DE102006051032A1 - System for determining the anchoring position of an implanted endoprosthesis comprises using a magnet or a ferromagnetic element arranged on the endoprosthesis and oscillated using an excitation coil - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

DieErfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Bestimmung desVerankerungszustandes implantierter Endoprothesen. Aufgabe der Erfindungist es, Möglichkeitenzur Bestimmung des Verankerungszustandes implantierter Endoprothesenvorzuschlagen, die eine reduzierte Patientenbelastung hervorrufen, genauere,reproduzier- und vergleichbare Bestimmungsergebnisse liefern können. Beidem erfindungsgemäßen Systemist ebenfalls ein zur Messung von Schwingungen geeigneter Sensoran, bevorzugt aber in der Endoprothese angeordnet. Seine Messsignalekönnentelemetrisch mittels einer Transpondereinheit drahtlos übertragenwerden. Die erforderliche elektrische Energie kann ebenfalls mitder Transpondereinheit induktiv zur Messung von Schwingungssignalenmit dem Sensor, fürdie Übertragungvon Messsignalen sowie ggf. auch für eine Aufbereitung und/oderSpeicherung der Messsignale zur Verfügung gestellt werden. Außerdem istan der Endoprothese ein Magnet oder ein ferromagnetisches Elementvorhanden. Mit einer außerhalbdes jeweiligen Körpersmit der implantierten Endoprothese angeordneten Anregungsspule wirdein magnetisches Wechselfeld generiert. Mit diesem magnetischenWechselfeld werden mit Hilfe des Magneten oder ferromagnetischenElements Schwingungen der gesamten Endoprothese angelegt. Die Schwingungenkönnenmit dem Sensor detektiert werden. Je nach Lockerung bzw. Verankerungszustandder Endoprothese weichen die mit dem Sensor erfassbaren Messsignalevon einer Vorgabe ab, so ...TheThe invention relates to a system and a method for determining theAnchoring state of implanted endoprostheses. Object of the inventionis it, possibilitiesfor determining the anchoring state of implanted endoprosthesessuggesting a reduced patient burden, more accurate,reproducible and comparable determination results. atthe system according to the inventionis also a sensor suitable for measuring vibrationsbut preferably arranged in the endoprosthesis. His measuring signalscantransmitted telemetrically wirelessly by means of a transponder unitbecome. The required electrical energy can also withthe transponder unit inductive for the measurement of vibration signalswith the sensor, forthe transferof measuring signals and possibly also for a preparation and / orStorage of the measurement signals are provided. Besides that isat the endoprosthesis a magnet or a ferromagnetic elementavailable. With an outsideof the respective bodywith the implanted endoprosthesis arranged excitation coilgenerates a magnetic alternating field. With this magneticAlternating field are using the magnet or ferromagneticElements vibrations of the entire endoprosthesis created. The vibrationscanbe detected with the sensor. Depending on easing or anchoring conditionThe endoprosthesis give way to the measuring signals detectable by the sensorfrom a specification, so ...

Description

Translated fromGerman

DieErfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Bestimmung desVerankerungszustandes implantierter Endoprothesen. Sie kann dabeiin der Human- oder Veterenärmedizineingesetzt werden. Die Untersuchung ist dabei ohne negative Beeinflussungdes Organismus möglich,da auf den negativen Einfluss mechanischer Einwirkung und auch Strahlungsbelastungverzichtet werden kann. Der erforderliche Zeitaufwand ist ebenfallsgering.TheThe invention relates to a system and a method for determining theAnchoring state of implanted endoprostheses. She can do itin human or veterinary medicinebe used. The investigation is without negative influenceof the organism possible,there on the negative influence of mechanical influence and radiation exposurecan be waived. The required time is alsolow.

Beiimplantierten Endoprothesen kann es im Laufe der Zeit zu deren Lockerungkommen. Der jeweilige Grad der Lockerung kann bisher aber nicht ohneweiteres und in keinem Fall ohne den subjektiven Einfluss, insbesonderedem eines Patienten, bewertet werden. Gegenwärtig werden etwa 10 % aller Implantationen,als so bezeichnete Revisionsoperationen durchgeführt, bei denen tatsächlich undggf. auch vermeintlich gelockerte Endoprothesen ausgetauscht werden,was mit sehr hohen Kosten verbunden ist.atImplanted endoprostheses may over time loosen upcome. The degree of relaxation can not but withoutfurther and in no case without the subjective influence, in particularthat of a patient. Currently about 10% of all implantations,performed as so-called revision operations in which actually andpossibly also allegedly loosened endoprostheses are exchanged,which is associated with very high costs.

DieBestimmung einer ggf. aufgetretenen Lockerung mit Strahlungsuntersuchungenist häufig nichtsicher, belastet den Patienten und ist auch kostenintensiv.TheDetermination of any loosening with radiation testsis often notsure, puts a strain on the patient and is also costly.

