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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Implantation einer
Prothese in einen Knochen, vorzugsweise zur Implantation einer Endoprothese
in den menschlichen Oberschenkelknochen.
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Stand der Technik
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Zur
Implantation eines künstlichen
Hüftgelenkes
gilt es in aller Regel einen künstlichen
Ersatz für
den Oberschenkelkopf am Oberschenkelknochen, auch Femur genannt,
zu schaffen. Die hierzu in den oberen Oberschenkelknochenbereich
zu implantierende Endoprothese weist einerseits die Nachbildung
des gelenkkopfförmig ausgebildeten
Oberschenkelkopfes auf, von dem sich ein Implantationsschaft erstreckt,
der in das innere des Femurs zur Gewährleistung eines sicheren und
festen Sitzes der Endoprothese im Oberschenkelknochen getrieben werden
muß. Zur
Herstellung einer derartigen Passung zwischen Endoprothese und Oberschenkelknochen
stehen grundsätzlich
zwei verschiedene chirurgische Verfahrensvarianten zur Verfügung, nämlich die
am weitesten verbreitete Operationstechnik der manuellen Implantation
sowie die roboterunterstüzte Implantationstechnik.
In beiden Fällen
gilt es zunächst
den Oberschenkelknochen in geeigneter Weise einseitig auszuhöhlen, um
ein Lager, den so genannten Prothesenkanal, für das Einschlagen des Implantationsschaftes
der Endoprothese zu schaffen. Dies erfolgt üblicherweise unter Verwendung
von speziell ausgebildeten Rasteln, mit denen vornehmlich eine gezielte
Knochengewebsextraktion aus dem Inneren des Oberschenkelknochens
möglich
ist. Nach entsprechender Ausbildung des im Inneren des Oberschenkelknochens
eingebrachten Prothesenkanals wird anschließend der Implantationsschaft
der Endoprothese in den vorstehend beschriebenen vorbereiteten Oberschenkelknochen
eingetrieben.
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Bei
Roboter-basierten Verfahren wird präoperativ eine Operationsplanung
erstellt, bei der in dreidimensionalen CT-Bilddatensätzen vom
Oberschenkelknochen die CAD-Modelldaten einer geeigneten Prothesen
am Bildschirm ausgewählt
und entsprechend eingesetzt werden. Aus dem endgültigen virtuellen Sitz der
Prothese wird eine Bahnkurve generiert, die vor Beginn der Operation
in die Robotersteuerung geladen wird. Die Operation wird konventionell
begonnen, indem der Oberschenkelknochen nach entsprechender Entfernung
des Oberschenkelkopfes fixiert wird. Nach einem Registrierungsvorgang
fräst der
Roboter den Hohlraum für
die Einbringung des Prothesenschaftes, auch Prothesenkanal genannt,
und wird anschließend
aus dem Operationsfeld entfernt. Das Einfügen der Endoprothese in den
Prothesenkanal erfolgt zumeist manuell, oftmals durch Zusatz eines
Bindemittels, wie beispielsweise Knochenzement, um einen festen
und dauerhaften Sitz der Endoprothese innerhalb des Knochens zu gewährleisten.
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Die
zu den mit der Roboter-unterstützten
Implantationstechnik zählenden
Probleme sind zum einen die hohen Kosten zu nennen, die bei der
Anschaffung des entsprechenden Robotersystems anfallen, sowie der
zeitaufwendige Aufbau, der bislang durch keinen medizinischen Vorteil
gegenüber
konventionellen Operationstechniken gerechtfertigt werden kann.
So scheinen experimentelle Untersuchungen zu belegen, dass ein durch
ein Robotersystem gefräster
Prothesenkanal zwar genauer gearbeitet ist, doch bildet dieser dennoch
keinen besseren Halt als bei manuell erstellten Prothesenkanälen.
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Bei
der konventionellen manuellen Operationstechnik wird der Prothesenkanal
für die
Endoprothese durch Einschlagen der vorstehend bereits genannten
Raspeln freigeräumt.
