DE19522114B4

DE19522114B4 - Vorrichtung zum Fixieren von Knochenfragmenten und Verwendung einer solchen Vorrichtung als Bohrschablone

Info

Publication number: DE19522114B4
Application number: DE1995122114
Authority: DE
Inventors: Christof Kaufmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-06-19
Filing date: 1995-06-19
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2015-06-20
Also published as: DE19522114A1

Abstract

Vorrichtung zum Fixieren von Knochenfragmenten mit mindestens einem Mittelstück (B) und mindestens einem Seitenteil (A), die durch ein einachsiges Gelenk miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugeordneten Enden des Mittelstücks (B) und des Seitenteils (A) jeweils mindestens zwei planparallele Lamellen aufweisen, die kammartig ineinander greifen und jeweils eine die Gelenkachse definierende Bohrung aufweisen, und daß die Lamellen mittels einer werkzeuglos zu betätigenden Spreiz- oder Spannvorrichtung (C) gegeneinander klemmbar sind und dadurch das Gelenk in einer vorgebbaren Winkelstellung feststellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fixieren von Knochenfragmenten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie die Verwendung einer solchen Vorrichtung als Bohrschablone beim Bohren einer für die Festlegung eines Implantats an einem Knochenfragment erforderlichen Bohrung.
Die Erfindung befaßt sich mit der Verbesserung der sog. äußeren Fixation bei unilateralen, d.h. eben aufgebauten Klammerfixateuren hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften, der Handhabbarkeit und der Montageweise, des Systemgewichts sowie Verbesserungen hinsichtlich der Durchlässigkeit gegenüber Röntgenstrahlung zur Verminderung der Bildverdeckung bei radiologischen Untersuchungen und der Möglichkeit, den Heilungsfortschritt zur Therapiekontrolle meßtechnisch zu erfassen und darzustellen.
Nach dem Stand der biomedizinischen Technik erfordert die Versorgung menschlicher (und auch tierischer) Knochenbrüche neben der zumindest teilweisen Ruhigstellung der betroffenen Gliedmaße bzw. des betroffenen Skeletteils gegen äußere Lasten stets eine Reposition der dislozierten Knochenfragmente. Fehlgelenkstellungen durch veränderte Geometrieachsen des Knochens sollen ebenso wie die häufig auftretenden Verkürzungen des Knochens vermieden werden.
Zur Durchführung der mechanischen Reposition der Knochenfragmente in die vom Chirurgen gewählte Stellung sind – beginnend bei Gipsverband – verschiedene Verfahren gebräuchlich, so auch ein Versorgungsverfahren, bei dem durch die Haut von außen unter minimaler Verletzung des Gewebes Implantate in Form langer Schrauben, Nägel oder Drähte, also lange, stabförmige Implantate in den Knochen so eingebracht werden, daß ihre Endstücke außerhalb des Körpers liegen.
Diese extracorporal lozierten Endstücke werden unter Verwendung von Verbindungsstücken (Adaptern) mittels (mindestens) einem orthogonal dazu ausgerichteten Traversenstab miteinander mechanisch fest verbunden, so daß ein mechanisch belastbares System Knochen-Fixateur-Knochen entsteht, bei dem der Fixateur die eingeleiteten Kräfte und Momente außerhalb des Körpers, also extracorporal von einem Knochenfragment auf das andere überträgt und damit die eigentliche Frakturzone mechanisch weitgehend entlastet und ruhig stellt; man spricht im Gegensatz zu rein intracorporal lozierten mechanischen Verbindungen wie Platten oder sog. internen Knochenbrücken von einer äußeren Fixierung.
Die Steifigkeit/Festigkeit eines Systems nach den Merkmalen der äußeren Fixierung ist aufgrund der auftretenden langen Hebel stets mit besonderem Augenmerk zu beobachten.
Die Forderung nach hoher mechanischer Stabilität der äußeren Fixierung in allen mechanischen Freiheitsgraden wird durch räumlich aufgebaute Rahmensysteme aufgrund der deutlich erkennbar dreidimensionalen Struktur am einfachsten und sichersten erfüllt. Aufgrund ihrer dreidimensionalen Konstruktionsweise sind Rahmenfixateure sehr stabil; es handelt sich meist um ein universell verwendbares Baukastensystem, welches sich zum Aufbau komplexer Fixierungssysteme bei komplizierten Traumen eignet.
Nachteilig bei der Versorgung von einfacheren Standard-Knochenbrüchen wie beispielsweise dem Bruch einer Tibia ist es, daß Rahmenfixateure prinzipbedingt aufwendigere Konstruktionen mit einer Vielzahl von Bauelementen sind, so daß eine gezielte Variation des Steifigkeitsverhaltens oder der Repositionslage sowie die Durchführung der postoperativen Kompressions- und Distraktionstherapie nur schwer möglich ist.
Zudem zeichnen sich Rahmenfixateure durch ein im Vergleich zu den ebenen Aufbauten größeres Systemgewicht und voluminöseren Aufbau aus; dies führt unter Umständen zu Patientendiskomfort und stark störender Röntgenverdeckung. Die zum Systemaufbau benötigten Montagezeiten sind im Vergleich zu den erfindungsgegenständlichen ebenen Aufbauten erwartungsgemäß länger.
Der Forderung nach mehr Patientenkomfort und besserer und schnellerer intraoperativer Handhabung durch den Arzt kommen die unilateralen Fixateursysteme in der bereits beschriebenen Art nach, die sich durch einen ebenen Aufbau kennzeichnen.
Solche Systeme finden vorzugsweise Verwendung bei Frakturierung der Langknochen der oberen und unteren Extremitäten; sie werden aber beispielsweise in abgewinkelter Form auch zu gelenkübergreifenden Montagen etwa zur Ruhigstellung von Gelenken eingesetzt.
Biomechanisch begründet sich der konstruktive Sinn solcher Systeme darin, daß die größte Belastung eines (hier betrachtungsgegenständlichen Lang-) Knochens wegen seiner biomechanischen Hauptaufgabe, nämlich der Stützfunktion im Sinne des Druckstabs stets in Richtung der Knochenlängsachse verläuft und somit besondere eine ausreichende Stabilität für diese axiale Belastungsrichtung für das Versorgungssystem zu fordern ist.
Das Konstruktionsmerkmal des ebenen Rahmens, ggf. mit mehreren Verstrebungen, kann diese mechanische Grundaufgabe erfüllen, wenn es gelingt, alle Stäbe dieses Stabwerks gemäß ihren unterschiedlichen Beanspruchungen belastungsstabil auszulegen und zu verbinden.
Durch die im Vergleich zu Rahmenkonstruktionen mögliche geringere Anzahl von Bauteilen sowie durch den nur einseitig erforderlichen intraoperativen Zugang können unilaterale Systeme schnell und einfach eingesetzt werden.
Alle Frakturversorgungsverfahren nach dem Prinzip der äußeren Fixierung, so auch die erfindungsgegenständlichen ebenen Systeme, unterliegen zusammengefaßt den folgenden Aufgaben:
Die Montagemöglichkeiten des Systems müssen eine Anpassung der Montage an die beim Patienten vorliegende Situation ermöglichen, so daß das Operationsziel, nämlich die richtige Reposition der Knochenfragmente mit vertretbarem bzw. unter dem Gesichtspunkt der Narkosezeiten minimalem Zeitaufwand realisiert werden kann.
Alle Systembestandteile, auch die extracorporal lozierten, müssen voll sterilisierbar und zu Reinigungszwecken leicht zerlegbar sowie montagesicher sein.
Das mechanische System Knochen-Fixateur-Knochen muß äußere Lasten, die im Patientenalltag vorkommen können, auch ertragen. Solche im Patientenalltag nicht auszuschließenden Lasten dürfen weder plastische/pseudoplastische Verformungen (im Höchstlastbereich) noch zu große elastische Verformung wegen zu geringer Steifigkeit (im Normbereich) zur Folge haben.
Die mechanische Analyse der bekannten Systeme einerseits und die biomechanische Analyse der Erfordernisse an ein solches Fixationssystem ergibt eindeutig, daß aufgrund der geometrischen Gegebenheiten, der auftretenden Belastungen sowie der Notwendigkeit, Verstellmechanismen zur Anpassung an die aktuelle Patientensituation und die therapeutischen Erfordernisse in die Systeme zu integrieren, häufig genau dort die höchsten Beanspruchungen auftreten, an denen zu besagter Verstellung und Anpassung konstruktive Schwachstellen wie Kugelgelenke und Anzugsschrauben, teilweise sogar mit empfindlichem Feingewinde, verwendet werden
Zur Sicherheit von Patienten und Arzt sind also sichere und schnelle intraoperative Handhabbarkeit, zuverlässige Vermeidung von Erscheinungen wie Klemmen oder Fressen, Vermeidung von Überdehnung oder sonstiger Überbeanspruchung von Bauteilen zu fordern; ebenso ist die Erfüllung von Merkmalen wie etwa der Unverwechselbarkeit von Teilen, hoher Montagekomfort und ähnliches notwendig.
Der im medizinischen (Erst-) Versorgungsbereich (Unfallchirurgie) eigentlich selbstverständlichen Forderung nach sicherer Mechanik stehen Forderungen nach möglichst umfangreicher Adaptionsfähigkeit des Systems auf unterschiedliche Erfordernisse sowie Komfort-Ansprüche hinsichtlich einfacher Montageweise entgegen.
Durch den stets vorhandenen äußeren mechanischen Zugang zur versorgten Fraktur wird durch das Prinzip der äußeren Fixation auch die Möglichkeit der Distanzosteosysthese (Knochenverlängerung) oder der Kompressionsosteosynthese gegeben, so daß sich ein Fixateur externe-System auch durch diese Möglichkeiten zur nachsorgenden Behandlung mit weiterführenden Repositionsmaßnahmen kennzeichnen sollte, die ein Einrichten der Knochenfragmente durch ausschließlich extracorporale Maßnahmen leicht zulassen.
Die Ursache für die mittlerweile in vielen wissenschaftlichen Arbeiten aus dem Bereich der Medizin nachgewiesene unterschiedliche Beeinflussung einer Frakturheilung je nach gewähltem Versorgungssystem ist darin zu sehen, daß gleiche äußere Lasten, die auf das System Knochen-Fixateur-Knochen aufgebracht werden, durch unterschiedliche Systemsteifigkeiten unterschiedlich viel „Unruhe" in der eigentlichen Frakturzone zulassen.
Die Abhängigkeit der mechanischen Beeinflussung der Güte und des Zeitverlaufs des Heilungsprozeßes in der knöchernen Defektzone von den mechanischen Eigenschaften des Versorgungssystems bedeutet, daß sich ein System zur Frakturversorgung durch hinsichtlich der mechanischen Einwirkungen auf die Fraktur (-heilung) selbst durch definierte mechanische (Feder- bzw. Steifigkeits-) Eigenschaften kennzeichnen muß, die Vorgaben aus der Biomechanik und der Medizin Genüge tun.
Die benannte „Unruhe" kann für den ersten Abschnitt der Heilungsphase durch die interfragmentären Relativbewegungen ausgedrückt werden, welche die einander gegenüberstehenden Enden der Knochenfragmente ausführen. In den weiteren Phasen des Heilungsverlaufs, in denen bereits eine knöcherne Brücke zwischen den Fragmenten aufgebaut ist, kommt es bei äußerer Belastung des Systems Knochen-Fixateur-Knochen zunehmend zum lastabhängigen Aufbau von Materialspannungen im Kallusgewebe (knöcherne Brücke, Stadium) in der Frakturzone; die interfragmentären Bewegun gen nehmen durch die teilweise wiedergewonnene Tragfähigkeit des Knochens gleichermaßen wieder ab.
Der Begriff der Steifigkeit des Gesamtsystems ist im weiteren konstruktiv zu differenzieren in eine Betrachtung der entweder parallel oder seriell miteinander verschaltete Teilsteifigkeiten (Federn) der verwendeten Konstruktionselemente sowie qualitativ in einen Richtungsbezug der Steifigkeit.
Hinsichtlich der konstruktiven Differenzierung nach Teilsteifigkeiten der Systemkomponenten ist festzustellen, daß die extracorporal lozierte Traversenkonstruktion, mit der die extracorporal lozierten Enden der Implantate mechanisch verbunden werden, sich durch eine im Vergleich mit den Implantaten stets relativ hohe Steifigkeit auszeichnet. Der allergrößte Anteil der interfragmentären Relativbewegungen rührt aus der Verformung der Implantate (meist Knochenschrauben) her.
Aufgrund der bei unilateralen Systemen vorgegebenen Struktur des ebenen Rahmens (Ebene des Rahmens = Systemebene) weisen alle diese Systeme eine seitliche Instabilität, also vergleichsweise geringe Steifigkeit gegen Belastungen normal zur Systemebene, auf.
So ergibt sich hinsichtlich der qualitativen Differenzierung der Steifigkeiten nach verschiedenen Belastungsrichtungen ein Verhältnis der auf die interfragmentären Bewegungen im Frakturspalt bezogene Steifigkeit in axialer Knochenlängsrichtung zur Steifigkeit bei Belastung des Systems durch seitliche, also zur Systemebene normal orientierte Kräfte von
Steifigkeitsverhältnis bei herkömmlicher, ebener Montage axial : seitlich = 4 : 1
aufgrund der Verformung der Implantate unter Berücksichtigung der beiden auftretenden Lastfälle „Biegefeder" bei axialer Last und „Biegebalken". Diese rechnerisch zu ermittelnde Angabe wurde ausführlich experimentell überprüft.
Verwiesen wird an dieser Stelle auf bekannte Grundlagen der Mechanik hinsichtlich der Verformung von Trägern unter gegebenen Randbedingungen; vorstehend angegebenes Verhältnis von 4 : 1 bezieht sich das Gesamtsystem unter Verwendung von Stäben mit Richtung der jeweiligen Stabachse unveränderlichem Querschnitt.
Aus biomechanischer Sicht wäre nach heutigem Kenntnisstand ein ausgewogeneres Verhältnis der Steifigkeiten, also mit Tendenz zu einem Verhältnis von 1 : 1 anzustreben, was gleichbedeutend ist mit dem Verschwinden der gegenüber der axialen Stabilität stark ausgeprägten seitlichen Instabilität des Systems.
Biomechanisch ist trotz immer noch unzureichendem Wissen über den Einfluß mechanischer Faktoren auf die Frakturheilung eine günstige Wirkung deswegen zu erwarten, weil dann bei unterschiedlicher Wirkrichtung äußerer Kräfte gleichen Betrages die Frakturzone gleichermaßen (also richtungsunabhängig) durch Relativbewegungen der Knochenfragmente in die verschiedenen Richtungen beeinflußt wird.
Die als für die Frakturheilung eher hinderlichen bzw. schädlichen Scherbelastungen des Frakturkallus bei eng stehenden oder unter Kompression versorgten Knochenfragmenten wird durch eine Reduk tion der seitlichen Instabilität bzw. eine Erhöhung der Systemsteifigkeit gegen seitliche Belastungen vermindert.
Man bedenke, daß beispielsweise bei einer Kraft jeweils vom Betrag von nur 65 N einer gemessenen axialen Verschiebung der Knochenfragmente von 0,5 mm eine seitliche Verschiebung von 2 mm gegenüber steht. Bei mit geringem Abstand oder sogar unter Kompression versorgten Fragmenten wirkt diese relativ große seitliche Verschiebung der Fragmente fast ausschließlich als (ungünstige) Scherbelastung auf die knöcherne Brücke; bei etwas größeren Kräften kann es wegen des großen Wegs durchaus auch bei nur einmaliger Auslenkung (Patient stößt irgendwo an) zum Abreißen der Zellverbände kommen.
Elektronische in-vivo-Messungen der interfragmentären Relativbewegungen haben gezeigt, daß solche großen seitlichen Auslenkungen selbst beim liegenden Patienten auftreten können. Sie werden z.B. durch pflegerische Maßnahmen wie dem Anheben des Beines durch die Pflegekraft beim Umbetten etc. hervorgerufen, also vorzugsweise durch Situationen, bei denen die hinsichtlich seitlicher Bewegungen stabilisierende Muskulatur des Patienten passiv bleibt.
Die ebenen Fixateure bieten durch den strukturell einfachen Aufbau die Möglichkeit, die aus biomedizinischer Sicht erforderliche gezielte Bereitstellung definierter mechanischer Eigenschaften durch der Konstruktion vorgegebene Systemsteifigkeiten in den verschiedenen Freiheitsgraden; so kann der seitlichen Instabilität und ihren schädlichen Auswirkungen zumindest entgegengewirkt werden.
Die ebenen Fixateure bieten durch ihren strukturell einfachen Aufbau die erforderliche konstruktive Basis für ein System, welches sich ohne Veränderungen des Systems durch hohe Adaptionsfähigkeit der Systemgeometrie an die patientenbezogene Situation und an therapeutische Erfordernisse auszeichnet.
Die Formulierung der Grundaufgabe der Reposition und Fixierung ergibt sich aus der Analyse der geometrischen Ausgangssituation beim Patienten: Zwei zu verbindende Knochenfragmente eines Langknochens können um zwei Achsen gegeneinander verkippt und um ihre Längsachse verdreht sein.
Da bei allen sog. unilateralen Systemen die äußere lastübertragende Traverse nur einseitig vorhanden ist, muß die rotatorische Ausrichtung um die Längsachse der Fragmente bzw. des späteren ganzen Knochens durch den Chirurgen zumindest in grober Einstellung von Hand erfolgen.

