. Dann wird allmählich ein
Spannungspotential an das piezoelektrische Betätigungselement 335 angelegt, wodurch
dieses veranlasst wird, sich um einen bestimmten Betrag zu verlängern und
dadurch das zweite Kriecherteil 222 mit einer der Anstiegsgeschwindigkeit
der angelegten Spannung entsprechenden Geschwindigkeit zu dem distalen
Ende 23 hin zu bewegen. Dann wird das an das piezoelektrische
Betätigungselement 326b des
zweiten Kriecherteils 322 angelegte Spannungspotential
auf Null reduziert, wodurch veranlasst wird, dass das Betätigungselement 326b wieder
seine ursprüngliche
Länge annimmt
und der Spalt 323b aufgrund der elastischen Eigenschaften
des zweiten Kriecherteils 322 geschlossen wird, und dadurch
das zweite Kriecherteil 322 veranlasst wird, das längliche
Element 21 wieder zu fassen und eine Bremswirkung zu schaffen,
die die Bewegung des zweiten Kriecherteils längs des länglichen Elements 21 in
jeder Richtung verhindert.
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Darauf
wird ein Spannungspotential an das piezoelektrische Betätigungselement 326a des
ersten Kriecherteils 321 angelegt, wodurch es veranlasst
wird, sich um etwa 60 μm
zu verlängern
und dem entsprechenden Spalt 323a zu ermöglichen, sich
um einen ähnlichen
Betrag zu erweitern. Auf diese Weise wird die Bremswirkung des ersten
Kriecherteils 321 überwunden,
so dass das erste Kriecherteil 321 nun frei ist, sich längs des
länglichen
Elements 21 zu bewegen. Bei anschließender Abschaltung des an das
piezoelektrische Betätigungselement 335 angelegten
Spannungspotentials nimmt dieses Betätigungselement wieder seine
ursprüngliche
Länge an, und
die Zugfeder 334 zieht dann das erste Kriecherteil 321 eine
entsprechende Strecke entlang des länglichen Elements 21 zu
dessen distalem Ende 23 hin. Dann wird das an das piezoelektrische
Betätigungselement 326a des
ersten Kriecherteils 321 angelegte Spannungspotential abgeschaltet,
wodurch ihm ermöglicht
wird, seine ursprüngliche
Länge wieder
anzunehmen und den Spalt 323 des ersten Kriecherteils 321 zu
schließen
und das erste Kriecherteil 321 dadurch wieder zu bremsen,
dass es auf dem länglichen
Element 21 festgeklemmt wird.
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Diese
Arbeitsweise kann dann unmittelbar oder nach einem geeigneten Zeitintervall
wiederholt werden, um so das bewegliche Gerät 320 in "Zollschnecken"-Art längs des
länglichen
Elements 21 weiter zu seinem distalen Ende 23 zu
bewegen. Auf diese Weise kann eine Knochendistraktion in im Wesentlichen
kontinuierlicher Weise während
der Wach- und Schlafstunden des Patienten durchgeführt werden,
ohne dass seitens eines Pflegers Beachtung erforderlich ist und
dem Patienten ein signifikanter Schmerz verursacht wird. Die Geschwindigkeit
der Knochendistraktion kann alternativ dadurch eingestellt werden,
dass man die Anstiegsgeschwindigkeit des an das piezoelektrische
Betätigungselement 335 angelegten
Spannungspotentials variiert.
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11 zeigt
noch eine weitere Ausführungsform
des Mechanismus 400 für
den Antrieb eines selbst verlängerbaren
Knochenfixators. Dieser umfasst ein bewegliches Gerät 420,
das auf einem rohrförmigen
länglichen
Element 421 gleitbar angebracht ist. In 11 ist
das rohrförmige
längliche
Element 421 als relativ kurz gezeigt. Sein proximales Ende
ist mit der Bezugszahl 22 und sein distales Ende mit der Bezugszahl 23 bezeichnet.
Das Element 421 kann jedoch eine zweckmäßige Länge haben, die z. B. von der
Länge des
zu verlängernden
oder zu begradigenden Knochens abhängt.
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Ein
Pflock 422 ist in dem rohrförmigen länglichen Element 421 gleitbar
angeordnet und mittels eines quer liegenden Scherstiftes oder -bolzens 423, dessen
Schaft in einem Paar diametral in dem rohrförmigen länglichen Element 421 gegenüberliegender
Schlitze 424 gleiten kann, an einem äußeren Ringelement 425 befestigt.