Soist vonR. Puers, u.a. in „A Telemetry System fort heDetection of Hip Prosthesis Loosing by Vibration Analysis"; Eurosensors VIII;13 th European Conference an Solid-Stat Transducers; September 12bis 15, 1999; Den Haag; S. 757-760 vorgeschlagen worden,die Bestimmung der Lockerung durch Anregung mechanischer Schwingungenunmittelbar am Bein eines Patienten mit einem Schwinger, der aufdas Gewebe aufgesetzt wird, durch zuführen. An der Prothese ist einkapazitiver miniaturisierter Beschleunigungssensor vorhanden, dessenMesssignale telemetrisch zur Auswertung an einen externen Computer übertragenwerden sollen.So is from R. Puers, et al., In "A Telemetry System on Detection of Hip Prosthesis Loosing by Vibration Analysis"; Eurosensors VIII; 13th European Conference on Solid-Stat Transducers, September 12-15, 1999; The Hague; pp. 757-760 has proposed to perform the determination of relaxation by stimulating mechanical vibrations directly on the leg of a patient with a vibrator which is placed on the tissue by. The prosthesis has a capacitive miniaturized acceleration sensor whose measurement signals are to be transmitted telemetrically to an external computer for evaluation.

Dabeiist es aber nachteilig, dass durch den auf das Gewebe aufgesetztenSchwinger eine Belastung des jeweiligen Patienten nicht vermiedenwerden kann, da in Folge der Dämpfungim Gewebe und Knochen fürden Erhalt halbwegs auswertbarer Messsignale ausreichend große Schwingungsamplitudenerforderlich sind.thereHowever, it is disadvantageous that by the patch on the fabricSchwinger did not avoid a strain on the particular patientcan be, as a result of attenuationin the tissues and bones forto obtain reasonably evaluable measuring signals sufficiently large vibration amplitudesrequired are.

Außerdem kannnur innerhalb eines kleinen begrenzten Frequenzintervalls bis maximal200 Hz eine Anregungerfolgen. Füreine sinnvolle Auswertung müssendadurch aber auch höhereFrequenzen in Form von höherenharmonischen Oberwellen ausgenutzt werden, was wiederum zu erheblichenInformationsverlusten durch erhöhteEinflüsseauftretender Störgrößen zurFolge hat.In addition, canonly within a small limited frequency interval to maximum200 Hz excite. Forneed a meaningful evaluationbut also higher onesFrequencies in the form of higherharmonic harmonics are exploited, which in turn leads to significantInformation losses due to increasedinfluencesoccurring disturbances forEpisode has.

Esist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten zur Bestimmungdes Verankerungszustandes implantierter Endoprothesen vorzuschlagen,die eine reduzierte Patientenbelastung hervorrufen, genauere, reproduzier- und vergleichbareBestimmungsergebnisse liefern können.Itis therefore an object of the invention, ways of determiningpropose the anchoring state of implanted endoprostheses,which cause a reduced patient burden, more accurate, reproducible and comparableCan provide determination results.

Erfindungsgemäß wird dieseAufgabe mit einem System, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist,gelöst.Es kann dann mit einem Verfahren nach Anspruch die Bestimmung durchgeführt werden.Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mitin untergeordneten Ansprüchenbezeichneten Merkmalen erreicht werden.According to the invention thisTask with a system having the features of claim 1,solved.It can then be carried out with a method according to claim the determination.Advantageous embodiments and further developments of the invention can within subordinate claimsdesignated characteristics can be achieved.

Beidem erfindungsgemäßen Systemist ebenfalls ein zur Messung von Schwingungen geeigneter Sensoran, bevorzugt aber in der Endoprothese angeordnet. Seine Messsignalekönnentelemetrisch mittels einer Transpondereinheit drahtlos übertragen werden.Die erforderliche elektrische Energie kann ebenfalls mit der Transpondereinheitinduktiv zur Messung von Schwingungssignalen mit dem Sensor, für die Übertragungvon Messsignalen sowie ggf. auch für eine Aufbereitung und/oderSpeicherung der Messsignale zur Verfügung gestellt werden.atthe system according to the inventionis also a sensor suitable for measuring vibrationsbut preferably arranged in the endoprosthesis. His measuring signalscantelemetrically transmitted by a transponder unit wirelessly.The required electrical energy can also be with the transponder unitInductive for measuring vibration signals with the sensor, for transmissionof measuring signals and possibly also for a preparation and / orStorage of the measurement signals are provided.

Außerdem istan der Endoprothese ein Magnet oder ein ferromagnetisches Elementvorhanden. Mit einer außerhalbdes jeweiligen Körpersmit der implantierten Endoprothese angeordneten Anregungsspule wirdein magnetisches Wechselfeld generiert. Mit diesem magnetischenWechselfeld werden mit Hilfe des Magneten oder ferromagnetischen ElementsSchwingungen der gesamten Endoprothese angeregt. Die Schwingungenkönnenmit dem Sensor detektiert werden. Je nach Lockerung bzw. Verankerungszustandder Endoprothese weichen die mit dem Sensor erfassbaren Messsignalevon einer Vorgabe ab, so dass eine Bewertung möglich ist.Besides that isat the endoprosthesis a magnet or a ferromagnetic elementavailable. With an outsideof the respective bodywith the implanted endoprosthesis arranged excitation coilgenerates a magnetic alternating field. With this magneticAlternating field are using the magnet or ferromagnetic elementVibrations of the entire endoprosthesis excited. The vibrationscanbe detected with the sensor. Depending on easing or anchoring conditionThe endoprosthesis give way to the measuring signals detectable by the sensorfrom a default, so that a rating is possible.

