DE10119328A1 - Trennvorrichtung für Knochengewebe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine insbesondere zur Korrektur von Fehlstellungen bestimmte Trennvorrichtung (1) für Knochengewebe (3), durch die ein Abschnitt des Knochengewebes (3) entlang einer vorbestimmten Schnittfläche (5) trennbar ist. Hierzu wird mittels der Trennvorrichtung (1) ein Hochdruckfluidstrahl (2) erzeugt, der entsprechend einem in einer Steuereinheit (4) abgelegten Steuerprogramm eine Schnittfläche (5), beispielsweise in Form eines Kreisbogens erzeugt. Die so geschaffenen Knochenteile (6, 7) lassen sich so in einer Korrekturstellung (8) mit geringem Aufwand und ohne wesentlichen Substanzverlust fixieren. Zum Auffangen des Fluids ist ein mit einer Zufuhrleitung (14) für Spülflüssigkeit und eine Absaugleitung (13) ausgestattetes Mittel (9) vorgesehen, welches zugleich die in dem Hochdruckfluidstrahl (2) vorhandene Restenergie zuverlässig abbaut. Durch die Trennvorrichtung (1) kann eine Schnittfläche (5) mit einer frei wählbaren Form erzeugt werden, die zudem problemlos mit automatisierten Handhabungssystemen erreicht werden können. Hierdurch wird das Einsatzgebiet und die Gestaltungsfreiheit für den Operateur bei zugleich gewebeschonendem Einsatz wesentlich erweitert.

Description

Die Erfindung betrifft eine insbesondere zur Korrektur von Fehlstellungen bestimmte Trennvorrichtung für Knochengewebe, durch die ein Abschnitt des Knochengewebes entlang einer vorbestimmten Schnittfläche trennbar ist.

Die heute in der operativen Orthopädie angewendeten Osteotomieverfahren haben sich hinsichtlich der eingesetzten Trennvorrichtungen ungeachtet der veränderten Anforderungen in den letzten Jahrzehnten wenig verändert. Während in der ersten Hälfte dieses Jahrhunderts der Meißel und die manuell geführte Säge, beispielsweise die Gigli-Säge, zur Anwendung kamen, wird heute fast ausschließlich die druckluftbetriebene, oszillierende Säge mit festem Sägeblatt verwendet. Nur bei speziellen Indikationen, beispielsweise bei Dekompressionsoperationen an der Wirbelsäule, kommen andere Trennvorrichtungen, wie die hochtourige Fräse, zum Einsatz. Mit ihr wird jedoch keine Knochendurchtrennung im engeren Sinne, sondern vielmehr eine lokale Knochenabtragung ausgeführt.

Die Bearbeitung des Knochengewebes im lebenden Körper ist die Kernleistung in vielen orthopädischen Operationen und daher von höchster Bedeutung. Besonders bei der Implantation von Endoprothesen ist eine hohe Präzision bei der Erstellung des Implantatlagers erforderlich. Die Primärstabilität zementfreier Prothesen ist direkt von der Passung zwischen Prothese und knöchernem Lager abhängig und stellt die Grundlage für ein dauerstabiles Implantat dar. Hingegen verzögert eine Schädigung der Randzonen des Knochengewebes die ossäre Integration des Implantates und führt zu einer Verringerung der Standzeit.

Bei der Komponentenimplantation von Knieendoprothesen ist eine genaue anatomische Ausrichtung für die physiologische Funktion und damit für die Standzeit des Gelenkersatzes von herausragender Bedeutung. Die intraoperative Ausrichtung der Sägeschablonen für das Implantatlager geschieht bei der konventionellen Technik manuell. Der Operateur kann sich intraoperativ nur an den lokalen anatomischen Verhältnissen orientieren. Die verwendeten intramedulären Zielsysteme zeigen teilweise zu große Abweichungen für eine exakte Plazierung, die Sägeschnitte werden manuell mit der oszillierenden Säge durchgeführt. Die Sägelehren bieten zudem nur eine geringe Auflagefläche für das Sägeblatt. Bedingt durch die Fehlermöglichkeiten in jedem der genannten Operationsschritte kommt es zu Fehlpositionierungen der Implantatkomponenten, was mit einer erheblichen Verminderung der Belastbarkeit und der Standzeit verbunden ist.

Eine weitere Limitierung der oszillierenden Säge, aber auch des Meißels ergibt sich aus den damit zu fertigenden Schnittgeometrien, die auf die Schaffung von zweidimensionalen, d. h. ebenen Flächen begrenzt sind. Daher ist die Formgebung der Prothese in der heutigen Praxis an diese Limitierungen angepaßt und damit gegenüber anderen wünschenswerten Formgebungen, mit denen sich insbesondere im Hinblick auf die Dauerbelastbarkeit aller Voraussicht nach wesentlich bessere Voraussetzung realisieren ließen, erheblich eingeschränkt.

