DE19820506C1

DE19820506C1 - Device for preparing a human long bone for the implantation of a bone implant and method for operating this device

Info

Publication number: DE19820506C1
Application number: DE19820506A
Authority: DE
Inventors: Hans Grundei
Original assignee: Eska Implants GmbH and Co KG
Current assignee: Eska Implants GmbH and Co KG
Priority date: 1998-05-08
Filing date: 1998-05-08
Publication date: 2000-01-05
Anticipated expiration: 2018-05-09
Also published as: WO1999058067A1; EP1079742A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Präparation eines menschlichen Röhrenknochens für die Implantation eines Knochenimplantates beschrieben. Die Vorrichtung weist einen programmierbaren Industrieroboter (2) auf, der an seiner Roboterhand (3) eine nach Art eines Bohrhammers arbeitende Werkzeugmaschine (4) mit einem Werkzeugkopf (5) trägt. Dieser führt im Betrieb der Maschine (4) eine oszillierende Hubbewegung in Richtung seiner Längsachse aus und trägt eine Knochenraspel (6), mit welcher ein Hohlraum im Röhrenknochen (7) in Form des einzusetzenden Knochenimplantates ausgeräumt wird.A device for the preparation of a human tubular bone for the implantation of a bone implant is described. The device has a programmable industrial robot (2) which carries on its robot hand (3) a machine tool (4) with a tool head (5) that works in the manner of a rotary hammer. During operation of the machine (4), the latter performs an oscillating lifting movement in the direction of its longitudinal axis and carries a bone rasp (6) with which a cavity in the tubular bone (7) is cleared in the form of the bone implant to be inserted.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Präparation eines Röhrenknochens für die Implantation eines Knochenimplantates.The invention relates to a device for the preparation of a long bone for the implantation of a bone implant.

Vor der Implantation einer (stielförmigen) Endoprothese in einen Röhrenknochen, beispielsweise in den menschlichen Femur, wird dieser an seinem gelenkseitigen Ende reseziert und üblicherweise eine Auffräsung der Spongiosa und Entfernung vom Knochenmark vorgenommen. In dem ausgefrästen Raum kann sodann der Stiel der Endoprothese eingebracht werden, die mit einer entsprechend offenmaschigen dreidimensionalen Raumnetzstruktur versehen sein kann, durch welche Knochentrapekel zur Sekundärfixation des Implantats hindurchwachsen können. Ein typisches Beispiel für eine derartige stielförmige Endoprothese ist der Hüftstiel eines künstlichen Hüftgelenks.Before implanting a (stem-shaped) endoprosthesis into one Tubular bones, for example in the human femur, will turn on resected its joint end and usually a milling of the Cancellous bone removal and bone marrow removal. By doing The milled space of the endoprosthesis can then be inserted be that with a correspondingly open-meshed three-dimensional Space network structure can be provided, through which bone trapezoids to Secondary fixation of the implant can grow through. A typical one An example of such a stem-shaped endoprosthesis is the hip stem artificial hip joint.

Derartige Ausfräsungen werden mit entsprechenden Werkzeugen, also Fräsern, durchgeführt. Die Ausfräsung hat jedoch bei der zementlosen Fixation des Implantates im Röhrenknochen den Nachteil, daß die Innenwandung der Ausfräsung bzw. des geschaffenen Hohlraumes im Knochenmarkraum spannungsfrei ist. Dies bedeutet, daß nach Einsatz des Knochenimplantates in den geschaffenen Hohlraum kein flächenhaft wirkender Druck von der verbliebenen Spongiosa auf das eingesetzte Implantat ausgeübt wird, so daß praktisch kein Kraft- oder Reibschluß zwischen dem Implantat und Restspongiosa wirkt. Dies beeinträchtigt nicht nur die Primärfixation des Implantates in situ sondern verzögert auch das Einwachsverhalten der Knochentrapekel durch die offenmaschige Raumnetzstruktur des Implantates.Such millings are made with appropriate tools, i.e. milling cutters, carried out. However, the milling has in the cementless fixation of the Implants in the long bones have the disadvantage that the inner wall of the Milling or the created cavity in the bone marrow space is tension-free. This means that after using the bone implant in the cavity created no area-wide pressure from the remaining cancellous bone is exerted on the inserted implant so that practically no force or friction between the implant and Residual cancellous bone works. This not only affects the primary fixation of the Implants in situ but also delays the ingrowth behavior of the Bone trapezoids due to the open mesh spatial structure of the implant.