In 11 ist nur ein Schlitz 424 abgebildet,
und nur ein Ende davon ist sichtbar. Die Schlitze 424 erstrecken
sich jedoch wenigstens so weit wie die abgebildete Lage des quer
liegenden Scherstiftes oder -bolzens 423.
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Zu
dem anderen Ende der Schlitze 424 hin ist ein zweiter kleinerer
Pflock 426 ebenfalls in dem rohrförmigen länglichen Element 421 gleitbar
angebracht und unabhängig
von Pflock 422 beweglich. Der Pflock 426 ist durch
einen zweiten quer liegenden Scherstift oder -bolzen 427 an
dem Hauptkörper 428 des
beweglichen Geräts 420 befestigt.
Der Schaft des Scherstiftes oder -bolzens 427 kann ebenfalls
in den Schlitzen 424 gleiten.
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Zwischen
den Pflöcken 422 und 426 ist
ein piezoelektrisches Betätigungselement 429 des
Typs angeordnet, das durch Physikcomponente vertrieben wird und
dessen Einzelheiten im Internet unter www.Physikcomponente.com verfügbar sind.
Ein solches piezoelektrisches Betätigungselement ist von seinem
Vertreiber als keramischer PZT-Stapel beschrieben, der durch ein
Edelstahlgehäuse
mit innerer Federvorspannung geschützt ist. (Die Abkürzung „PZT" bedeutet Bleizirkonattitanat).
In 11 ist das Edelstahlgehäuse nicht gezeigt. 11 zeigt
jedoch einen Stapel piezoelektrischer Kristalle 430, von
denen jeder sandwichartig zwischen einem (nicht gezeigten) Elektrodenpaar
angeordnet ist, wobei die Elektroden jedes Kristalls 430 von
denen der Nachbarkristalle 430 elektrisch isoliert sind.
Das Betätigungselement 429 hat
ein Außengewindeende 431, mit
dem es in einer entsprechenden Bohrung in dem Pflock 422 befestigt
ist, und ein Innengewindeende 432, mit dem ein entsprechender
(nicht gezeigter) Außengewindezapfen
auf Pflock 426 in Eingriff ist.
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Ein äußeres Ringelement 425 ist
glockenförmig
und selbst in einem glockenförmigen
Endteil 433 des Hauptkörpers 428 aufgenommen.
Das offene Ende des glockenförmigen äußeren Ringelements 425 ist
durch ein ringförmiges
Endelement 434 geschlossen, das durch Schrauben 435 festgehalten ist.
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Schrauben 436 befestigen
einen ringförmigen
Endverschluss 437 an dem glockenförmigen Endteil 433,
um das offene Ende des Hauptkörpers 428 zu
verschließen.
Federn 438 drücken
auf den Endverschluss 434 und drücken daher das äußere Ringelement 425 von
dem Endverschluss 437 weg. Innerhalb des äußeren Ringelements 425 ist
eine Anzahl von Bremskörpern 439 angebracht,
von denen nur zwei in 11 gezeigt sind und die symmetrisch um
die Längsachse
des beweglichen Geräts 420 angeordnet
sind. Es können
z. B. acht solche Bremskörper 439 vorhanden
sein. Federbelastete Kugellager 440 und 441 drücken gegen
die Bremskörper 439.
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Das
andere Ende des Hauptkörpers 428 ist ebenfalls
als zweites glockenförmiges
Teil 442 ausgebildet, dessen offenes Ende durch ein weiteres ringförmiges Element 443 verschlossen
ist, das durch Schrauben 444 festgehalten wird. Ein zweiter Satz
Bremskörper 445 ist
in dem Hohlraum des glockenförmigen
Endteils 442 angeordnet. Federbelastete Kugellager 446 und 447 drücken gegen
die Bremskörper 445.
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Der
fachkundige Leser erkennt, dass die Bremskörper 439 und 445 eine
Bewegung des beweglichen Geräts 420 längs des
rohrförmigen
länglichen
Elements 421 erlauben, jedoch nur in einer Richtung, nämlich bei
der Abbildung in 11 in der Richtung nach oben.
Eine Bewegung des beweglichen Geräts 420 in der Gegenrichtung,
nämlich
bei der Abbildung in 11 nach unten, wird durch die Bremskörper 439 und 445 verhindert.