Die DE 38 42 255 A1 zeigt eine externe Knochenbruchteil-Verbindungsvorrichtung mit einem längenveränderlichen Mittelstück, an dessen beiden Enden jeweils ein Gelenk angeordnet ist, das mittels einer von einem Außensechskantschlüssel zu betätigenden Spannschraube feststellbar ist.

Die DE 38 22 742 A1 zeigt einen Apparat zur Elongation von Extremitäten mit einem Mittelstück, an dessen beiden Enden jeweils ein Seitenteil mittels einer Schrauben/Mutter-Verbindung lösbar festlegbar ist.

Die DE 35 43 042 A1 zeigt eine orthopädische Vorrichtung zum axial äußeren Fixieren von Knochenfragmenten mit einem teleskopartig längenveränderlichen Mittelstück, das an beiden Enden mittels jeweils einem feststellbaren Kugelgelenk mit einem Nagelhalter verbunden ist.

Die DE 32 43 287 zeigt eine Vorrichtung zum Fixieren von Knochenfragmenten mit einem längeneinstellbaren Stab, wobei die Längeneinstelleinrichtung mittels eines Sechskantschlüssels betätigbar ist. Zwei teleskopisch zusammenwirkende Viereckrohre bilden den Stab. An jedem der Viereckrohre ist eine Halterung mittels Schrauben festgelegt. An jeder Halterung ist eine kreisbogenförmige Führung für eine Implantataufnahme festgelegt, die sich über die Schneckenradverzahnung mittels einer selbstverriegelnden Schneckenschraube, die mittels eines speziellen Werkzeuges betätigbar ist, verstellen läßt.

Die DE 27 45 504 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Fixieren von Knochenfragmenten, wobei an Verbindungsstäben axial verschiebbare Klemmstücke lösbar festlegbar sind, die ein Lager für ein Kugelgelenk bilden, über das eine Implantataufnahme gleichzeitig mit zwei Klemmstücken gelenkig verbunden ist. Das Kugelgelenk und die axiale Position des Klemmstückes in Bezug auf den Verbindungsstab sind mittels einer Innensechskantschraube feststellbar. Zur Verringerung des Verschleißes und damit zur Erhöhung der Standzeit der Vorrichtung ist das Gewinde für die Innensechskantschraube als Metalleinlegeteil in dem Klemmstück vorgesehen.

Die EP 0 604 697 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Fixieren von Knochenfragmenten, bei der in einem Doppelverbinder mittels einer durch einen Außensechskantschlüssel betätigbaren Feststellschraube zwei Preßelemente linear verschiebbar sind und insbesondere in Anlage an die Kugeln eines Kugelgelenks bringbar sind, wodurch das Kugelgelenk feststellbar ist.

Die DE 39 12 080 C1 zeigt eine Vorrichtung zur Verfolgung des Heilungsverlaufs von Knochenbrüchen, bei der die in Folge einer mechanischen Beanspruchung des gebrochenen Knochens auftretenden Abstandsänderungen zwischen den Implantaten unter Verwendung einer an den Implantaten festgelegten Abstandsmeßeinrichtung meßtechnisch erfaßt werden.

Abschließend ergibt sich die Würdigung des Standes der Technik wie folgt:
Der derzeit in Form angebotener Produkte verwirklichte Stand der Technik weist sämtlich mindestens einen Ausschnitt an den vorstehend genannten erforderlichen Freiheitsgraden bzw. Einstell- oder Verstellvorrichtungen auf und kommen so der vorstehend formulierten Grundaufgabe des Fassens, Reponierens und Fixierens der Knochenfragmente sowie in der Regel einigen der Ansprüche hinsichtlich gesteigerter Funktionalität im Prinzip nach.

