DK159196B - Apparat til elektrisk stimulering af knogler i et frakturomraade - Google Patents

Description

DK 159196 B

Opfindelsen angår et apparat af den i krav 1's indledning angivne art.

Et sådant apparat kendes fra tysk offentliggørelsesskrift nr. 2 311 817. Til metalstifterne tilføres enten direkte via en galvanisk kobling eller indirekte via en induktiv β kobling en vekselspænding med en frekvens, som er imellem 1 og 100 Hz, mens amplituden højst skal andrage 1 volt.

En vekselspænding forhindrer ganske vist en korrosion ved metalstifterne og dermed en skadelig påvirkning af det umiddelbart tilstødende væv, men det har imidlertid vist 10 sig, at den ikke er særlig egnet til en virksom heling af knoglebrud, bl.a. som følge af aktiveringen af cal-lusdannelse. Der kendes desuden et apparat til stimulering af knoglevæksten, ved hvilket en stimulatorkobling bliver indkapslet og implanteret i nærheden af det område, som skal stimuleres. Det stimulerende signal er en pulserende jævnspænding med en frekvens på omtrent 1 Hz. Den valgte frekvens er ganske vist gunstig til heling, men en ensidig påvirkning af elektroden med en pulserende jævnspænding kan dog føre til korrosionsfæ- nr) nomener. Det er desuden en ulempe ved det kendte apparat, at stimulatoren skal implanteres, hvilket kræver et første indgreb til stimulatorens indføring og et andet til dens fjernelse. Sådanne indgreb er altid forbundet med risiko for infektion. Til trods for anvendelsen af for-

OR

skellige mere eller mindre vævsvenlige materialer er der en vis risiko for at implantere uforligelige materialer i et væv og lade det blive der i længere tid (se DE offentliggørelsesskrift nr. 2 311 817).

30 Desuden kendes et stimuleringsstrøm-terapiapparat til stimulering af muskler eller hudpartier, som indeholder et ompolingsorgan (DE fremlæggelsesskrift nr. 1 539 722).

En ompoling sker efter 20-30 sekunder for at undgå fremkomsten af vævsskader. Behandlingssignalet er jævn-35 strømsimpulser. Der er ikke opgivet optimale værdier om 2

DK 159196 B

hvorledes de skal være indstillet til behandling af knoglebrud.

Endelig kendes et elektrostimuleringsapparat til at 5 tilføre en impulsgivers impulser til en ringtæller og til 1 afhængighed af ringtællerens tællertilstand at betjene et omskiftningsorgan (DE offentliggørelsesskrift nr.

2 437 346). Der er ikke angivet elektriske værdier til en gunstig stimulation. Det har i øvrigt vist sig, at sti- 10 muleringsstrømmens elektriske størrelse skal være for skellig, alt efter om der skal stimuleres knogler i et frakturområde eller hud- og muskelpartier.

Opfindelsen har til formål at tilvejebringe et apparat af 15 den indledningsvis nævnte art, som muliggør en særlig virksom heling af knoglebrud, ikke forårsager skadelig påvirkning af knogler og væv og giver patienten en vidtgående bevægelsesmulighed, uden at der kræves en streng overvågning af lægepersonale eller patienten.

20

Dette formål opnås ifølge opfindelsen ved, at det indledningsvis angivne apparat er ejendommeligt ved det i krav l's kendetegnende del angivne.

25 Det har vist sig, at en pulserende jævnspænding på højst 1 volt med en impulsfølgefrekvens på 1 Hz, som bliver ompolet omtrent hver anden time, i mange tilfælde fører til det ønskede resultat, dvs. udøver en positiv påvirkning på knoglevæksten og ved knoglebrud forhindrer, at 30 callusdannelsen udebliver eller der opstår en pseudoar-throse. Fortegnsvendingen hver anden time betyder en tilstrækkelig lang tid til en med jævnspænding gennemført stimulering, uden at der opstår irritation i vævet, som elektroderne er ført igennem.

Apparatet ifølge opfindelsen anvendes med et externt fikseringsorgan. Ved at de elektriske eller elektroniske 35 3

DK 159196 B

komponenter er anbragt i et langstrakt hus, kan stimulatoren anbringes umiddelbart ved fikseringsorganet og derved bæres af patienten. Patienten kan derfor med ap-paratet ifølge opfindelsen forlade sengen og også passes 5 hjemme, uden at der står lægelige hindringer i vejen. Den automatiske rettidige fortegnsvending overflødiggør vedvarende lægelig observation. Den kan i øvrigt udføres af patienten selv.