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Die
Bezugszahl 448 bezeichnet eine Belastungszelle in der Form
eines piezoelektrischen Kristalls, der in das piezoelektrische Betätigungselement 429 eingebaut
ist und durch den die Last überwacht werden
kann, die auf das piezoelektrische Betätigungselement 429 aufgelegt
oder ausgeübt
wird. Eine Zunge 449, die von dem zweiten glockenförmigen Teil 442 in
den Schlitz 424 vorragt, verhindert eine Drehung des beweglichen
Geräts 420 um
die Achse 24 des länglichen
Elements 23. Zwischen dem beweglichen Gerät 420 und
dem länglichen
Element 421 sind Lager 450 und 451 vorgesehen.
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Die
Anlegung einer Spannung an die piezoelektrischen Kristalle 430 des
piezoelektrischen Betätigungselements 429 wird
das bewegliche Gerät 400 im
Betrieb veranlassen, sich in der Länge um z. B. bis zu 120 μm, z. B.
etwa 40 μm
mit einer Geschwindigkeit auszudehnen, die durch die Geschwindigkeit
des Anstiegs des angelegten Spannungspotentials bestimmt wird. Die
Bremskörper 439 verhindern,
dass sich das äußere Ringelement 425 abwärts bewegt (wie
in 11 gezeichnet, jedoch ermöglichen die Brems körper 445 dem
Hauptkörper 428 eine
Aufwärtsbewegung
(wie in 11 gezeigt). Daher wird sich
der Hauptkörper 428 aufwärts bewegen
und die Federn 438 zusammendrücken, da das äußere Ringelement 425 stationär bleiben
wird.
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Nach
Wegnahme der Spannung wird das piezoelektrische Betätigungselement 429 seine
ursprüngliche
Länge wieder
annehmen. Die Bremskörper 445 werden
den Hauptkörper 428 nun
an einer Abwärtsbewegung
(wie in 11 gezeichnet) hindern, jedoch
werden die Bremskörper 439 nun
dem äußeren Ringelement 425 erlauben,
sich unter dem Einfluss der Federn 438 aufwärts (wie
gezeichnet) zu bewegen.
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Bei
Wiederanlegung einer Spannung an die Kristalle 430 des
piezoelektrischen Betätigungselements 429 kann
das bewegliche Element 420 veranlasst werden, sich an dem
rohrförmigen
länglichen Element 421 um
eine weitere Stufe aufwärts
(wie gezeichnet) zu bewegen.
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Wenn
der Hauptkörper 420 durch
herkömmliche
Stifte (nicht gezeigt) mit dem einen Ende des zu verlängernden
oder zu begradigenden Knochens verbunden ist und das rohrförmige längliche
Element 421 ebenfalls durch herkömmliche Stifte (nicht gezeigt)
mit dessen anderem Ende verbunden ist, kann der Mechanismus 400 zur
Verlängerung
oder Begradigung des Knochens eines Patienten dienen.
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12 zeigt
eine Folge von Arbeitsgängen für das bewegliche
Gerät 320 der 8 bis 10. In 12 ist
die „untere
Klammer" das piezoelektrische
Betätigungselement 326a,
während
die „obere Klammer" das andere piezoelektrische
Betätigungselement 326b und
das „Betätigungselement" das piezoelektrische
Betätigungselement 335 ist.
Die Zeitskala wird in willkürlichen
Einheiten gemessen. Der Zustand des „unteren" piezoelektrischen Betätigungselements 326a ist
durch das unterste Kurvenbild der 12, der
des piezoelektrischen Betätigungselements 335 durch
das mittlere Kurvenbild und der des „oberen" piezoelektrischen Betätigungselements 326b durch
das oberste Kurvenbild gezeigt.
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Zur
Zeit Null wird eine Spannung an die Kristalle des piezoelektrischen
Betätigungselements 326b angelegt,
um es zu ver anlassen, sich auszudehnen und den eingeschnürten Stab 325b zu
strecken und dadurch die Klemmwirkung des zweiten Kriecherteils 322 auf
das längliche
Element 21 aufzuheben. Dies ist in 12 durch
die Bezeichnung „KLEMMUNG
AB" an dem oberen
Kurvenbild angegeben. An dem piezoelektrischen Betätigungselement 326a liegt
keine Spannung an, so dass das Kriecherteil 321 an das
längliche
Element 21 geklemmt bleibt. Dies ist durch die Bezeichnung „KLEMMUNG
AN" neben dem untersten
Kurvenbild der 12 angegeben.
