DE10326828A1

DE10326828A1 - Elektronisch steuerbarer Fixateur Externe

Info

Publication number: DE10326828A1
Application number: DE2003126828
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr. Segsa; Peter Dr. Reimers; F. Prof. Dr. Durbin; Joachim Augustin; Heinz Bertram; Gerhard Strache
Original assignee: Spreehybrid & Kommunikationste; Spreehybrid & Kommunikationstechnik GmbH
Current assignee: Spreehybrid & Kommunikationste; Spreehybrid & Kommunikationstechnik GmbH
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2005-01-05

Abstract

Externe Fixateure, die aus zumindest einer Fixierungsstange und zwei gegeneinander verschiebbaren Befestigungselementen bestehen, werden als semiinvasive Behandlungssysteme zur äußeren Stabilisierung von Frakturstellen und Knochenverlängerungen in der Unfallchirurgie und Orthopädie verwendet. Bei einem bekannten System ist eine programmierbare Steuerung für die die Verschiebung hervorrufende Antriebseinheit vorgesehen, wobei in der Programmierung der Behandlungsablauf durch Aufbringen von Druck-, Zug- und Torsionskräften fest vorgegeben ist. Vorhandene Sensormittel erfassen jedoch nur die Ausführung der programmierten Verstellwege. Eine Abstimmung auf den aktuellen Heilungsprozess findet nicht statt. Bei dem Fixateur externe (1) nach der Erfindung hingegen wird kontinuierlich über einen Kraftsensor (14) die aktuelle Kraft im Bereich der Frakturstelle (2) gemessen und in einem Mikroprozessorsystem (MCU) mit einer Regelschleife zur geregelten Krafteinstellung automatisch ausgewertet. Dadurch kann eine sehr niedrige, wenig belastende Kraft bis nur 200 N beaufschlagt werden, die in ihrem Grundwert noch an den Aktivitätszustand des Patienten anpassbar ist. Zusätzlich können noch die Kallusbildung besonders stimulierende Mikrobewegungen überlagert werden. Der Fixateur externe (1) nach der Erfindung ist kompakt aufgebaut und kompatibel zu den handelsüblichen Befestigungselementen, wodurch er vielseitig einsetzbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronisch steuerbaren Fixateur externe zur automatisierten Behandlung von Frakturstellen und -verlängerungen mit zumindest zwei, über jeweils zumindest eine parallel zum Knochen angeordnete Fixierungsstange verschiebbar miteinander verbundenen Befestigungselementen an den Frakturteilen mit einer Messmittel umfassenden, programmgesteuerten Antriebseinheit zur Variation des Abstands der Befestigungselemente zueinander und zur Einstellung vorgegebener Zug- und Druckkräfte.

