WO2009050089A1

WO2009050089A1 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des verankerungszustandes einer implantierten endoprothese

Info

Publication number: WO2009050089A1
Application number: PCT/EP2008/063473
Authority: WO
Inventors: Dietmar Ruwisch
Original assignee: Dietmar Ruwisch
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2008-10-08
Publication date: 2009-04-23
Also published as: EP2197353A1; US20100222675A1; DE102007048595B3

Abstract

Bei einer Vorrichtung (10, 10') zur Bestimmung des Verankerungszustandes einer implantierten Endoprothese (12, 12') umfassend: - Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese (12, 12'), und - Mittel zum Erfassen des Schwingungszυstandes der Endoprothese (12, 12'), wird vorgeschlagen, dass die Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese (12, 12') dazu angelegt sind, ein moduliertes Uitraschallsignal auszusenden, umfassend ein Ultraschallträgersignal und ein durchstimmbares Modulationssignal.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Vβrankerungszustandes einer implantierten Endoprothese

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Verankerungszustandes einer implantierten Endoprothese, umfassend: - Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese, und - Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese,

Eine derartige Vorrichtung ist für den konkreten Fall einer implantierten Hüftprothese bekannt aus dem Artikel von R. Puers et a\. "A telemetry System for the detection of hip prosthesis loosening by Vibration anafysis", EUROSENSORS XIH, 13^ih European Conference on Solid-State

Transducers, 12. - 15. September 1999, Den Haag. Seiten 757 - 760. Die Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese umfassen hierbei eine Rütteleinrichtung, die im Bereich des Oberschenkelknochens eines Patsenten auf das Gewebe aufgesetzt wird. Die Rütteleinrichtung versetzt den gesamten Oberschenkel und somit auch den Oberschenkelknochen und die darin impiantierte Hüftprothese in Schwingungen. Als Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes umfasst diese Vorrichtung des Stands der Technik einen im oberen Bereich der Hüftprothese eingebauten Beschleunigungssensor, der in Abhängigkeit von einer Beschleunigung oder Abbremsung ein entsprechendes Signal erzeugt. Insbesondere durch stoßartige Belastungen des Beschleunigungssensors wird ein markantes Signal ausgelöst. Es hat sich herausgestellt, dass die Signale des Beschleunigungssensors in hohem Maße davon abhängig sind, ob die Hüftprothese fest im Knochen verankert ist, was zu einer direkten Übertragung der auf den Knochen wirkenden Kräfte auf den Sensor führt, oder ob die Prothese gelockert ist, wodurch die unmittelbare Kraftübertragung gestört ist. Letzteres äußert sich im Beschleunigungsverhalten der Prothese und dementsprechend im Ausgangssigna! des Beschleunigungssensors,

Diese Vorrichtung des Stands der Technik weist verschiedene Nachteile auf: Einerseits ist das !n-Schwingung-Versetzen des Oberschenkels für den

Patienten verhältnismäßig unangenehm, zumal angesichts der Dämpfung der Schwingungen im Gewebe große Schwingungsampütuden erforderlich sind, um auswertbare Messsignale zu erhalten. Andererseits ist die Anregung der Prothesenschwingungen bei dieser Vorrichtung verhältnismäßig schlecht definiert, denn sie hängt beispielsweise von der genauen Position des Aufsetzens der Rütteleinrichtung ab, ebenso wie vom Körperbau des Patienten, der Dicke verschiedener Gewebe- und Fettschichten etc. Außerdem wird bei dieser Vorrichtung nicht nur die eigentlich interessierende Prothese, sondern das gesamte Knochensystem, in dem sie implantiert ist, in Schwingung versetzt. Es hat sich daher in der

Praxis gezeigt, dass eine genau definierte Schwingungsanregung der Prothese mit einem derartigen System nur schwer realisierbar ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend weiterzuentwickeln, dass bei geringerer Belastung des Patienten eine genauere und besser reproduzierbare Bestimmung des Verankerungszustandes der implantierten Endoprothese ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese dazu ausgelegt sind, ein moduliertes Ultraschallsignal auszusenden, umfassend ein UltraschaJlträgersigna! und ein durchstimmbares Modulationssignai.