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Ein
wachsendes Gleichspannungspotential wird an das piezoelektrische
Betätigungslement 325 angelegt,
wodurch dieses veranlasst wird, sich auszudehnen und das zweite
Kriecherteil 322 längs
des länglichen
Elements 321 zu seinem distalen Ende 23 hin mit
einer Geschwindigkeit zu bewegen, die von der Geschwindigkeit des
Anstiegs (oder der Zunahmegeschwindigkeit) des an das piezoelektrische
Betätigungselement 335 angelegten
Gleichspannungspotentials abhängt,
wie an dem mittleren Kurvenbild der 12 (das
mit „VERLÄNGERN" und „ZUSAMMENZIEHEN" beschriftet ist)
angegeben ist. Wenn das an das piezoelektrische Betätigungselement 335 angelegte
Spannungspotential eine bestimmte Spitzenspannung, z. B. 1000 V
erreicht, wird sie auf diesem Wert eine kurze Zeit gehalten, während der
das an das piezoelektrische Betätigungselement 326b angelegte
Spannungspotential auf Null reduziert wird. Infolgedessen nehmen
das piezoelektrische Betätigungselement 326b und
der eingeschnürte Stab 325b ihre
ursprünglichen
Längen
wieder an, und die Klemmwirkung des zweiten Kriecherteils 322 tritt
wieder ein. Dies wird durch die Bezeichnung „KLEMMUNG AB" an dem obersten
Kurvenbild der 12 angegeben. Während noch
das maximale Gleichspannungspotential an dem piezoelektrischen Betätigungselement 325 anliegt,
wird ein entsprechendes Spannungspotential an das piezoelektrische
Betätigungselement 326a angelegt,
das veranlasst, dass sich dieses und der eingeschnürte Stab 325a ausdehnen
und dadurch die Klemmwirkung des ersten Kriecherteils 321 auf
dem länglichen
Element 21 aufheben, wie durch die Bezeichnung „KLEMMUNG
AB" an dem untersten
Kurvenbild der 12 angegeben ist. Zur Beendigung
des Zyklus wird dann das an das piezoelektrische Betätigungselement 335 angelegte
Spannungspotential auf Null reduziert, wodurch es veranlasst wird,
seine ursprüngliche
Länge wieder
anzunehmen, und wodurch die Zugfeder 334 das erste Kriecherteil 221 längs des
länglichen
Elements 21 zu seinem distalen Ende 23 hin ziehen kann.
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Diese
Arbeitsgänge
werden dann wiederholt, um das bewegliche Gerät zu veranlassen, sich längs des
länglichen
Elements 21 langsam nach „Zollschnecken"-Art zu bewegen.
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Vorzugsweise
werden die durch die Anlegung des ausgewählten Spannungspotentials an
das piezoelektrische Betätigungselement 335 verursachte
Verlängerung
und die Anzahl der Zyklen pro Tag, in denen diese Arbeitsweise wiederholt
wird, so ausgewählt,
dass sich eine Geschwindigkeit der Bewegung des beweglichen Geräts 320 längs des
länglichen
Elements 21 ergibt, die etwa 1 mm pro Tag beträgt.
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Variationen
innerhalb jedes Zyklus sind möglich.
Anstatt eine Anstiegsgeschwindigkeit des an das piezoelektrische
Betätigungselement 335 angelegten
Spannungspotentials so zu wählen,
dass das Spannungspotential wie in 12 gezeigt über den größten Teil
des Zyklus stetig zunimmt und zwischen aufeinander folgenden Zyklen
nur ein kurzes Zeitintervall zugelassen wird, ist es alternativ
z. B. möglich, eine
etwas schnellere Geschwindigkeit des Anstiegs des an das piezoelektrische
Betätigungselement 335 angelegten
Spannungspotentials zu benutzen, jedoch nur über einen Teil von jedem Zyklus,
z. B. etwa 50% von jedem Zyklus, bis das gewünschte maximale Spannungspotential
erreicht ist. In diesem Fall kann das maximale Spannungspotential über einen wesentlichen
Teil des Rests von jedem Zyklus auf einem im Wesentlichen konstanten
Wert gehalten werden.