Hierbei wird zunächst mit
einer kleinen Raspel begonnen, wobei bei jedem weiteren Schritt
eine größere Raspel
verwendet wird, bis schließlich
ein geeignet großer
Prothesenkanal geschaffen ist. Bei jedem einzelnen Raspelschritt wird
einerseits Spongiosa, d.h. schwammartiges Knochenmaterial, aus dem
Inneren des Knochens herausgearbeitet bzw. in das Innere des Knochens geschoben
und entsprechend verdichtet. Während des
Einschlagens der Raspelwerkzeuge in das Innere des Knochens ist
der Chirurg in der Lage aufgrund seines taktilen und akustischen
Reizempfindens zu entscheiden, wann letztlich die optimale Prothesenpassform
erreicht ist. Nachteilig bei diesem manuellen Verfahren ist einerseits,
dass der Implantationsprozess relativ langwierig und entsprechend
anstrengend für
den behandelnden Chirurgen und letztlich auch fehlerbehaftet ist.
So ist es für
den Chirurg nicht eindeutig feststellbar, ob die eingesetzten Werkzeuge
zur gezielten Knochenmaterialextraktion bzw. Kompression schief
oder verkantet in das Innere des Knochens eingetrieben werden. Letztlich
ergibt sich eine ideale Position für einen festen Sitz der Endoprothese
mit einer möglichst
großen
Auflagefläche zwischen
dem Prothesenschaft und dem diesen umgebenden Knochenmaterial, die
sich jedoch aufgrund der natürlichen
Varianz der Knochengeometrie nicht unbedingt aus einer rechnerisch
bestimmbaren zentrischen Lage resultiert. Zwar ist es möglich, während des
operativen Eingriffes Röntgenaufnahmen anzufertigen,
doch vermögen
auch die damit erhaltenen Informationen keine zuverlässige Aussage über die
Festigkeit der Prothesenverankerung innerhalb des Knochens zu geben.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Implantation
einer Prothese in einen Knochen bereitzustellen, durch die der Chirurg beim
Einschlagen bzw. Implantieren merklich entlastet wird hinsichtlich
seiner körperlichen
Belastung als auch hinsichtlich seines Urteilungsvermögens, mit dem
er einen möglichst
optimalen Festsitz zwischen Endoprothese und Knochen anzustreben
versucht und dies auf der Grundlage seiner taktilen bzw. haptischen
sowie auch akustischen Wahrnehmungsreize. Die nachzusuchende Vorrichtung
soll insbesondere einen manuellen aber durchaus auch einen roboterassistierten
Operationsvorgang ermöglichen bzw.
diesen unterstützen.
Gegenüber
bisher bekannten und zum Teil im Einsatz befindlichen Operationsrobotersystemen
soll die lösungsgemäße Vorrichtung
möglichst
geringe Anschaffungskosten aufwerfen.
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Die
Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.
Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Maßnahmen
und Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung
insbesondere unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
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Die
lösungsgemäße Vorrichtung
zur Implantation einer Prothese in einen Knochen in Art eines Handgerätes zur
manuellen oder Roboter-unterstützten
Bedienung besteht im wesentlichen aus drei Komponenten, ein motorisch
angetriebenes Schlagwerk, eine Sensoreinheit sowie eine Auswerte-
und Steuereinheit. Mit Hilfe der Vorrichtung ist es möglich, hand-
oder robotergeführt
ein Werkzeug zur Knochenbearbeitung, beispielsweise eine Raspel
oder aber auch nach entsprechender Herstellung des Prothesenkanals
die Prothese selbst kraftbeaufschlagt und sensorüberwacht in den Knochen einzutreiben. Hierzu
ist das motorisch angetriebene Schlagwerk mit einem Werkzeugfutter
verbunden, vorzugsweise vergleichbar mit einem Bohrfutter, wie es
in handelsüblichen
Schlagbohrmaschinen eingesetzt wird, in das ein Werkzeug zur Extraktion
von Knochenmaterial aus dem Knochen oder zur Verdichtung von Knochenmaterial
innerhalb des Knochens oder letztlich eine zu implantierende Prothese
lösbar
fest einsetzbar ist.