In der Traumatologie von Frakturstellen (Osteosynthese) werden die konservative und die operative Behandlung unterschieden. Die konservative Behandlung mit Lagerung, Ruhigstellung in Gips oder Extension stellt auch heute noch eine der tragenden Säulen der Knochenbruchbehandlung dar. Bei Indikationen mit Nachteilen der konservativen Behandlung hat die operative Behandlung zunehmende Verbreitung gefunden. Daneben gibt es eine Vielzahl von Einzel- oder Mehrfachverletzungen, für deren Behandlung sowohl die konservative als auch die invasiv operative Therapie an ihre Grenzen stoßen und mit erheblichen Risiken und Gefahren für die Verletzung und damit für den Patienten verbunden sind. Dies gilt vor allem bei offenen Frakturen, besonders in Verbindung mit schweren Weichteilschäden, bei infizierten, infektgefährdeten Frakturen und Pseudoarthrosen, bei Mehrfachverletzungen (Polytraumen), bei Korrekturosteotomien im metaphysären Bereich, bei Knochenverlängerungen (Kallusdistraktionen), denen eine natürlich oder künstlich herbeigeführte Frakturstelle vorausgeht, und bei Arthrodesen. In solchen Fällen hat in der Unfallchirurgie und in der Orthopädie eine Behandlung mit einer äußeren Knochenfixation als semiinvasive Knochenstabilisierung durch den sogenannten „Fixateur externe", mit dem die Knochenhauptfragmente in einer anatomisch korrekten Position gehalten und darüber hinaus dosierbare Zug- und Druckkräfte auf Frakturen ausgeübt werden können, einen festen Platz im Behandlungsspektrum. In der semiinvasiven Frakturbehandlung werden derzeit verschiedene Fixateurexterne-Systeme verwendet, beispielsweise nach Charnley, nach Raoul Hoffmann, das baukastenartige AO-System (Arbeitgemeinschaft für Osteosynthese, Davos) und unilaterale Spannsysteme für Schaftfrakturen, beispielsweise das italienische Orthofix-System. Weiterhin ist das System nach Ilizarow weit verbreitet, bei dem zwei oder mehrere ringförmige Bügel über gekreuzte Drähte miteinander verspannt werden und das eine physiologisch günstige axiale elastische Belastung der Fraktur aufbaut. Außerdem werden nicht nachspannbare one-way-Systeme mit Spannelementen, die durch Kunststoffharz in einer beliebigen Anordnung fixiert werden können, und nagel- oder schraubenfreie Klammer-Systeme, die den Knochen kaum beschädigen, eingesetzt.

Die Bruchheilung läuft jedoch mit dem Fixateur externe häufig langsamer ab als bei den anderen Verfahren, da die über den Fixateur externe angelegten Kräfte mit der Zeit abnehmen. Wie Untersuchungen zur Biomechanik des Fixateur externe und Spannungsmessungen im Frakturspalt nachweisen, lassen die Kräfte initial um 10 % nach. Auch nach Plattenosteosynthesen tritt zwar in den ersten Stunden ein entsprechender Druckabfall auf, der als rein mechanischer Effekt als Folge von Änderungen der Knochenelastizität gedeutet wird. Mit dem Fixateur externe können aber aufgrund der plastischen Verformung von Befestigungselementen nur Kräfte bis 1000 N auf die Fraktur zur Wirkung gebracht werden, während mit der dynamischen Kompressionsplatte Kräfte bis 3000 N erzeugt werden können. Zusätzlich zu dem initialen Druckabfall lässt die angelegte Kraft aufgrund von Reaktionen des vitalen Knochens auf Bewegungsreize im Bohrkanal noch durch die Lockerung der Nägel in den Bohrkanälen nach. Dadurch werden lokale Infektionen begünstigt, welche eine weitere Lockerung der Nägel und einen weiteren Kraftabfall bewirken. Der Kraftabfall macht ein Nachspannen des Fixateur externe notwendig. Die Dosierung der Kraft beim Spannen und Nachspannen erfolgt jedoch in der Regel manuell ohne Kontrolle, wodurch zu hohe oder zu geringe Kräfte erzeugt werden, die gleichermaßen schädlich sein können. Wenn bei beidseitiger Fixation ungleiche Kräfte auf die beiden Rohrsysteme aufgebracht werden, besteht die Gefahr einer Dislokation oder Refraktur. Diese Überlegungen führten zu der Veröffentlichung I von Domres und Neugebauer „Druckmessungen mit dem Dynamometer am Fixateur externe zur Vermeidung von Nachfolgeosteosysthesen" (akt. traumatol. 10 (1989) pp 307–310) in der über den Einsatz von Dynamometern beim Spannen und Nachspannen des Fixateur externe berichtet wird. Im Ergebnis der Untersuchungen zeigt sich, dass bereits Kräfte von 500 N eine ausreichende Stabilität erzeugen. Für die normale Frakturheilung werden derzeit Kräfte von 300 bis 1000 N empfohlen.