-
Ein
Schwingungssignal kann gewünschtenfalls
an irgendeinem Punkt während
des Zyklus angelegt werden, solange die Amplitude des Hochfrequenzsignals
kleiner als die Verlängerung
ist, die durch das Spannungspotential schon zu der Zeit verursacht
wurde, als das Schwingungssignal aufgegeben wurde. Zweckmässigerweise
wird das Schwingungssignal aufgegeben, nachdem im Verlaufe des Zyklus
die vollständige
Verlängerung
erreicht worden ist. Es kann jedoch gewünschtenfalls aufgegeben werden,
bevor die voll ständige
Verlängerung
erreicht wurde. Ein solches Schwingungssignal kann z. B. eine Frequenz,
typischerweise eine Sinuswellenfrequenz von etwa 5 Hz bis etwa 1
kHz sein mit einer Amplitude von nicht mehr als etwa 10 μm, und es
wird vorzugsweise nach Erreichen der durch das Spannungspotential
verursachten maximalen Verlängerung
aufgegeben, z. B. nachdem die Verlängerung des piezoelektrischen
Betätigungselements 335 etwa
40 μm von
seiner maximal zulässigen
Verlängerung
von etwa 120 μm
erreicht hat. Damit das piezoelektrische Betätigungselement 335 nicht
geschädigt wird,
darf die Amplitude irgendeines Schwingungssignals in keinem Fall
die Verlängerung übersteigen, die
durch das Gleichspannungsspotential verursacht wurde, dem das Schwingungssignal überlagert
ist. In diesem Fall erfährt
das piezoelektrische Betätigungselement 335 während des
zweiten Teils des Zyklus keine weitere Gesamtverlängerung,
obgleich es einer Schwingungsbewegung kleiner Amplitude unterworfen
sein kann. Die Funktion der piezoeletrischen Betätigungselemente 326a und 326b bleibt
wie in 12 angegeben.
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Es
ist natürlich
nicht nötig,
an die piezoelektrischen Betätigungselemente
wie das piezoelektrische Betätigungselement 335 immer
das maximal mögliche
sichere Betriebsspannungspotential anzulegen. Selbst wenn die durch
das piezoelektrische Betätigungselement
erreichbare maximal zulässige Verlängerung
etwa 120 μm
beträgt,
kann z. B. der Konstrukteur des Gewebedistraktors oder der dessen
Anwendung überwachende,
orthopädische
Chirurg entscheiden, dass sich das bewegliche Gerät in jedem
Zyklus nur z. B. um etwa 40 μm
bewegen soll. Dies hat den Vorteil, dass niedrigere maximale Spannungspotentiale
benutzt werden können
und so die Gefahr verringert wird, dass die äußere Isolierung des beweglichen
Geräts
durchschlagen wird und der Patient Elektroschocks erleiden kann.
Der Chirurg kann z. B. entscheiden, dass die Anwendung von 25 Zyklen
pro Tag von jeweils etwa 40 μm
die gewünschte
Distraktionsgeschwindigkeit von etwa 1 mm pro Tag ergeben wird,
wenngleich die maximale sichere zulässige Verlängerung des piezoelektrischen
Betätigungselements
etwa 120 μm
sein kann.
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13 ist
ein Blockdiagramm, das angibt, wie der Mechanismus 400 der 11 bei
einer postoperativen Behandlung eines Patienten mit einem Glied
benutzt wird, das mittels eines Knochenfixators 500 verlängert oder
begradigt werden muss, der ein bewegliches Gerät der in 11 dargestellten
Art enthält.
Der Fixator 500 kann als äußerer Fixator an der Außenseite
des Glieds des Patienten angebracht werden, oder er kann an oder
innerhalb des Knochens des Patienten chirurgisch implantiert werden.
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Der
Knochenfixator 500 ist an ein batteriebetriebenes Steuergerät 600 angeschlossen,
das im Falle eines äußeren Fixators
von dem Patienten getragen wird oder im Fall eines inneren Fixators
in ähnlicher
Weise wie ein Herzschrittmacher chirurgisch unter der Haut des Patienten
implantiert wird, um seine Entfernung zu vereinfachen, wenn die
Knochenverlängerung
oder -begradigung erfolgreich durchgeführt wurde. Der Chirurg kann
in diesem Falle entscheiden, den inneren Fixator zu entfernen, wenn
er an dem Knochen des Patienten angeordnet wurde, oder ihn am Ort
zu belassen, insbesondere, wenn der Knochenfixator in den Knochen
eingesetzt wurde.