Dasmagnetische Wechselfeld kann vorteilhaft so generiert werden, dassein Frequenzinterval durchfahren wird. Dabei kann dann die jeweiligeResonanzfrequenz der implantierten Endoprothese erreicht und auchbestimmt werden. Die erfasste Resonanzfrequenz kann dann eine guteAussage fürden Verankerungszustand liefern, da sie von der Resonanzfrequenzder vorab fest verankerten Endoprothese abweicht. Außerdem sindselbstverständlich auchdie mit dem Sensor erfassbaren Schwingungsamplituden bei Resonanzbedingungenhöher,was die Auswertung ebenfalls erleichtert und den Einfluss von Fehlernverkleinert.Themagnetic alternating field can be advantageously generated so thata frequency interval is passed through. It can then the respectiveResonance frequency of the implanted endoprosthesis reached and alsobe determined. The detected resonance frequency can then be a goodStatement forprovide the anchoring state since they are of the resonant frequencydeviates from the previously firmly anchored endoprosthesis. Besides, they areof course, toothe vibration amplitudes that can be detected by the sensor at resonance conditionshigher,which also facilitates the evaluation and the influence of errorsreduced.

DasFrequenzintervall sollte von 100 Hz bis 10 kHz, bevorzugt von 800Hz bis 4 kHz gewähltwerden.TheFrequency interval should be from 100 Hz to 10 kHz, preferably from 800Hz to 4 kHz selectedbecome.

Zusätzlich zurBestimmung der Resonanzfrequenz kann auch die Veränderungdes Messsignals in Bezug zur sinusförmigen Schwingungsanregungmit dem magnetischen Wechselfeld bei der Auswertung berücksichtigtwerden.In addition to determining the resonance Frequency can also be taken into account in the evaluation of the change of the measuring signal in relation to the sinusoidal oscillation excitation with the alternating magnetic field.

Hierzukann auch die zur Anregung eingesetzte Schwingung, als Referenzsignalgenutzt und dabei mit detektiert werden. Dies kann mit einer zusätzlichenEmpfangsspule an der Endoprothese erfolgen. Deren Signale können mitden Messsignalen des Sensors verarbeitet werden.For thiscan also be the vibration used for excitation, as a reference signalused and thereby be detected with. This can come with an additionalReception coil on the endoprosthesis done. Their signals can withthe measurement signals of the sensor are processed.

BevorzugtkönnenBeschleunigungssensoren fürdie Erfassung der Schwingungen eingesetzt werden. Außerdem sindaber auch Geschwindigkeits-, Wegmesssensoren, magnetostriktive Sensoren,Dehnmessstreifen oder Laservibrometer geeignet. Es kann eine Bestimmungin einer aber auch mehreren Achsen durchgeführt werden.PreferscanAcceleration sensors forthe detection of vibrations are used. Besides, they arebut also speed, distance measuring sensors, magnetostrictive sensors,Strain gauges or laser vibrometer suitable. It can be a determinationbe carried out in one but also several axes.

EineSende- und Empfangsspule der Transpondereinheit sowie ggf. aucheine Spule zur Erfassung der Anregungsschwingung kann/können bevorzugtam distalen Ende der Endoprothese angeordnet sein. Dabei sollteder bereich der Endoprothese mit einem nichtmetallischen Werkstoffgebildet sein, so dass die telemetrische Übertragung verbessert werdenkann und Dämpfungseffektefür elektromagnetischeWellen, der im nichtmetallischen Werkstoff eingeschlossenen Spule(n)reduziert sind.ATransmitting and receiving coil of the transponder unit and possibly alsoa coil for detecting the excitation vibration may be preferredbe arranged at the distal end of the endoprosthesis. It shouldthe area of the endoprosthesis with a non-metallic materialbe formed so that the telemetric transmission can be improvedcan and damping effectsfor electromagneticWaves, coil (s) enclosed in non-metallic materialare reduced.

DieMesssignale von Sensor und ggf. der zusätzlichen Spule können miteiner elektronischen Auswerteschaltung, die am Sensor integriertoder an ihm angeschlossen sein kann, vor- oder vollständig verarbeitetwerden. Sie sollten aber zumindest so verarbeitet sein, dass einetelemetrische Übertragungmöglichist.TheMeasuring signals from the sensor and possibly the additional coil can withan electronic evaluation circuit that integrates on the sensoror may be connected to it, pre or fully processedbecome. But you should at least be so processed that atelemetric transmissionpossibleis.

Dabeikann mit einer A/D-Wandlung die Übertragungin digitalisierter Form erfolgen. Bei der Verarbeitung kann eineModulation durchgeführtwerden. So könnenpulsweitenmodulierte oder Interfacesignale (z.B. I²C,CAN, SPI o.ä.)mit Hilfe der Transpondereinheit übertragen werden.In this case, the transmission can take place in digitized form with an A / D conversion. During the processing a modulation can be carried out. Thus pulse-width-modulated or interface signals (eg I² C, CAN, SPI or the like) can be transmitted with the aid of the transponder unit.

