DE10035487A1

DE10035487A1 - Chirurgisches Instrument zum Bearbeiten einer knöchernen Struktur

Info

Publication number: DE10035487A1
Application number: DE10035487A
Authority: DE
Inventors: Martin Szepannek; Matthias Wapler; Thomas Weisener; Knut Andersen
Original assignee: URS UNIVERSAL ROBOT SYSTEMS GM
Current assignee: URS UNIVERSAL ROBOT SYSTEMS GM
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2002-02-07
Anticipated expiration: 2020-07-22
Also published as: DE10035487B4; WO2002007631A1

Abstract

Die Herstellung von Konturen in knöchernen Strukturen, insbesondere einer Kavitation für ein künstliches Hüftgelenk, ist immer dann kompliziert, wenn die Kontur einen unrunden Querschnitt aufweisen muss. DOLLAR A Es wird daher ein chirurgisches Instrument mit einem Linearantrieb (10) und einem linear beweglichen Bearbeitungswerkzeug (11) vorgeschlagen, wobei der Linearantrieb (10) für eine oszillierende und rückstoßgedämpfte Bewegung ausgelegt ist und dazu einerseits eine Schnellverschlusskupplung (12) zur Aufnahme des Bearbeitungswerkzeuges (11) und andererseits eine Instrumentenaufnahmeeinheit (5) zur Verbindung mit einer Instrumententrägereinheit (1) eines Roboters besitzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein chirurgisches Instrument nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Instrumente werden in chirurgischen Kliniken zur Herstellung definierter Konturen in knöchernen Strukturen am Mensch oder Tier verwendet. Insbesondere werden solche Instrumente für die Vorbereitung des Femurs bei der Hüftendoprothetik eingesetzt.

Bei einer krankhaften Veränderung oder bei einer Beschädigung beispielsweise eines Hüftgelenkes muss in vielen Fällen eine Prothese als künstliches Hüftgelenk eingesetzt werden. Eine solche Prothese besteht aus einem Gelenkfuß mit einem starren Gelenk kopf und einer zum Gelenkkopf passenden Gelenkpfanne. Dabei sind die Gelenkpfanne passgerecht im Sitzbein und der Gelenkfuß passgerecht im Femur eingesetzt.

Für das Einsetzen der Gelenkpfanne und des Gelenkfußes sind entsprechende Kavitäten in den jeweiligen Knochenteilen auszuarbeiten, die eine hohe Passgenauigkeit besitzen müssen, um ein schnelles Einwachsen der Prothese in den Knochen und damit eine schnelle Rehabilitation des Patienten und eine hohe Stabilität des künstlichen Hüftge lenkes in allen Belastungsrichtungen zu gewährleisten. Dabei soll möglichst eine Kon taktfläche von mindestens 85% zwischen dem Implantat und dem Knochenteil geschaf fen werden.

Gerade der Gelenkfuß besitzt eine solche komplizierte Kontur, dass die geforderte Pass genauigkeit der zu schaffenden Kavität im Femur nur schwer zu erreichen ist.

Diese Kontur ist im wesentlichen durch eine Querschnittsform bestimmt, die wegen der erforderlichen Rotationsstabilität von einer Rotationssymmetrie abweicht und die durch ovale oder anders gerundete oder eckige Formen gekennzeichnet ist.

Es gehört zur allgemeinen Praxis, solche komplizierten Kavitäten im Femur durch einen mit der Prothese mitgelieferten Satz formgerechter Raspeln mit unterschiedlichen Grö ßen herzustellen, die nacheinander von Hand in den Knochen eingetrieben werden. Die se Arbeitsweise ist körperlich aufwendig. Außerdem ist diese Verfahrensweise sehr un genau, weil der Eindringverlauf jedes einzelnen Raspelinstrumentes nicht vorbestimmt und nicht gesichert werden kann. Dadurch kann der Gelenkfuß eine, gänzlich falsche Stellung bekommen oder ein oder mehrere Raspelinstrumente brechen aus der Sollform aus, sodass nicht erwünschte Hohlräume entstehen, die die Kontaktfläche zwischen dem Implantat und dem Knochen zusätzlich verringern.