Die Qualität der Komponentenimplantation ist daher wesentlich durch die eingeschränkte Einsatzmöglichkeit der zur Verfügung stehenden Werkzeuge und Hilfemittel begrenzt und zudem wesentlich von dem Geschick des Operateurs abhängig.

Bei der mechanischen Durchtrennung von Knochen, insbesondere mittels der oszillierenden Säge, hat sich als nachteilig erwiesen, daß die reibungsbedingt entstehende Wärme, die bei Überschreiten der für Proteine kritischen Temperatur von 57°C zu irreversiblen Nekrosen an den Schnittflächen führt. Diese Randnekrosen beeinflussen die Osteointegration negativ.

Als weiterer Nachteil hat sich bei der mechanischen Bearbeitung erwiesen, daß der Einsatz von automatisierten Handhabungssystemen im OP-Bereich weitgehend ausgeschlossen ist, da eine wesentliche Voraussetzung, die Vermeidung großer Prozesskräfte und hohen Anpresskräften gegenüber dem Knochen, nicht zuverlässig eingehalten werden kann.

Das Trennen von Knochengewebe mit dem Laser hat in der chirugisch-orthopädischen Praxis ebenfalls noch keine breite Anwendung gefunden. Zahlreiche Studien mit CO₂-Lasern zeigten an den Schnitträndern teilweise ausgedehnte Carbonisierungszonen und thermisch geschädigte Übergangszonen. Sie wirken im vitalen Knochen als Fremdkörper, behindern die Kallusbildung und führen somit zur Heilungsverzögerung. Versuche mit anderen Lasersystemen anderer Wellenlängenbereiche, beispielsweise YAG-Laser und Excimer- Laser zeigten zwar eine deutlich geringere thermische Schädigungszone, jedoch lag die Arbeitsgeschwindigkeit aufgrund der geringeren Leistung um ein Vielfaches unter den konventionellen Osteotomieverfahren. Die Abtragung von biologischem Hartgewebe kann mit diesen Verfahren nicht mit der für die klinischen Erfordernisse notwendigen Geschwindigkeit erfolgen. Sie bleibt daher auf spezielle Einsatzbereiche, beispielsweise in der Zahn- und Kieferchirugie zur Präperation von Knochenkanälen zur Verankerung von Zahnimplantaten begrenzt.

Es ist weiterhin durch "Watterjetting technology in orthopädic surgery: cutting experiments on bone and bone cement" C. Brandt, E. Hille, M. Honel, H. Louis, R. Rentzsch, 1998, ein Verfahren zum Herauslösen eines Implantates oder einer Prothese aus dem Knochengeweben bekannt, durch das mit Hilfe eines Hochdruckflüssigkeitsstrahles ein wesentlicher Teil des Knochenzementes entfernt werden kann, so daß das Implantat mit lediglich geringer Krafteinwirkung und daher gewebeschonend entfernt werden kann. Hierzu eignet sich der vergleichsweise dünne Flüssigkeitsstrahl in optimaler Weise, weil dadurch eine große Schnittiefe bei einem zugleich geringen Substanzverlust erreicht werden kann. Entsprechend der unterschiedlichen Materialeigenschaften des Knochengewebes einerseits und des Knochenzementes andererseits werden die Parameter des Flüssigkeitsstrahles so eingestellt, daß eine Beschädigung des Knochengewebes in jedem Fall ausgeschlossen ist. Daher ist eine Fehlbedienung, die zu einer Verletzung des Patienten führen könnte, auch bei einer manuellen Führung ausgeschlossen.