Das Modulationssignal ist in seiner Frequenz durehstimmbar, urn an der Grenzfläche zwischen der Endoprothese und dem umgebenden Gewebe, insbesondere umgebendem Knochen. einen kontrollierbaren

Energieübertrag auf die implantierte Endoprothese zu bewirken. Dies versetzt die Endoprothese in eine erzwungene Schwingung mit der Frequenz des Moduiationssignals. Das Uitraschaliträgersignai dient im Wesentlichen "nur" dazu, das Moduiationssignai durch den menschlichen oder tierischen Körper hindurch bis zur Endoprothese zu transportieren. Auf diese Weise kann mit Hilfe des in der Frequenz durchstimrnbaren

Modulationssignals und seines Energieübertrags auf die Endoprothese eine Schwingungsanregung der Prothese ohne gleichzeitige direkte Schwingungsanregung des umgebenden Knochens erreicht werden. Die Benutzung von Uitraschailsignaien ist aus zahlreichen medizinischen Untersuchungsverfahren bekannt, beispielsweise bildgebenden Verfahren, und für den Patienten üblicherweise nicht mit Belastungen oder gar Schmerzen verbunden.

Das dem Ultraschallträgersignal überlagerte Moduiationssignai soll sicherstellen, dass an der Grenzfläche zwischen Endoprothese und umgebendem Knochen ein Energieübertrag auf die Prothese erfolgt, der selbige zu einer erzwungenen Schwingung anregt. Grundsätzlich käme hierfür eine Frequenzmodulation des Trägersignals mit Hilfe des

IVSodulationssignals in Betracht. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass das modulierte Ultraschallsignal ein amplitudβnmoduliertes Ultraschallsigna! ist, welches technisch besonders einfach zu generieren ist.

Die Funktion des Ultraschallträgersignals besteht im wesentlich darin, das Modulationssignal bis zur Grenzfläche zwischen der Endoprothese und dem umgebenden Knochen zu transportieren. Daher ist die Frequenz des

Uifraschallträgersignals vorzugsweise derart gewählt, dass das Material eines Körpers, in welchem die Endoprothese implantiert ist, im Wesentlichen ungestört durchdrungen wird. Als "Material" des Körpers sind hierbei beispielsweise verschiedene Hautschichten, Fettschichten, Knochen etc. anzusehen. Im üblichen Fall einer Endoprothese, die in einem menschlichen oder tierischen Körper implantiert ist, führt dies in der Rege! dazu, dass die Frequenz des Ultraschallträgersignals innerhalb eines Frequenzinfervaüs von 2OkHz bis 40 MHz liegt und vorzugsweise ca. 100 kHz beträgt.

Grundsätzlich wäre es möglich, zur Bestimmung des Verankerungszustandes der implantierten Endoprothese eine vorbestimmte Frequenz des Modulationssignals einzustellen, die Prothese folglich zu einer erzwungenen Schwingung mit eben dieser Frequenz anzuregen, und beispielsweise mit Hilfe der Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes die Amplituden der erzwungenen Schwingung zu untersuchen. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass die Mittel zur Schwingungsanregung dazu ausgelegt sind, die Frequenz des Modulationssignals in einem Frequenzintervall, das mindestens eine eαvartete Resonanzfrequenz der Endoprothese urnfasst, durchzustimrnen.

Die Mittel zur Schwingungsanregung erlauben es dann, als Frequenz der erzwungenen Schwingung eine Eigenfrequenz der implantierten Endoprothese zu finden, so dass diese zu Resonanzschwingungen angeregt wird. Aufgrund des in diesem Fall maximalen Energieübertrags vom eingestrahlten Gesamt-Ultraschallsignal auf die implantierte Prothese können die Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Prothese dann besonders deutliche Signale liefern, die eine Bestimmung ermöglichen, ob sich die Endoprothese gelockert hat, insbesondere mit Hilfe eines Vergleichs einer aktuell gefundenen Resonanzfrequenz der Endoprothese mit einer bei einer früheren Untersuchung festgestellten Resonanzfrequenz,

Zweckmäßigerweise sollte daher das Frequenzintervall zum Durchstimmen der Modulationssignaifrequenz zwischen 100Hz und 1 OkHz liegen. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass die häufig mehreren Resonanzfrequenzen einer geiockerten Prothese (beispielsweise Eigenfrequenzen von

Biegeschwingungen oder Torsionsschwingungen in verschiedenen Raumrichtungen) regelmäßig in diesem Frequenzmtervaii liegen. In einer einfachen Ausfuhrungsfoäm der Erfindung ist vorgesehen dass die Mitte! zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese einen an der Endoprothese angebrachten Sensor umfassen, der dazu ausgelegt ist, den Schwingungszustand der Endoprothese zu erfassen, und eine

Transpondereinheit, die dazu ausgelegt ist, vorn Sensor ausgegebene Schwingungsmesssignale an eine Signalverarbeitungseinheit zu übertragen, wobei der Sensor beispielsweise esn Beschleumgungs- Vibratsons- und/oder Wegmesssensor und/oder ein Laservibrometer ist Dse Verwendung derartiger Beschieunigungs- oder verwandter Sensoren zur Erfassung des