In der Veröffentlichung II von J. Lazo-Zbikowski et al. „Biokompression External Fixation" (Clin. Orthop. 1986 (206), pp 169–184) wird über einen Fixateur externe mit Teleskopstangen zur gleitenden externen Osteosynthese berichtet. Die erzielbare „Biokompression" unterstützt die Heilung mit Kallusbildung. Größte Bedeutung bei der Frakturheilung hat zunächst die Stabilität der Frakturfragmente zueinander und der direkte Kontakt miteinander, während die Mobilität der Knochenteile für die Kallusbildung eine entscheidende Bedeutung hat. Bei jeder Frakturheilung ist die Bildung neuen Knochenmaterials essenziell. Die Biokompression wurde bereits in vielen bekannten Techniken angewendet, die unter unterschiedlichen Namen bekannt wurden, wie z.B. funktionelle Aktivität, mechanische Stimulation, axiale Kompression, Lastübertragung oder Dynamisierung. Bei allen genannten Methoden wurde eine deutlich verbesserte Heilung mit Kallusbildung beobachtet. In der Veröffentlichung III berichten Zacheja et al.: „Aufbau und Charakterisierung eines modifizierten Fixateurs externe zur Einleitung und Überwachung von Mikrobewegungen in Frakturzonen" (Biomed. Technik Band 43, Ergänzungsband 1, 1998, pp 190/191) über das Vorhaben, einen „Frakturzonenmonitor" zu entwickeln. Für Vorversuche an einem Knochenbruchmodell wurde ein handelsüblicher Rohrfixateur mit einem piezoelektrisch angetriebenen Aktuator und mikromechanischen Beschleunigungssensoren modifiziert. Erkenntnisse über den Einfluss der Bewegungsparameter auf den Heilungsprozess konnten mit diesen Modellversuchen jedoch nicht gewonnen werden. Ein frühzeitiger knöcherner Durchbau der Frakturzone konnte beobachtet werden, der eine frühere Belastung des beschädigten Knochens ermöglicht. Somit werden heute immer mehr biodynamische Fixationsverfahren verwendet, welche Mikrobewegungen der Knochenteile zueinander zulassen und die Bruchheilung durch Kallogenese fördern. Durch kontrollierte mechanische Stimulationen am Fixateur externe werden Mikrobewegungen in die Bruchzone eingeleitet. Durch diese Mikrobewegungen, welche nach bisherigen Erfahrungen spätestens eine Woche nach Operation einsetzen sollen, kann die Heilungszeit nach Tibiafrakturen beträchtlich verkürzt werden. Der Einfluss der Parameter dieser Mikrobewegungen – Amplitude, Beschleunigung, Frequenz – auf den Heilungsprozess ist jedoch bisher nicht untersucht worden. Die in der Literatur angegebenen Werte scheinen eher willkürlich gewählt zu sein. Im bisherigen "Normalfall" werden Knochenteilbewegungen durch die natürlichen Bewegungen des Patienten verursacht, haben jedoch dann i.a. größere Auslenkungen (beobachtet wurden bis zu 8 mm), sodass Abriss der Kallussäule, Refraktur, Verschiebung, Verdrehung etc. auftreten können, was die Heilung jedoch eher behindert als fördert. Weiterhin ist die Veröffentlichung IV von K. Seide et al.: „Erste klinische Erfahrungen mit einem elektromotorisch einstellbaren Fixateur externe" (Trauma Berufskrankh. 2002, 4, pp 427–430) bekannt. Hier wird über eine sukzessive Reposition von Knochenfragmenten mittels computergesteuerter Elektromotoren berichtet, die aufgrund der langsamen Kontinuität ohne größere Belastungen für den Patienten abläuft. Eine automatisierte Behandlung im Abhängigkeit vom aktuellen Behandlungszustand ist jedoch nicht vorgesehen.