Die Analyse und experimentelle Überprüfung sowie umfangreiches Studium der Fachliteratur belegen, daß die insbesondere die Verwendung von Anzugsschrauben, Kugelgelenken und anderen Konstruktionselementen, bei denen strukturbedingt große Kräfte und Momente über (zu) kleine Querschnitte geleitet werden, an unilateralen Fixateurkonstruktionen nah dem Stand der Technik immer wieder zu deren Versagen führen.

Selbst unter reduziertem Aufbringen von Lasten, die aus biomechanischer Sicht unter Einbezug von durchaus krankenhausalltäglicher (Last-) Situationen (Patient raucht auf dem Gang und legt das Bein hoch oder stößt auf dem Rückweg von der Toilette trotz des Gebrauches von Krücken irgendwo an) auftreten können, tritt bei manchen Systemen ein Versagen nicht nur als Ausnahmefall, sondern in experimentell überprüfbarer Regel auf.

Auslöser für dererlei Versagensfälle ist nicht nur eine hinsichtlich der Spannungsverläufe in den gefährdeten Querschnitten ungünstige Konstruktionsweise, sondern auch die Tatsache, daß durch den Einbau in den Traversenstab (der daher die Baugröße für Einbauten vorgibt) die verschiedene Konstruktionselemente zum Festsetzen und Lösen von Freiheitsgraden hinsichtlich ihres Volumens nicht größer dimensioniert werden können, was zwangsläufig ihre Tragfähigkeit begrenzt.

So kann das Versagen eines klein dimensionierten, aber hochbelasteten Konstruktionselements nur verhindert werden, wenn die tatsächlich eingeleiteten Anzugskräfte bzw. Anzugsmomente genau im Bereich der. bei der Dimensionierung vorgegebenen Grenzen entsprechen.

Es ist aber klinische Praxis, daß das Festsetzen von Anzugsschrauben und ähnlichen Elementen nicht kontrolliert, also beispielsweise ohne Drehmomentschlüssel, erfolgt.

Die Vorgabewerte sind dem Chirurgen meist nicht bekannt; für manche Produkte sind Vorgabewerte selbst bei expliziter Nachfrage beim Lieferanten nicht zu erfahren.

Es ist ohne weitere Erklärung klar, daß ein zu loses Festsetzen zu Versagen etwa durch Rutschen oder Verdrehen führt; zu starkes Festsetzen hingegen kann zum Materialbruch und daher zum Totalversagen führen.

Alle bekannten Systeme weisen Schraubverbindungen auf, die die im System vorhandenen Verstell- und Verschiebeeinrichtungen festsetzen. Die hierzu verwendeten Gewinde können bei den zur Aufrechterhaltung der gewünschten Funktionalität noch möglichen Abmessungen meist nicht mit genügender Sicherheit dimensioniert werden, was in der Praxis zu Versagensfällen führt.

Die selbst bei nur mäßiger Gesamtbeanspruchung des Gesamtsystems Knochen-Fixateur-Knochen auftretenden lokalen Materialbelastungen in den Verbindungselementen, deren zentraler Bestandteil die bezeichneten Gewinde sind, sind aufgrund von Geometrie und Lastsituation auch bei Verwendung von Qualitätsstählen als hoch einzustufen; diese Belastungen treten in den Gewinden von Anzugsschrauben bekanntermaßen stets an denselben Stellen auf.

Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß der Grundsatz, ein Gewinde stelle immer eine Schwachstelle einer Konstruktion dar, in besonderer (und für Patienten und daher auch für den Arzt gefährlicher) Weise für die bezeichneten unilateralen Fixateurkonstruktionen gilt: ein Versagen des Frakturversorgungssystems kann sowohl durch Materialversagen bei Mehrfachgebrauch der Schraubverbindungen als auch durch versehentlich falsch bzw. unkontrolliert aufgebrachte Anzugskräfte bzw. – momente verursacht werden. Mit dem so induzierten Nachgeben eines festgesetzten Freiheitsgrades geht die vom Arzt gewählte Repositionsstellung der Knochenfragmente verloren und die Gefahr der Fehlbehandlung einher.

Analoges gilt für festsetzbare Kugelgelenke, die sich aufgrund ihres Konstruktionsprinzips zwar durch Rotationsfähigkeit um alle Raumachsen und im Rahmen der vorhandenen Grenzabmessungen leichte Einstellbarkeit der gewünschten Position auszeichnen.

Sie zeichnen sich aber ebenso durch nur kleine wirksame Flächen zur Übertragung des zu ihrer Festsetzung notwendigen Reibschlußes aus. Diese Flächen müssen daher hoch belastet werden (was übrigens bei allen nach dem Stand der Technik bekannten Produkten durch Anzugsschrauben geschieht, die, wie beschrieben, ihrerseits gefährdet sind).

Kennzeichnend für die Verbesserungswürdigkeit des derzeitigen Standes der Technik sind aber eine Reihe von Merkmalen:

1. Keines der derzeit bekannten Produkte erfüllt alle vorstehenden und wichtigen Forderungen gleichzeitig.
2. Den bekannten Systemen fehlen entweder wichtige Freiheitsgrade zur Einrichtung ...
3. ... oder es wird der Kraft- und Momentenfluß durch den Traversenstab vorzugsweise im hochbelasteten mittleren Drittel entweder durch starke Einschnürung(en) ungünstig umgelenkt, die Festigkeit des Traversenstabs bzw. seiner Teile wird damit geschwächt
4. ... oder es wird der Kraft- und Momentenfluß durch die Verwendung von angesichts der zu übertragenden Kräfte und Momente als mindestens als kritisch einzustufende Konstruktionselemente über gefährdete Querschnitte geleitet.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere bei einfacher Handhabung eine hohe mechanische Stabilität in dem die Knochenfragmente fixierenden Zustand gewährleistet. Darüber hinaus soll die Vorrichtung universell einsetzbar sein.

Das Problem ist durch die im Anspruch 1 bestimmte Vorrichtung und durch die im Anspruch 14 bestimmte Verwendung gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.

Ein einzelnes Fragment, das dort einzubringende Implantat-Doppel und der jeweils (ungefähr) parallel zum Fragment liegende Traversenabschnitt bilden einen ebenen, festen Rahmen. Aus der Erfordernis, die so für zwei Fragmente entstehenden zwei Rahmen um zwei Achsen gegeneinander zu verkippen, folgt die Teilung des Traversenstabes in der Weise, daß zwei zueinander um 90 Grad verschränkte, lös- und festsetzbare einachsige Gelenke eingebaut werden können.

Der Traversenstab soll weiterhin die großzügige intraoperative Einstellung bzw. postoperative Reposition der axialen Distanz der Knochenfragmente längs der gedachten Knochenachse sowie die Korrektur von seitlichem Versatz geringeren Ausmaßes in den noch verbleibenden beiden Raumrichtungen gestatten.

Der somit (mindestens) dreigeteilte Traversenstab kann bei entsprechender konstruktiver Auslegung so auf beliebige Raumlagen der Fragmente eingerichtet werden.

Es verbleibt die Aufgabe der mechanischen Verbindung des Traversenstabes mit den Knochenfragmenten, die durch das Einbringen der Implantate und ihre mechanische Koppelung mit Knochen und Traverse gelöst wird.

Die axiale positionierung jedes einzelnen Implantats auf der gedachten Knochenlängsachse kann unter rein medizinischen Gesichtspunkten erfolgen, wenn jede Aufnahmevorrichtung für ein Implantat auf dem Traversenstab verschieblich und damit in axialer Richtung frei positionierbar ist.

Der Eintrittswinkel jeder Implantatachse in das Knochenfragment in der zur Systemebene normalen Ebene muß ebenfalls frei einstellbar sein. Dieser Freiheitsgrad kann ohne Festigkeitsverlust für den Traversenstab beispielsweise realisiert werden, wenn die Aufnahmevorrichtung für ein Implantat frei um den Traversenstab rotiert werden kann.

Desweiteren sollte der Eintrittswinkel der Implantatachse in das Knochenfragment in der Systemebene selbst frei einstellbar sein. Dieser Freiheitsgrad kann ohne Festigkeitsverlust für den Traversenstab beispielsweise realisiert werden durch ein lös- und festsetzbares Gelenk in den Aufnahmevorrichtungen für die Implantate.

Wenn alle genannten Freiheitsgrade mit lös- und festsetzbaren Verstellmechanismen ausgestattet werden, kann die Montage des Systems nach nur grober manueller Reposition der Knochenfragmente erfolgen; die Fixierung erfolgt durch Verstellen des Systems mit noch gelösten Festhaltevorrichtungen in der genauen Endlage unter optischer Kontrolle mit abschließendem Festsetzen der Verstellmechanismen.

Gerade bei unilateralen Systemen ist besonders bequem die Möglichkeit zur Integration von Einrichtungen gegeben, die Therapieformen ermöglichen, die sich der postoperativen Verstellung der Systemgeometrie bedienen

Der Forderung nach Vorrichtungen zur postoperativen Verstellung der Systemgeometrie entsprechend den therapeutischen Erfordernissen gelingt durch die kontrollierte Verstellung der betroffenen und vorstehend benannten Freiheitsgrade. Eine solche Verstellung muß (und kann !) ohne vollständiges Lösen bzw. Aufheben der relativen Fixierung der Knochenfragmente erfolgen.

Vorstehendes gilt insbesondere für die Ausführung von Vorrichtungen, die Therapieformen betreffen, die eine kontrollierte und stufenweise erfolgende Distraktion oder Kompression der Knochenfragmente erfordern.

