DE102004035001A1 - Material e.g. cranial bone, processing cutting device for medical application, has impedance measuring instrument for measuring electrical impedance around cutter head tip, such that remaining thickness of remaining material is measured - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical application
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spanenden Materialbearbeitung, insbesondere für medizinische Anwendungen, die ein spanabhebendes Werkzeug mit einem Antrieb umfasst, die in einem Führungsgehäuse gelagert sind.The The present invention relates to a device for machining material, especially for Medical applications involving a metal-cutting tool Drive includes, which are stored in a guide housing are.
Das Anwendungsgebiet der vorliegenden Vorrichtung betrifft vor allem medizinische Eingriffe, bei denen Teile von Knochen, insbesondere des Schädelknochens, durch spanende Bearbeitung entfernt werden müssen. Derartige Operationen zur Öffnung des Schädels können indiziert sein, um Tumore zu entfernen oder Implantate, bspw. Tiefenhirnstimulatoren oder Cochlea- und Hirnstammimplantate, einsetzen zu können. Weiterhin ist eine Öffnung des Schädels erforderlich, wenn Blutungen epi- oder subdural gestoppt werden müssen.The Field of application of the present device concerns especially Medical interventions involving parts of bones, in particular of the skull, must be removed by machining. Such operations to the opening of the skull can be indexed to remove tumors or implants, such as deep brain stimulators or cochlear and brain stem implants. Farther is an opening of the skull required if bleeding is stopped epi- or subdural have to.
Bei den bisher für diesen Anwendungszweck bekannten Vorrichtungen, bei denen ein Bohr- oder Fräswerkzeug als spanabhebendes Werkzeug zur Abtragung des Knochens eingesetzt wird, lassen sich lediglich die Drehzahl fest oder variabel bis zu einer Höchstdrehzahl sowie das Drehmoment bis zu einem maximalen Wert einstellen. Gerade bei Arbeiten am Schädelknochen muss der Abtragungsvorgang mit sehr großer Sorgfalt erfolgen, um ein Abrutschen oder Durchbrechen des Werkzeugs zu verhindern. Ist die jeweils verbleibende Materialdicke unbekannt und der Bediener ungeübt, so kann der Schädelknochen durchbrechen und eine irreversible Schädigung des darunter liegenden Gehirns resultieren. Aus diesem Grunde werden diese Operationen nur von erfahrenen Medizinern durchgeführt, die aufgrund ihrer Erfahrung an der Beschaffenheit der Knochenoberfläche, am Durchscheinen darunter liegender Schichten sowie aufgrund einer Änderung der mechanischen Materialeigenschaften kurz vor dem Durchbruch den Vorschub bzw. Druckkraft auf das Werkzeug rechtzeitig verringern.at the previously for devices known for this purpose, in which a boring or milling tool used as a cutting tool for ablation of the bone is, only the speed can be fixed or variable until to a maximum speed and set the torque up to a maximum value. Just when working on the skull bone The removal process must be done with great care to one To prevent slipping or breaking of the tool. Is the each remaining material thickness unknown and the operator untrained, so can the skull bone break through and irreversible damage to the underlying Brain results. That's why these operations are performed only by experienced medical professionals, due to their experience on the texture of the bone surface, at show through underneath lying layers as well as due to a change of the mechanical material properties just before the breakthrough the feed or pressure force on the tool reduce it on time.
Eine Roboter-geführte Bearbeitung ist aus den genannten Gründen kaum möglich. Auch beim manuellen Betrieb ist die Gefahr von Schädigungen durch Fehleinschätzung der verbleibenden Restdicke der Materialschicht noch groß.A Robot guided Processing is hardly possible for the reasons mentioned. Also when manual Operation is the risk of damage due to miscalculation the remaining remaining thickness of the material layer still large.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur spanenden Materialbearbeitung anzugeben, die die Gefahr eines Durchbrechens gerade bei Arbeiten am Schädelknochen verringert und auch die Möglichkeit einer Robotergeführten Bearbeitung eröffnet.The The object of the present invention is a device for material processing which indicate the risk of a Breaks down just when working on the skull bone and also reduces the possibility a robot-guided Processing opened.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The The object is achieved with the device according to claim 1. advantageous Embodiments of the device are the subject of the dependent claims or can be the following description and the embodiments remove.
Die vorliegende Vorrichtung zur spanenden Materialbearbeitung, insbesondere bei medizinischen Eingriffen, weist ein spanabhebendes Werkzeug mit einem Antrieb auf, die in einem Führungsgehäuse gelagert sind. Die Vorrichtung umfasst eine Impedanzmesseinrichtung zur Messung einer elektrischen Impedanz in einem Bereich um die Werkzeugspitze während der spanenden Materialbearbeitung.The present device for cutting material processing, in particular during medical procedures, has a cutting tool with a drive, which are mounted in a guide housing. The device includes an impedance measuring device for measuring an electrical Impedance in an area around the tool tip during the machining material processing.