Eskönnenaber auch die erfassten Messsignale in einem ebenfalls an der Endoprothesevorhandenen elektronischen Speicher gespeichert und später ausgelesenwerden. So besteht die Möglichkeit eineUntersuchung in einem kurzen Abstand nach der Implantation durch zuführen unddie Daten zu speichern. Bei einer dann später durchgeführten Bestimmungdes Verankerungszustandes könnendie dabei ermittelten Messergebnisse mit den älteren verglichen und so dieaufgetretene Veränderungerkannt werden.Itcanbut also the recorded measurement signals in a likewise on the endoprosthesisstored electronic memory and later read outbecome. So there is the possibility of onePerform examination at a short distance after implantation andto save the data. In a subsequent determinationthe anchoring state canThe results obtained compared with the older ones and so thechange occurredbe recognized.

Esbesteht aber auch die Möglichkeiteiner externen Speicherung von telemetrisch übertragenen Messergebnissenin ähnlicherForm, beispielsweise in einer Patientendatei, durchzuführen.ItBut there is also the possibilityan external storage of telemetrically transmitted measurement resultsin a similar wayForm, for example in a patient file.

Magnetoder ferromagnetisches Element und Sensor sollten im proximalenTeil der Endoprothese angeordnet sein. Eine Anordnung in einem Bereichder Endoprothese in dem diese nicht in körpereigenes Gewebe einwächst istzu bevorzugen.magnetor ferromagnetic element and sensor should be in the proximalBe arranged part of the endoprosthesis. An arrangement in a spherethe endoprosthesis in which this is not growing into the body's own tissueto prefer.

Magnetoder ferromagnetisches Element sollten eine Masse aufweisen, beider ein kleineres Verhältnisals 1 : 100 in Bezug zur Masse der Endoprothese eingehalten ist.So kann die Masse bei ca. 1 g liegen, wobei die Sensitivität des jeweiligenSensors zu berücksichtigenist.magnetor ferromagnetic element should have a mass atthe smaller ratiois maintained at 1: 100 with respect to the mass of the endoprosthesis.So the mass can be about 1 g, with the sensitivity of eachTo consider sensorsis.

FerromagnetischeElemente sollten magnetisierbar aber auch wieder demagnetisierbarsein.ferromagneticElements should be magnetizable but also demagnetizable againbe.

Für die Verarbeitungder Messsignale des Sensors in analoger oder auch digitaler Formkann besonders vorteilhaft ein Lock-In-Verstärker eingesetzt werden.For processingthe measurement signals of the sensor in analog or digital formIt is particularly advantageous to use a lock-in amplifier.

Fallserforderlich kann aber auch die Anregung von Schwingungen auf mechanischemWeg und die Messsignalerfassung, -verarbeitung, Auswertung und Datenübertragungmit den hier erläutertenvorteilhaften Mitteln und in dieser Form durchgeführt werden.Ifbut may also be the excitation of vibrations on mechanicalWay and the measurement signal acquisition, processing, evaluation and data transmissionwith the ones explained hereadvantageous means and be carried out in this form.

Nachfolgendsoll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.followingthe invention will be explained in more detail by way of example.

Dabeizeigen:theredemonstrate:

1 inschematischer Form ein an einer implantierte Endoprothese einsetzbaresSystem mit Sensor und Magnet sowie prinzipieller Schaltung für die Anregungund Transpondereinheit; 1 in schematic form, a system that can be used on an implanted endoprosthesis with a sensor and a magnet as well as a circuit for the excitation and transponder unit;

2 einenSchaltplan füreine Messsignalverarbeitung in analoger Form; 2 a circuit diagram for a measurement signal processing in analog form;

3 einenSchaltplan füreine Messsignalverarbeitung in digitaler Form und 3 a circuit diagram for a measurement signal processing in digital form and

4 einBlockschaltbild einer Möglichkeit für die Anregungvon Schwingungen an einer Endoprothese. 4 a block diagram of a possibility for the excitation of vibrations on an endoprosthesis.

In1 istin schematischer Form ein Aufbau eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Systemsgezeigt. Im proximalen Teil einer hier nicht dargestellten Endoprothesesind ein Magnet1 und ein Beschleunigungssensor befestigt.Die Endoprothese ist zumindest in diesem Bereich aus Titan gebildet.In 1 is shown in schematic form a structure of an example of a system according to the invention. In the proximal part of an endoprosthesis not shown here are a magnet 1 and an acceleration sensor attached. The endoprosthesis is formed of titanium at least in this area.