Schwingungszustandes einer implantierten Endoprothese ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt Es kann nochmals auf den eingangs bereits genannten Artikel von R Puers et al verwiesen werden, ebenso wie beispielsweise auf die DE 10342823A1 , auf die insofern voll umfänglich Bezug genommen wird

In dieser Ausfuhrungsform erlaubt die erfinduπgsgemaße Vorrichtung somit immer dann die Bestimmung des Verankerungszustandes der implantierten Endoprothese, wenn diese mit einem aus dem Stand der Technik an sich bekannten Beschieumgungs- oder ähnlichem Sensor ausgestattet ist

In esner Weiterbildung der Erfindung wird eine Ausfuhrungsform vorgeschlagen, die die Bestimmung des Verankerungszustandes unabhängig vom Vorhandensein eines derartigen Sensors ermöglicht, entweder weil der Sensor nicht mehr funktionsfähig ist, oder weil die

Prothese von vornherein ohne einen derartigen Sensor implantiert worden ist In dieser weiteren Ausfuhrungsform ist vorgesehen, dass die Mitte! zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese einen Ultraschallempfanger und eine Auswerteesnheit umfassen Der UltraschalSempfanger und die an ihn angeschlossene Auswerteeinheit ermittein den Verankerungszustand der Prothese dann anhand der von ihr bei jeder erzwungenen Schwingung ausgesandten Ultraschallsignale Insbesondere ist die Auswerteeinheit zweckmäßigerweise dazu ausgelegt, von der Endoprothese reflektierte und vom Uitraschailempängβr empfangene UitraschaüsignaSe zu analysieren. Diese Ausführuπgsform erlaubt es somit, mit Hilfe des modulierten Uitraschailsignais die implantierte Endoprothese in Resonanz anzuregen, nachdem die Frequenz des durchstimmbaren Modulationssignals auf die Eigenfrequenz der Prothese eingestellt worden ist. Es hat sich gezeigt, dass eine derart zu erzwungenen Schwingungen angeregte Prothese eine Frequenz- bzw. Phasenmodulation des reflektierten Ultraschalisignals im Vergleich zum eingestrahlten Ultraschall bewirkt. Somit lässt sich auch in dieser Ausführungsform der

Erfindung der Resonanzfail dadurch delektieren, dass man die Frequenz der Modulation des eingestrahlten Ultraschallsignals durchstimmt, bis die im reflektierten Ultraschallsignal mit Hilfe des Ultraschallempfängers und der ihm zugeordneten Auswerteeinheit beobachteten Modulationseffekte (Frequenz- bzw. Phasenmodulation) maximal sind.

Zur Vereinfachung der Signalauswertung ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass die Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese dazu ausgelegt sind, das Modulationssigna! abzuschalten und das Ultraschallträgersignal ohne Modulationssignal auszusenden. Sofern die

Prothese durch das Moduiatioπssignal fern der Resonanz angeregt worden ist, klingt die erzwungene Schwingung äußerst schnell ab. Es lassen sich dann nach dem Abschalten des Modulationssignals kaum noch Modulationseffekte im reflektierten Ultraschallsignal nachweisen. Sofern jedoch der Resonanzfai! eingetreten ist, d. h. das Moduiationssignal aufgrund geeigneter Frequenzwahi eine Eigenfrequenz der implantierten und gelockerten Endoprothese angeregt hat, schwingt diese auch nach Abschalten des Modulationssignals noch verhältnismäßig lang weiter, so dass sich Modulationseffekte im reflektierten Uitraschallsignal beobachten lassen, insbesondere in Form einer Frequenzmodulation. Daher ist in allen Varianten dieser auf einem Ultraschaüempfänger und einer angeschlossenen Auswerteeinheit basierenden Ausführungsform vorgesehen, dass die Analyse eine Frequenzanalyse umfasst. Im Übrigen ist die Untersuchung von Vorgängen im Körper eines Patienten mit Hilfe einer Frequenzanaiyse reflektierter Ultraschallsignale auf dem Gebiet der biidgebenden Verfahren allgemein bekannt, insbesondere in Form einer Doppleranalyse als besonders einfache Form einer Frequenzanalyse (vgl. beispielsweise die EP 1789747A1 ).

Zweckmäßigerweise können die Mittel zur Schwingungsanregung der

Endoprothese und der Ultraschallempfänger eine gemeinsame Uitraschallsende-Zempfangseinheit umfassen. Derartige kombinierte Ultraschall-sender/empfänger sind ebenfalls sowohl auf dem Gebiet der bildgebenden Ultraschallverfahren als auch beispielsweise auf dem Gebiet der Lithotripsie bekannt.