Die Verbesserung des derzeit ausgeführten Standes der Technik ergibt sich erfindungsgemäß durch die konsequente konstruktive Umsetzung der folgenden Prinzipien:

1. Durchgängige festigkeitsmäßige Dimensionierung aller Bauteile auf Basis der äußeren Lasten, die ein Fixateursystem der erfindungsgegenständlichen Klasse nach Erkenntnissen der Biomechanik ertragen muß.
2. Unter der Voraussetzung grundsätzlich korrekter Bauteildimensionierung verhindern uneinaeschnürte spannungstragende Querschnitte die Entstehung lokaler Bereiche, die durch zu große Spannungskonzentration überbeansprucht sind.
3. Verlassen der Konstruktionsweise dahingehend, daß nicht mehr, wie es dem ausgeführten Stand der Technik entspricht, kleine (und hochfeste), aber deswegen auch hochbelastete Bauteile die Lasten in den kritischen Querschnitten übertragen.
4. Anstreben einer Konstruktionsweise dahingehend, daß die hinsichtlich der Werkstoffbelastung und Systemsteifigkeit stets günstige Wirkung großer Flächen, großer Flächenträgheitsmomente und großer Reibradien und großer Hebel genutzt werden.
5. Mit der im vorgenannten Prinzip dargestellten Vergrößerung von Wirklängen und Wirkradien lassen sich größere Dehnreserven bzw. Vorspannungsreserven von Spannelementen verwirklichen.
6. Unmittelbar hierzu gehört die erfindungsgemäße und bei Fixateuren entsprechend dem Stand der Technik neue Maßnahme, daß der – gemäß den beschriebenen Forderung nach Adaptionsfähigkeit auf die räumliche Lage der Knochenfragmente geteilt auszuführende – Traversenstab insbesondere im spannungsgefährdeten mittleren Drittel zur funktionalen Integration von Verstellvorrichtungen (Gelenken etc.) hinsichtlich seines tragenden Spannungsquerschnitts keinesfalls reduziert, sondern eher erweitert wird.
7. So wird, diesem Prinzip weiter folgend, das Einbauen der zur Bereitstellung der gemäß den therapeutischen und teilweise auch zur Systemmontage notwendigen Freiheitsgrade erforderlichen Vorrichtungen in den Traversenstab wird durch Umbauen des Traversenstabs mit diesen Vorrichtungen ersetzt.
8. Hier sind insbesondere auch die Vorrichtungen zur Aufnahme der Imlantate (Adapter) zu nennen, die so ausgeführt werden, daß sie den Traversenstab nicht durchbrechen, sondern im Ganzen umschließen. Diese erfindungsgemäße Maßnahme verhindert nicht nur die lokale Konzentration von Inhomogenitäten in der Spannungsverteilung im Traversenstab, sonder erzeugt zwangsläufig größere Flächen zur Kraft- und Momentübertragung und daher größere und damit günstigere Wirkradien für festsetzenden Kräfte und Momente.
9. Konsequenter Ausschluß der Verwendung von Konstruktionselementen, die aufgrund, ihrer Struktur hochbelastete Bereiche aufweisen (wie beispielsweise Anzugsschrauben) oder kleine kraft- und momentübertragende Querschnitte besitzen (beispielsweise Kugelgelenke) und daher versagensgefährdet sind
10. Konsequenter Einsatz von Konstruktionselementen und Vorrichtungen, deren spannungstragende Querschnitte aufgrund ihrer Struktur konstruktiv so gestaltet sind oder gestaltet werden können, daß ungünstige Umlenkungen des Kraft- und Momentenflußes und Kerbwirkungen verhindert oder weitgehend vermieden werden.
11. Als Folge kann die aus der konstruktiven Umsetzung der vorstehend genannten Prinzipien resultierende reduzierte Werkstoffbeanspruchung zumindest für die Hauptbestandteile des Systems in die Verwendung nichtmetallischer Werkstoffe, die durchlässig für Röntgenstrahlen sind, umgesetzt werden.
12. Trianguläre Positionierung der sowieso verwendeten Implantate (nicht zu verwechseln mit der in Fachkreisen als „Trianguläre Montage" bekannten Methode, zusätzliche Implantate und ergänzende Bauteile bis hin zur Verwendung eines einen ganzen zusätzlichen Fixateurs in V-förmiger Anordnung zum Hauptsystem zu montieren) erzeugt einen wesentlichen Steifigkeitsgewinn bei seitlicher, also zur Systemebene normaler Belastung ohne Verwendung zusätzlicher Bauteile.

Die konsequente Umsetzung des Prinzips des Umbauens (statt Einbauen), angewandt auf den Traversenstab, gestattet die konstruktive Ausgestaltung des Traversenstabes zumindest abschnittsweise als Rohr und gestattet deswegen die konstruktive Integration eines Meßsystems in das Innere des Rohres. Dieses Meßsystem ist in der Lage, den Heilungsfortschritt der Fraktur durch die gemessenen Relativbewegungen der Knochenfragmente bei äußeren Lasten darzustellen.

Dazu muß kein Bestandteil des Meßsystems ins Körperinnere gebracht werden. Eine extracorporale Messung dieser körperinneren Vorgänge ist möglich auf der Basis der genauen Kenntnis der Verteilung mechanischer Materialspannungen im Versorgungssystem (Fixateur) und ihrer Korrelation mit den äußeren Lasten, mit denen das mechanische Gesamtsystem Knochen-Fixateur-Knochen beaufschlagt wird.

Schrauben wirken entweder in axialer Richtung als Anzugsschrauben oder quer zu ihrer Achse als Bolzen mit Scher- oder Biegelast. In beiden Fällen können sie durch einen glatten Bolzen ersetzt werden, der kein spannungsgefährdeten Kerben in Form eines Gewindes aufweist und bei gleichem Nenndurchmesser mehr Tragfläche hat.

Soll eine Anzugsschraube durch einen Bolzen ersetzt werden, so kann dieser unter Zuhilfenahme einer Zusatzkonstruktion, die einen Gelenk-Hebel-Mechanismus oder die Eigenschaften exzentrischer Wellen nutzt, als Spannbolzen ausgeführt werden.

Der Ersatz von Kugelgelenken kann für die hier gestellten Aufgaben ohne Nachteil, aber hinsichtlich der Systemfestigkeit vorteilhaft durch die Verwendung mehrerer einachsiger Gelenke in entsprechender Anordnung erfolgen.

Die rotatorische Einstellung des geteilten Traversenstabes um die noch erforderlichgn zwei Achsen kann durch zwei um je 90 Grad versetzte einachsige Gelenke in geringem Abstand geschehen, deren Festsetzung durch eine reibschlüssige Konstruktion erfolgen kann, die einen Spannbolzen verwendet.

Die rotatorische Einstellung der Achslage der Implantate zum Knochen bzw. zum Traversenstab um die noch erforderlichen zwei Achsen erfolgt analog.

Bei Bedarf können diese Gelenke entweder so konstruiert werden, daß sie als Ganzes verschieblich sind oder so, daß sie (geringfügige) Verschiebungen der gelenkig verbundenen Teile noch zulassen.

Da mit dem Vorhandensein der Verschieblichkeiten dann weder beim Traversenstab noch bei den Implantaten die dritte, bei Kugelgelenken noch mögliche Rotation benötigt wird, können die Kugelgelenke gegen Ersatz durch zwei auf engem räumlichem Abstand angeordnete Gelenke der bezeichneten Ausbildung mit zueinander um 90 Grad verschränkten Achslage in jedem Falle entfallen.

Das Festsetzen der bei Bedarf verschieblich ausgeführten Gelenke erfolgt erfindungsgemäß in jedem Falle unter Verwendung eines glatten Spannbolzens, der gleichzeitig als Gelenkachse und als spannkraftübertragendes Konstruktionselement der Festsetzvorrichtung dient.

Sowohl die bezeichneten Gelenke als auch alle Vorrichtungen für die translatorische Verschiebung von Bauteilen werden also erfindungsgemäß (und bei Fixateuren neu) durch Ersatz der bezeichneten Schraubverbindungen zum Festsetzen von Freiheitsgraden durch im Maschinenbau bekannte Spann- oder Spreizmechanismen ersetzt, die in der entspannten Lage eine Verstellung der(s) Freiheitsgrade(s) zulassen und zum Zwecke der Erzeugung der zum Festsetzen notwendigen Kräfte oder Momente in eine festgelegte Endstellung gebracht werden, in der sie sicher einrasten und gegen versehentliches Lösen gesichert sind.

Geeignete Mechanismen sind Vorrichtungen, die aus Gelenken und Hebeln bestehen und Vorrichtungen, die Kräfte oder Momente durch Ausnutzen der besonderen Eigenschaft der Exzentrizität eines Vorrichtungsbestandteils, in der Regel einer Welle oder eines Nockens, erzeugen.

Für die Verstellung und Festsetzung der axialen Position von Bauteilen längs der Achse einer Welle unter Aufrechterhaltung der freien Rotation der Bauteile um die Wellenachse sind aus der Auswahl der bekannten Welle-Nabe-Verbindungen auch sogenannte Wellenspreizringe geeignet, die im Schnitt konischen Querschnitt besitzen und aus einem Innenring und einem Außenring bestehen, die durch ein Transportgewinde axial ineinander verschoben werden und den gewünschten Reibschluß durch eine starke radiale Spannung herstellen können. Der Außenring kann in das zu befestigende Bauteil integriert sein.

Ein Anschlag begrenzt den mögliche Drehwinkel des Transportgewindes und damit die radiale Vorspannung; das Transportgewinde ist selbstsichernd.

Alle Bestandteile der genannten Vorrichtungen können federnd gesteckt und selbstsichernd ausgelegt werden, so daß trotz schneller Zerlegbarkeit zu Reinigungs- und Sterilistaionszwecken während der Operation keine Teile, etwa ins Operationsfeld oder auf den Boden hin, abfallen können.

Erfindungsgemäß werden nur stufenlose Verstellmechanismen eingesetzt, die durch Erzeugung von Reibschluß festgesetzt werden. Neben dem Vorteil der stufenlosen erfolgenden Einstellung der Freiheitsgrade wird prinzipiell die Gefahr des Abscherens oder Abreibens von Partikeln aus Verzahnungen oder ähnlichem vermieden. Die damit verbundene Gefahr des unbemerkten Festigkeitsverlusts sowie des Eindringens von Systempartikeln in offene Wunden wird dadurch reduziert.