Imdistalen Bereich der Endoprothese ist eine Sende- und Empfangsspule2' der Transpondereinheit2 imWerkstoff der Endoprothese eingeschlossen. Durch die Endoprothesesind elektrisch leitende Verbindungen zwischen Beschleunigungssensor,Transpondereinheit2 und deren Sende- und Empfangsspule2' geführt. DieSende- und Empfangsspule2' dientzur telemetrischen Übertragung vonMesssignalen auf drahtlosem Weg. Außerdem kann mit ihrer Hilfeinduktiv elektrische E nergie für Sensorund eine elektronische Auswerteschaltung zur Verfügung gestelltwerden.In the distal area of the endoprosthesis is a transmitting and receiving coil 2 ' the transponder unit 2 included in the material of the endoprosthesis. Due to the endoprosthesis are electrically conductive connections between accelerometer, transponder unit 2 and their transmitting and receiving coil 2 ' guided. The transmitting and receiving coil 2 ' is used for the telemetric transmission of measurement signals by wireless. In addition, with their help, inductively electrical energy for sensor and an electronic evaluation circuit can be made available.

1 sollverdeutlichen, wie die Anregung von Schwingungen der Endoprothesevon außenberührungsloserreicht werden kann. Übereinen Frequenzgenerator3 und einen Verstärker4 wirdeiner Anregungsspule5 eine sinusförmige elektrische Spannungzugeführt.Die mit oder auch ohne Kern ausgeführte Anregungsspule5 generiertein magnetisches Wechselfeld mit der Frequenz der elektrischen Spannung.Dem Verstärker4 kannein auf die Anregungsspule5 abgestimmter Hochpassfiltervorgeschaltet werden (nicht dargestellt). Mit dem Frequenzgenerator3 kanndie sinusförmigeAnregungsfrequenz direkt eingestellt werden. Es besteht aber auchdie Möglichkeitdies in digitaler Form mittels des Controlers über einen D/A-Wandler vorzunehmen. 1 should clarify how the excitation of vibrations of the endoprosthesis can be reached without contact from the outside. About a frequency generator 3 and an amplifier 4 becomes an excitation coil 5 a sinusoidal electrical voltage supplied. The excitation coil executed with or without a core 5 generates an alternating magnetic field with the frequency of the electrical voltage. The amplifier 4 can one on the excitation coil 5 tuned high-pass filter upstream (not shown). With the frequency generator 3 The sinusoidal excitation frequency can be set directly. However, it is also possible to do this in digital form by means of the controller via a D / A converter.

DerMagnet1 steht unter dem Einfluss des magnetischen Wechselfeldesund übteine oszillierende Kraftwirkung auf die Endoprothese aus, die so inSchwingungen versetzt wird. Diese Schwingungen können mit dem Beschleunigungssensordetektiert werden. Nach einer Vorverarbeitung, wie sie noch bei derBeschreibung der2 und3 erläutert werdenwird, kann eine telemetrische Datenübertragung zu der außerhalbdes Körpersangeordneten Transponderspule6 erfolgen. Über einenHochfrequenzeingang (HF-Frontend) und einen Controler oder aucheine Schreib-Leseeinrichtung8 gelangen die zeitaufgelöst erfasstenMesssignale zu einem externen elektronischen Auswertegerät7,das z.B. ein herkömmlicherPC sein kann.The magnet 1 is under the influence of the alternating magnetic field and exerts an oscillating force on the endoprosthesis, which is thus set in vibration. These vibrations can be detected with the acceleration sensor. After preprocessing, as described in the description of the 2 and 3 can be explained, a telemetric data transmission to the outside of the body arranged transponder coil 6 respectively. Via a high-frequency input (HF front-end) and a controller or a read-write device 8th The time-resolved measured signals are sent to an external electronic evaluation unit 7 which can be eg a conventional PC.

Mit2 sollenMöglichkeitenfür eineVorverarbeitung von Messsignalen in einer elektronischen Schaltungmit Lock-In-Verstärkeraufgezeigt werden.With 2 Possibilities for a preprocessing of measurement signals in an electronic circuit with lock-in amplifier will be shown.

Hierist eine zusätzlicheSpule9 vorhanden, mit der die Anregungsschwingung desmagnetischen Wechselfeldes, als Referenzsignal S(t) detektiert werdenkann.Here is an additional coil 9 present, with which the excitation oscillation of the alternating magnetic field, as a reference signal S (t) can be detected.

DasReferenzsignal S(t) und die Messsignale B(t) werden über dieVerstärkerV1 und V2 in addierter Form auf zwei Multiplizierer mul10 und11 gegeben.Dabei erfolgt bei einem der Multiplizierer vorab eine Phasenverschiebung.Dabei kann V2 die Phase um –δ oder V1um +δ zwischenMesssignal B(t) und Referenzsignal S(t) verschieben. In2 erfolgteine Phasenverschiebung von V2 des Referenzsignals S(t) um π/2. Nacheiner Tiefpassfilterung mit den Filtern12 und13 können dieKomponenten der doppelten Anregungsfrequenz herausgefiltert werden.The reference signal S (t) and the measurement signals B (t) are multiplied via the amplifiers V1 and V2 in an additive form to two multipliers 10 and 11 given. In this case, a phase shift occurs in advance in one of the multipliers. In this case, V2 can shift the phase by -δ or V1 by + δ between measuring signal B (t) and reference signal S (t). In 2 there is a phase shift of V2 of the reference signal S (t) by π / 2. After a low-pass filtering with the filters 12 and 13 The components of the double excitation frequency can be filtered out.