Der nächstliegende Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wird in der DE 690 21 232 T2 offenbart. Hier wird ein elektronisch steuerbarer Fixateur externe, der bevorzugt ringfömig nach Ilizarov ausgebildet ist, beschrieben, bei dem eine programmierbare Steuerung zur individuellen Therapieanpassung vorgesehen ist. Die Grundlage hierzu bildet die Erkenntnis, dass eine möglichst geringe, aber oft herbeigeführte Distraktion einen verbesserten Heilungserfolg bringt. Dazu sind Digitalmotoren mit den Fixierungsstangen verbunden, über deren programmierbare Steuerung eine Verstellung der mit den Führungsstangen verbundenen Befestigungselemente erreicht wird. Über eine Software wird der Behandlungsverlauf, das heißt, die Aufeinanderfolge von Kompression, Distraktion und Torsion durch Wahl der Verstellwege, vor Behandlungsbeginn festgelegt und über Rückmeldesensormittel kontrolliert. Eine Anpassung an den aktuellen Behandlungszustand erfolgt jedoch nicht, da dieser nicht automatisch erfassbar ist. Aus der US 5.334.202 ist ein dynamischer Fixateur externe bekannt, bei dem über zusätzliche Messmittel die Hauttemperatur und der Sauerstoffgehalt im Frakturbereich registriert werden, um auf den Heilungszustand rückschließen zu können. Die im Umfeld der Fraktur gemessenen Daten werden jedoch nur bei Grenzüberschreitungen in der Distraktionsrate und -frequenz berücksichtigt. In der DE 41 18 303 A1 wird ein axial-dynamisierbarer Fixateur externe beschrieben, bei dem über Feder- und Dämpfungselemente eine einstellbare Kraft auf die Fraktur ausgeübt wird, die über eine Druckmesssonde kontrolliert wird. Eine automatische Anpassung erfolgt jedoch nicht. Aus der US 4.576.158 ist ein ähnlicher Fixateur externe bekannt, bei dem die gemessenen Daten einem Mikroprozessor zur Erzeugung von Warnsignalen nach einem programmierten Datenvergleich zugeführt werden. Eine automatisierte motorische Verstellung der Befestigungselemente ist bei diesem bekannten Fixateur externe jedoch nicht vorgesehen. In der DE 39 12 080 C1 wird ein Überwachungssystem zum Heilungsverlauf von Frakturen vorgestellt, bei dem sporadisch der Fixateur externe mit einer über eine Kraftmesseinrichtung quantifizierbaren Kraft beaufschlagt und der Abstand der Befestigungselemente zueinander für den weiteren Behandlungsverlauf ausgewertet wird. Ein automatisierter Betrieb findet jedoch nicht statt.

Ausgehend von dem nächstliegenden Stand der Technik gemäß der DE 690 21 232 T2 vor dem Hintergrund der allgemeinen Erkenntnisse bei der Heilung von Frakturstellen ist daher die Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin zu sehen, einen gattungsgemäßen Fixateur externe mit Messmitteln so weiterzubilden, dass besonders kurze Heilungszeiten, die deutlich unter den Behandlungszeiten der bekannten, handelsüblichen Fixateure externe liegen, für Frakturstellen erreicht werden. Dabei sollen eine umfassende Multifunktionalität, die eine multiple Kraftausübung ermöglicht, sowie eine Überwachung des heilungswesentlichen Parameters und dessen automatische Berücksichtigung umgesetzt werden. Über eine Programmierbarkeit sollen heilungsfördernde Vorgänge berücksichtigt werden können. Schließlich soll der Fixateur externe nach der Erfindung preisgünstig, einfach handhabbar und kompatibel zu den handelsüblichen Befestigungssystemen sein.

Als Lösung für diese Aufgabe ist bei einem Fixateur externe der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Messmittel zumindest einen ausschließlich axial belasteten Kraftsensor zur kontinuierlichen Kraftermittlung an der Frakturstelle umfassen und dass die Befestigungselemente in Abhängigkeit von der kontinuierlich gemessenen Kraft über die Antriebseinheit in einer Regelschleife automatisch in einen, eine für die Knochenheilung optimale Kraft in einem Kraftbereich zwischen 0 N und 200 N an der Frakturstelle erzeugenden Abstand zueinander gebracht werden, wobei die aktuell einzustellende Kraft oder der Kraftverlauf im Kraftbereich in der Programmsteuerung festgelegt ist.