Es ist auch bekannt, die Parameter des Hochdruckflüssigkeitsstrahles so auszuwählen, daß der Flüssigkeitsstrahl selektiv nur parenchymatöse Organe (Leber, Niere) durchtrennt, während die festeren Gefäße erhalten bleiben und vom Operateur sicher und mit geringem Blutverlust ligiert werden können. Weitere Einsatzgebiete liegen, wenn auch in deutlich kleinerem Umfang in der Neurochirugie. Eine Übertragung des Verfahrens auf die Trennung von Knochengewebe ist jedoch aufgrund der abweichenden Eigenschaften bereits deshalb ausgeschlossen, weil durch die zur Durchtrennung von Knochengewebe erforderlichen Parametereinstellungen eine Schädigung angrenzender Gewebe und Organe nicht ausgeschlossen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Trennvorrichtung zu schaffen, durch welche der Trennvorgang des Knochengewebes bei zugleich erhöhten Anforderungen an die Beschaffenheit und Genauigkeit der Schnittfläche wesentlich verbessert werden kann. Weiterhin soll die Trennvorrichtung einen flexiblen Einsatz im Hinblick auf die individuellen Anforderungen gestatten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Trennvorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist also eine Trennvorrichtung vorgesehen, bei der die Trennvorrichtung einen Hochdruckfluidstrahl erzeugt, welcher entlang einer frei wählbaren Schnittfläche des Knochengewebes führbar ist, wobei pharmakologisch verträgliche Abrasivstoffe zur Erhöhung der Schnittleistung zuführbar sind. Hierdurch wird es erstmals möglich, die Kontur der Schnittfläche an die individuellen Erfordernisse anzupassen, um so eine optimale Anpassung beispielsweise von Prothesen zu ermöglichen. Zugleich läßt sich eine Schnittfläche erzeugen, die eine Korrektur von Fehlstellungen durch Zusammenfügen in einer geänderten Position bzw. Orientierung ohne einen Substanzverlust erreichen, wobei auf das Aufbringen von Zug- oder Druckspannungen zur Korrektur verzichtet werden kann. Dabei kann der Hochdruckfluidstrahl ohne wesentliche Bedienkräfte beispielsweise auch manuell oder von einem automatisieren Handhabungssystem geführt werden, weil eine Anpresskraft gegenüber dem Knochen nicht erforderlich ist. Die einfache Führung der Schnittfläche gestattet es zudem, die Strahlorientierung derart auszurichten, daß eine unerwünschte Schädigung des angrenzenden Gewebes vermieden werden kann, indem der Hochdruckfluidstrahl beispielsweise nach dem Durchgang durch das Knochengewebe in die Umgebung austritt und dort die Energie abgebaut und das im wesentlichen aus Wasser bestehende Fluid aufgefangen wird.

Hierbei wird eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Trennvorrichtung dadurch erreicht, daß die Trennvorrichtung zur Trennung des Knochengewebes entlang einer als Freiformfläche ausgeführten Schnittfläche ausgeführt ist. Hierdurch kann der Substanzverlust bei der Abtrennung von Knochengewebe, insbesondere zur Vorbereitung und Anpassung einer Prothese, wesentlich verringert werden. Insbesondere ist der Operateur dabei nicht lediglich auf einzelne ebene Flächen, die zueinander in einem festen Winkel ausgerichtet sind, beschränkt, so daß sich in der Praxis vielfältige Anwendungsmöglichkeiten ergeben, die insbesondere entsprechend der jeweiligen Anforderung eine flexible Gestaltungsmöglichkeit gestatten. Dabei kann die Schnittfläche auch eine Kontur aufweisen, die für den Heilungsprozeß und die dauerhafte Verbindung mit einer Prothese optimiert ist.

Eine andere besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung wird auch dadurch erreicht, daß die Trennvorrichtung eine Steuereinheit aufweist, mittels der die gewünschte Schnittfläche festlegbar ist. Hierdurch bleibt es nicht mehr dem operativen Geschick des Operateurs überlassen, eine optimale Schnittfläche zu erreichen, sondern diese wird mit Hilfe der Steuereinheit vorab festgelegt. Hierdurch läßt sich nicht nur eine wesentliche Steigerung der Genauigkeit, sondern auch der Operationsgeschwindigkeit erreichen. Die Steuerprogramme können dabei auf der Basis vorhandener Modelle oder auch individuell erstellt werden. Hierzu können auch während des Trennvorganges auftretende Abweichungen unmittelbar in eine Korrekturgröße umgesetzt werden, so daß ein optimales Ergebnis sichergestellt werden kann.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Steuereinheit ein Steuerprogramm für eine Kreisbogen-Schnittfläche hat. Hierdurch können die an der Schnittfläche getrennten Knochenteile in einer neuen, von der ursprünglichen abweichenden Position fixiert werden, ohne daß zwischen den Oberflächen der Knochenteile eine Aussparung oder ein Spalt auftreten würde. Die Schnittfläche kann dabei zusätzlich so bemessen sein, daß die Knochenteile in lediglich einer einzigen veränderten Position zueinander fixierbar sind, so daß durch die Schnittfläche bereits die neue relative Position bzw. Orientierung der Knochenteile festgelegt ist und mögliche Fehler beim Zusammenfügen der Knochenteile vermieden werden. Der Heilungsprozess läßt sich so zugleich deutlich beschleunigen.