Eine andere Methode zum Ausräumen des Knochenmarkraumes besteht in der Anwendung einer Knochenraspel, wie sie beispielsweise bekannt sind aus der DE 43 23 873 C2 oder der DE 39 07 256 A1. Bei der Anwendung von Raspeln wird diese vom Operateur in Vorbereitung der Implantation in Längsrichtung des Knochenmarkraumes gestoßen, wobei die Raspel auf ihrer Oberfläche mit einem Schabeprofil versehen ist, welches je nach Ausbildung des Profils beim Hineinstoßen der Raspel in den Knochenmarksraum Knochentrapekel durchtrennt und ggfls. ebenfalls beim Herausziehen der Knochenmarksraspel aus dem Knochenmarksraum. Zusätzlich zum Ausräumen des Hohlraumes im Knochen hat die Anwendung einer Raspel gegenüber dem eingangs erwähnten Fräser aber noch einen erheblichen anderen Effekt: Beim Ausraspeln des Hohlraumes wir die Seitenwandung des Hohlraumes beim Hineintreiben der Raspel verdichtet. Dies bedeutet, daß die Innenwandung des geschaffenen Hohlraumes nicht spannungsfrei - wie im Falle der Ausfräsung - ist, sondern das im Bereich der Innenwandung verdichtete Knochenmaterial nach dem Entfernen der Raspel aus dem Hohlraum dazu neigt, sich in den Hohlraum hinein wieder zu entspannen. Dies führt beim Einsetzen des Implantates zu einem vermehrt kraftschlüssigen Sitz des Implantates im Hohlraum und - sofern das Implantat mit einer offenmaschigen dreidimensionalen Raumnetzstruktur versehen ist - also zu einem Hineingreifen der abgetrennten, sich entspannenden Knochentrapekel direkt in die 3D- offenmaschige Struktur hinein und in Folge zu einem wesentlich rascheren Verwachsen des Implantates.Another method of clearing the bone marrow space is by Use of a rasp, as they are known for example from the DE 43 23 873 C2 or DE 39 07 256 A1. When using This is grated by the surgeon in preparation for the implantation Longitudinal direction of the bone marrow space encountered, with the rasp on her Surface is provided with a scraping profile, which depending on the training the profile when the rasp is pushed into the bone marrow space Bone trapezoid cut and if necessary. also when pulling out the Bone marrow rasp from the bone marrow space. In addition to clearing out of the cavity in the bone has the use of a rasp over that However, the milling cutters mentioned at the outset have a considerably different effect: The side wall of the cavity is rasped out when Driving the rasp compacted. This means that the inner wall of the created cavity not stress-free - as in the case of milling - but the bone material compressed in the area of the inner wall After removing the rasp from the cavity it tends to get into the Cavity into relax again. This leads to the insertion of the Implant to an increasingly positive fit of the implant in the Cavity and - if the implant with an open-mesh three-dimensional network structure is provided - that is to reach into the separated, relaxing bone trapezoids directly into the 3D open-meshed structure and subsequently to a much faster one Overgrowth of the implant.

Es hat sich nun gezeigt, daß selbst erfahrene Operateure die Ausraspelung des Hohlraumes mit einer Knochenraspel nicht mit einer solchen Präzision durchzuführen in der Lage sind, daß der beschriebene Flächendruck von der Innenwandung des Hohlraums auf das Implantat an jeder Stelle gleichgroß ist. Je nach Ansatz der Raspel kann es sogar Bereiche des Implantates geben, auf die keinerlei Flächendruck wirkt, wohingegen auf andere Flächenbereiche des Implantates sehr hohe Drücke lasten. Diese Ungleichverteilung des Flächendruckes fördert die gleichmäßige Durchwachsung des Implantates im Knochen nicht.It has now been shown that even experienced surgeons can rasp the Cavity with a rasp not with such precision are able to perform that the surface pressure described by the Inner wall of the cavity on the implant is the same size at every point. Depending on the approach of the rasp, there may even be areas of the implant on which has no surface pressure, whereas other surface areas of the Implants are subject to very high pressures. This unequal distribution of the Surface pressure promotes the uniform growth of the implant in the Bones not.