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Das
motorisch angetriebene Schlagwerk, das entweder elektromotorisch,
pneumatisch oder hydraulisch ausgebildet sein kann, überträgt die längs einer
linearen Bewegungstrajektorie erfolgende repetierende, impulsartige
Bewegungsdynamik auf das entsprechende Werkzeug bzw. die Prothese, die
letztlich kraftbeaufschlagt und impulsartig ausgelenkt und in Anwendung
an einem Knochen in diesen eingetrieben wird. Um eine möglichst
allumfassende Bewegungsinformation über das sich repetierend ausgelenkte
Werkzeug bzw. die Prothese zu erhalten, ist eine Sensoreinheit am
Gerät vorgesehen,
die zumindest den durch das Werkzeug oder die Prothese auf den Knochen
gerichteten Kraft- und/oder
Impulseintrag zu erfassen vermag. Die seitens der Sensoreinheit
generierten Sensorsignale gelangen an eine ebenfalls in der als
Handgerät
ausgebildeten Vorrichtung integrierten Auswerte- und Steuereinheit, die
auf der Grundlage der Sensorsignale sowie unter Vorgabe einer festgelegten
Auswertelogik Steuersignale generiert, die das motorisch angetriebene Schlagwerk
ansteuern.
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Die
lösungsgemäße Vorrichtung
umgeht daher die Schwierigkeiten, die sich beispielsweise für einen
Chirurgen während
eines Eingriffes in Anwendung einer konventionellen manuellen Operationstechnik
ergeben, zumal er bislang nicht sicher ausschließen kann, dass das eingesetzte
Werkzeug in einer falschen Vorschubrichtung sowie in einer verkanteten
Lage in den Knochen eingetrieben wird, indem das bislang taktile
und akustische Wahrnehmungsvermögen
des Chirurgen durch eine Sensoreinheit mit kombinierter Prozesssteuerung
maßgeblich
unterstützt
bzw. sogar vollständig
ersetzt wird. So ist es möglich
mit Hilfe der eingesetzten Sensoren die aktuelle Lage des Werkzeuges
bzw. der in den Knochen eingetriebenen Prothese genauer zu bestimmen
als es bisher auf Basis des Tastsinns oder der akustischen Wahrnehmung
durch den Chirurgen der Fall war. So wird das seitens des Chirurgen
aufzubringende Wahrnehmungsvermögen
durch wenigstens einen Kraft- und/oder Momentensensor, der im Bereich
des Werkzeugfutters vorgesehen ist, unterstützt, durch den bzw. durch die
der Schlagprozess, bei dem das Werkzeug bzw. die Prothese mit Hilfe des
Schlagwerkzeuges repetierend längs
der Bewegungstrajektorie vor- und zurückgetrieben wird, mit mehreren
vorzugsweise jeweils bis zu sechs Freiheitsgraden erfasst wird.
Der mit Hilfe der Sensoreinheit erfaßte Kraft- und/oder Impulseintrag
wird im Rahmen der Auswerte- und Steuereinheit mit einem speziell
für die
operative Anwendung entwickelten Algorithmus bewertet bzw. ausgewertet
und in Abhängigkeit
davon online Steuersignale für
das Schlagwerk generiert. Mit Hilfe des prozessüberwachten Kraft- bzw. Impulseintrages
in den unter Berücksichtigung
von bestimmten Vorgaben auszuhöhlenden Knochen
können
fehlerhafte Knochenmaterialabtragungen, die bei einer rein manuellen
Operationstechnik nahezu unvermeidbar auftreten, weitgehend ausgeschlossen
werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
weist die lösungsgemäße Vorrichtung
im Bereich des Werkzeugfutters eine Taumelkinematik auf, durch die die
Bewegungstrajektorie längs
der das Werkzeug oder die Prothese impulsartig auslenkbar ist, räumlich veränderbar
ist. Mit Hilfe der Taumelkinematik ist es möglich, die Bewegungsrichtung,
längs der
das Werkzeugfutter und das darin befestigte Werkzeug oder die darin
befestigte Prothese repetierend ausgelenkt wird, zu ändern. Hierdurch
wird die Möglichkeit
eröffnet
neben dem Kraft- und Impulseintrag auch die Vortriebsrichtung, mit
der das Werkzeug bzw. die Prothese in den Knochen eingetrieben wird, von
Schlag zu Schlag zu bestimmen und gegebenenfalls in geeigneter Weise
anzupassen bzw. zu ändern.