10 Ved en udførelsesform ifølge opfindelsen er et spændingsbegrænsningsorgan forbundet imellem elektroderne. Spændingsbegrænsningsorganet omfatter ved en yderligere udførelsesform ifølge opfindelsen en eller to i serie koblede dioder, som er forbundet antiparallelt til elek-15 troderne. Ved siliciumdioder ligger gennemgangsspændingen mellem 0,5 og 0,8 volt. Hvis to siliciumdioder er serieforbundet, fremkommer en maximal gennemgangsspænding på 1,6 volt. Ved hjælp af halvlederdioder kan man derfor på enkel måde foretage en spændingsbegrænsning og forhindre, 20 at spændingen ved udgangsklemmerne overstiger en maximal værdi. Spændingsbegrænsningen virker også i omvendt retning og forhindrer, at stimulatorens elektroniske komponenter bliver skadeligt påvirkede af overspændinger.

25 Ifølge en anden udførelsesform for opfindelsen er to lysdioder er forbundet i serie, men med omvendt gennemløbsretning, hvilke lysdioders serieforbindelse er forbundet parallelt med ompolingsorganets udgang, og kontrolkontakten er forbundet imellem impulskilden og for-30 bindeisen mellem de to lysdioder. På denne måde kan det uafhængigt af fortegn fastslås, om den ønskede spænding er påført stimulatorens udgang. Ved hjælp af lysdioder, som lyser med forskellige farver, kan det tillige fastslås, hvilket fortegn stimulatorspændingen har.

Det er ganske vist tænkeligt at udføre kontrolkontakten manuel betjenelig. Ved en udførelsesform med kippkontakt 35 4

DK 159196 B

består dog risiko for, at den ikke bliver udkoblet. Også ved udformning som tastomskifter udsættes den for yderligere påvirkninger og kan eksempelvis blive beskadiget. Derfor er det ved en yderligere udførelsesform ifølge 5 opfindelsen foreslået, at kontrolkontakten er en Reed- kontakt. Reed-kontakten kan anbringes beskyttet i stimulatorens hus og forbigående betjenes ved hjælp af en permanentmagnet for at slutte kontrolkredsen.

10 Af bevægelighedsgrunde er det fordelagtigt at gøre de elektriske dele og komponenter mindst mulige. I denne sammenhæng foretrækkes det ifølge en yderligere udførelsesform for opfindelsen, at jævnspændingskilden er et lithiumbatteri. Lithiumbatterier er i og for sig kendt i 15 forbindelse med hjerte-pacemakere. De er højeffektive og har en lang levetid. Et lithiumbatteri's hus kan fremstilles således, at det også optager komponenterne til et koblingsorgan, som er tilsluttet lithiumbatteriets klemmer.

20

Opfindelsen skal i det følgende nærmere beskrives med henvisning til tegningen, hvorpå: fig. 1 i perspektiv viser et fikseringsapparat ifølge

Hoffmann sammen med et apparat ifølqe opfindelsen, 25 fig. 2 viser et modificeret, koblet kredsløb ifølge opfindelsen , fig. 3 er et blokdiagram over en kredsløbsopbygning for et 30 apparat ifølge opfindelsen, og fig. 4 viser et impulsdiagram frembragt ved hjælp af den i fig. 3 viste stimulator.

Det i fig. 1 viste fikseringsapparat 10 er almindelig kendt og vil derfor ikke blive omtalt i detaljer. Det har to spændeorganer 11, 12, der er bevægelige i forhold til hin- 35 5

DK 159196 B

anden og i det væsentlige består af spændpatroner, hvis faktiske spændedele består af et isolerende materiale som vist ved henholdsvis 13 og 14. I spændeorganerne er stifter 25 spændt stramt, efter at de er ført eller skruet ind i et 5 tilsvarende knoglefragment. Spændeorganerne kan fastspænde en eller flere stifter 25 på forskellige steder, således som det generelt er vist ved spændeorganet 12. Stifterne 25 er elektrisk isolerede i forhold til hinanden, idet de er fastspændt på isolerende måde.

10 En stimulator, som kan anvendes i forbindelse med fikserings-apparatet 10, er som helhed betegnet med 20. Dens hus består af en aflang, i tværsnit cirkelformet aluminiummuffe 21, som er lukket i den ene ende af en hætte 22. To bøjelige kabler 23, 24 strækker sig ud fra muffen 21 ved dennes ende-15 flade og har holdere 26, 27 ved sine ender, hvilke holdere kan anbringes på bagenderne af stifterne 25. Endvidere findes der et andet, lidt kortere bøjeligt kabel 28, der strækker sig ud af muffen 21 ved dennes samme ende, og i dette kabels tykke område 29 er der anbragt lysudsen-20 dende dioder. En isolerende beskyttelseshætte 30 er anbragt foran den tilsvarende ende af muffen 21 ved hjælp af en spændemuffe 31 og en skrue 32.