Bei der vorliegenden Vorrichtung wird ausgenutzt, dass eine Materialgrenze zwischen zwei aneinander grenzenden Materialien, wie es bspw. beim Übergang vom Schädelknochen zum angrenzenden Gewebe der Fall ist, aufgrund der unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften zu einem Sprung in der elektrischen Impedanz führt, der schon vor dem Durchbruch eine messbare Impedanzänderung verursacht. Aus der mit der vorliegenden Vorrichtung während der Materialbearbeitung gemessenen Impedanz lässt sich damit die verbleibende Restdicke des bearbeiteten Materials oder ein unmittelbar bevorstehender Materialwechsel ableiten. Auf diese Weise kann dem Benutzer über geeignete Mittel, bspw. über ein akustisches, haptisches und/oder optisches Signal, ein unmittelbar bevorstehender Materialdurchbruch angezeigt werden, so dass er die Bearbeitung rechtzeitig stoppen kann. Die Vorrichtung ermöglicht aufgrund dieser Informationen auch die Roboter-geführte Materialbearbeitung, da auf Basis der aus der Impedanzmessung gewonnenen Messdaten eine automatische Drehzahlreduzierung oder ein automatisches Stoppen der Bearbeitung über eine entsprechende Steuereinrichtung realisiert werden kann.at the present device is exploited that a material boundary between two adjoining materials, such as the transition from the skull bone to the adjacent tissue is the case, due to the different dielectric Properties leads to a jump in electrical impedance, the even before the breakthrough causes a measurable impedance change. From the with the present device during material processing measured impedance thus the remaining thickness of the machined material or derive an imminent material change. On this way can be over to the user suitable means, for example via a acoustic, haptic and / or optical signal, an immediate imminent material breakthrough will be displayed, so he the Processing can stop in time. The device allows due This information also includes the robot-guided material processing, since on the basis of the measured data obtained from the impedance measurement automatic speed reduction or automatic stop the processing over a corresponding control device can be realized.
In der bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung umfasst diese eine mit der Impedanzmesseinrichtung verbundene Signalverarbeitungseinheit, die aus Messdaten der Impedanzmesseinrichtung und Materialdaten des bearbeiteten Materials eine Restdicke des Materials vor der Werkzeugspitze und/oder einen bevorstehenden Materialübergang ermittelt und in geeigneter Weise darstellt. Vorzugsweise ist auch eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Antriebs des Werkzeugs vorgesehen, die von der Signalverarbeitungseinrichtung ein Steuersignal zur Reduzierung des Vorschubs, des Drehmoments und/oder der Drehzahl des Werkzeugs erhält, sobald eine vorgebbare minimale Restdicke erreicht ist.In the preferred embodiment of the present device, the latter comprises a signal processing unit which is connected to the impedance measuring device and determines and displays a residual thickness of the material in front of the tool tip and / or an imminent material transition from measured data of the impedance measuring device and material data of the machined material. Preferably, a control unit for controlling the drive of the tool is provided which receives from the signal processing means a control signal for reducing the feed, the torque and / or the rotational speed of the tool as soon as a predetermined minimum residual thickness is reached is.
Die vorliegende Vorrichtung eignet sich vorwiegend für den Einsatz im medizinischen Bereich, um bspw. Knochen zu entfernen und die Dicke des der visuellen Inspektion entzogenen Restmaterials abzuschätzen. Insbesondere soll die Vorrichtung eingesetzt werden, um bei Entfernung von Teilen des Schädelknochens die verbleibende Dicke des Schädelknochens abzuschätzen und bei Öffnungen eine Verletzung der unter den Knochen liegenden Blutgefäße und des Gehirns selbst zu verhindern. Mit dieser Vorrichtung lässt sich somit bspw. ein Zugang zum Gehirn herstellen oder es lassen sich Kavitäten erzeugen, in denen Gehäuse von Implantaten abgelegt und fixiert werden können.The The present device is predominantly suitable for use in the medical field Area, for example, to remove bones and the thickness of the visual Estimate inspection of withdrawn residual material. In particular, should Device used to remove parts of the skull bone the remaining thickness of the skull bone estimate and at openings an injury to the underlying blood vessels and the Brain itself to prevent. With this device can be thus, for example, create access to the brain or it can be wells generate housing in which Placed and fixed by implants.