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Das
Steuergerät 600 umfasst
einen Mikroprozessor 610, einen Verstärker 612 und einen
Rückkopplungsverstärker 614,
der für
den Empfang eines Eingangssignals von der Lastzelle 448 eingerichtet ist.
Er hat auch eine (nicht gezeigte) Batterie und möglicherweise auch eine Solarzelle
oder ein induktives Zwischenglied für die Wiederaufladung der Batterie.
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In
einem Krankenhaus oder einer Klinik oder in den Sprechzimmern des
Chirurgen werden die zur Steuerung der Ausdehnungsgeschwindigkeit
des Fixators 500 erforderlichen Parameter von einem Eingabegerät 700,
etwa einem Arbeitsplatzrechner in den Mikroprozessor 610 eingegeben.
Diese Parameter beinhalten die Anstiegsgeschwindigkeit der an das
piezoelektrische Betätigungselement 429 angelegten
Spannung. (Die Anstiegsgeschwindigkeit ist in 12 durch
die geneigten Linien des mittleren Kurvenbildes angegeben, die mit „VERLÄNGERN" und „ZUSAMMENZIEHEN" bezeichnet sind).
Die Parameter können
auch eine Übertragungsfunktion
(z. B. das Verhältnis
zwischen der Belastung, die auf den der Distraktion unterliegenden
Knochen oder anderes Gewebe gemäß Erfassung
durch die Lastzelle 448 ausgeübt wird, und der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit)
sowie Sicherheitstriggerwerte umfassen, um zu verhindern, dass das
Betätigungselement 429 den
in der Distraktion befindlichen Knochen oder anderes Gewebe überlastet.
Der Parameter kann auch die Operationsperiode enthalten, in der
das Distraktionsverfahren, z. B. die Knochenverlängerung oder -begradigung durchzuführen ist.
Der Chirurg kann bei periodischen Konsultationen den Fortschritt des
Patienten periodisch überwachen
und das Eingabegerät 700 benutzen,
um die Parametereingabe in den Mikroprozessor 610 zu variieren.
Durch Trennung des Eingabegeräts
von dem Steuergerät 600 wird
das Risiko vermieden, dass der Patient den geplanten Betrieb des
Knochenfixators 500 zufällig
verändert.
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Der
Mikroprozessor 610 erhält
von der Batterie eine Energiezufuhr. Aufgrund der von dem Chirurgen über das
Eingabegerät 700 eingegebenen
Parameter und der Rückkopplungssignale
von dem Rückkopplungsverstärker 614 erzeugt
der Mikroprozessor 610 geeignete Signale an den Verstärker 612 mit
einer geeigneten Frequenz, um den Knochenfixator 500 zu
veranlassen, sich mit einer günstigen
Geschwindigkeit auszudehnen. Der Mikroprozessor 610 speichert
auch Informationen von dem Rückkopplungsverstärker 614 und
zeichnet die Aufeinanderfolge der Ausgangssignale an Verstärker 612 auf.
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Das
piezoelektrische Betätigungselement 429 reagiert
auf die Spannungssignale von dem Verstärker 612 und dehnt
sich in Reaktion auf die geeignete Befehlseingabe von dem Eingabegerät 700 in den
Mikroprozessor 610 mit einer kontrollierten Geschwindigkeit
von etwa 1 mm je Tag aus. Die Lastzelle 448 wirkt als Sensor
zur Überwachung
der von dem piezoelektrischen Betätigungselement 429 auf den
Fixator 500 ausgeübten
Belastung. Wenn das Betätigungselement
versehentlich eine übermäßige Belastung
aufbringt, wird dies über
den Rückkopplungsverstärker 614 an
den Mikroprozessor 610 signalisiert, der dann die Belastung
z. B. durch Verminderung der Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung reduziert.
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14 ist
ein Blockdiagramm, das zeigt, wie es möglich ist, das bewegliche Gerät 300 der 8 bis 10 zu
steuern. (In 14 bezeichnet die Abkürzung „PZT" ein piezoelektrisches
Bleizirkonattitanat-Betätigungselement).
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15 zeigt
eine weitere Mechanismusform 800 für den Antrieb eines selbst
verlängerbaren
Knochenfixators. Diese umfasst ein bewegliches Gerät 820,
das auf einem rohrförmigen
länglichen
Element 821 gleitbar angebracht ist. In 15 ist
das rohrförmige
längliche
Element 821 als relativ kurz gezeigt. Sein proximales Ende
ist durch die Bezugszahl 22 und sein distales Ende durch
die Bezugszahl 23 bezeichnet. Das Element 821 kann
jedoch ebenso wie das längliche
Element 421 der Ausführungsform
der 11 eine zweckmäßige Länge haben,
die z. B. von der Länge
des zu verlängernden
oder zu begradigenden Knochens abhängt.