Der erfindungsgemäße Fixateur externe weist einen geschlossenen automatisierten Regelkreis auf, in dem über die kontinuierlich gemessene Regelgröße „Kraft auf die Frakturstelle" als heilungswesentlichem Parameter ein besonders schneller Heilungs- bzw. Therapieerfolg durch eine optimale Anpassung der im Fixateur externe und damit an die im Bereich der Frakturstelle herrschenden Kräfte an den tatsächlichen Heilungsverlauf erzielt wird. Diese Anpassung basiert auf den umfassenden, langfristig gewonnenen Erkenntnissen im Zusammenspiel zwischen der Belastung einer Knochenfraktur und deren Heilung. Gleiches gilt natürlich auch für längerfristig angelegte Knochenverlängerungen oder bei krankheitsbedingten Knochenverkürzungen. Durch eine Berücksichtigung dieser Erkenntnisse in der Programmsteuerung bei der Erfindung werden die Behandlungsmaßnahmen des Arztes unterstützt. Weiterhin werden die aktuellen Behandlungsfortschritte durch eine kontinuierliche Kraftmessung überprüft und erforderlichenfalls durch eine Veränderung der Kraftdosierung automatisch ausgeregelt. Somit wird der Heilungsprozess unabhängig von subjektiven Eindrücken des Arztes und des Patienten sowie von nicht quantifizierten Eingriffen, die dem persönlichen Gefühl der Beteiligten unterliegen. Aufgrund dieser heilungsnahen Kraftbeaufschlagung ist auch die bislang praktizierte Überdimensionierung nicht mehr erforderlich. Moderate Zug- oder Druckkräfte in einem Bereich bis 200 N sind absolut ausreichend. Im Gegensatz zu den bekannten Fixateuren externe kann bei dem Fixateur externe nach der Erfindung auch eine Kraftaufhebung (0 N) erfolgen, um die Knochenfraktur zu bestimmten Behandlungszeiten überhaupt nicht zu belasten.

Weiterhin ist es gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, wenn in der Programmsteuerung in Abhängigkeit von der aktuellen Beanspruchung der Frakturstelle ein Grundwert für die einzustellende Kraft vorgegeben ist. Durch die aktuelle Beanspruchung kann der aktuelle Zustand des Patienten ermittelt werden. Befindet er sich in Ruhe, beispielsweise nachts, kann der Grundwert sehr gering eingestellt werden, sodass ein starkes Kalluswachstum möglich ist. Am Tage ist ein höherer Grundwert einzustellen, um eine ausreichende Stabilisierung sicherzustellen. Dabei wird ein höherer Druck zwischen den Frakturstellen erzeugt, der wiederum der Vernetzung des neugebildeten Kallusgewebes dient. Durch das Alternieren zwischen Neuwachstum und Vernetzung kann somit eine verbesserte Heilung der Knochenfraktur erzielt werden. Dies gilt analog für die Kallusdistraktion. Der Heilungsprozess kann optimiert werden, wenn gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung in der Programmsteuerung Mikrooszillationen um den eingestellten Grundwert herum vorgegeben sind. Dadurch werden stimulierende Mikrobewegungen im Frakturbereich hervorgerufen, die – wie bereits weiter oben erläutert – im Stand der Technik als besonders heilungsfördernd und effizient bei der Knochenverlängerung erkannt worden sind. Weitere Verbesserungen im automatisierten Behandlungsverlauf bei dem erfindungsgemäßen Fixateur externe können erreicht werden, wenn neben dem heilungswesentlichen Parameter der Kraftausübung im Frakturbereich noch weitere Heilungsparameter im Regelprozess Berücksichtigung finden. Dazu können nach einer nächsten erfindungsgemäßen Ausgestaltung weitere Messsensoren, insbesondere zur Bestimmung der Umgebungstemperatur im Bereich der Frakturstelle, vorgesehen sein. Weiterhin können zusätzliche Mittel zur Erzeugung von elektromagnetischen Wärmewellen im Bereich der Frakturstelle vorgesehen sein. Derartige zusätzliche Maßnahmen lassen sich über ihre Parametrierung leicht erfassen und in den automatisierten Regelkreis integrieren, wodurch der Heilungs- und Behandlungsprozess optimiert und damit so kurz wie möglich gehalten wird.

