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Die
Erfindung bezieht sich auf ein chirurgisches Instrument nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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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.
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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 Gelenkkopf und einer zum Gelenkkopf passenden Gelenkpfanne.
Dabei sind die Gelenkpfanne passgerecht im Sitzbein und der Gelenkfuß passgerecht
im Femur eingesetzt.
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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
Hüftgelenkes
in allen Belastungsrichtungen zu gewährleisten. Dabei soll möglichst
eine Kontaktfläche
von mindestens 85% zwischen dem Implantat und dem Knochenteil geschaffen
werden.
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Gerade
der Gelenkfuß besitzt
eine solche komplizierte Kontur, dass die geforderte Passgenauigkeit
der zu schaffenden Kavität
im Femur nur schwer zu erreichen ist.
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Diese
Kontur ist im wesentlichen durch eine Querschnittsform bestimmt,
die wegen der erforderlichen Rolationsstabilität von einer Rotationssymmetrie
abweicht und die durch ovale oder anders gerundete oder eckige Formen
gekennzeichnet ist.
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Es
gehört
zur allgemeinen Praxis, solche komplizierten Kavitäten im Femur
durch einen mit der Prothese mitgelieferten Satz formgerechter Raspeln mit
unterschiedlichen Grüßen herzustellen,
die nacheinander von Hand in den Knochen eingetrieben werden. Diese
Arbeitsweise ist körperlich
aufwendig. Außerdem
ist diese Verfahrensweise sehr ungenau, 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.
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Es
ist auch bekannt, bei diesem Verfahren ein als „Specht" bezeichnetes pneumatisches Schlagwerk
einzusetzen. Damit wird der körperliche und
der zeitliche Aufwand verringert, die Passungenauigkeiten und die
Fehlstellungen des Implantates werden damit aber nicht abgestellt.
Diese Passungenauigkeiten und die Lageabweichungen werden sogar
noch dadurch verstärkt,
dass das pneumatische Schlagwerk wegen der im erheblichen Maße auftretenden
Rückstöße gegenüber einem
Handhammer noch schwerer und unkontrollierter zu handhaben ist.
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Die
US 5,294,288 beschreibt
nun zum Beispiel ein robotergeführtes
Fräsinstrument,
mit dem eine definierte Kavität
im Femur hergestellt werden kann. Dabei wird eine idealisierte und
im Prozessrechner abgelegte Form der Kavität realisiert, in dem das Fräsinstrument
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 Radien oder gar mit einem eckigen Querschnitt können damit
jedoch nicht hergestellt werden. Das macht das Fräsverfahren
nur begrenzt einsatzfähig,
zumal wegen der größeren Rotationsstabilität der Großteil der
eingesetzten Gelenkprothesen über
eine eckige Querschnittsform verfügt.
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Auch
erfordert dieser Operationsablauf sehr viel Zeit, was die Operationskosten
erhöht
und den Patienten in unnötiger
Weise belastet.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein chirurgisches Instrument
der vorliegenden Gattung zu entwickeln, das universell einsetzbar ist
und die Herstellung von innen- und außenliegenden Konturen einer
knöchernen
Kontur unterschiedlichster Querschnittskonturen mit höchster Genauigkeit
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1
gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungsmöglichkeiten
ergehen sich aus den Unteransprüchen
2 bis 5.
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Dabei
liegt der besondere Vorteil der Erfindung in der Möglichkeit,
Konturen und dabei insbesondere Kavitäten in knöchernen Strukturen in einer hohen
Form- und Lagegenauigkeit herzustellen. Das ermöglicht ein schnelleres Einwachsen
der Prothese, bereitet weniger postoperative Schmerzen und verhindert
eine Änderung
der Geometrie gegenüber dem
präoperätiven Zustand,
was sich in ihrer Gesamtheit auf die Verlängerung der Standzeit der Prothese
beim Patienten auswirkt.
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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 Rotationssym metrie abweichenden Querschnittsformen
eingesetzt werden, um die Rotationsstabilität zu verbessern.
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Die
Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert werden.
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Dazu
zeigen:
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1: eine vereinfachte Ansicht
einer Robotereinheit mit dem erfindungsgemäßen chirurgischen Instrument
zum Bearbeiten einer knöchernen
Struktur in der Ausgangslage gegenüber einem Femur und
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2: das chirurgische Instrument
zum Bearbeiten einer knöchernen
Struktur und der Femur in einer vergrößerten Ansicht.
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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 seinem Aufbau so bekannt, dass an dieser
Stelle auf eine zeichnerische Darstellung verzichtet wurde.
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Kernstück der Robotereinheit
ist eine Instrumententrägereinheit 1,
die beispielhaft gemäß der 1 als ein Hexapod mit einer
parallelen Kinematik und sechs Freiheitsgraden ausgerüstet ist.
Diese Instrumententrägereinheit 1 symbolisiert
in der nachfolgenden Ausführungsbeschreibung
den gesamten Roboter.