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Ein
Pflock 822 ist in dem rohrförmigen länglichen Element 821 gleitbar
angeordnet und durch einen quer liegenden Scherstift oder -bolzen 823,
dessen Schaft in einem in dem rohrförmigen länglichen Element 821 befindlichen
Schlitz 824 gleiten kann, an einem ersten ringförmigen Kriecherteil 825 befestigt, das
das rohrförmige
längliche
Element 821 umgibt. Dieses trägt an seinem proximalen Ende
ein Lager 826 und an seinem distalen Ende ein Lager 827.
Der Scherstift oder -bolzen 823 geht durch das Lager 826 hindurch,
wobei eins seiner Enden in dem Körper
des ersten Kriecherteils 825 aufgenommen ist.
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Das
erste Kriecherteil 825 hat einen erweiterten Teil 828 mit
einem inneren Hohlraum 829, in dem mehrere Bremskörper 830 angeordnet
sind, von denen nur zwei in 15 gezeigt
sind und die um die Längsachse
des beweglichen Geräts 820 symmetrisch
angeordnet sind. Es können
z. B. acht solche Bremskörper 830 vorhanden
sein. Federbelastete Kugellager 831 und 832 drücken gegen
die Bremskörper 830.
Eine Bohrung 833 schafft Zugang zu der Einstellschraube.
jedes federbelasteten Kugellagers 832.
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An
dem distalen Ende des ersten Kriecherteils 825 ist ein
ringförmiger
Flansch 834 ausgebildet, der mit Bohrungen 835 für Bolzen 836 versehen
ist. Die Bolzen 836 greifen durch die Bohrungen 835 und sind
in ihnen gleitbar gelagert sowie in das zweite Kriecherteil 837 eingeschraubt.
Federbelastete Unterlegscheiben 838 spannen das erste Kriecherteil 825 und
das zweite Kriecherteil 837 gegeneinander.
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Das
zweite Kriecherteil 837 hat ebenfalls eine Erweiterung 839 mit
einem inneren Hohlraum 840. In dem inneren Hohlraum 840 sind
Bremskörper 841 angeordnet.
Es können
z. B. acht Bremskörper 841 jeweils
unter der Einwirkung federbelasteter Kugellager 842 und 843 vorhanden
sein.
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Ein
Lager 844 ist an dem distalen Ende der Erweiterung 839 angeordnet.
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Das
distale Ende des zweiten Kriecherteils 837 ist durch einen
Gewindestopfen 845 verschlossen, in dem eine Lastzelle 846 untergebracht
ist.
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Zwischen
der Lastzelle 846 und dem Stopfen 822 ist ein
piezoelektrisches Betätigungselement
aus einem Stapel piezoelektrischer Kristalle 847, die jeweils
zwischen einem (nicht gezeigten) Elektrodenpaar sandwichartig eingelegt
sind, wobei die Elektroden jedes Kristalls 847 von denen
der Nachbarkristalle 847 elektrisch isoliert sind. Die
Kristalle 847 sind in einem (nicht gezeigten) Edelstahlgehäuse mit
innerer Federvorspannung enthalten. Das piezoelektrische Betätigungselement
hat ein Außengewindeende 848,
durch das es in einer entsprechenden Bohrung in dem Pflock 822 befestigt
ist, und ein Innengewindeende 849, in das ein in dem Pflock 845 angebrachter
entsprechender Außengewindezapfen 850 eingeschraubt
ist.
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Wie
von dem kundigen Leser erkannt wird, erlauben die Bremskörper 830 und 841 eine
Bewegung des beweglichen Geräts 820 längs des
rohrförmigen
länglichen
Elements 821, aber nur in einer Richtung (nämlich nach
Abbildung in 15 in der Aufwärtsrichtung),
d. h. in der distalen Richtung des länglichen Elements 821.
Eine Bewegung des beweglichen Geräts 820 in der Gegenrichtung,
d. h. gemäß Abbildung
in 15 abwärts
zu dem proximalen Ende 22 des länglichen Elements 821 wird
durch die Bremskörper 830 und 841 verhindert.