I fig. 2 er der vist en patron 32a. Den består af et hus 25 af metal, f.eks. aluminium, i hvilket der findes et lithium-batteri og et miniaturiseret elektronisk kredsløbsarrangement. Det elektroniske kredsløb er beliggende i lithium-batteriets hus. Det i henholdsvis stimulatoren 20 (fig. 1) og patronen 32a anbragte elektroniske kredsløb er som ek-30 sempel vist i fig. 3.

Udgangsklemmerne for kredsløbsarrangementet i fig. 3 er betegnet med XI og X2. De er forbundet med de i fig. 1 og 2 viste ledningskabler 23, 24. Det ved disse klemmer til rådighed værende potential er således potentialet, der er 35 forbundet mellem knoglefragmenterne. Terminalen XI er forbundet med en impulsgenerator via en buffer forstærker 6

DK 159196 B

1C 7, kondensatorer C2, C3 og en modstand R 2, og denne impulsgenerator er vist som elementet IC 9. Det via R 1 tilbagekoblede indgangssignal er jordforbundet via kondensatoren C 1.

5 Som det yderligere fremgår af fig. 3, er udgangsklemmerne XI og X2 henholdsvis forbundet over udgangen af elektroniske afbrydere IC 1, IC 2 eller IC 3, IC 4. Indgangen for de elektroniske afbrydere er henholdsvis forbundet med en pol i et lithiumbatteri, som det udelukkende er vist af for-10 tegnene + og Styre indgangene for de elektroniske afbrydere IC 2 og IC 3 er direkte forbundet over udgangen på en impulstæller IC 10, medens styreindgangene for de elektroniske afbrydere IC 1 og IC 4 ligeledes er forbundet over udgangen for impulstælleren IC 10, men via en inverter 15 IC 8. Indgangen for impulstærren IC 10 er forbundet med udgangen for impulsgeneratoren IC 9. En første serieforbindelse af to dioder D 1 og D 2 er anbragt parallelt med klemmerne X 1 og X 2. En anden serieforbindelse af dioder D 3 og D 4 er ligeledes anbragt parallelt med 20 klemmerne X 1 og X 2, men har en modsat gennemløbsretning.

Udgangen for impulsgeneratoren IC 9 er endvidere forbundet med en klemme på en Reed-kontakt K 1 via en bufferforstærker IC 6, medens den anden klemme på Reed-kontakten K 1 er forbundet med et punkt mellem to lysudsendende 25 dioder, som tilsammen er betegnet med D 5. Den nedre lysudsendende diodes anode er forbundet med klemmen X 2, medens den øvre lysudsendende diodes anode er forbundet med udgangene for de elektroniske afbrydere IC 1 og IC 2.

Det ovenfor beskrevne kredsløbsarrangement fungerer på 30 følgende måde: Uafhængigt af om impulstællerens udgangs signal er stort eller lille, tilkobler et par af de elektroniske afbrydere IC 1 - IC 4 en jævnspænding til klemmerne X 1, X 2, dvs. via modstanden R 3. Denne jævnspænding moduleres i overensstemmelse med impulserne fra impulsge-55 neratoren IC 9, hvor impulserne formes via kondensatorerne 7

DK 159196 B

C 2 og C 3 og modstanden R 2 som vist i fig. 4. Impulserne får en asymmetrisk form som vist i fig. 4. Det er kendt, at sådanne asymmetriske impulser er særligt fordelagtige med henblik på terapi. Frekvensen er 1 Hz og amplituden er ca.

5 0,7 \I, medens spidsspændingen er 1 V. De ser ie forbundne siliciumdioder D 1 - D 4 sikrer, at spændingen ikke overstiger 1,6 V, som er en spænding, ved hvilken de serieforbundne dioders gennemgangsspænding nås. Samtidig udgør dioderne D 1 - D 4 en spændingsbegrænsning med hensyn til 10 de potentialer, som eventuelt ankommer til klemmerne X 1, X 2 fra omgivelserne, og forhindrer derfor, at kredsløbets dele bliver beskadiget. Impulstælleren IC 10 indstilles til et bestemt impulstal, f.eks. 2^, som med en frekvens på 1 Hz svarer til et tidsrum på to timer. Derfor omskiftes 15 fortegnet for den pulserende jævnspænding ved klemmerne X 1 og X 2 hver anden time via de elektroniske afbrydere IC 1 - IC 4.

Hvis Reed-kontakten K 1 sluttes f.eks. ved at en udvendig permanent magnet bevæges ind i nærheden af skruen 33, lyser 20 en af de to lysudsendende dioder - afhængigt af den pulserende jævnspændings fortegn - og viser, om stimulatoren er i drift, og hvilket fortegn stimulatorspændingen har.