Ausden erhaltenen Signalen A1 und A2 kann durch Vektoraddition dieAmplitudeA = BωC/2 = √(A12 + A22) bestimmtwerden. Dabei ist C die Amplitude des Refrenzsignals.From the obtained signals A1 and A2, the amplitude can be added by vector addition A = BωC / 2 = √ (A1 2 + A2 2 ) be determined. Where C is the amplitude of the reference signal.

Ineiner Variante L21 werden die einzelnen Signale A1 und A2 abgetastetund z.B. übereinen Multiplexer14 einem A/D-Wandler15 zugeführt, um indigitalsierter Form telemetrisch mittels der Transpondereinheit übertragenzu werden.In a variant L21, the individual signals A1 and A2 are sampled and, for example, via a multiplexer 14 an A / D converter 15 supplied to be transmitted in digitalsierter form telemetrically by means of the transponder unit.

Ineiner zweiten Variante L22 werden die beiden Signale A1 und A2 mitGleichrichtern25 und26 gleichgerichtet und zuAn = |A1| + |A2| mit dem Addierer16 addiert. In dieserForm erfolgt wieder eine Digitalisierung mit einem A/D-Wandler15 bevordie telemetrische Übertragungdurchgeführtwerden kann.In a second variant L22, the two signals A1 and A2 with rectifiers 25 and 26 rectified and to An = | A1 | + | A2 | with the adder 16 added. In this form again a digitization with an A / D converter 15 before the telemetric transmission can be performed.

Sokann ohne weiteres eine Detektion der Resonanzfrequenz der jeweiligenimplantierten Endoprothese mit dem Verankerungszustand erfolgen.Socan readily detect the resonance frequency of the respectiveimplanted endoprosthesis with the anchoring state.

Mitdem Schaltbild nach3 soll eine Möglichkeitfür eineMesssignalvorverarbeitung in digitalsierter Form verdeutlicht werden.Auch hier wird ein Lock-In-Verstärker19,der auch als phasenempfindlicher Gleichrichter bezeichnet werdenkann, eingesetzt. Es wird hierbei kein Referenzsignal detektiert, sondern über dieTranspondereinheit2 die jeweilige Frequenz- und Phaseninformationder Anregung übermittelt.Daraus wird ein internes Taktsignal erzeugt. Das Messsignal B(t)des Sensors17 wird auf einem Signalpfad unverändert undauf einem anderen Signalpfad invertiert zu einem Ausgang A3 durchgeschaltet.Nach einer Tiefpassfilterung18 wird das Signal A4 wiederummittels eines A/D-Wandlers20 digitalisiert und dann vonder Transpondereinheit2 telemetrisch übertragen.With the diagram after 3 a possibility for a measurement signal preprocessing in digitalsierter form should be clarified. Again, a lock-in amplifier 19 , which can also be referred to as a phase-sensitive rectifier used. In this case, no reference signal is detected, but via the transponder unit 2 transmits the respective frequency and phase information of the excitation. From this an internal clock signal is generated. The measuring signal B (t) of the sensor 17 is inverted on one signal path and inverted on another signal path to an output A3. After a low-pass filtering 18 the signal A4 is again by means of an A / D converter 20 digitized and then from the transponder unit 2 transmitted telemetrically.

Diedigitalisierten Messsignale sowie zusätzliche Für den Messablauf erforderlicheInformationen mit gleicher Frequenz und mit gleicher Phase werden über denMikrokontroller21 und die Transponderspule2' übertragen.The digitized measuring signals as well as additional information required for the measuring sequence with the same frequency and with the same phase are transmitted via the microcontroller 21 and the transponder coil 2 ' transfer.

Diezu einem bei beispielsweise Schreib-/Lesegerät übertragenen Ausgangssignaledes Lock-In-Verstärkers19 können, wieauch an einem PC oder ähnlichemGerät graphischin Abhängigkeit derjeweiligen Frequenzen dargestellt und gespeichert werden. Es ist,wie auch im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits angesprochenein Vergleich der aktuellen Messung mit vorab bereits gespeicherten älteren Schwingungsspektrenmöglich,um den Verankerungszustand zu beurteilen. Die Speicherung kann unmittelbarin einem Speicher an der Endoprothese, beim jeweiligen Patienten,beim behandelnden Arzt oder einem telemedizinischen Servicecentererfolgen.The transmitted to an example read / write output signals of the lock-in amplifier 19 can be graphically displayed and stored as a function of the respective frequencies, as also on a PC or similar device. It is, as already mentioned in the general part of the description a comparison of the current measurement with previously stored already older vibration spectra possible to assess the anchoring state. The storage can be done directly in a memory on the endoprosthesis, the respective patient, the attending physician or a telemedicine service center.

Mit4 sollin Form eines Blockschaltbildes eine mögliche Schwingungsanregungder Endoprothese in berührungsloserForm mit einem erfindungsgemäßen Systemweiter herausgestellt werden.With 4 should be in the form of a block diagram a possible vibration excitation of the endoprosthesis in non-contact form with a system according to the invention further highlighted.