Es ist auch bekannt, bei diesem Verfahren ein als "Specht" bezeichnetes pneumatisches Schlagwerk einzusetzen. Damit wird der körperliche und der zeitliche Aufwand verrin gert, die Passungenauigkeiten und die Fehlstellungen des Implantates werden damit a ber nicht abgestellt. Diese Passungenauigkeiten und die Lageabweichungen werden so gar noch dadurch verstärkt, dass das pneumatische Schlagwerk wegen der im erhebli chen Maße auftretenden Rückstöße gegenüber einem Handhammer nach schwerer und unkontrollierter zu handhaben ist.

Die US 5,299,288 beschreibt nun zum Beispiel ein robotergeführtes Fräsinstrument, mit dem eine definierte Kavität im Femur hergestellt werden kann. Dabei wird eine ideali sierte und im Prozessrechner abgelegte Form der Kavität realisiert, in dem das Fräsin strument der vom Computer vorgegebenen Idealform folgt und dabei mit einer hohen Drehzahl von etwa 65000 Umdrehungen arbeitet. Mit diesem Fräsinstrument können solche gewünschte Kavitäten schnell und mit genauester Präzision eingearbeitet werden. Nachteilig ist lediglich, dass mit diesem robotergeführten Fräsinstrument nur Kavitäten mit einem solchen gerundeten Querschnitt herzustellen sind, dessen kleinster Radius mindestens so groß ist wie der kleinstmögliche Fräserradius. Kavitäten mit engeren Ra dien oder gar mit einem eckigen Querschnitt können damit jedoch nicht hergestellt wer den. Das macht das Fräsverfahren nur begrenzt einsatzfähig, zumal wegen der größeren Rotationsstabilität der Großteil der eingesetzten Gelenkprothesen über eine eckige Querschnittsform verfügt.

Auch erfordert dieser Operationsablauf sehr viel Zeit, was die Operationskosten erhöht und den Patienten in unnötiger Weise belastet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein chirurgisches Instrument der vor liegenden Gattung zu entwickeln, das universell einsetzbar ist und die Herstellung von innen- und außenliegenden Konturen einer knöchernen Kontur unterschiedlichster Querschnittskonturen mit höchster Genauigkeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungsmöglichkeiten ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 5.

Die Erfindung beseitigt die genannten Nachteile des Standes der Technik.

Dabei liegt der besondere Vorteil der Erfindung in der Möglichkeit, Konturen und dabei insbesondere Kavitäten in knöchernen Strukturen in einer hohen Form- und Lagegenau igkeit herzustellen. Das ermöglicht ein schnelleres Einwachsen der Prothese, bereitet weniger postoperative Schmerzen und verhindert eine Änderung der Geometrie gegen über dem präoperativen Zustand, was sich in ihrer Gesamtheit auf die Verlängerung der Standzeit der Prothese beim Patienten auswirkt.

Sehr vorteilhaft ist das sehr breite Einsatzgebiet dieses chirurgischen Instrumentes, das sowohl für innere als auch für äußere Konturen an knöchernen Strukturen einsetzbar ist. Mit diesem chirurgischen Instrument können auch Konturen mit äußerst komplizierten Querschnittsformen hergestellt werden, was insbesondere bei der Hüftendoprothetik von Bedeutung ist, da hier im verstärkten Maße, Prothesen mit von der Rotationssymmetrie abweichenden Querschnittsformen eingesetzt werden, um die Rotationsstabilität zu verbessern.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Dazu zeigen:

Fig. 1: eine vereinfachte Ansicht einer Robotereinheit mit dem erfindungsgemä ßen chirurgischen Instrument zum Bearbeiten einer knöchernen Struktur in der Ausgangslage gegenüber einem Fernur und

Fig. 2: das chirurgische Instrument zum Bearbeiten einer knöchernen Struktur und der Femur in einer vergrößerten Ansicht.

Ein Präzisionsroboter, wie er in der Medizintechnik allgemein zur Anwendung kommt, besteht im wesentlichen aus einer Robotereinheit, einem Steuerungsrechner und einer Bedieneinheit, die zu einer Geräteeinheit ausgeführt sind. Ein solcher Roboter ist in sei nem Aufbau so bekannt, dass an dieser Stelle auf eine zeichnerische Darstellung ver zichtet wurde.