Bei den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformeπ und Varianten dient die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu, die Resonanzfrequenz der implantierten Endoprothese im Rahmen einer Untersuchung des Patienten zu erfassen und mit einer bei einer früheren Untersuchung ermittelten

Resonanzfrequenz zu vergleichen. Veränderungen der Resonanzfrequenz deuten darauf hin, dass sich der Verankerungszustand der Prothese verändert hat, was meist auf eine Lockerung schließen lässt. Stellt man hingegen fest, dass die ermittelte Resonanzfrequenz im Wesentlichen jener einer früheren Untersuchung entspricht, so liegt zumindest insofern kein

Hinweis auf eine Lockerung der Prothese vor. Eine ansonsten möglicherweise vorgenommene Revisionsoperation kann in diesem Fall unterbleiben. Zweckmäßigerweise sollte die erfindungsgemäEe Vorrichtung daher derart ausgestaltet sein, dass die Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese eine Speichereinheit zur

Speicherung früherer Messergebnisse, insbesondere früher festgestellter Resonanzfrequenzen der Endoprothese, umfassen, insbesondere in der oben beschriebenen Ausfuhrungsform, bei der ein an der Endoprothese angebrachter Sensor eingesetzt wird, kann eise Speichereinheit diesem Sensor zugeordnet und ebenfalls an der Prothese angebracht sein, so dass der Patient seine Messergebnisse quass mit sich tragt

In der oben beschriebenen weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung, die ohne einen derartigen Sensor arbeitet, befinden sich die Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese und somit auch die genannte Speicbereinheit außerhalb des Patienten, beispielsweise als Teil der Auswerteeinheit oder auch eines alle Komponenten der erfindungsgemäßen

Vorrichtung steuernden Computers

Der Vergleich zwischen einer aktuell bestimmten Resonanzfrequenz der Endoprothese mit einer früher bestimmten Resonanzfrequenz kann von entsprechend geschultem medizinischen oder technischen Personal vorgenommen werden Zweckmäßigerweise kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese eine Vergleichseinheit zum automatischen Vergleich von aktuellen mit früheren Messergebnissen umfassen.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bestimmung des Verankerungsszustandes einer implantierten Endoprothese unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese das modulierte UltraschaHsignal in Richtung der Endoprothese aussenden und der Schwingungszustand der

Endoprothese durch die Mitte! zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese erfasst wird

Bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung werden nachfolgend rein beispielhaft und ohne jegliche Beschrankung anhand der beigefügten

Zeichnungen erläutert werden, in denen Fig 1 Esne schematische Gesamtansicht einer ersten Ausfuhrungsform der erfsndungsgemaßen Vorrichtung zeigt

Fig 2A₁ 2B und 2C Typische zeitliche Verlaufe eines Ultraschalltragersignals, eines Moduiattonssignals bzw des resultierenden ampiitudenmoduherten Ultraschallsignals darstellen,

Fig 3 Esne schematische Gesamtansicht ähnlich Fig 1 für eine zweite Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung zeigt, und

Fig 4A und 4B einen restlichen Verlauf bzw ein Frequenzspektrum eines mit der Vorrichtung aus Fig 3 empfangenen Ultraschallsignals zeigen

Fig 1 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung 10 /ur Bestimmung des

Verankerungszustandes einer implantierten Endoprothese 12 Ohne jegliche

Einschränkung ist in Fig 1 schematisch der Fall einer Huftprothese 12 dargestellt, dse im Oberschenkelknochen 14 eines Patienten 18 implantiert ist Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemaße Vorrichtung in allen Ausfuhrungsforrnen selbstverständlich auch bei anderen

Endoprothesen esnsetzbar ist, beispielsweise künstlichen Kniegelenken

Die erfindungsgemaße Vorrichtung 10 soll die Bestimmung des Verankerungszustandes der Prothese 12 im Oberschenkelknochen 14 ermöglichen, um eine hierzu ansonsten klassischerweise vorgenommene

Revisionsoperation yegebenfalis überflüssig zu machen Crfmdungsgemaß umfasst dse in Fig 1 gezeigte erste Ausfuhrungsform der Vorrichtung 10 hierzu eine von einem zentralen Steuerungscomputer 18 kontrollierte Ulfraschallsendβemheit 20 Diese umfasst an ihrem in Fsg 1 linken Ende ein Koppelkissen 22, wie es von im Medizmsektor verwendeten

Urr/aschailgeraten grundsätzlich bekannt ist Zur Untersuchung des Patienten 18 wird die Ultraschallsendeeinheit 20 mit ihrem KoppeSkissen 22 in Kontakt mit dem Oberschenkel des Patienten 16 platziert, und Ultraschaliweilen in Richtung der Prothese 12 ausgesandt, wie in Fig. 1 durch schematisch eingezeichnete Wellenlinien symbolisiert wird.