Dabeiist außerhalbdes Organismus ein Frequenzgenerator22 vorhanden, mitdem eine feste Trägerfrequenz,hier z.B. 125 kHz zur Verfügunggestellt werden kann. Diese konstante Frequenz wird mittels derAnregungsspule6' telemetrischauf die Transponderspule2' derTranspondereinheit2 übertragen.In this case, outside the organism is a frequency generator 22 present, with a fixed carrier frequency, here 125 kHz, for example, can be provided. This constant frequency is achieved by means of the excitation coil 6 ' telemetrically to the transponder coil 2 ' the transponder unit 2 transfer.

Paralleldazu wird die konstante Frequenz einem weiteren Frequenzgenerator24 zugeführt und dortgewandelt. Um ein Frequenzband fürdie Schwingungsanregung zu durchfahren. Dies erfolgt durch mehrfacheganzzahlige Teilung der konstanten Frequenz in Stufen. Um mindestenseine Resonanzfrequenz der implantierten Endoprothese zu erfassen.In parallel, the constant frequency becomes another frequency generator 24 fed and converted there. To drive through a frequency band for the vibration excitation. This is done by multiple integer division of the constant frequency in stages. To detect at least one resonance frequency of the implanted endoprosthesis.

DasSchwingungsverhalten zu bestimmen werden, werden die Schwingungenmit dem Sensor17 erfasst und im Lock-In-Verstärker19 verarbeitet. Zusätzlich werdendem Lock-In-Verstärker19 miteinem programmierbaren Frequenzteiler23 auf den Lock-In-Verstärker19 gegeben.Dies erfolgt um eine Synchronisation der Frequenzen und Phasengleichheitherzustellen.The vibration behavior will be determined, the vibrations with the sensor 17 recorded and in the lock-in amplifier 19 processed. In addition, the lock-in amplifier 19 with a programmable frequency divider 23 on the lock-in amplifier 19 given. This is done in order to establish a synchronization of the frequencies and phase equality.

Claims (21)