Vor diesem Hintergrund ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit welcher der auszuraspelnde Hohlraum mit hoher Präzision patientenindividuell herstellbar ist.Against this background, it is the object of the present invention specify a device with which the cavity to be rasped with high precision can be produced individually for the patient.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This problem is solved by a device with the features of Claim 1. Further advantageous embodiments are in the subclaims specified.

Die Vorrichtung besteht erfindungsgemäß aus einem programmierbaren Industrieroboter, der an seiner Roboterhand eine nach Art eines Bohrhammers arbeitende Werkzeugmaschine mit einem Werkzeugkopf trägt. Der Werkzeugkopf führt im Betrieb der Werkzeugmaschine eine oszillierende Hubbewegung in Richtung seiner Längsachse aus und trägt eine Knochenraspel. Mit dieser wird ein Hohlraum im Röhrenknochen in Form des einzusetzenden Knochenimplantates ausgeräumt. Kern der Erfindung ist demnach die Kombination eines programmierbaren Industrieroboters mit einer Werkzeugmaschine, welche eine an sich bekannte Knochenraspel in den Röhrenknochen hineintreibt.The device according to the invention consists of a programmable Industrial robot holding a hammer on his robot hand working machine tool with a tool head. The Tool head performs an oscillating in the operation of the machine tool Lift movement in the direction of its longitudinal axis and carries one Bone rasp. This creates a cavity in the long bone in the form of the bone implant to be inserted. The essence of the invention is therefore the combination of a programmable industrial robot with a Machine tool, which a known bone rasp in the Tubular bones drifting into it.

Die erfindungsgemäße Kombination der Komponenten ermöglicht eine äußerst präzise Ausraspelung des Hohlraumes im Knochenmarkraum, in welchen danach das formengleiche Implantat eingesetzt wird. Aufgrund der hohen Präzision wird erreicht, daß der Flächendruck von der Innenwandung des ausgeraspelten Hohlraumes auf die Implantatoberfläche weitestgehend gleichverteilt ist, so daß eine hohe stabile Primärfixation gewährleistet ist. Wenn das Implantat eine offenmaschige dreidimensionale Raumnetzstruktur an seiner Oberfläche aufweist, werden Knochentrapekel von der Innenwandung des Hohlraums in die Oberfläche des Implantates aufgrund der Entspannung nach der Verdichtung durch Anwendung der Raspel hineingedrückt. So wird eine hervorragende Basis für das Einorganisieren von Knochenmaterial durch die Oberfläche des Implantates hindurch gebildet.The combination of the components according to the invention enables an extreme precise rasping of the cavity in the bone marrow space, in which then the implant of the same shape is inserted. Because of the high Precision is achieved that the surface pressure from the inner wall of the rasped cavity largely on the implant surface is evenly distributed, so that a high stable primary fixation is guaranteed. If the implant has an open mesh three-dimensional network structure has surface, bone trapezoids are from the inner wall of the cavity in the surface of the implant due to the relaxation after compaction by using the rasp. So will an excellent basis for organizing bone material formed through the surface of the implant.