Erfindungsgemäß und bei Fixateuren nach dem ausgeführten Stand der Technik neu erfolgt die Auslegung aller Vorrichtungen zum Festsetzen von Freiheitsgraden unter Nutzung von aus dem Bereich des Maschinenbaus bekannten Konstruktionselementen in der Weise

1. daß sie aus jeweils einachsigen Gelenken und aus Hebeln, aus Zug- oder Druckstäben einfacher Geometrie bestehen
2. daß sie (mit Ausnahme von Exzentern) parallele Flächen zur Kraft- und Momentübertragung nutzen
3. daß sie zur Erzeugung von Spannkräften oder -momenten die Wirkung eines Hebels, die besondere Eigenschaft der Exzentrizität eines Vorrichtungsbestandteils nutzen
4. daß sie zur Erzeugung gleichmäßiger radialer Spannung auf Wellen unter Aufrechterhaltung der Rotationsfähigkeit der Nabe in gelöstem Zustand speziell geeignete Vorrichtungen (Wellenspreizringe) nutzen
5. daß sie erfindungsgemäß in eine selbsthaltende Endstellung gebracht werden können
6. daß sie lediglich mit im Operationssaal immer griffbereitem einfachem Werkzeug (z. B. einem beliebigen Schraubendreher mittlerer Größe, der als Hebel verwendet wird) bedient d.h. in diese festsetzende Endlage gebracht und auch wieder in die lösende Position gebracht werden können
7. daß sie in der festsetzenden Stellung ohne weitere Kontrolle und ohne die Verwendung von Meßeinrichtungen oder messendem Werkzeug (z.B. Drehmomentschlüssel) eine genau richtig dimensionierte Spannkraft oder Reibmoment oder ähnl. erzeugen, die innerhalb der festgelegten Toleranzgrenzen liegt

So entsteht neben der Arbeitserleichterung ein Zeitgewinn und mit den zwangsweise richtig dimensionierten Festhaltekräften und -momenten und damit auch zwangsweise tolerablen Belastungen der Bauteile einhergehend ein Sicherheitsgewinn.

Technisch ergeben sich durch die Erfindung die folgenden Vorteile:

1. Es können alle aus Analyse der Situation am Patienten sowie der therapeutisch erforderlichen Maßnahmen für ein ebenes Frakturversorgungsverfahren nach dem Prinzip des unilateralen Fixateur externe (Klammerfixateur) erforderlichen Freiheitsgrade befriedigt werden.
2. Der Forderung nach sicherer Mechanik wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen im Einzelnen und in summa besser als nach dem derzeitigen Stand der Technik entsprochen.
3. Insbesondere entfallen Gefahren durch ungenügend angezogene oder überzogene Vorrichtungen zum Festsetzen von Freiheitsgraden.
4. Die bei streng ebenen Systemen strukturbedingt vorhandene seitliche Instabilität kann ohne jeden Mehraufwand an Bauteilen deutlich verringert werden. Durch die Reduktion der Anzahl verwendeter Implantate im Vergleich zur Verwendung von sonst üblichen Zusatzmontagen, die den selben Zweck erfüllen, wird die Anzahl der möglichen Infektionsquellen reduziert.
5. Durch die Verwendung nichtmetallischer Werkstoffe ergibt sich eins zumindest weitgehende Verhinderung störender Schatten des Versorgungssystems auf dem Röntgenbild.
6. Die konstruktive Integration (nicht Anbau) eines kalibrierbaren Meßsystems gestattet die Darstellung eines eingetretenen Heilungsfortschritts durch die Darstellung des damit verbundenen Rückgangs der interfragmentären Bewegungen der Knochenfragmente ohne belastende Röntgenkontrolle und verwirklichet das monitoring der Frakturheilung. Das Therapiegerät selbst ermöglicht die Erfolgskontrolle seines Einsatzes.

Wirtschaftlich ergibt sich der Vorteil, daß trotz der dargestellten technischen Verbesserungen der Systempreis keineswegs steigen muß.

Insbesondere bei Verwendung von nichtmetallischen Werkstoffen (etwa Kunststoffen) kann eine Reduktion des Systempreises unter Zuhilfenahme moderner Fertigungstechnologie durch die mit der Ausbildung von Mehrfachfunktionalitäten einhergehende reduzierte Anzahl von benötigten Bauelementen bei gleicher oder gesteigerter Funktionalität erzielt werden.

Unter Verwendung des integrierten Meßsystems entfallen einige der röntgenologischen Zwischenuntersuchungen.