Basierend auf der Kontrolle durch den Steuerungscomputer 18 sendet die

Uitraschailsendeβinheit 20 mit Hilfe des Koppeikissens 22 ein amplitudenmoduliertes Ultraschailsigna! aus, welches auf einem beispielhaft in Fig. 2A gezeigten Ultraschaüträgersϊgnai basiert, das mit einem in Fig. 2B beispielhaft gezeigten durchstimmbaren Modulationssignal moduliert wird, Das aus dieser Modulation resultierende modulierte Gesamt-

Ultraschallssgna! ist in Fig. 2C dargestellt. Bei den in den Figuren 2A bis 2C beispielhaft gezeigten Ultraschaliwellen beträgt die Frequenz des UitraschaliträgersignaJs ca. 80 kHz, die Frequenz des Modulationssignals ca. 1 O kHz.

Das in Fig. 2C dargestellte modulierte Gesamt-Uitraschailsϊgna! durchläuft das Gewebe des Patienten 16 vom Kontaktbereich des Koppelkissens 22 bis zur inneren Grenzfiäche zwischen dem Oberschenkelknochen 14 und der Prothese 12 im Wesentlichen veriustfrei. An dieser Grenzfläche versetzt das in Fig. 2C dargestellte modulierte Uitraschallsigπal die Prothese 12 in eine erzwungene Schwingung mit der Frequenz des in Fig. 2B schematisch dargestellten Modulationssignals.

Diese erzwungene Schwingung der Prothese 12 wird, wie es grundsätzlich beispielsweise aus der DE 10342823A1 für eine andere Art der

Schwingungsanregung bekannt ist, mit Hilfe eines Sensors 24 erfasst, der in der Ausführungsform der Fig. 1 beispielhaft im Kopf der Prothese 12 untergebracht ist. Über eine in den Sensor 24 eingebaute

Transpondereinheit werden entsprechende Schwingungsmesssignale, insbesondere Informationen über Amplitude und Frequenz der erzwungenen

Schwingung der Prothese 12, mitteis Funk an eine

Signalverarbeitungseinheit 28 übertragen, weiche wiederum an den zentralen Steuerungscomputer 18 angeschlossen ist. Es versteht sich selbstverständlich, dass die Signalverarbeitungseinheit 28 auch als integrierter Teil des Computers 18 ausgebildet sein kann.

Der Computer 18 steuert die Ultraschallsendeeinheit 20 so, dass die

Frequenz des Modulationssignals in einem Frequenzintervall von typischerweise ca. 100 Hz bis ca. 10 kHz durchgestimmt wird. Wie oben bereits erläutert, wird die Prothese 12 mit der jeweils eingestellten fviodulationsfrequenz zur erzwungenen Schwingung angeregt. Immer dann, wenn die Modulationsfrequenz somit eine von regelmäßig mehreren

Eigenfrequeri2en der implantierten Prothese 12 erreicht, beispielsweise eine Eigenfrequenz einer Biegeschwingung oder einer Torsionsschwingung, tritt ein Resonanzfail ein, d. h. die Prothese 12 schwingt mit besonders stark ausgeprägten Schwingungsamplituden, wobei diese Schwingung auch nach Abschalten der Modulation merklich andauert.

Der Steuerungscomputer 18 ist dazu ausgelegt, die über den Sensor 24 und die Signalverarbeitungseinheit 28 an ihn gelieferten Schwingungsmesssignale automatisch auf das Auftreten von Resonanzen zu untersuchen, insbesondere Resonanzfrequenzen zu bestimmen und abzuspeichern. Stellt man fest, dass die bei einer Untersuchung des Patienten 18 auftretenden Resonanzfrequenzen im Wesentlichen identisch sind mit denjenigen Resonanzfrequenzen, die bei einer vergangenen Untersuchung beobachtet wurden, liegt insofern kein Indiz für eine Lockerung der Prothese 12 vor, deren Schwingungsverhalten sich offensichtlich nicht geändert hat. Wird hingegen eine Verschiebung mindestens einer Resonanzfrequenz im Vergleich zu einer der früheren Untersuchungen beobachtet, so stellt dies ein starkes Indiz dafür dar, dass sich mindestens eine der mögiichen Eigenschwingungen der Prothese 12 verändert hat, was auf eine Lockerung der Prothese 12 hinweist. Wie in Fig. 1 schemafisch angedeutet ist, umfasst der zentrale Steuerungscomputer 18 einen Bildschirm 28, auf dem beispielsweise die abgestrahlten Ultraschaiiwellen dargestellt werden können. Zweckmäßigerweise ist der Steueruπgscomputer 18 ferner dazu ausgelegt, im Verlauf der Untersuchung des Patienten 18 die aktuell bestimmten

Resonanzfrequenzen anzuzeigen, ebenso wie beispielsweise eine entsprechende Benachrichtigung, falls Veränderung gegenüber abgespeicherten früheren Messergebnissen festgestellt werden. Hierzu ist der Steuerungscomputer 18 zweckmäßigerweise mit einer in den Figuren nicht dargestellten Speichereinheit zur Speicherung der Messergebnisse, insbesondere früher festgestellte Resonanzfrequenzen der Prothese 12, ausgestattet, ebenso wie vorteiihafterweise auch mit einer Vergleichseinheit zum automatischen Vergleich aktueller Messergebnisse mit früheren Messergebnissen.