Mange modifikationer af det i fig. 3 viste kredsløb er mulige ved udøvelse af den foreliggende opfindelse. Således 25 kan kredsløbet f.eks. tilkobles bufferforstærkere på indgangssiderne af de to lysudsendende dioder D 5 for at forbedre diodernes synlighed. Ydermere kan modstanden R 3 udelades og en passende modstandsdeler kan tilkobles kredsløbet til etablering af den ønskede jævnspændingsforskyd-30 ning. Endelig kan dioderne D 1 - D 4 om ønsket udelades, og der kan til kredsløbet kobles et passende konstantstrømsudgangsnet omfattende felteffekttransistorer (anvendt som konstantstrømskilder) og variable modstande. Et sådant konstantstrømsudgangsnet kan anvendes til at begrænse 35 udgangsspidsspændingen, f.eks. 260 mikroampere, for appa-ratet ifølge opfindelsen.

DK 159196 B

a

Apparatet ifølge opfindelsen er blevet beskrevet i forbindelse med et fikseringsapparat ifølge Hoffmann. Der kan naturligvis anvendes andre fikseringsorganer, såsom f.eks. Steinmann-stifter eller lignende. Stimulering med appara-5 tet ifølge Hoffmann har den store fordel, at potentialet kan påtrykkes over knoglebruddet. Dette har vist sig at være særlig gunstigt for helingsprocessen.

Claims (10)

1. Apparat til elektrisk stimulering af knogler i et 5 frakturområde ved hjælp af metalstifter, som er indrettet til at indsættes i fragmenterne og danner elektroder, som er optaget isoleret i externe spændeorganer, ved hjælp af hvilke de kan spændes imod hinanden, og en med elektroderne forbundet stimuleringsspændingskilde med en fre-10 kvens på omtrent 1 Hz og en amplitude på højst omkring 1 volt, kendetegnet ved, at en jævnspændingskilde er tilsluttet til elektroderne (XI, X2) over et ompo-lingsorgan (IC1 til IC4), at en impulskilde (IC9) med en impulsfølgefrekvens på 1 Hz ligeledes er tilsluttet til 15 elektroderne (XI, X2), således at apparatets udgangs signal består af impulskildens (IC9) impulsfølge, som er underlagt en konstant jævnspænding, at impulskilden (IC9) desuden er forbundet med en impulstæller (IC10), som afgiver et ompolingssignal til ompolingsorganet (IC1-IC4), 20 når antallet af impulser svarer til et tidsrum på fra 1 til 2 timer, hvorved apparatets udgangssignal bliver ompolet, at et visningsorgan (D5) ved hjælp af en kontrolkontakt (Kl) efter frit valg bliver forbundet med elektroderne, og at impulstælleren (IC10), jævnspæn-25 dingskilden, impulskilden (IC9), ompolingsorganet (IC1- IC4), kontrolkontakten (Kl) og visningsorganet (D5) er anbragt i et langstrakt hus (20) og forbundet med metalstifterne (25) over fleksible tilledninger (23, 24).

2. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at et spændingsbegrænsningsorgan (D1-D4) er indkoblet imellem elektroderne (XI, X2). 1 Apparat ifølge krav 2, kendetegnet ved, at 35 en eller to i seriekoblede dioder (D1-D4) er koblet anti-parallelt til elektroderne (XI, X2). DK 159196 B

4. Apparat ifølge ethvert af kravene 1-3, kendetegnet ved, at to lysdioder, som er serieforbundet, men med omvendt gennemløbsretning, er forbundet med lysdiodernes seriekobling (D5) parallelt med ompolings- 5 organets (IC1-IC4) udgang, og kontrolkontakten (Kl) er forbundet imellem impulskilden (IC9) og forbindelsen mellem de to lysdioder (D5).

5. Apparat ifølge krav 4, kendetegnet ved, at 10 kontrolkontakten (Kl) er en Reed-kontakt.

6. Apparat ifølge ethvert af kravene 1-5, kendetegnet ved, at jævnspændingskilden er et lithium-batteri. 15

7. Apparat ifølge ethvert af kravene 1-6, kendetegnet ved, at det langstrakte hus (21) er et aluminiumshylster .

8. Apparat ifølge ethvert af kravene 1-7, kende tegnet ved, at visningsorganet (D5) er forbundet med en yderligere, fra husets (21) ende udført fleksibel tilledning (28).

9. Apparat ifølge krav 5 eller 8, kendetegnet ved, at huset (21) består af et umagnetisk materiale, at Reed-kontakten ligeledes er anbragt i huset (21), og at en permanent magnet er bevægelig forbundet med huset (21). 30

10. Apparat ifølge krav 9, kendetegnet ved, at permanentmagneten er forbundet med tilledningen til visningsorganet.

11. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at amplituden er omtrent 0,7 volt.