Mit den hierdurch gewonnenen Informationen über den Schlag- bzw. Eindringvorgang
des Werkzeuges bzw. der Prothese in den Knochen kann der Vortrieb
im Zusammenspiel mit der Taumelkinematik wesentlich differenzierter
durchgeführt
werden, so dass der medizinische Hauptvorteil des lösungsgemäßen Systems
letztlich darin zu sehen ist, dass Endoprothesen zuverlässiger und
mit einer höheren Genauigkeit
implantiert werden können.
Dies gilt sowohl für
die geometrische Lage der Endoprothese im Raum als auch für den Presssitz
innerhalb des Knochens, dem sogenannten Femurschaft. Mit Hilfe der lösungsgemäßen Vorrichtung
ist eine zementfreie Verankerung von Endoprothesen in Knochen möglich. Ein
weiterer Vorteil gegenüber
konventioneller Operationstechniken ist zudem die Entlastung des Chirurgen
von körperlichen
anstrengenden und langwierigen Tätigkeiten,
wodurch letztlich auch die Konzentrationsfähigkeit des zu behandelnden
Arztes gesteigert werden kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sieht die Sensoreinheit
neben dem Einsatz eines Kraft- sowie eines Momentensensors, die
gegebenenfalls zusätzlich
auch noch durch einen Beschleunigungssensor ergänzt werden können, auch den
Einsatz eines akustischen Schallsensors vor, mit dem die durch den
Schlagvorgang entstehenden Schallfrequenzen durch das in Kontakt
treten des Werkzeuges bzw. der Prothese mit dem Knochenmaterial
erfaßt
werden, wobei die hierdurch erhältlichen Sensorsignale
gleichfalls der Auswerte- und Steuereinheit zugeführt und
unter Zugrundelegung eines geeigneten Auswertealgorithmus bewertet
bzw. analysiert werden. Die dem Auswertealgorithmus zugrunde liegenden
Regelvorgaben sehen einen Vergleich mit in geeigneten Datenbanken
abgespeicherten idealen Prozessdaten vor, die empirisch anhand praktischer
Vorversuche gewonnen werden können. So
wird beispielsweise das Schallmuster beim Eintreiben eines Knochenwerkzeuges
in den Oberschenkelknochen während
des gesamten Prozessverlaufes aufgenommen und als Referenzdatenbank entsprechend
abgespeichert und bevorratet. Ähnliche
Referenzdaten werden für
den Abgleich des sensoriell erfaßten Kraft- und Impulseintrages
generiert und zur Verfügung
gestellt.
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Weichen
die während
des Implantationsvorganges erfaßten
Ist-Sensorsignale von den bevorrateten Referenzwerten ab, so gilt
es auf der Grundlage einer eigens geschaffenen Auswertelogik entsprechende
Korrektursignale zu generieren, die das Schlagwerk und vorzugsweise
auch die Taumelkinematik in ihrer Betriebsweise zu korrigieren vermögen.
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Auf
Basis der gewonnen Sensorsignale, wie beispielsweise Kraft-, Momenten-
sowie Beschleunigungssensorsignale, kann unter Anwendung eines Auswertealgorithmus
der spezifische Schlagwiderstand des Knochens bestimmt werden, der
sich bei jedem Schlag auf das Werkzeug oder die Prothese verändert. Die
Zunahme des Schlagwiderstandes mit zunehmender Eindringtiefe des
Werkzeuges oder der Prothese in den Knochen basiert beispielsweise auf
der Abdrängung
der Spongiosa, d.h. des weichen Knochenmaterials, sowie der Annäherung des
jeweiligen Werkzeuges bzw. des Prothesenschaftes an die harte Knochenschale.