Während die in Fig. 1 schernatisch dargestellte erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 hinsichtlich der Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Prothese 12 in Form des Sensors 24 und der Signalverarbeitungseinheit 28 auf aus dem Stand der Technik bekannte Technologien zurückgreifen kann, wird nachfolgend anhand der Figuren 3,

4A und 4B eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10' vorgestellt, die auch bei Prothesen 12' zum Einsatz gelangen kann, die keinen derartigen Sensor aufweisen. Bei der in Figur 3 schematisch dargestellten zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10' kontrolliert der zentrale Steuerungscomputer 18 eine kombinierte UltraschaHsende-Zempfangseinhβit 30. Diese umfasst eine Uifraschallsendeeinheit 20 ähnlich jener der ersten Ausführungsform aus Fig. 1 , femer eine Ultraschailempfangseinheit 32 sowie wiederum ein Koppelkissen 22, welches beiden Einheiten 20, 32 zugeordnet ist, Sendeseitig, d. h. hinsichtlich der Aussendung von Ultraschallwelien mit Hilfe der Sendeeinheit 20 und des Koppelkissens 22 in Richtung der implantierten Prothese 12' kann auf die erste Ausführungsform der Fig. 1 verwiesen werden, insbesondere ensprecheπ das ausgesaπdte Ultraschallträgersigna!, das durchstimmbare Modulationssigna! und das hieraus resultierende modulierte UltraschallsignaJ wiederum den anhand der Fig. 2A, 2B bzw. 2C gezeigten Wellenverläufen.

Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1Ö^! unterscheidet sich hingegen empfangsseitig von der ersten Ausführungsform, d. h. hinsichtlich der Mitte! zum Erfassen des Schwingungszustandes der Prothese 12'. Hierzu dienen nämlich die Ultraschaü-Empfangseinheit 32 und das Koppelkissen 22 als

Uliraschallempfänger, der von der Prothese 12' refektierie Uitraschalisignaie empfängt und einer als Teil des Steuerungscomputers 18 ausgebildeten Auswerteeinheit zuführt. Dies wird nachfolgend anhand der Fig. 2A bis 2C sowie 4A und 4B erläutert werden:

Zunächst kontrolliert der Steuerungscomputer 18 wiederum die UitraschaSIsendeeinheit 20 derart, dass sie ein amplitudenmoduliertes Gesamt-UltraschalSsigna! entsprechend jenem in Fig. 2C in Richtung der Prothese 12^! aussendet. Wiederum wird die Modulationsfrequenz durch den Steurungscomputer 18 durchgestimmt. In der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10' werden nun mit Hilfe der Ultraschailempfangseinheit 32 die von der schwingenden Prothese 12' reflektierten Uitrascballsignale gemessen, und zwar vorzugsweise nach Abschalten der fviodulationsfrequenz wie folgt:

Beim Aussenden des modulierten Ultraschallsignals gemäß Fig. 2C wird die Prothese 12' im Oberschenkelknochen 14 zu erzwungenen Schwingungen angeregt, was dazu führt, dass das von der Prothese 12' reflektierte Ultraschallsigna! ähnlich wie beim bekannten (UltraschalS-)Dopplereffekt eine Frequenzverschiebung aufweist Insbesondere finden sich in dem von der schwingenden Grenzfläche der Prothese 12' reflektierten Uitraschailsignal Frequenzanteile, die dem typischen Linienspektrum einer Frequenz- bzw. Phasenmodulation entsprechen. Insbesondere treten Nebenlinien bei dem positiven wie negativen ganzzahligen Vielfachen der Modulationsfrequenz auf.. Diese Nebenlinien sind im Resonanzfal! besonders ausgeprägt, wobei sich die Analyse auf Nebeniinien 2. und 3. Ordnung (d.h. bei der Trägerfrequenz plus/minus dem 2- und 3-fachen der Moduiationsfrequenz) zu konzentrieren hat, da die Amplitudenmodulation des eingestrahlten Ultraschallsignals bereits zu ausgeprägten Nebenlinien 1. Ordnung (d.h. bei der Trägerfrequenz plus/minus Modulationsfrequenz) führt, allerdings nicht zu Nebenlinien höherer Ordnung. Zur Beobachtung der Modulationseffekte im von der Prothese 12' reflektierten Ultrascbalisignal ist der