Neben den programmgesteuerten Aspekten umfasst der Fixateur externe nach der Erfindung auch konstruktionstechnische Aspekte, die die Kostengünstigkeit, einfache Handhabung und maximale Kompatibilität zu marktüblichen Befestigungselementen berücksichtigen. Deshalb ist in einer weiteren Ausgestaltung des Fixateurs externe nach der Erfindung vorgesehen, dass alle zugehörigen Mittel bis auf die knochenseitigen Befestigungselemente in einem gemeinsamen Bauteil, das entweder zwischen den Befestigungselementen oder peripher angeordnet ist, zusammengefasst sind. Dieses Bauteil kann mit dem Begriff „Spannkörper" bezeichnet werden. Durch das Vorsehen eines einzigen zentralen Elements ergibt sich eine laterale Anordnung, die die aufzubringenden Kräfte einseitig auf den Knochen ausübt. Eine kompakte, verwindungssteife Anordnung, die auch insbesondere bei einseitig lateralen Fixateuren externe auftretende Biegemomente, die proportional zu den äußeren und zu den erzeugten Belastungen sind, ohne zu starke, die Longitudinalbewegung der Befestigungselemente behindernde Reibung in der Fixierungsstange problemlos aufnimmt, erleichtert die Handhabung und verringert das Verletzungs- und Versagensrisiko. Desweiteren kann das gemeinsame Bauteil vorteilhaft mit den marktüblichen Befestigungselementen kompatibel sein, wodurch sich eine besondere Kostengünstigkeit ergibt. Dabei sollen im Sinne von Befestigungselementen vorhandene Instrumente, wie beispielsweise Nägel, Schrauben, Gelenke und Verbindungselemente erfasst sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des elektronisch steuerbaren Fixateurs externe nach der Erfindung kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Kraftsensor und die Antriebseinheit vom äußeren Kraftfluss entlang des Knochens entkoppelt sind. Im Laufe der Entwicklung seit ca. 1960 hat sich das Prinzip der einseitigen äußeren Fixierung von Knochenbrüchen durchgesetzt, vor allem, um den Patienten zu schonen, indem nur halb so viele Haut- und Muskelpenetrationen erforderlich sind wie bei der beidseitigen äußeren Fixierung. Die einseitige Fixierung hat jedoch den großen Nachteil, dass starke Biegemomente an den Nägeln oder Schrauben und den Klemm- und Spannelementen des Fixateurs externe auftreten. Daher werden bei den üblichen Systemen so massive Spannelemente eingesetzt, dass eine Verbiegung der zentrale Bauteile nicht möglich ist und eher die Befestigungselemente, insbesondere die Nägel oder Schrauben verbiegen. Bei allen Vorschlägen und Prototypen mit beweglichen Klemmbacken als Befestigungselemente, die eine kontinuierliche oder punktuelle Dynamisierung der Bruchstelle erlauben sollen, gibt es große Probleme durch starke Reibung in den Gleitelementen infolge von Biegemomenten an den Klemmbacken. Bei dem Fixateur externe nach der Erfindung, welcher eine kontinuierliche Verstellung der Breite des Frakturspaltes bzw. dessen mechanischer Belastung bis zu 200 N ermöglicht, kann hingegen die Konstruktion in einfacher Weise so gewählt werden, dass der äußere Kraftfluss an der Fraktur nicht das Stellelement und den Kraftsensor berührt. Weitere konstruktive Details sind dem nachfolgenden speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.

Der spezielle Aufbau und die spezielle Funktion des elektronisch steuerbaren Fixateurs externe nach der Erfindung kann gut durch die Kurzbezeichnung „ELFIX" charakterisiert werden. Um das vorhandene medizinische Hintergrundwissen zu implementieren, kann noch ein Bezug zu dem als Erfinder beteiligten, in der Fachwelt bekannten Mediziner hergestellt werden, sodass sich die Bezeichnung „Fixateur Externe nach Professor Durbin" (ELFIX) ergibt.