Wie bereits erwähnt,
kann aufgrund geeigneter Erfahrungswerte genau ermittelt werden,
wann ein optimaler fester Prothesensitz erreicht ist. Wird zusätzlich auch
die Schallfrequenz der Stößelschläge erfaßt und festgestellt,
dass mit zunehmender Eindringtiefe die Schallfrequenz zu höheren Frequenzen
hin verschoben wird, so entspricht dies einem erwarteten Prozessverlauf.
Treten im Hinblick auf die Schlagrichtung plötzlich starke Abweichungen
der registrierten Sensorsignale auf, so läßt dies auf eine Verkantung
der in den Knochen eingetriebenen Prothese bzw. des entsprechend
gewählten
Raspelwerkzeuge schließen.
Entsprechende Korrekturmaßnahmen
sind dann in Bezug auf eine Neuorientierung der Taumelkinematik
vorzunehmen.
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Grundsätzlich spielt
es keine Rolle, ob die lösungsgemäße Vorrichtung
ausschließlich
als manuell bedienbares Handgerät
durch einen Chirurg bedient oder als Endgerät an einen Manipulatorendarm montiert
wird, der lediglich als Halterung für die als Handgerät lösungsgemäß ausgebildete
Vorrichtung dient.
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Selbstverständlich ist
es möglich,
zur Erleichterung einer möglichst
exakten Führung
des manuell betreibbaren lösungsgemäß ausgebildeten Schlagbohrgerätes, eine
Führungshilfe
in Form eines Führungsstabes
durch den Markraum des Oberschenkelknochens bis zum Knie durchzuschieben und
diesen als Richtungsschablone für
eine exakte axiale Richtung der Längserstreckung des Oberschenkelknochens
zu benutzen.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur räumlichen
Erfassung und somit Richtungsbestimmung des Oberschenkelknochens
ist die Anbringung optischer Marken knapp über dem Knie des Patienten
die zur Vermeidung von zusätzlichen
Operationswunden in Form von Markern über Riemen außen auf
der Haut angebracht werden können.
Die Marker können ebenfalls
durch einen Assistenten per Hand fixiert und gehalten werden. Ein
weiterer optischer Marker wird zur Referenzierung am freiliegenden
Oberschenkelkopf positioniert, wobei alle Marker mit einem herkömmlichen
Kamera- und Trackingsystem erfaßt werden
können
und somit die räumliche
Ausrichtung des Oberschenkelknochens bestimmt werden kann. Mit Hilfe
der Rauminformationen über
den Oberschenkelknochen kann eine Roboter-gestützte Raumführung des lösungsgemäß ausgebildeten Schlagwerkzeuges
vorgenommen werden. Auch in diesem Fall erfolgt das Einbringung
von Werkzeugraspeln mit wiederholten kraftgesteuerten Schlägen bzw.
Impulsen, wobei die Richtung und die Impulsgröße mit der das Werkzeug in
den Knochen getrieben wird, sowohl durch die Taumelkinematik als
auch durch die äußere Handhabung
des Gerätes
beeinflusst wird.
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Durch
die in der lösungsgemäßen Vorrichtung
enthaltene Intelligenz hinsichtlich einer optimierenden Selbstregelung
von Schlagkraft und Schlagrichtung des im Einsatz befindlichen Werkzeuges bzw.
der Prothese bedarf es einer weit geringeren Aufmerksamkeit durch
den Chirurgen während
des operativen Eingriffes, wodurch seine Sinne und sein Konzentrationsvermögen geschont
und gegebenenfalls auf andere wichtige Operationsaspekte gelegt werden
können.