Steuerungscomputer 18 zweckmäßigerweise dazu ausgelegt, die sendeseitige Amplitudenmodulation in regelmäßigen zeitlichen Abständen auszuschalten, so dass vorübergehend "nur noch" das Ultraschallträgersigna! weiter eingestrahlt wird. Auf diese Weise lassen sich auch die Nebenlinien 1 . Ordnung zur Auswertung nutzen. Das unmittelbar nach dem Abschalten der Modulation im Falle der Resonanz beobachtete reflektierte Ultrascbalisignal ist in Fig. 4A dargestellt. Deutlich erkennt man das Auftreten von Schwingungskomponenten mit höherer und niedrigerer Frequenz als die zugrundeliegende Trägerfrequenz, entsprechend der bereits genannten Addition bzw. Subtraktion der Schwingungsfrequenz der angeregten Prothese 12'.

Fig. 4A zeigt ein entsprechendes Wellenbild des reflektierten Uitraschallsignals nach Ausschalten der sendeseitigen Modulation für den Fall, dass mit Hilfe der Modulation ein Resonanzfall erzielt wurde. Fem der

Resonanz sind kaum merkliche Frequenzveränderungen im reflektierten Ultraschallsignal zu beobachten, überdies klingen derartige Frequenzmodulationen außerhalb der Resonanz deutlich schneller ab als im Fall der Resonanz.

Der Steuerungscomputer 18 ist dazu ausgelegt, in an sich bekannter Weise ein Frequenzanaiyse der in Fig. 4A schematisch dargestellten empfangenen UltraschallweHen vorzunehmen. Das Ergebnis einer derartigen Frequenzanalyse ist in Fig. 4B dargestellt. Man erkennt hier zunächst eine zentrale Linie entsprechend der UitrascbalSträgβrfrβquenz, im vorliegenden Beispiel ca. 80 kHz. Hinzu kommen Nebenlinien erster Ordnung bei ca. 80 +/- 10 kHz, also entsprechend der Summe und der Differenz der

Uitraschaliträgerfrequen∑ und der momentan eingestrahlten Modulationsfrequenz der Amplitudenmodulation entsprechend Fig. 2B.

Der Resonanzfail lässt sich nun anhand des Auftretens weiterer Nebenlinien erkennen, die in Fig. 4B durch Kreise eingerahmt sind, Fern der Resonanz, d. h. wenn die eingestrahlte Moduiationsfrequenz nicht einer Eigenfreqυenz der möglicherweise gelockerten Prothese 12^' entspricht, lassen sich diese

Nebenlinien nicht bzw. kaum beobachten, denn sie entsprechen dem charakteristischen Linienspektrum einer Frequenz- bzw. Phasenmodulation, die durch die Schwingung der Prothese auf dem reflektierten Trägersignal erzeugt wird, während die Amplitudenmodulation der eingestrahlten Welle nur zu Nebenlinien 1. Ordnung führt. Nebenlinien 1. Ordnung gehören zwar ebenfalls zum Spektrum einer Frequenz- bzw. Phasenmodulation, werden aber durch die Amplitudenmodulation der eingestrahlten Welle überdeckt, falls die Amplitudenmodulation nicht abgeschaltet wird.

Somit kann mit Hilfe der Frequenzanalyse des empfangenen UltraschaHsignals ebenfalls auf zuverlässige Weise jede Resonanzfrequenz der Prothese 12' ermittelt und mit entsprechenden Messergebnissen früherer Untersuchungen verglichen werden, um eine etwaige Lockerung der

Prothese zu entdecken.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist selbstverständlich nicht auf die rein beispielhaft vorgestellten Ausführungsformen beschränkt. So ist, wie bereits oben erläutert, die Prothese 12, 12' nicht zwangsläufig eine Hüftprothese, sondern kann es sich um jede andere Art von Endoprothese handeln. Es versteht sich, dass in diesem Fall auch andere FrequenzintervalSe für die verwendeten Ultraschallsignale in Betracht kommen, insbesondere die Frequenz des durchstimmbaren Modulationssignals an die gegenüber einer Hüftprothese veränderten Schwingungsbedingungen anzupassen ist. Die anhand der Fig. 1 und 3 vorgestellten Ausführungsformen können selbstverständlich auch miteinander kombiniert werden, d. h. auch eine mit einem Sensor 24 ausgestattete Prothese 12 kann grundsätzlich gemäß der zweiten Ausführungsform der Fig. 3 auf Lockerung hin untersucht werden, beispielsweise um die Ergebnisse einer auf den Sensor 24 gestützten Untersuchung zu überprüfen.