Die Vorrichtung lässt sich hierbei nicht nur im medizinischen Bereich sondern in allen technischen Bereichen einsetzen, in denen die Abschätzung der verbleibenden Materialdicke oder ein Wechsel von einem Material zu einem anderen, die sich ihren dielektrischen Eigenschaften unterscheiden, bei der spanenden Materialbearbeitung notwendig oder erwünscht ist. Insbesondere kann die vorliegende Vorrichtung auch zur Messung der Materialdicke in einem Materialverbundsystem eingesetzt werden.The Device leaves not only in the medical field but in all technical areas in which the estimation of the remaining Material thickness or a change from one material to another, which differ in their dielectric properties, in the machining Material processing is necessary or desirable. In particular, can the present device also for measuring the material thickness in a composite material system can be used.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung ist das Werkzeug selbst aus einem elektrisch leitenden Material gebildet und mit der Impedanzmesseinrichtung elektrisch leitend verbunden. Das Werkzeug dient hierbei als erste Elektrode der Impedanzmesseinrichtung. Die zweite Elektrode ist eine gegenüber der ersten Elektrode großflächig ausgebildete Komponente, die frei relativ zum bearbeiteten Objekt positionierbar ist. Hierbei kann es sich bspw. um eine Metallplatte handeln, auf der der Kopf des behandelten Patienten liegt. Durch Beaufschlagen der beiden Elektroden mit einer vorzugsweise sinusförmigen Wechselspannung bzw. mit einem vorzugsweise sinusförmigen Wechselstrom und Messung des korrespondierenden Wechselstroms bzw. der korrespondierenden Wechselspannung lässt sich auf diese Weise die Impedanz im unmittelbaren Bereich um die Werkzeugspitze messen.In An embodiment of the present device is the tool itself formed from an electrically conductive material and with the impedance measuring device electrically connected. The tool serves as the first electrode of the impedance measuring device. The second electrode is opposite one the first electrode formed over a large area Component that is freely positionable relative to the machined object is. This may, for example, be a metal plate which is the head of the treated patient. By applying the two electrodes with a preferably sinusoidal AC voltage or with a preferably sinusoidal alternating current and measurement the corresponding alternating current or the corresponding AC voltage leaves In this way, the impedance in the immediate area around the Measure tool tip.
In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung besteht das Werkzeug aus einem elektrisch nicht leitenden Material, in das ein oder mehrere Paare von äquidistanten Elektroden an der Spitze integriert sind. In diesem Fall werden über die Elektroden ebenfalls eine Wechselspannung bzw. ein Wechselstrom eingeprägt und der korrespondierende Wechselstrom bzw. die korrespondierende Wechselspannung gemessen.In a further embodiment of the present device the tool of an electrically non-conductive material, in the one or more pairs of equidistants Electrodes are integrated at the tip. In this case, over the Electrodes also an alternating voltage or an alternating current imprinted and the corresponding alternating current or the corresponding one AC voltage measured.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of drawings
Die vorliegende Vorrichtung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:The The present device will now be described with reference to exemplary embodiments briefly explained in connection with the drawings. in this connection demonstrate:
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to execute the invention
Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird eine medizinische Anwendung der Vorrichtung beschrieben, bei
der eine Ausnehmung im Schädelknochen
erzeugt werden muss, um bspw. ein Cochlea-Implantat einsetzen zu
können.
Hierzu ist in der
Die
Impedanzmesseinrichtung
Die
Impedanzmessung wird hierbei in sog. Vierelektrodenanordnung durchgeführt. Hierzu
wird über
die beiden äußeren Elektroden
Eine
Zweielektrodenanordnung hat gegenüber einer Vierelektrodenanordnung
den Vorteil, dass jeweils nur zwei Leitungen vom Fräskopf
Bei
den beiden vorgenannten Ausgestaltungen der Vorrichtung wird die
gemessene Impedanz über
eine Signalverarbeitungseinheit
In
einer Weiterbildung der Vorrichtung wird die gemessene Impedanz über die
Signalverarbeitungseinheit
- 11
- Schädelknochenskull bones
- 22
- Spinnengewebshautarachnoid
- 33
- Hirnhautmeninges
- 44
- Großhirnrindecerebral cortex
- 55
- Gehäusecasing
- 66
- Fräskopfmilling head
- 77
- Vertiefungdeepening
- 88th
- Metallplattemetal plate
- 99
- Vertiefungen im Fräskopfwells in the milling head
- 1010
- Elektrodeelectrode
- 1111
- Elektrodeelectrode
- 1212
- Elektrodeelectrode
- 1313
- Elektrodeelectrode
- 1414
- ImpedanzmesseinrichtungImpedance measuring device
- 1515
- SignalverarbeitungseinheitSignal processing unit
- 1616
- Steuereinheitcontrol unit
- 1717
- Antriebdrive
- 1818
- Anzeigedisplay
Claims (9)
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
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