Vorzugsweise erfolgt der Vorschub des Roboterarms programmgesteuert. Dabei bildet die Software die Röntgen-Schichtaufnahmen dies Markraumes des Röhrenknochens ab, die präoperativ angefertigt worden sind. Hierdurch wird die Präzision der Ausraspelung des Hohlraumes noch erhöht.The advancement of the robot arm is preferably program-controlled. The software forms the X-ray slices of this medullary canal Tubular bone that have been prepared preoperatively. This will the precision of the rasping of the cavity is increased.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform treibt der Roboterkopf die Knochenraspel drucklos vor. Hierdurch bleibt gewährleistet, daß der Hohlraum nicht aufgrund von hohen Belastungen Knochenmaterial herausbricht an Stellen, an denen dies nicht vorgesehen ist.According to an advantageous embodiment, the robot head drives the Bone rasp depressurized. This ensures that the cavity does not break out bone material due to high loads Places where this is not intended.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß der einzigen Zeichnungsfigur kurz näher erläutert.The invention is described below using an exemplary embodiment according to the single drawing figure briefly explained.

Die Zeichnungsfigur zeigt einen auf einem Operationstisch 9 liegenden Patienten, dessen Hüftbereich bereits geöffnet worden ist, damit in den Femurknochen 7 ein Hohlraum geraspelt werden kann, in welchen danach ein Hüftstiel eines künstlichen Hüftgelenkes eingesetzt werden kann.The drawing shows a patient lying on an operating table 9 , whose hip area has already been opened so that a cavity can be rasped in the femur bone 7 , in which a hip stem of an artificial hip joint can then be inserted.

Zur Erzeugung des Hohlraums wird vorliegend eine Knochenraspel 6 verwendet, die in Richtung der Längsachse des Femurknochens 7 in dessen Knochenmarkraum oszillierend eingebracht und wieder herausgezogen wird. Hierzu ist die Knochenraspel 6 erfindungsgemäß an einen Industrieroboter 2 durchaus bekannter Art gekoppelt. Die Ankopplung der Knochenraspel 6 an den Roboter 2 erfolgt über eine Werkzeugmaschine 4, die im wesentlichen nach Art eines Bohrhammers arbeitet. Die Werkzeugmaschine 4 ist an der Roboterhand 3 befestigt, welche seinerseits vorne am Roboterarm 8 sitzt.In the present case, a bone rasp 6 is used to create the cavity, which is introduced in an oscillating manner in the direction of the longitudinal axis of the femur bone 7 in its bone marrow space and is pulled out again. For this purpose, the bone rasp 6 is coupled to an industrial robot 2 of a known type. The bone rasp 6 is coupled to the robot 2 by means of a machine tool 4 , which operates essentially in the manner of a rotary hammer. The machine tool 4 is fastened to the robot hand 3 , which in turn sits on the front of the robot arm 8 .

Der Roboter 2 wird softwaregesteuert betrieben, derart, daß die Software die Röntgen-Schichtaufnahmen vom Knochenmarkraum des Femurs 7 abbildet, damit die Knochenraspel 6 individuell an die Patientenerfordernisse angepaßt den jeweiligen Hohlraum raspeln kann.The robot 2 is operated in a software-controlled manner in such a way that the software images the X-ray slice images of the bone marrow space of the femur 7 so that the bone rasp 6 can grate the respective cavity individually adapted to the patient's requirements.

Claims

1. Device for the preparation of a human tubular bone for the implantation of a bone implant, comprising a programmable industrial robot ( 2 ) on his robot hand ( 3 ) carries a machine tool ( 4 ) working in the manner of a hammer drill with a tool head ( 5 ) which is in operation Machine tool ( 4 ) performs an oscillating lifting movement in the direction of its longitudinal axis and which carries a bone rasp ( 6 ) with which a cavity in the tubular bone ( 7 ) is cleared in the form of the bone implant to be inserted.

2. Device according to claim 1, in which the advancement of the robot arm ( 8 ) is program-controlled, the program depicting the previously made x-ray slice images of the medullary cavity of the tubular bone.

3. Device according to claim 1 or 2, wherein the robot hand ( 3 ) drives the bone rasp ( 6 ) without pressure.

4. The method for operating the device according to one of claims 1 to 3, in which the bone rasp ( 6 ) is brought up to the resected bone ( 7 ) and, after adjusting its position, the robot ( 2 ) and the machine tool ( 4 ) are put into operation , the robot arm ( 8 ) being advanced manually.