Die oben genannte Speichereinheit zur Speicherung früherer Messergebnisse, insbesondere früher festgestellter Resonanzfrequenzen der Prothese 12, 12', kann zunächst als integrierter Bestandteil des Steuerungscomputers 18 vorgesehen sein. Im Fall der Verwendung einer Prothese 12 mit eingebautem Sensor 24 kann die Speichereinheit jedoch auch als Teil des Sensors 24 vorgesehen sein. In diesem Fall trägt der Patient 16 die Ergebnisse früherer Untersuchungen quasi mit sich mit.

Im Übrigen versteht es sich_r dass die Speichereinheit auch als externes Speichermedium ausgebildet sein kann, beispielsweise in Form einer

Patientenkarte des Patienten 16.

Claims

1. Vorrichtung (10, 10') zur Bestimmung des Verankerungszustandes einer implantierten Endoprothese (12, 12'), umfassend: - Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese (12, 12'), und

- Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese (12, 12'), dadurch gekennzeichnet, dass die Mitte! zur Schwingungsanregung der Endoprothese (12, 12') dazu ausgelegt sind, ein moduliertes Ultraschallsigna! auszusenden, umfassend ein Ultraschallträgersignal und ein durchstimmbares Moduiationssignal.

2. Vorrichtung (10, 10') nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das modulierte Ultraschallsignal ein amplitudenmoduliertes Ultraschaüsignal ist.

3. Vorrichtung (10, 10') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Ultraschallträgersignals derart gewählt ist, dass das Material eines Körpers, in welchem die Endoprothese (12, 12') implantiert ist, im wesentlichen ungestört durchdrungen wird.

4. Vorrichtung (10, 10') nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des UStraschallträgersignals innerhalb eines Frequenzintervalls von 2OkHz bis 40 MHz Siegt und vorzugsweise ca, 100 kHz beträgt,

S.Vorrichtung (10, 10^!) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Schwingungsanregung dazu ausgelegt sind, die Frequenz des Moduiationssignais in einem Frequenzintervall, das mindestens eine erwartete Resonanzfrequenz der Endoprothese (12, 12') umfasst, durchzustimmen,

8. Vorrichtung (10, 10^!) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzintervall zum Durchstimmen der ModuJationssignaifrequenz zwischen 100 Hz und 10 kHz liegt.

7. Vorrichtung (10, 10^') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitte! zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese (12, 12')) einen an der Endoprothese (12, 12') angebrachten Sensor (24) umfassen, der dazu ausgelegt ist, den Schwingungszustand der Endoprothese (12, 12') zu erfassen, und eine Transpondereinheit, die dazu ausgelegt ist, vorn Sensor (24) ausgegebene Schwingungsmesssignale an eine Signalverarbeitungseinheit (28) zu übertragen.

B.Vorrichtung (10, 10^!) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (24) ein Beschieunigungs-, Vibrations- und/oder Wegmesssensor und/oder ein Laservibrometer ist.

9. Vorrichtung (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese (12, 12') einen UltraschaHempfänger und eine Auswerteeinheit umfassen.

10. Vorrichtung (10, 10') nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit dazu ausgelegt ist, von der Endoprothese (12, 12') reflektierte und vom Uitraschallempfänger empfangene Ultraschallsignale zu analysieren.

1 1. Vorrichtung (10, 10') nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese (12, 12') dazu ausgelegt sind, das Modulationssignal abzuschalten und das Ultraschaiiträgersignal ohne Moduiationssignal auszusenden.

12. Vorrichtung (10, 10') nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse eine Frequenzanalyse umfasst.

13. Vorrichtung (10, 10^$) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitte! zur Schwingungsanregung der Endoprothese (12, 12') und der Uitraschaiiempfänger eine gemeinsame Ultraschallseπde- /Empfangseinheit (30) umfassen,

14. Vorrichtung (10, 10') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese (12, 12') eine Speichereinheit zur Speicherung früherer Messergebnisse, insbesondere früher festgestellter Resonanzfrequenzen der Endoprothese^, 12'). umfassen.

15. Vorrichtung (10, 10') nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitte! zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese (12, 12') eine Vergieichseinheit zum automatischen Vergleich von aktuellen mit früheren Messergebnissen umfassen.

16. Verfahren zur Bestimmung des Verankerungszustandes einer implantierten Endoprothese (12, 12') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitte! zur Schwingungsanregung der Endoprothese (12, 12') das modulierte Ultraschaüsigna! in Richtung der Endoprothese (12, 12') aussenden, und dass der Schwingungszustand der Endoprothese (12, 12') durch die Mittel zum Erfassen des Schwingungszustands der Endoprothese (12, 12') erfasst wird.