Auch vermag die lösungsgemäße Vorrichtung
die aktuelle Festigkeit des Prothesensitzes in Abhängigkeit
von einer empfohlenen Prothesengröße zu erfassen und dem Chirurgen
entsprechend anzuzeigen. Hierfür
kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform an der Vorrichtung
ein entsprechendes Anzeigemittel vorgesehen sein, an dem der Chirurg
die Prothesensitzqualität
ablesen kann. Auch kann eine fehlerhafte äußere Beeinflussung des Vortriebvorganges,
beispielsweise durch eine fehlerhafte manuelle Ausrichtung der Vorrichtung
nebst des damit verbundenen Werkzeuges, angezeigt werden und falls
nötig durch
den lösungsgemäßen Regelmechanismus
kompensiert werden.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
eines Ausführungsbeispieles
unter Bezugnahme auf die einzige Zeichnung exemplarisch beschrieben.
Es zeigt:
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1 Ausführungsbeispiel
eines handgeführten
Schlagwerkzeuges zur Einbringung eines Implantats in einen Knochen.
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Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
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In
der einzigen 1 ist eine Vorrichtung zur Implantation
einer Prothese in einen Knochen 1 in Art eines Handgerätes zur
manuellen oder Roboter-unterstützten
Bedienung dargestellt. Die Vorrichtung weist einen Handgriffteil 2 auf,
in den vorzugsweise eine Energiequelle in Form einer Batterie untergebracht
werden kann. Zentraler Bestandteil der lösungsgemäßen Vorrichtung bildet das
motorisch angetriebene Schlagwerkzeug 3, in dem ein nicht
weiter dargestellter Schlagmechanismus integriert ist, durch den
ein mit diesem verbundenes Werkzeugfutter 4 längs einer
vorgegebenen Bewegungstrajektorie A repetierend und impulsartig
ausgelenkt wird. In das Werkzeugfutter 4 ist ein Werkzeug 5 in
Form einer Raspel oder eine Endoprothese lösbar fest einspannbar, so dass
das Werkzeug 5 bzw. die Prothese gleichsam dem Werkzeugfutter 4 durch
das Schlagwerkzeug 3 impulsartig repetiert ausgelenkt wird. Ferner
befindet sich im Bereich des Werkzeugfutters 4 eine Taumelkinematik 6,
die es ermöglicht,
das Werkzeug 5 bzw. die Prothese in ihrer Bewegungstrajektorie
abzuändern.
So verfügt
die Taumelkinematik 6 über
eine eigens ansteuerbare Taumelscheibe, deren Scheibenneigung variierbar
ist und somit die Vorschubrichtung des Werkzeuges 5 bzw.
der Prothese gegenüber
der geradlinig angedeuteten Vorschubrichtung A um einen Winkel α zu ändern vermag
(siehe A', geänderte Bewegungstrajektorie).
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Zur
sensoriellen Erfassung aller den Schlagvorgang bestimmenden Parameter
ist eine Sensoreinheit vorgesehen, die sich im Falle des in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiels
aus einem 6-Achsen-Kraftsensor 7 sowie einem 6-Achsen-Beschleunigungssensor 8 zusammensetzt.
Ferner ist ein im Handgriff 2 integrierter Schallsensor 9 vorgesehen,
der die Schlagakustik während
des Eindringens des Werkzeuges 5 bzw. der Prothese in den Oberschenkelknochen 1 zu
erfassen vermag. Sämtliche
aus den jeweiligen Sensoren 7 bis 9 herrührenden
Sensorsignale werden einer innerhalb des Handgriffes 2 integrierten
Auswerte- und Steuereinheit 10 zugeführt, in der Steuersignale sowohl
zur Ansteuerung des Schlagwerkzeuges 3 als auch zur Ansteuerung
der Taumelkinematik 6 generiert werden. Die Steuersignale
werden auf der Grundlage eines geeigneten Auswertealgorithmuses generiert
zu Zwecken eines optimierten Einbringens des Werkzeuges 5 bzw.
der Prothese in den Oberschenkelknochen 1.
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- 1
- Oberschenkelknochen
- 2
- Handgriff
- 3
- Schlagwerk
- 4
- Werkzeugfutter
- 5
- Werkzeug
- 6
- Taumelkinematik
- 7
- 6-Achsen-Kraftsensor
- 8
- 6-Achsen-Beschleunigungssensor
- 9
- Schallsensor
- 10
- Auswerte-
und Steuereinheit