Eine andere besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung wird auch dadurch geschaffen, daß die Trennvorrichtung ein Mittel zum Abbau der Energie des Hochdruckfluidstrahles an einer dem Hochdruckfluidstrahl abgewandten Seite des zu trennenden Knochengewebes aufweist. Hierdurch wird eine Schädigung von Gewebe oder Organen vermieden, wobei zudem das unkontrollierte Austreten des Fluides in die Umgebung vermieden wird. Hierbei kann das Mittel derart ausgeführt sein, daß die betroffenen Gewebeteile oder Organe vor dem Hochdruckfluidstrahl geschützt werden, indem diese abgeschirmt oder aber aus der unmittelbaren Einflusszone des Hochdruckfluidstrahles verlagert werden.

Hierbei ist auch besonders praxisnah, wenn das Mittel eine Prallfläche mit einer Absaugleitung für das Fluid aufweist. Hierdurch kann das Fluid auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen zuverlässig entfernt werden, indem dieses durch die Absaugleitung abgeführt wird. Eine Behinderung oder gar eine Rückwirkung auf die Schnittfläche kann dabei ebenso vermieden werden, wie ein unerwünscht großer Auffangbehälter.

Besonders gut eignet sich auch eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der das Mittel eine Zufuhrleitung für Spülflüssigkeit aufweist, um so einen zuverlässigen Abtransport von Partikel und Gewebeteilen sicherzustellen.

Die Erfindung läßt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt eine erfindungsgemäße Trennvorrichtung 1 in einer Prinzipskizze. Die Trennvorrichtung 1 erzeugt einen Hochdruckfluidstrahl 2, insbesondere Wasserstrahl, welcher zur Erhöhung der Schnittleistung einen Zusatz eines Abrasivstoffes aufweist, mit dem menschliches Knochengewebe 3 entlang einer mittels einer Steuereinheit 4 vorbestimmten, gestrichelt dargestellten Schnittfläche 5 trennbar ist. Im dargestellten Beispiel folgt die Schnittfläche 5 einem Kreisbogen, um auf diese Weise eine Korrektur einer Fehlstellung entlang der Schnittfläche 5 durch eine Fixierung der Knochenteile 6, 7 in einer veränderten, gestrichelt dargestellten Korrekturstellung 8 zu ermöglichen, ohne daß hierbei ein wesentlicher Substanzverlust eintritt. Die Trennvorrichtung 1 ist weiterhin mit einem Mittel 9 zum Abbau der Energie des Hochdruckfluidstahles 2 an einer dem Hochdruckfluidstahl 2 abgewandten Seite des zu trennenden Knochengewebes 3 ausgestattet. Das Mittel 9 hat hierzu eine mit einer Vertiefung 10 versehene und mit einem Gitter 11 abgedeckte Prallfläche 12, der sich eine Absaugleitung 13 zum Entfernen des Fluides anschließt. Zusätzlich ist eine Zufuhrleitung 14 für eine Spülflüssigkeit vorgesehen, um auf diese Weise Partikel zuverlässig abführen zu können.

Claims (7)

1. Eine insbesondere zur Korrektur von Fehlstellungen bestimmte Trennvorrichtung (1) für Knochengewebe (3), durch die ein Abschnitt des Knochengewebes (3) entlang einer vorbestimmten Schnittfläche (5) trennbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung (1) einen Hochdruckfluidstrahl (2) erzeugt, welcher entlang einer frei wählbaren Schnittfläche (5) des Knochengewebes (3) führbar ist, wobei pharmakologisch verträgliche Abrasivstoffe zur Erhöhung der Schnittleistung zuführbar sind.

2. Trennvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung (1) zur Trennung des Knochengewebes (3) entlang einer als Freiformfläche ausgeführten Schnittfläche (5) ausgeführt ist.

3. Trennvorrichtung (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung (1) eine Steuereinheit (4) aufweist, mittels der die gewünschte Schnittfläche (5) festlegbar ist.

4. Trennvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (4) ein Steuerprogramm für eine Kreisbogen-Schnittfläche hat.

5. Trennvorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung (1) ein Mittel (9) zum Abbau der Energie des Hochdruckfluidstrahles (2) an einer dem Hochdruckfluidstrahl (2) abgewandten Seite des zu trennenden Knochengewebes (3) aufweist.

6. Trennvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (9) eine Prallfläche (12) mit einer Absaugleitung (13) für das Fluid aufweist.

7. Trennvorrichtung (1) nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (9) eine Zufuhrleitung (14) für Spülflüssigkeit aufweist.