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Die
Instrumententrägereinheit 1 besteht
bekanntermaßen
aus einer Gestellplatte 2 mit einem nicht dargestellten
Führungsschlitten
für den
Anschluss an die Robotergeräteeinheit
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.
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Die
einzelnen Linearantriebe 4 eines in der Medizintechnik
eingesetzten Präzisionsroboters
werden in der Regel elektrisch betrieben und besitzen demnach eine
einerseits angelenkte Gewindespindel mit einer definierten Länge und
eine andererseits angelenkten Gewindemutter und einen gesteuerten Elektromotor.
Mit diesem elektrischen Antriebs- und Steuersystem kann ein kontrollierter
Bewegungsablauf jedes einzelnen Linearantriebes 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.
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Diese
Bewegung der Arbeitsplatte 3 wird durch ein zusätzliches Überwachungssystem
kontrolliert, dass aus mindestens drei nicht extra kenntlich gemachten,
längenveränderlichen
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, ausgewertet
und mit dem gewollten Bewegungsablauf der Arbeitsplatte 3 verglichen.
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Die
Arbeitsplatte 3 ist mit einer Instrumentenaufnahmeeinheit 5 für ein chirurgisches
Instrument 6 ausgerüstet.
Diese Instrumentenaufnahmeeinheit 5 ist starr mit der Arbeitsplatte 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.
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Mit
der Drehbarkeit und der Schwenkbarkeit der Arbeitsplatte 3 und
mit der linearen Verfahrbarkeit des Instrumentenschlittens 9 gegenüber der
Instrumentenaufnahmeeinheit 5 kann das chirurgische Instrument 6 in
eine optimale Grundposition gebracht werden.
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Das
chirurgische Instrument 6 besteht aus einem oszillierenden
Linearantrieb 10 und einem zerspanenden Bearbeitungswerkzeug 11,
die beide über
eine Schnellverschlusskupplung 12 miteinander verbunden
sind. Dabei ist der oszillierende Linearantrieb 10 mit
einer Rückstoßdämpfung ausgerüstet.
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Wie
insbesondere die 2 näher zeigt,
ist der oszillierende Linearantrieb 10 einerseits mit der Schnellverschlusskupplung 12 ausgerüstet und
besitzt andererseits einen Hand griff 13 und einen Bedienhebel 14.
Der Bedienhebel 14 kann natürlich auch mit einer Fernbedienung
verbunden sein. Im Bereich des Handgriffes 13 befindet
sich ein Anschluss 15 für
die Druckluftzuführung
und eine Auslassöffnung 16 für die verbrauchte
Druckluft. In besonderer Weise ist diese Auslassöffnung 16 vom zu operierenden
Patienten weggerichtet.
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Das
zerspanende Bearbeitungswerkzeug 11 ist vorzugsweise als
eine Raspel ausgebildet und besitzt auf dem ganzen Umfang verteilte
Bearbeitungszähne.
Dabei ist das Bearbeitungswerkzeug 11 äußerlich in der Form des später in den
Femur 17 einzusetzenden Gelenkfußes ausgebildet und als ein Satz
von mehreren einzelnen, in ihrer Grüße gestaffelten Bearbeitungswerkzeugen 11 zusammengestellt.
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Zur
Herstellung einer Kavität
in einem Femur für
die Hüftendoprothetik
wird zunächst
die vorbereitete Position und Lage des Femurs ausgemessen und vom
Rechner des Roboters erfasst und gespeichert. Danach wird die Tiefe
der einzubringenden Kavität
bestimmt und ebenfalls erfasst und gespeichert. Mit diesen Datenspeicherungen
wird anschließend 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
ausgerichtet. 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.
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Der
oszillierende Pneumatikantrieb 10 des chirurgischen Instruments 6 wird
zunächst
mit der kleinsten Ausführung
des Bearbeitungswerkzeuges 11 bestückt.
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Mit
der Oszillationsbewegung des Linearantriebes 10 und der
vom Instrumentenschlitten 9 ausgehenden Vorschubbewegung
des Pneumatikantriebes 10 wird das Bearbeitungswerkzeug 11 in
einem ersten Arbeitsgang in das Knochenmark des Femurs 17 eingetrieben.
Dabei wird die Vorschubbewegung vom Rechner des Roboters überwacht
und gesteuert und gegebenenfalls korrigiert.
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Diesem
ersten Arbeitsgang folgen in gleicher Weise weitere Arbeitsgänge mit
jeweils größeren Bearbeitungswerkzeugen 11,
bis mit dem am Größten ausgeführten Bearbeitungswerkzeug 11 die
gewünschte
Kavität
in der erforderlichen Größe und Länge hergestellt
ist.
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Anschließend folgen
in bekannter Weise die weiteren erforderlichen Operationshandlungen
der Hüftendoprothetik.
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- 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