1 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, teilweise im Schnitt,
2 zeigt eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung, teilweise im Schnitt, mit gegenüber der 1 teilweise gedrehten Aufnahmeeinrichtungen,
3 zeigt eine Frontansicht der Vorrichtung der 1, und
4 zeigt eine Frontansicht der Vorrichtung der 2.
Die 1 des Ausführungsbeispiels zeigt eine herkömmliche Montage des Fixateur-Sytems, bei dem alle vier Implantate M, bei denen es sich im gezeigten Beispiel um Knochenschrauben handelt, in einer Ebene, also unilateral, angeordnet sind (siehe 3). Der Querschnitt zeigt die Montagelage bezüglich des Knochens N. Die Implantate M werden durch je einen Adapter E mechanisch gefaßt und sind mit einem der Seitenteile A des dreifach unterteilten Traversenstabs verbunden.
Der Traversenstab besteht aus zwei Seitenteilen A, die gelenkig und jeweils in zwei Richtungen verschieblich mit dem Mittelstück B verbunden sind.
Die einander zugewandten Endstücke eines Seitenteils A und des Mittelstücks B sind mehrfach geschlitzt; die so entstehenden Reibebenen passen ineinander und besitzen orthogonal zu den Flächen eine Bohrung zur Aufnahme des Spannbolzens, der mit Hilfe einer Exzenterwelle mit Bedienhebel sowie einer Druckverteilerplatte die erforderliche Normalkraft zur Festsetzung des so entstandenen Gelenks erzeugt.
Spannbolzen, Exzenterwelle und Druckverteilerplatte zusammen bilden die Spannvorrichtung C. Die Bohrung zur Aufnahme des Bolzens im Seitenteil A kann ausgeweitet bzw. als beidseitiges Langloch ausgeführt werden, so daß das entsprechende Seitenteil zusätzlich zur Rotation um die Bolzenachse auch noch Verschiebungen in zwei Richtungen ausführen kann.
Durch eine Verschränkung beider Bolzenachsen gegeneinander um 90° kann der geteilte Traversenstab durch Rotation um zwei zu einander orthogonalen Raumachsen auf die gewünschte räumliche Lage der zu verbindenden Knochenfragmente oder etwa gelenkübergreifend am Fußgelenk genau eingerichtet werden.
Die großen mittleren Reibradien der Reibflächen, die Anzahl der Reibflächen und ihre Dimensionen erlauben eine sichere Übertragung des in Traversenmitte stets maximalen Biege- und Torsionsmoments mit bereits geringen, durch die Spannvorrichtung erzeugten Normalkräften.
Die Exzenterwellen C1 mit Spannhebel sind so ausgefegt, daß sie ohne Werkzeug bis in eine durch Anschlag begrenzte Endstellung gebracht werden können, in der sie eine nach den bekannten Regeln der Dehnschraubenberechnung unter Berücksichtigung der beteiligten Werkstoffe und geometrischen Abmaße definierte Spannkraft in Bolzenlängsachse erzeugen, die stets innerhalb eines zulässigen Bereichs mit Ober- und Untergrenze liegt; so kann die zur Festsetzung der Gelenke unter Berücksichtigung der unter biomedizinischen Gesichtspunkten möglichen äußeren Lasten erforderliche Spannkraft stets richtig dimensioniert werden.
Die gezeigte Konstruktion verwendet erfindungsgemäß nur große Wirkradien und Wirkhebel, so daß lokale Beanspruchungskonzentrationen in den Bauteilen im Vergleich zu bekannten Fixateur-System deutlich reduziert werden können.
Jedes Implantat M wird durch ein Klemmstück E2 verschieblich gefaßt und ist um den Konus K rotierbar. Sowohl die Klemmung des Implantats selbst, als auch die Rotation auf dem Konus K wird festgesetzt durch Umlegen der Exzenterwelle E4 mit Spannhebel, was ein Verschieben des Schiebestücks E3 und somit ein Festsetzen beider Freiheitsgrade in einem Schritt bewirkt.
Für die richtige Dimensionierung der Festhaltekräfte gelten sinngemäß die Ausführung bezüglich der Spannvorrichtung C an den Gelenken des Traversenstabs.
Der Querschnitt zeigt, wie der ganze Adapter E zur Aufnahme der Implantate M mittels eines Spannbügels E6 und eines Umlenkhebels E5 mit radialer Flächenpressung auf ein Seitenteil A gespannt wird.
In entspannter Stellung kann jeder Adapter E auf dem zugehörigen Seitenteil A axial stufenlos verschoben und um dessen Längsachse frei rotiert werden. Durch werkzeugloses Umlegen des Spann hebels E5 bis in die durch Anschlag begrenzte, selbsthaltende Endstellung werden beide Freiheitsgrade gemeinsam festgesetzt.
Die schon zwangsläufig sehr großzügig dimensionierte Fläche zur Übertragung der radialen Pressung auf das Seitenteil A stellt eine sichere Festsetzung bereits durch relativ geringe Umfangskraft sicher.
Durch die Summe der dargestellten Freiheitsgrade können sowohl die Lage des Traversenstabs als auch die Lagen der Implantate zum Knochen bzw. zu den Knochenfragmenten stets wie erforderlich eingestellt werden, ohne daß die Einhaltung irgendwelcher Montagemaße erforderlich würde.
Die Festsetzung aller Freiheitsgrade geschieht schnell und mit stets richtig dimensionierten Festhaltekräften.
2 zeigt erfindungsgemäß die gegenüberliegende Anordnung zweier Adapter E mit den zugehörigen Implantaten M. Der Querschnitt zeigt, daß eine solche Anordnung ein Ausschwenken der Implantate M aus der Systemebene heraus bewirkt; bezüglich der Übertragung einer seitlich wirkenden Kraft entsteht ein projiziertes Dreieck (bzw. eine stark unsymmetrische Raute)(siehe 4).
Wird das Fixateur-System durch eine normal zur Systemebene, also seitlich wirkende Kraft, belastet, so verformen sich die Implantate M in der ebenen Anordnung nach 1 durch eine Biegung jedes Implantats gemäß dem Muster des Biegebalkens, auch bekannt als J-Schlag, während sich die Implantate bei axialer Belastung des Knochens bzw. der Knochenfragmente durch eine Kraft in Richtung der Knochenlängsachse wie eine Biegefeder, auch bekannt als S-Schlag, verformen.
Das rechnerische Steifigkeitsverhältnis der beiden Lastfälle beträgt
Steifigkeitsverhältnis bei ebener Montage axial : seitlich = 4 : 1
Dies entspricht der für unilaterale, also ebene Montagen typischen seitlichen Instabilität.
Durch erfindungsgemäße Anordnung gemäß 2 werden die Implantate bei Belastung des Systems durch eine seitlich wirkende Kraft nicht nur auf Biegung, sondern auch auf Druck und Zug beansprucht. Die durch Druck oder Zug verursachte Verformung der Implantate ist gegenüber der Biegung sehr gering, so daß (abhängig von den aktuellen Winkeln sowie dem axialen Abstand der Implantate in Knochenlängsrichtung) jedenfalls eine deutliche Reduktion des Steifigkeitsverhältnisses herbeigeführt wird.
Der typbedingten seitlichen Instabilität ebener Systeme wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme der triangulären Montage ohne Mehraufwand an Bauteilen abgeholfen.
Steifigkeitsverhältnis bei triangulärer Montage axial : seitlich << 4 : 1
2 zeigt desweiteren ein zur axialen Verschiebung in weiten Bereichen modifiziertes System. Das Seitenteil A besitzt eine innenliegende Spindel, die durch das außenliegende Handrad verstellt wird. Das Trapezgewinde der Spindel greift in das Muttergewinde des diesseitig als langes Rohr ausgebildeten Mittelstücks B und verschiebt bei Drehung das Seitenteil A gegenüber dem Mittelstück B in axialer Richtung.
Durch eine ausreichende Überdeckung der axial ineinander gleitenden Rohre, welche durch eine radiale Nut im Seitenteil A und einer passenden Feder im Mittelteil B gegen Verdrehen gesichert sind, ist eine sichere Führung, Positionierung und Festigkeit bei Kraft- und Momentübertragung fast ohne Mehraufwand an Bauteilen gegenüber dem Basissystem in 1 gewährleistet.
Die Systemvarianten nach 1 und 2 können ohne Schwierigkeiten vereinigt werden.
Das elektronische Meßsystem Z ist in eines der Seitenteile A integriert und verfügt mindestens über Sensoren, eine eingebaute Energieversorgung (Niedervolt), eine Einheit zur Verrechnung der Signale und eine Anzeige; optional Bauteile wie zur Signalspeicherung, Schnittstelle für externe Datenauswertung, Zeitgeber u. ähnliches.
Das Meßsystem ist in den Parametern der Meßgrößen auf die aktuelle Situation im jeweils vorliegenden Montagefall in angebbaren Grenzen auf Maßeinheiten nach DIN bzw. ISO kalibrierbar.
Die Kalibrierung erfolgt durch Eingabe der Parameter über das Bedienfeld Z2. Die Meßergebnisse können auf der Anzeige Z1 abgelesen werden.
Die Erfindung umfaßt insbesondere folgende Ausgestaltungen, welche die angegebenen Vorteile aufweisen:
Bei dem ebenen Fixateur externe mit mindestens vier Schrauben, Drähten oder Nägeln, handelt es sich um ein entsprechend der Klasse der sog. unilateralen Fixateur externe-Systeme ungefähr als eben zu betrachtendes Stabwerk, welches bei äußerer Belastung oder Muskelaktivität innerhalb des Körpers eines Lebewesens entstehende Kräfte und Momente auf eines der beiden gegeneinander zu fixierenden Knochenfragmente über eine mechanische Brücke in das andere Knochenfragment weiterleitet, so daß die eigentliche Frakturzone trotz Reposition der Fragmente mechanisch weitgehend entlastet wird.
Die mechanische Brücke liegt außerhalb des Körpers und daher werden die überzuleitenden Kräfte und Momente auf direktem Wege, also ungefähr orthogonal, nach außerhalb des Körpers geführt und es erfolgt deswegen eine sogenannte „externe Frakturfixierung".
Auf beiden Seiten eines Knochenbruchs werden je mindestens zwei mechanische Stäbe (= Implantate) von ausreichender Länge durch kleine Eröffnungen des Körpers hindurch so implantiert, daß sie mechanisch belastbar mit dem Knochen verbunden sind und zu einem großen Teil noch aus dem Körper hervorragen.
Diese Implantat-Doppel pro Frakturseite fixieren die Raumlage des jeweiligen Knochenfragments eindeutig und es können auch mehr als zwei Stäbe pro Frakturseite verwendet werden. Genau ein Hauptstab (= Traversenstab) außerhalb des Körpers verbindet alle Implantate mechanisch belastbar bzw. fest, aber lösbar und verstellbar nach Art einer Brücke miteinander und seine Achse verläuft ungefähr orthogonal zur Raumlage der zu verbindenden Stäbe und somit ungefähr parallel zur gedachten Längsachse des zu versorgenden Knochens.
Der Traversenstab besitzt eine zylinderförmige, außen glatte Grundgeometrie und gestattet die Verschiebung und Verdrehung von mittels zylinderumfassenden Spannvorrichtungen angebrachten Bauteilen längs der bzw. um die Rohr- bzw. Stabachse. Die zylinderförmigen Bauteile können aus Gründen der Materialersparnis oder aus konstruktiven Gründen ganz oder teilweise als Rohr ausgeführt sein.
Der Traversenstab kann zum Zwecke der Anpassung des Systems an spezielle Aufgaben in ein Mittelteil und zwei Seitenteile geteilt werden, die entsprechend den Erfordernissen durch geeignete Konstruktion der einander gegenüberliegenden Bauteil-Endstücke gegeneinander bewegt bzw. eingerichtet und in der gewählten Position leicht und auch bei großer Belastung noch sicher festgesetzt werden können.
Als Aufnahmeeinheit für jedes Implantat wird genau eine Baugruppe (= Adapter) verwendet, welche eine lösbare und nach Festsetzen mechanisch belastbare Verbindung des Implantats mit dem Traversenstab gestattet.
Jeder Adapter ermöglicht die freie Wahl der axialen Position und rotatorischen Raumlage des jeweiligen Implantats in zwei Ebenen zum Knochenfragmet sowie die Verschiebung des Implantats in seiner Aufnahme.
Alle Einstellungen der vorgenannten Freiheitsgrade sind voneinander unabhängig, so daß eine direkt kontrollierbare Vorspannung zwischen den Implantaten, die zu einem dies- oder jenseitig der Fraktur liegenden Implantat-Doppel gehören, leicht beispielsweise unter Verwendung einer auf die Außenseite des Traversenstabes angebrachten Strichskala aufgebracht werden kann; hierzu wird einer der Adapter unter Beobachtung der Skala axial auf dem Traversenstab verschoben oder um dessen Längsachse rotiert. Das Frakturversorgungsverfahren erlaubt auch eine Frakturversorgung unter Druck oder Zug.
Alle Vorrichtungen zur Festsetzung der Freiheitsgrade sind mindestens in der Endstellung für die Festsetzung selbstarretierend bzw. selbsthaltend und können ohne spezielles Werkzeug bedient werden.
Es werden eine Reihe besonderer Maßnahmen zur Reduktion von Werkstoffbelastungen ergriffen, dahingehend, daß zur Erzeugung der für die Systemstabilität primär notwendigen Spann- oder Festhaltekräfte ausnahmslos Konstruktionselemente verwendet werden, zwischen denen Kräfte und Momente durch zueinander parallele und ausreichend groß dimensionierbare Flächen übertragen werden. Eine Ausnahme hiervon bilden exzentrische Bauteile, bei denen zum Ausgleich der lokal hohen Materialbelastung durch die Exzentrität eine Vorrichtung zur Druckverteilung verwendet werden kann.
Insbesondere Festhaltekräfte und -momente werden ausschließlich über zueinander parallele und ausreichend groß dimensionierbare Flächen übertragen. Die spannungskritischen Querschnitte aller Bauteile werden nicht durch Einschnürungen zusätzlich verringert, sondern die tragenden Querschnittsflächen und/oder die Flächenträgheitsmomente werden eher noch durch Erweiterungen vergrößert.
Die Erzeugung der für die Systemstabilität primär notwendigen Spann- oder Festhaltekräfte geschieht wegen der aus der Verwendungs- und Montagesituation des Systems resultierenden besonderen Gefahren ohne die Verwendung von Anzugsschrauben. Die Bereitstellung der notwendigen Freiheitsgrade geschieht wegen der aus der Verwendungs- und Montagesituation des Systems resultierenden besonderen Gefahren ohne die Verwendung von Kugelgelenken.
Durch die Summe dieser Maßnahmen zur Rückführung der Bauteilbeanspruchung durch Spannungen werden die konstruktiven Voraussetzungen dafür geschaffen, daß (mit Ausnahme der Implantate selbst) die optimale Verwendung von nichtmetallischen Werkstoffen möglich wird, die bei Bedarf fasernhaltig bzw. faserverstärkt sein können und durch die nur ein minimaler Schatten im Röntgenbild erzeugt wird.
Bei Verwendung nichtmetallischer Werkstoffe wird durch das im Vergleich zu Metallen niedere spezifische Gewicht der prinzipielle Gewichtsnachteil der größeren geometrischen Dimensionierung wieder kompensiert.
Die Konstruktionen aller Spannvorrichtungen bzw. Festsetzvorrichtungen sind unter Berücksichtigung von Geometrie, Werkstoffverhalten und Beanspruchung aller beteiligten Bauteile so ausgeführt, daß beim Festsetzen bei Erreichen der selbstarretierenden Endstellung automatisch richtig dimensionierte Spannkräfte und Momente erzeugt werden.
Bei Verwendung nichtmetallischer Werkstoffe können die besonderen Möglichkeiten spanloser Fertigungsverfahren beim vorgestellten System konstruktiv besonders vorteilhaft in die Bildung von Mehrfachfunktionalitäten der Bauteile und daher in die Einsparung von Bauteilen umgesetzt werden.
Das System selbst, aufgebaut aus dem Traversenstab und den in der gewünschten Position justierten Adaptern, kann durch einfaches Einschieben von Bohrhülsen in die zur Aufnahme der Implantate in den Adaptern vorhandenen Durchgänge als Bohrschablone verwendet werden; die Verwendung von separaten Schablonen entfällt.
Alle Bauteile des ganzen Systems sind unverwechselbar und zur Erzwingung richtiger Montageweise ausgelegt.
Das Frakturversorgungssystem löst nicht nur das technische Problem der Reposition und Fixation von Knochenfragmenten, sondern ist durch seine konstruktive Auslegung auch mit definierten mechanischen (Feder-) Eigenschaften hinsichtlich der Systemsteifigkeit in den verschiedenen Freiheitsgraden, immer bezogen auf die Frakturzone, ausgestattet, die eine der Knochenheilung zuträgliche mechanische Versorgungssituation nach dem bekannten Stand der (biomedizinischen) Technik unterstützen.
Die angewandte Technik des mechanischen Umfassens des Traversenstabs zum Zwecke der Befestigung der Vorrichtungen zur Aufnahme der Implantate gestattet es, mindestens eines der Seitenteile des Traversenstabes als Rohr so auszuführen und auch nicht unmittelbar zur Frakturversorgung notwendige Systembestandteile (wie beispielsweise ein Meßsystem) in das Innere des Rohres räumlich und funktionell zu integrieren.