Translated fromGerman

System zur Bestimmung des Verankerungszustandesimplantierter (Gelenkersatzprothesen) Endoprothesen, bei dem ander Endoprothese ein zur Messung von Schwingungen geeigneter Sensorund eine Transpondereinheit zur drahtlosen Übertragung von Schwingungsmesssignalenund zur induktiven Elektroenergieübertragung vorhanden sind,dadurch gekennzeichnet,dass an der Endoprothese zusätzlichein Magnet (1) oder ein ferromagnetisches Element vorhandenist, der/das mittels einer ein magnetisches Wechselfeld generierenden,außerhalbdes menschlichen oder tierischen Körpers angeordneten Anregungsspule(5) zu Schwingungen anregbar ist.System for determining the anchoring state of implanted (joint replacement prostheses) endoprostheses, in which a sensor suitable for measuring vibrations is provided on the endoprosthesis and a transponder unit for the wireless transmission of vibration measurement signals and for inductive electrical energy transmission,characterized in that a magnet is additionally provided on the endoprosthesis ( 1 ) or a ferromagnetic element is present, which by means of a magnetic alternating field generating, outside of the human or animal body arranged excitation coil ( 5 ) is excitable to vibrations.System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dassder Sensor (17) ein Beschleunigungs-, Geschwindigkeits-,Wegmesssensor, ein magnetostriktiver Sensor, Dehnmessstreifensensor oderein Laservibrometer ist.System according to claim 1, characterized in that the sensor ( 17 ) is an acceleration, velocity, displacement, magnetostrictive, strain gauge or laser vibrometer.System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass eine weitere Spule, zur Erfassung der Schwingungen des zurAnregung ausgebildeten magnetischen Wechselfeldes, an der Endoprothesevorhanden ist.System according to claim 1 or 2, characterizedthat another coil, to detect the vibrations of theExcitation trained magnetic alternating field, at the endoprosthesisis available.System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass eine Sende- und Empfangsspule (2') der Transpondereinheit(2) am distalen Ende der Endoprothese angeordnet ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that a transmitting and receiving coil ( 2 ' ) of the transponder unit ( 2 ) is arranged at the distal end of the endoprosthesis.System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangsspule (2') der Transpondereinheit(2) von einem nichtmetallischen Werkstoff in der Endoprotheseeingeschlossen und so an der Endoprothese befestigt ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that the transmitting and receiving coil ( 2 ' ) of the transponder unit ( 2 ) is enclosed by a non-metallic material in the endoprosthesis and thus attached to the endoprosthesis.System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass der Magnet (1) oder das ferromagnetischeElement und der Sensor (17) am proximalen Ende der Endoprotheseangeordnet sind.System according to one of the preceding claims, characterized in that the magnet ( 1 ) or the ferromagnetic element and the sensor ( 17 ) are arranged at the proximal end of the endoprosthesis.System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass im Sensor (17) eine elektronischeAuswerteschaltung integriert oder eine solche elektronische Auswerteschaltung anden Sensor (17) angeschlossen und innerhalb der Endoprotheseangeordnet ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that in the sensor ( 17 ) integrated an electronic evaluation circuit or such an electronic evaluation circuit to the sensor ( 17 ) is connected and disposed within the endoprosthesis.System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass ein elektronischer Speicher in der Endoprothesevorhanden ist.System according to one of the preceding claims, characterizedcharacterized in that an electronic memory in the endoprosthesisis available.System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass ein Lock-In-Verstärker (19)für eineVorverarbeitung der Messsignale des Sensors (17) vorhandenist.System according to one of the preceding claims, characterized in that a lock-in amplifier ( 19 ) for preprocessing the measuring signals of the sensor ( 17 ) is available.System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass ein A/D-Wandler (15) Bestandteil derelektronischen Auswerteschaltung ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that an A / D converter ( 15 ) Is part of the electronic evaluation circuit.System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass dem A/D-Wandler (15) ein Tiefpassfilter(12,13) vorgeschaltet ist.System according to one of the preceding claims, characterized in that the A / D converter ( 15 ) a low-pass filter ( 12 . 13 ) is connected upstream.System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass der Anregungsspule ein Hochpassfilter vorgeschaltetist.System according to one of the preceding claims, characterizedin that the excitation coil is preceded by a high-pass filteris.System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass ein ferromagnetisches Element magnetisierbarund wieder demagnetisierbar ist.System according to one of the preceding claims, characterizedcharacterized in that a ferromagnetic element magnetizableand again demagnetizable.Verfahren zur Bestimmung des Verankerungszustandesimplantierter Endoprothesen mit einem System nach einem der Ansprüche 1 bis13, bei dem von außerhalbdes Körpersmittels einer Anregungsspule (5) ein magnetisches Wechselfeldgeneriert, dadurch ein in der Endoprothese angeordneter Magnet (1)oder ein ferromagnetisches Element zum Schwingen angeregt, die Schwingungenmit einem in der Endoprothese vorhanden Sensor (17) detektiert unddessen Messsignale übereine Transpondereinheit (2) zu einer externen elektronischenAuswerteeinheit übertragenwerden.Method for determining the anchoring implanted endoprosthesis with a system according to any one of claims 1 to 13, wherein from outside the body by means of an excitation coil ( 5 ) generates an alternating magnetic field, thereby arranged in the endoprosthesis magnet ( 1 ) or a ferromagnetic element is caused to vibrate, the vibrations with a sensor present in the endoprosthesis ( 17 ) and its measuring signals via a transponder unit ( 2 ) are transmitted to an external electronic evaluation unit.Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,dass die Anregung des magnetischen Wechselfeldes so erfolgt, dassmindestens eine Resonanzfrequenz der Endoprothese erreicht und bestimmtwird.Method according to claim 14, characterized in thatthat the excitation of the alternating magnetic field is such thatreached and determined at least one resonance frequency of the endoprosthesisbecomes.Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet,dass bei der Anregung mit dem magnetischen Wechselfeld ein Frequenzintervalldurchfahren wird, in dem die Resonanzfrequenz(en) der Endoprotheseliegt.Method according to claim 14 or 15, characterizedthat at the excitation with the alternating magnetic field, a frequency intervalis passed through, in which the resonance frequency (s) of the endoprosthesislies.Verfahren nach Anspruch 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet,dass die bestimmte(n) Resonanzfrequenz(en) mit einem Ausgangswertvorab an der gleichen implantierten Endoprothese bestimmten Resonanzfrequenz(en)verglichen wird.Method according to claims 14 to 16, characterizedthat the particular resonant frequency (s) having an output valueresonance frequency (s) determined in advance on the same implanted endoprosthesisis compared.Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet,dass die Form und/oder Amplitude der Messsignale mit der der Anregungsschwingungdes magnetischen Wechselfeldes verglichen werden.Method according to one of claims 14 to 17, characterizedthat the shape and / or amplitude of the measurement signals with the excitation vibrationof the alternating magnetic field.Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet,dass mit einer zusätzlichenin der Endoprothese vorhandenen Spule das angelegte magnetischeWechselfeld als Referenzsignal erfasst und mit den Messsignalendes Sensors verarbeitet und fürdie Bestimmung des Verankerungszustandes genutzt wird.Method according to one of claims 14 to 18, characterizedthat with an extrain the endoprosthesis existing coil the applied magneticAlternating field detected as a reference signal and with the measurement signalsprocessed by the sensor and forthe determination of the anchoring state is used.Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet,dass die Anregung innerhalb eines Frequenzintervalls von 100 Hzbis 10 kHz durchgeführtwird.Method according to one of claims 14 to 19, characterizedthat the excitation within a frequency interval of 100 Hzperformed up to 10 kHzbecomes.Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet,dass eine telemetrische Übertragungvon Messsignalen und einer konstanten Frequenz mit gleicher Frequenzund gleicher Phasenlage durchgeführtwird.Method according to one of claims 14 to 20, characterizedthat a telemetric transmissionof measuring signals and a constant frequency with the same frequencyand the same phasebecomes.