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Beim
Betrieb des beweglichen Geräts 800 wird
das piezoelektrische Betätigungselement
durch Anlegen einer Spannung an die piezoelektrischen Kristalle 847 veranlasst,
sich in der Län ge
um z. B. bis zu 120 μm,
z. B. etwa 40 μm
mit einer Geschwindigkeit auszudehnen, die durch die Anstiegsgeschwindigkeit
des angelegten Spannungspotentials bestimmt wird. Die Bremskörper 830 verhindern, dass
sich das erste Kriecherteil 825 abwärts (gemäß Zeichnung in 15)
zu dem proximalen Ende 22 des länglichen Elements 821 bewegt,
aber die Bremskörper 841 ermöglichen
es, dass sich das zweite Kriecherteil 837 aufwärts (gemäß Darstellung in 15)
in distaler Richtung des länglichen
Elements 821 bewegt. Daher wird sich das zweite Kriecherteil 837 nach
oben bewegen und die federnden Unterlegscheiben 838 komprimieren.
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Nach
Entfernung des Spannungspotentials wird das piezoelektrische Betätigungselement
wieder seine ursprüngliche
Länge annehmen.
Die Bremskörper 841 werden
nun verhindern, dass sich das zweite Kriecherteil 837 abwärts (gemäß Zeichnung
in 15) bewegt, aber die Bremskörper 841 erlauben nun
dem ersten Kriecherteil 825, sich unter der Einwirkung
der federnden Unterlegscheiben 838 aufwärts (gemäß Zeichnung) zu bewegen.
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Bei
Wiederanlegung eines Spannungspotentials an die Kristalle 847 des
piezoelektrischen Betätigungselements
kann das bewegliche Element 820 veranlasst werden, sich
um eine zusätzliche
Stufe auf dem rohrförmigen
länglichen
Element 821 nach oben (gemäß Zeichnung) zu seinem distalen
Ende 23 zu bewegen.
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Wenn
das erste Kriecherteil 825 oder das zweite Kriecherteil 837 durch
herkömmliche
Stifte (nicht gezeigt) und/oder einen Ring mit einem Ende des in
der Verlängerung
oder Begradigung befindlichen Knochens verbunden ist und wenn das
rohrförmige
längliche
Element 821 ebenfalls durch herkömmliche Stifte (nicht gezeigt)
und/oder einen Ring mit seinem anderen Ende verbunden ist, kann
der Mechanismus 800 dazu dienen, den Knochen eines Patienten
zu verlängern
oder zu begradigen.
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Obgleich
jeder der dargestellten Mechanismen mit einem einzigen beweglichen
Gerät auf
dem länglichen
Element gezeigt wurde, wird der Fachkundige erkennen, dass es möglich wäre, einen
Fixator mit einem länglichen
Element mit zwei beweglichen Geräten
zu benutzen und jeweils eins der chirurgisch getrennten Enden des
zu begradigenden oder zu verlängernden
Knochens an einem der beweglichen Geräte zu befestigen. In diesem
Fall wäre
ein Ende des länglichen
Elements das proximale Ende für
eins der beweglichen Geräte,
aber das distale Ende für
das andere bewegliche Gerät,
während
das andere Ende des länglichen
Elements das distale Ende für
das zuerst erwähnte
bewegliche Gerät,
aber das proximale Ende für
das an zweiter Stelle erwähnte
bewegliche Gerät
wäre.
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Erfindungsgemäße Gewebedistraktoren können in
der Chirurgie auch andere Anwendungen finden. In Fällen z.
B., in denen die Form der Wirbelsäule eine Korrektur erfordert,
kann ein Gewebedistraktor auf jeder Seite der Wirbelsäule des
Patienten angesetzt werden, wobei jeder Distraktor mit wenigstens
zwei Wirbeln verbunden wird. Dadurch, dass man dann einen Distraktor
mit größerer Geschwindigkeit
verlängert
als den anderen, kann versucht werden, Missbildungen und Fehlstellungen
der Wirbelsäule
zu heilen. Andere Verwendungen, die für die erfindungsgemäßen Gewebedistraktoren
ins Auge gefasst werden können,
sind die kosmetische Chirurgie, z. B. zur Veränderung der Form der Nase,
des Wangenknochens oder des Unterkiefers des Patienten. Andere Anwendungen
des erfindungsgemäßen Gewebedistraktors
sind den Fachleuten leicht erkennbar.