Der Adapter wird durch eine in ihn selbst integrierte Vorrichtung an einem glatten, zylindrischen Trägerstab = Traversenstab (oder einem Abschnitt davon) befestigt und kann einen langen, dünnen Stab (Implantat) mechanisch fassen und gestattet die Einstellung und Fixierung der Raumlage des Implantats relativ zu der Achse des Traversenstabs.
Die Befestigung des Adapters selbst geschieht durch Umbauen des Traversenstabs, insbesondere muß der Traversenstab an der Befestigungsstelle keinerlei besondere Merkmale wie Löcher, Einschnürungen, Erhebungen oder dergleichen aufweisen. Durch Umbauen des Traversenstabs werden zwangsläufig Wirkflächen oder Wirkradien zur Erzeugung von Festhaltekräften und -momenten und Flächenträgheitsmomente vergrößert und dadurch bei gleicher äußerer Systembelastung zwangsläufig Materialspannungen verringert.
Eine gemeinsame, in den Adapter selbst integrierte Vorrichtung zur Befestigung des Adapters auf dem Traversenstab gestattet sowohl die freie axiale Positionierung des Adapters und des gefaßten Implantats längs der Achse des Traversenstabs als auch die freie Rotation des Adapters und des gefaßten Implantats um die Stabachse des Trägerstabs.
Die Einstellung der beiden Freiheitsgrade erfolgt stufenlos und ist voneinander unabhängig. Mit dieser Vorrichtung können beide Freiheitsgrade gemeinsam und gleichzeitig festgesetzt oder gelöst werden.
Eine gemeinsame, in den Adapter selbst integrierte Vorrichtung zur Befestigung des Adapters auf dem Traversenstab gestattet sowohl die freie Rotation des gefaßten Implantats bezüglich einer zur Achse des Traversenstabs orthogonalen Achse als auch die Verschiebung des Implantats in der Aufnahmevorrichtung längs seiner eigenen Achse.
Die Einstellung der beiden Freiheitsgrade erfolgt stufenlos und voneinander unabhängig. Die Festsetzung und das Lösen beider Freiheitsgrade erfolgt gemeinsam und gleichzeitig. Die Festsetzung aller Freiheitsgrade geschieht durch Vorrichtungen, die Bestandteil der Adapter sind und die notwendigen Festhaltekräfte oder -momente mittels Gelenk-Hebel-Mechanismen oder durch Ausnützung der Eigenschaften der Exzentrität von Bauteilen erzeugen.
Alle Vorrichtungen zum Festsetzen von Freiheitsgraden werden so ausgelegt, daß sie zwangsweise stets genau richtig dimensionierte Festhaltekräfte oder -momente erzeugen und (mindestens) in der festgesetzten Stellung selbsthaltend sind und mit immer verfügbaren Hilfsmitteln oder ganz ohne Werkzeug bedient werden können.
Zur Realisierung dieser Vorrichtungen werden ausschließlich Konstruktionselemente verwendet, die aufgrund ihrer Struktur eine homogene Werkstoffbeanspruchung zulassen, Kerbwirkungen weitestgehend vermeiden und groß dimensionierbare, (mit Ausnahme von Exzentern) parallele Flächen zur Kraft- und Momentübertragung nutzen.
Deswegen ist die Verwendung von Anzugsschrauben (wegen inhomogener Materialbelastung) und festsetzbarer Kugelgelenke (wegen kleiner Flächen für die Übertragung von Festhaltekräften und -momenten) ausgeschlossen.
Die Konstruktionsweise des Adapters mit allen darin integrierten Vorrichtungen stellt eine weitestgehende Bauteil-Identität von Bauteilen zum Fassen, Verstellen und Festhalten her und ermöglicht so durch Maximierung der Multifunktionalität einzelner Bauteile die Minimierung der Anzahl der insgesamt benötigten Bauteile.
Durch die Kombination der vorstehenden Maßnahmen kann die Beanspruchung der Bauteile durch Spannungen im Werkstoff soweit zurückgeführt werden, daß optional eine weitgehende Fertigung des Adapters aus nichtmetallischen Werkstoffen erfolgen kann. Der störende Röntgenschatten des Adapters bei weitgehender Fertigung aus nichtmetallischen Werkstoffen entfällt weitgehend.
Das Gewicht des Adapters wird bei weitgehender Fertigung aus nichtmetallischen Werkstoffen durch das kleinere spezifische Gewicht solcher Werkstoffe so gering, daß der durch geometrisch größere Bauteildimensionierung erworbene Nachteil des größeren Volumens mindestens kompensiert werden kann.
Das den Adapterkörper mit dem Traversenstab verbindende Element besteht aus einem einseitig zu öffnenden Ring, der mit einer Spannvorrichtung ausgestattet ist. Der Ring umfaßt bei geöffneter Spannvorrichtung das Rohr leicht gleitend. Diese Spannvorrichtung verwendet einen Bügel mit Widerlager, einen Spannhebel und ein Gelenk. Durch Umklappen des Spannhebels in die festsetzende Position ist ein werkzeugloses oder nur mit einfachen, immer zur Verfügung stehenden Hilfsmitteln erfolgendes schnelles Spannen des Rohres realisiert.
Der Spannhebel rastet in der festzusetzenden Position sicher ein und ist selbsthaltend. Die Spannvorrichtung kann in der festzusetzenden Stellung nur eine stets richtig dimensionierte Spannkraft bzw. einen richtig dimensionierten Reibschluß innerhalb der zulässigen Toleranzen erzeugen.
Der Adapter kann bei geöffneter Spannvorrichtung nicht nur längs auf ein Rohr (Traversenstab) aufgeschoben werden (Längsmontage), sondern auch quer über das Rohr aufgeschoben werden (Quermontage).
Die Vorrichtung ist unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften so auf den zu umfassenden Durchmesser ausgelegt, daß die zur Quermontage erforderliche kurzfristige Aufspreizung möglich ist. Bei optionaler Verwendung nichtmetallischer Werkstoffe gelingt die Realisation der zur Quermontage erforderlichen größeren Aufspreizung des Ringes.
Der Adapter besteht aus einem raumfesten Bauteil, einem Klemmstück und einem Schiebestück als funktional kennzeichnende Bauteile. Die Aufnahme des Implantats geschieht durch eine geschlitzte Längsführung, die auf den Außenflächen keilförmig oder konisch gestaltet ist und funktionaler Bestandteil des Klemmstücks ist. Durch Aufschieben des entsprechend geformten und festen Schiebstücks als Gegenstück auf die außen keilförmige oder konische Längsführung bzw. auf das Klemmstück werden hohe radiale Spannkräfte auf das Implantat erzeugt. Diese Grundkonstruktion erlaubt eine solche konstruktive Ausgestaltung, die einen großen Anteil der Überdeckungsfläche für eine gleichmäßige Kraftübertragung in der Längsführung des Implantats nutzbar macht.
Die Drehung der gesamten Längsführung des Implantats gegenüber einem raumfesten Bauteil des Adapters erfolgt auf einem Konus. Eine der Konusflächen befindet sich auf dem raumfesten Bauteil des Adapters und die andere Konusfläche auf dem Klemmstück. Durch Positionsveränderung des Schiebestücks können sowohl die Längsführung des Implantats als auch die Rotation der Längsführung um das raumfeste Bauteil gemeinsam freigegeben oder festgesetzt werden. Diese gemeinsame Festsetzung wird durch eine Spannvorrichtung realisiert, die einen Spannbolzen verwendet, der fester Bestandteil des raumfesten Bauteils sein kann und durch das Schiebestück durch eine darin befindliche Öffnung hindurchgeführt wird. Dieser Spannbolzen besitzt an dem Ende, an dem er aus dem Schiebestück wieder hervortritt, eine Vorrichtung, die Spannkräfte in Bolzenlängsachse unter Abstützung auf dem Schiebestück erzeugt und dadurch dessen Position verändert und dadurch die vorstehend genannten Freiheitsgrade festsetzt. Durch Umklappen eines Spannhebels in die festsetzende Position ist eine werkzeuglose oder nur mit einfachen, immer zur Verfügung stehenden Hilfsmitteln erfolgende schnelle Erzeugung der Spannkraft realisiert. Der Spannhebel ist in der festsetzenden Position selbsthaltend. Die Spannvorrichtung kann in der festsetzenden Stellung nur eine stets richtig dimensionierte Spannkraft innerhalb der zulässigen Toleranzen erzeugen. Eine reibungsgedämpfte Verstellung beider Freiheitsgrade kann durch teilweises Umlengen des Spannhebels erfolgen. Als Spannelement wird vorzugsweise eine exzentrische Welle oder ein exzentrischer Nocken verwendet. Bei optionaler Verwendung nichtmetallischer Werkstoffe zumindest für die Hauptbestandteile, dies sind raumfestes Bauteil, Klemmstück und Schiebestück, wird eine Reduzierung des Systemgewichts und der störenden Schatten im Röntgenbild erreicht.
Bei in ein Mittelteil und zwei Seitenteile geteilter Ausführung des Traversenstabs durch mehrfaches Schlitzen beider zum Mittelteil gerichteten Endabschnitte der Seitenteile und der jeweils zugewandten Endabschnitte des Mittelteils, welche alle eine zylinderförmige nach außen glatte Grundgeometrie besitzen, sowie je einer orthogonal zu den durch das Schlitzen entstehenden Flächen angebrachten Bohrung entstehen unter Verwendung je eines Bolzens zwei Gelenke mit insgesamt großer gleitender Kontaktfläche. Der Bolzen wird als Teil einer Spannvorrichtung ausgeführt, die Spannkräfte in Richtung der Bolzenlängsachse erzeugt. Die durch den Bolzen geleitete Spannkraft wird durch selbstarretierende Gelenk-Hebel-Mechanismen oder durch Ausnützung der Eigenschaften der Exzentrität von Wellen in ebenfalls selbstarretierender Ausführung erzeugt. Dieses Gelenk mit Spannvorrichtung kann durch die große Anzahl an Kontaktflächen und der daraus resultierenden insgesamt großen gleitenden Kontaktfläche eine große Reibkraft bereits durch geringe Normalkraft (Spannkraft) erzeugen und ist daher entgegen den aufgrund der Systemgeometrie in der Umgebung des Gelenks zwangsweise auftretenden großen Belastungen durch Kräfte und Momente leicht festsetzbar. Jedoch werden wegen der Aufteilung des Kraft- und Momentenflusses in viele Ebenen und der unterbliebenen Einschnürung der Grundgeometrie des Traversenstabes große lokale Materialbeanspruchungen verhindert.
Jedes Seitenteil des Traversenstabes kann für sich um den Bolzen bzw. die Gelenkachse rotiert und mit Hilfe der Spannvorrichtung arretiert werden. Bei Ausführung der Bohrung als beidseitiges Langloch kann jedes seitliche Bauteil des Traversenstabes für sich um den Bolzen bzw. die Gelenkachse in zwei Richtungen verschoben und mit derselben Spannvorrichtung arretiert werden. Durch diese so entstehenden rotierbaren und in zwei Richtungen frei verschieblichen Gelenke besitzt jedes der seitlichen Bauteile des Traversenstabes gegenüber dem Mittelstück somit drei Freiheitsgrade, nämlich zwei Translationen und eine Rotation, die durch die gemeinsame Spannvorrichtung festgesetzt werden können.
Bei um 90 Grad um die Traversenstab-Längsachse versetzter Anordnung der beiden Gelenke, die beide seitlichen Stäbe mit dem Mittelstück verbinden, können die Knochenfragmente (mit Ausnahme des nicht notwendigen Freiheitsgrades der Verdrehung gegeneinander) in beliebiger Lage zueinander eingerichtet werden: gegenseitige Verschiebung in allen drei Raumrichtungen, Rotation um zwei Achsen.
Ein Seitenteil des Traversenstabes, welches teilweise als Rohr ausgebildet ist, besitzt eine innere, dem Mittelstück zugewandte Längsführung, die zusammen mit dem entsprechend gestalteten Mittelstück eine mechanische Führung für die Verschiebung des seitlichen Bauteils gegenüber dem Mittelstück zur Distraktion der Knochenfragmente, beispielsweise zur künstlichen Knochenverlängerung während der Phase der Heilung, bildet. Eine Spindel, die im Inneren des als Rohr gestalteten seitlichen Bauteils positioniert ist, gestattet eine stufenlose, von außen leicht, beispielsweise mit Hilfe einer auf der Oberfläche des ins Seitenteil eintauchenden Mittelteils angebrachten Skala, genau kontrollierbare Verstellung dieser Längsführung in beiden Richtungen. Die Spindel ist groß dimensioniert und ist durch das dem Mittelstück abgewandte Ende des seitlichen Bauteils zugänglich. Die Spindel ist selbsthemmend ausgeführt und kann von Hand verstellt bzw. gedreht werden. Somit können die Knochenfragmente hinsichtlich der Verschiebung in allen drei Raumrichtungen und in der Rotation um eine Achse beliebig eingerichtet werden; insbesondere kann die postoperative Verschiebung der Knochenfragmente etwa zum Zwecke der Knochenverlängerung in Richtung der gedachten Längsachse des Knochens auf einfache und sichere Weise in kleinen Stufen kontrolliert und ohne Lösen von Spannvorrichtungen mit den damit verbundenen Gefahren für den Patienten erfolgen.
Die Konstruktion der Seitenteile sowie des Mittelstücks des Traversenstabes und der Spindel ist so ausgeführt, daß die Materialspannungen bei äußerer Belastung über ausreichend große Dimensionierung abgefangen werden und Spann- bzw. Reibkräfte fast ausschließlich über optimal große Flächen übertragen werden und so die Verwendung von nichtmetallischen, künstlichen Werkstoffen möglich wird, die bei Bedarf faserverstärkt sein können und daher ein minimaler Schatten im Röntgenbild erzeugt wird und durch das im Vergleich zu Metallen niedere spezifische Gewicht der prinzipielle Gewichtsnachteil der größeren geometrischen Dimensionierung wieder kompensiert wird. Optional erfolgt die Teilung des Traversenstabs unter teilweisem Verlust von Freiheitsgraden in nur zwei Teile, die unter Verwendung der beschriebenen Mechanismen (Gelenke, Spannvorrichtungen) miteinander verbunden sind. Optional entfällt die Teilung des Traversenstabes unter Verlust seiner Verstellbarkeit ganz und damit wird ein einfaches Rohr ohne jede festigkeitsmindernde Unterbrechung oder Einschnürung verwendet und damit entsteht ein für viele Zwecke ausreichender, einfacher und preiswerter Systembestandteil für ein Fixateursystem.
Die Adapter werden zur Aufnahme der implantierten Stäbe um den Traversenstab in eine Position rotiert, in der die implantierten Stäbe mit der Verbindungskonstruktion für jede Frakturseite in der Queransicht ein projiziertes Dreieck (bzw. genauer eine stark unsymmetrische Raute) bilden. Dadurch wird die für herkömmliche ebene Montagen zwangsweise typische seitliche Instabilität gegenüber der (axialen) Systemsteifigkeit bei Belastung längs der gedachten Knochenachse reduziert.
Die implantierten Stäbe werden bei herkömmlichen, ebenen Montagen bei seitlicher Belastung stark überwiegend durch Biegung beansprucht, die noch große Verschiebungen der Knochenfragmente zuläßt. Das rechnerische Verhältnis der lastbedingten Verschiebungen der Knochenfragmente bei herkömmlicher Montageweise, ausgedrückt als Verhältnis der Systemsteifigkeiten, beträgt dabei
Steifigkeit bei ebenen Montagen axial : seitlich = 4 : 1.
Dieses rechnerische Verhältnis der lastbedingten Verschiebungen der Knochenfragmente reduziert sich durch die erfindungsgemäße Maßnahme wegen des Aufbaus von Zugspannungen bzw. Druckspannungen in den implantierten Stäben deutlich:
Steifigkeit bei triangulärer Montage axial : seitlich << 4 : 1
Daher wird eine gleichmäßige Beanspruchung des Gewebes in der Frakturzone begünstigt und die axiale Systemsteifigkeit wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme nicht berührt. Diese Art der triangulären Montage erfolgt ohne die Verwendung irgendwelcher zusätzlicher Bauteile.
Durch den Einbau von Sensoren in die Baugruppen des Frakturversorgungssystems wird eine Messung der auftretenden äußeren mechanischen Belastungen des Frakturversorgungssystems getrennt nach Lastrichtungen bzw. Freiheitsgraden realisiert. Die erforderliche Elektronik zur Signalerfassung, Meßwertbildung, Auswertung, Anzeige und optionalen Registrierung wird im Traversenstab oder bei geteiltem Traversenstab in seinen Teilstücken untergebracht. Die Sensoren sind so angeordnet, daß sie hauptsächlich diejenigen mechanischen Belastungen messen, deren Ursache die wesentlichen bzw. häufigsten und gleichzeitig größten Beanspruchungen sind. Dies sind äußere Kraftwirkungen in Längsrichtung zur Knochenlängsachse und orthogonal zur durch gedachten Knochenlängsachse und Traversenstab aufgespannten Ebene. Die enthaltenen Meßsignale für die Beanspruchung von Bauteilen des Frakturversorgungssystems können unter Anwendung bekannter Regeln der technischen Mechanik in Relativbewegungen umgerechnet werden, die die zu fixierenden Knochenfragmente gegeneinander ausführen. Der Rückgang der heilungsbegleitend gemessenen Bewegungen zeigt den Fortschritt der Frakturheilung an. Dieses Verfahren ist durch die Integration aller seiner Bauteile in ausschließlich außerhalb des Körpers befindliche Bauteile des Frakturversorgungsverfahrens zum Einsatz am lebenden Menschen geeignet.