Kernstück der Robotereinheit ist eine Instrumententrägereinheit 1, die beispielhaft ge mäß der Fig. 1 als ein Hexapod mit einer parallelen Kinematik und sechs Freiheitsgra den ausgerüstet ist. Diese Instrumententrägereinheit 1 symbolisiert in der nachfolgenden Ausführungsbeschreibung den gesamten Roboter.

Die Instrumententrägereinheit 1 besteht bekanntermaßen aus einer Gestellplatte 2 mit einem nicht dargestellten Führungsschlitten für den Anschluss an die Robotergeräteein heit und aus einer Arbeitsplatte 3. Die Gestellplatte 2 und die Arbeitsplatte 3 sind über sechs Linearantriebe 4 gelenkig miteinander verbunden, die in einer derartigen Weise ausgerichtet und an der Gestellplatte 2 und der Arbeitsplatte 3 befestigt sind, dass sie eine geschlossene Gelenkkette ausbilden.

Die einzelnen Linearantriebe 4 eines in der Medizintechnik eingesetzten Präzisionsro boters werden in der Regel elektrisch betrieben und besitzen demnach eine einerseits angelenkte Gewindespindel mit einer definierten Länge und eine andererseits angelenk ten Gewindemutter und einen gesteuerten Elektromotor. Mit diesem elektrischen An triebs- und Steuersystem kann ein kontrollierter Bewegungsablauf jedes einzelnen Line arantriebes 4 erzeugt werden. Im Zusammenspiel aller sechs Linearantriebe 4 ist so eine von der Bedieneinheit des Roboters signalisierte Bewegung der Arbeitsplatte 3 mit höchster Genauigkeit möglich.

Diese Bewegung der Arbeitsplatte 3 wird durch ein zusätzliches Überwachungssystem kontrolliert, dass aus mindestens drei nicht extra kenntlich gemachten, längenveränder lichen Messstrecken gebildet wird, die unabhängig von den Linearantrieben 4 und in besonderer Weise an der Gestellplatte 2 und der Arbeitsplatte 3 angelenkt sind. Die Längenveränderungen der einzelnen Messstrecken werden sensorisch erfasst, ausgewer tet und mit dem gewollten Bewegungsablauf der Arbeitsplatte 3 verglichen.

Die Arbeitsplatte 3 ist mit einer Instrumentenaufnahmeeinheit 5 für ein chirurgisches Instrument 6 ausgerüstet. Diese Instrumentenaufnahmeeinheit 5 ist starr mit der Ar beitsplatte 3 verbunden. Auf der Instrumentenaufnahmeeinheit 5 befindet sich ein linear verfahrbarer Instrumentenschlitten 9, auf dem das chirurgische Instrument 6 mittels nicht dargestellter Befestigungselemente in gesicherter Weise aufgesetzt ist.

Mit der Drehbarkeit und der Schwenkbarkeit der Arbeitsplatte 3 und mit der linearen Verfahrbarkeit des Instrumentenschlittens 9 gegenüber der Instrumentenaufnahmeein heit 5 kann das chirurgische Instrument 6 in eine optimale Grundposition gebracht wer den.

Das chirurgische Instrument 6 besteht aus einem oszillierenden Linearantrieb 10 und ei nem zerspanenden Bearbeitungswerkzeug 11, die beide über eine Schnellverschluss kupplung 12 miteinander verbunden sind. Dabei ist der oszillierende Linearantrieb 10 mit einer Rückstoßdämpfung ausgerüstet.

Wie insbesondere die Fig. 2 näher zeigt, ist der oszillierende Linearantrieb 10 einerseits mit der Schnellverschlusskupplung 12 ausgerüstet und besitzt andererseits einen Handgriff 13 und einen Bedienhebel 14. Der Bedienhebel 14 kann natürlich auch mit einer Fernbedienung verbunden sein. Im Bereich des Handgriffes 13 befindet sich ein An schluss 15 für die Druckluftzuführung und eine Auslassöffnung 16 für die verbrauchte Druckluft. In besonderer Weise ist diese Auslassöffnung 16 vom zu operierenden Pati enten weggerichtet.