Ausbildungsformen der Erfindung werden zur deren weiterem Verständnis nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
1 einen elektronisch steuerbaren Fixateur externe mit einem peripheren gemeinsamen Bauteil im Querschnitt und
2 ein Blockschaltbild der elektronischen Steuerung.
In der 1 ist ein elektronisch steuerbarer Fixateur externe 1 zur Behandlung einer Frakturstelle 2 dargestellt. Auf einer parallel zum gebrochenen Knochen 3 angeordneten Fixierungsstange 4, die im Ausführungsbeispiel als Nutwelle ausgeführt ist, sind zwei als Klemmbacken ausgebildete Befestigungselemente 5, die jeweils eine Schlitzkupplung 6 umfassen, verschieb- und feststellbar angeordnet. Dabei wird das eine Befestigungselement 5 über eine als Linearlager ausgebildete Lagerbuchse 7 geführt, die eine Verdrehung der Befestigungselemente 5 zueinander verhindert. In den Schlitzkupplungen 6 werden Nägel oder Schrauben 8, die beidseitig der Frakturstelle 2 kraftschlüssig in den Knochen 3 eingebracht sind, aufgenommen und längenverstellbar geführt. In einem gemeinsamen Bauteil 9, das peripher von der Frakturstelle 2 angeordnet ist, sind weitere funktionelle Mittel angeordnet. Hierbei handelt es sich um eine auf die Fixierungsstange 4 aufgeschobene Feder 10, über die Zug- und Druckkräfte an der Frakturstelle 2 erzeugt werden. Die Einstellung des Kraftbetrages erfolgt über eine Spannmutter 11, die in einem Feingewinde auf der als Nutwelle ausgebildeten Fixierungsstange 4 läuft. Gedreht wird die Spannmutter 11 über eine Kupplung 12 von einer Antriebseinheit 13 in Form eines Antriebsmotors. Die Programmansteuerung der Antriebseinheit 13 erfolgt über eine integrierte Schaltung mit digitalen Eingängen. Diese wird direkt vom einem Mikroprozessorsystem MCU (vergleiche 2) gesteuert, das in das gemeinsame Bauelement 9 integriert oder über Zuleitungen angeschlossen sein kann. Durch die beschriebene Konstruktion sind die Antriebseinheit 13 und ein Kraftsensor 14, der kontinuierlich und präzise die Kraft an der Frakturstelle 2 misst, von dem gesamten Kraftfluss entlang des Knochens 3 entkoppelt. Das Prinzip der Kraftmessung des Kraftsensors 14 besteht in der Anwendung einer präzisen Messung der Kontraktion oder Ausdehnung der Feder mit bekannter Konstante und deren Erfassung als elektrische Größe. Die an der Frakturstelle 2 gemessene Kraft unterscheidet sich von der an der Feder 10 gemessenen Kraft um die Reibungskraft, welche zur Überwindung der Reibung in der Lagerbuchse 7 benötigt wird. Diese lässt sich berechnen und wird durch Kalibrierungsmessungen quantifiziert.
Zusätzlich kann ein Weggeber in dem Fixateur externe nach der Erfindung vorgesehen sein. Eine Wegmessung, d.h. eine Messung des Abstandes der Befestigungselemente als Maß für die Breite des Frakturspaltes, ist bei einer Anwendung zur Extremitätenverlängerung erforderlich. Weiterhin kann zur Vermeidung von Fehlfunktionen, beispielsweise zu hohen ausgeübten Kräften, ein mehrfaches Sicherheitskonzept umgesetzt werden, das in der Prozesssteuerung insbesondere eine Überwachung des Motorstroms und der Batteriespannung und eine Verarbeitung von Überschreitungen vorgegebener Maximalwerte (beispielsweise Nullstellung bei Überschreiten eines maximalen Stellweges) und konstruktiv insbesondere einen manuellen Not-Stopp-Taster, eine Sollbruchstelle und eine Rutschkupplung aufweist.
In der 2 ist als Ausführungsbeispiel ein mögliches Blockschaltbild zur Umsetzung der Prozesssteuerung des Fixateurs externe nach der Erfindung dargestellt. Die Steuerung, Messwerterfassung und Überwachung aller Abläufe übernimmt ein Mikroprozessorsystem MCU. Ein vom behandelnden Mediziner erstellter Belastungs-Zeitplan wird in einem Datenspeicher abgelegt. Die Kommunikation erfolgt über eine PC-Schnittstelle und BUS-Verbindungen. Zusätzlich ist über einen Timer ein zeitabhängig gesteuerter Funktionsablauf vorgesehen. An einem analogen Eingang des Mikroprozessorsystems MCU ist ein Differenzverstärker OP angeschlossen, der die vom Kraftsensor kommenden Messsignale verstärkt. An digitalen Ein- und Ausgängen I/O sind weitere Messsensoren, beispielsweise zur Längenmessung und zur Endlagenkontrolle, Bedienelemente, der Motor und eine Anzeige angeschlossen.