Claims

Vorrichtung zum Fixieren von Knochenfragmenten mit mindestens einem Mittelstück (B) und mindestens einem Seitenteil (A), die durch ein einachsiges Gelenk miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugeordneten Enden des Mittelstücks (B) und des Seitenteils (A) jeweils mindestens zwei planparallele Lamellen aufweisen, die kammartig ineinander greifen und jeweils eine die Gelenkachse definierende Bohrung aufweisen, und daß die Lamellen mittels einer werkzeuglos zu betätigenden Spreiz- oder Spannvorrichtung (C) gegeneinander klemmbar sind und dadurch das Gelenk in einer vorgebbaren Winkelstellung feststellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Betätigungshebel der Spreiz- oder Spannvorrichtung an einem durch die Bohrung hindurchtretenden Achsbolzen angelenkt ist und um eine mit der Längsachse des Achsbolzens einen rechten Winkel einschließende Betätigungsachse drehbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungshebel mittels einer Exzenterwelle (1) an dem Achsbolzen angelenkt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Seitenteile (A) an gegenüberliegenden Enden des Mittelstücks (B) angelenkt sind und daß die beiden Gelenkachsen einen rechten Winkel einschließen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Mittelstück (B) und/oder dem Seitenteil (A) eine Aufnahmeeinrichtung für ein an den Knochenfragmenten festlegbares Implantat (M) lösbar feststellbar ist, und die Aufnahmeeinrichtung in gelöstem Zustand axial verschiebbar und um die Achse des Mittelstücks (B) bzw. Seitenteils (A) drehbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung mittels einer das Mittelstück (B) bzw. Seitenteil (A) mindestens teilweise umgreifenden Schelle (E1) lösbar festlegbar ist, die mittels eines Spannbügels (E6) und eines Umlenkhebels (E5) in klemmende Anlage an das Mittelstück (B) bzw. Seitenteil (A) bringbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Schelle (E1) eine Implantataufnahme um eine mit der Schellenachse einen rechten Winkel einschließenden Implantatschwenkachse drehbar angelenkt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Implantataufnahme das Implantat (M) mindestens teilweise umfaßt und daß in der Implantataufnahme das in Richtung seiner Längsachse verschiebbare Implantat (M) lösbar feststellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Klemmhebels gleichzeitig sowohl das Implantat (M) in der Implantataufnahme als auch die Implantataufnahme an der Schelle (E1) festlegbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Aufnahmeeinrichtungen in unterschiedlichen Winkelpositionen in Bezug auf eine Längsachse des Mittelstücks (B) und/oder des Seitenteils (A) feststellbar sind und daß die Projektion der beiden zugehörigen Implantate (M) in eine mit dem Mittelstück (B) und/oder dem Seitenteil (A) einen rechten Winkel einschließenden Ebene je einen Schenkel eines Dreiecks bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Seitenteil (A) längeneinstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus einem für Röntgenstrahlen im wesentlichen transparenten Werkstoff hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein in die Vorrichtung integriertes Meßsystem (Z) die in der Vorrichtung auftretenden Kräfte erfaßbar sind.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 als Bohrschablone beim Bohren einer für die Festlegung eines Implantats (M) an dem Knochenfragment erforderliche Bohrung, wobei in eine Aufnahme für das Implantat (M) Bohrhülsen eingesetzt werden.