Das zerspanende Bearbeitungswerkzeug 11 ist vorzugsweise als eine Raspel ausgebildet und besitzt auf dem ganzen Umfang verteilte Bearbeitungszähne. Dabei ist das Bearbei tungswerkzeug 11 äußerlich in der Form des später in den Femur 17 einzusetzenden Ge lenkfußes ausgebildet und als ein Satz von mehreren einzelnen, in ihrer Größe gestaffel ten Bearbeitungswerkzeugen 11 zusammengestellt.

Zur Herstellung einer Kavität in einem Femur für die Hüftendoprothetik wird zunächst die vorbereitete Position und Lage des Femurs ausgemessen und vom Rechner des Ro boters erfasst und gespeichert. Danach wird die Tiefe der einzubringenden Kavität be stimmt und ebenfalls erfasst und gespeichert. Mit diesen Datenspeicherungen wird an schließend das chirurgische Instrument 6 mit Hilfe der Instrumententrägereinheit 1 des Präzisionsroboters und dem einstellbaren Instrumentenschlitten 9 in seine optimale Ausgangsposition positioniert und auf die vorprogrammierte Bearbeitungslinie ausge richtet. Danach befindet sich der Instrumentenschlitten 9 auf einer Mittellinie mit dem Femur und in einem solchen Abstand vom Femur, dass eine problemlose Bestückung bzw. ein Wechsel des Bearbeitungswerkzeuges 11 möglich ist.

Der oszillierende Pneumatikantrieb 10 des chirurgischen Instruments 6 wird zunächst mit der kleinsten Ausführung des Bearbeitungswerkzeuges 11 bestückt.

Mit der Oszillationsbewegung des Linearantriebes 10 und der vom Instrumentenschlit ten 9 ausgehenden Vorschubbewegung des Pneumatikantriebes 10 wird das Bearbei tungswerkzeug 11 in einem ersten Arbeitsgang in das Knochenmark des Femurs 17 ein getrieben. Dabei wird die Vorschubbewegung vom Rechner des Roboters überwacht und gesteuert und gegebenenfalls korrigiert.

Diesem ersten Arbeitsgang folgen in gleicher Weise weitere Arbeitsgänge mit jeweils größeren Bearbeitungswerkzeugen 11, bis mit dem am Größten ausgeführten Bearbei tungswerkzeug 11 die gewünschte Kavität in der erforderlichen Größe und Länge her gestellt ist.

Anschließend folgen in bekannter Weise die weiteren erforderlichen Operationshand lungen der Hüftendoprothetik.

Liste der Bezugszeichen

1

Instrumententrägereinheit

2

Gestellplatte

3

Arbeitsplatte

4

Linearantrieb

5

Instrumentenaufnahmeeinheit

6

chirurgisches Instrument

7

-

8

-

9

Instrumentenschlitten

10

oszillierender Linearantrieb

11

Bearbeitungswerkzeug

12

Schnellverschlusskupplung

13

Handgriff

14

Bedieneinheit

15

Anschluss für die Druckluftzuführung

16

Auslassöffnung

17

Femur

Claims

1. Chirurgisches Instrument zum Bearbeiten einer knöchernen Struktur, bestehend aus einem Linearantrieb (10) und einem linear beweglichen Bearbeitungswerkzeug (11), dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (10) für eine oszillierende und rück stoßgedämpfte Bewegung ausgelegt ist und dazu einerseits eine Schnellverschlusskupp lung (12) zur Aufnahme eines Bearbeitungswerkzeuges (11) und andererseits eine In strumentenaufnahmeeinheit (5) zur Verbindung mit einer Instrumententrägereinheit (1) eines Roboters besitzt.

2. Chirurgisches Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (10) pneumatisch betrieben wird.

3. Chirurgisches Instrument nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der pneumatische Linearantrieb (10) eine vom Patienten weggerichtete Auslassöffnung (16) für die verbrauchte Druckluft besitzt.

4. Chirurgisches Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (10) über einen linear verfahrbaren Instrumentenschlitten (9) mit der Arbeitsplatte (3) der Instrumententrägereinheit (1) ver bunden ist.

5. Chirurgisches Instrument nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Instrumententrägereinheit (1) des Roboters als ein Hexapod mit sechs Freiheitsgraden ausgestattet ist.