1: Fixateur externe
2: Frakturstelle
3: Knochen
4: Fixierungsstange
5: Befestigungselement
6: Schlitzkupplung
7: Lagerbuchse
8: Nagel oder Schraube
9: gemeinsames Bauteil
10: Feder
11: Spannmutter
12: Kupplung
13: Antriebseinheit
14: Kraftsensor

Claims

Elektronisch steuerbarer Fixateur externe zur automatisierten Behandlung von Frakturstellen und -verlängerungen mit zumindest zwei, über jeweils zumindest eine parallel zum Knochen angeordnete Fixierungsstange verschiebbar miteinander verbundenen Befestigungselementen an den Frakturteilen mit einer Messmittel umfassenden, programmgesteuerten Antriebseinheit zur Variation des Abstands der Befestigungselemente zueinander und zur Einstellung vorgegebener Zug- und Druckkräfte, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel zumindest einen ausschließlich axial belasteten Kraftsensor (14) zur kontinuierlichen Kraftermittlung an der Frakturstelle (2) umfassen und dass die Befestigungselemente (5) in Abhängigkeit von der kontinuierlich gemessenen Kraft über die Antriebseinheit (13) in einer Regelschleife automatisch in einen, eine für die Knochenheilung optimale Kraft in einem Kraftbereich zwischen 0 N und 200 N an der Frakturstelle (2) erzeugenden Abstand zueinander gebracht werden, wobei die aktuell einzustellende Kraft oder der Kraftverlauf im Kraftbereich in der Programmsteuerung festgelegt ist.
Elektronisch steuerbarer Fixateur externe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Programmsteuerung (MCU) in Abhängigkeit von der aktuellen Beanspruchung der Frakturstelle (2) ein Grundwert für die wirkende Kraft vorgegeben ist.
Elektronisch steuerbarer Fixateur externe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Programmsteuerung (MCU) Mikrooszillationen um den eingestellten Grundwert herum vorgegeben sind.
Elektronisch steuerbarer Fixateur externe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Messsensoren, insbesondere zur Bestimmung der Umgebungstemperatur im Bereich der Frakturstelle (2), vorgesehen sind.
Elektronisch steuerbarer Fixateur externe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle zugehörigen Mittel bis auf die knochenseitigen Befestigungselemente (5) in einem gemeinsamen Bauteil (9), das entweder zwischen den Befestigungselementen (5) oder peripher angeordnet ist, zusammengefasst sind.
Elektronisch steuerbarer Fixateur externe nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Bauteil (9) mit marktüblichen Befestigungselementen (5) kompatibel ist.
Elektronisch steuerbarer Fixateur externe nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (14) und die Antriebseinheit (13) vom äußeren Kraftfluss entlang des Knochens (3) entkoppelt sind.