DE102006030343A1 - Vorrichtung zur Implantation einer Prothese in einen Knochen - Google Patents

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Implantation einer Prothese in einen Knochen in Art eines Handgerätes zur manuellen oder Roboter-unterstützten Bedienung mit einem motorisch angetriebenen Schlagwerk, das mit einem Werkzeugfutter in Wirkverbindung steht, in das ein Werkzeug zur Extraktion von Knochenmaterial aus dem Knochen oder zur Komprimierung von Knochenmaterial innerhalb des Knochens oder die Prothese selbst lösbar fest einsetzbar ist und das das Werkzeug oder die Prothese kraftbeaufschlagt impulsartig längs einer linearen Bewegungstrajektorie zyklisch auslenkt, einer Sensoreinheit zumindest zur Erfassung eines durch das Werkzeug oder die Prothese auf den Knochen gerichteten Kraft- und/oder Impulseintrages sowie einer Auswerte- und Steuereinheit, die auf der Grundlage des durch die Sensoreinheit erfassten Kraft- und/oder Impulseintrages sowie unter Vorgabe einer Auswertelogik das motorisch angetriebene Schlagwerk ansteuert.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Implantation einer Prothese in einen Knochen, vorzugsweise zur Implantation einer Endoprothese in den menschlichen Oberschenkelknochen.
  • Stand der Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Darstellung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die einzige Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigt:
  • 1 Ausführungsbeispiel eines handgeführten Schlagwerkzeuges zur Einbringung eines Implantats in einen Knochen.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
  • 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).
  • 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.
  • 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

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Implantation einer Prothese in einen Knochen in Art eines Handgerätes zur manuellen oder Roboter-unterstützen Bedienung mit – einem motorisch angetriebenen Schlagwerk, das mit einem Werkzeugfutter in Wirkverbindung steht, in das ein Werkzeug zur Extraktion von Knochenmaterial aus dem Knochen oder zur Komprimierung von Knochenmaterial innerhalb des Knochens oder die Prothese selbst lösbar fest einsetzbar ist und das das Werkzeug oder die Prothese kraftbeaufschlagt, impulsartig längs einer linearen Bewegungstrajektorie repetierend auslenkt, – einer Sensoreinheit zumindest zur Erfassung eines durch das Werkzeug oder die Prothese auf den Knochen gerichteten Kraft- und/oder Impulseintrages sowie – einer Auswerte- und Steuereinheit, die auf der Grundlage des durch die Sensoreinheit erfassten Kraft- und/oder Impulseintrages sowie unter Vorgabe einer Auswertelogik das motorisch angetriebene Schlagwerk ansteuert.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Taumelkinematik im Bereich des Werkzeugfutters vorgesehen ist, durch die die Bewegungstrajektorie, längs der das Werkzeug oder die Prothese impulsartig auslenkbar ist, räumlich änderbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit auf der Grundlage des durch die Sensoreinheit gewonnenen Kraft- und/oder Impulseintrages sowie unter Vorgabe der Auswertelogik das motorisch angetriebene Schlagwerk und die Taumelkinematik ansteuert.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit einen Kraft- und/oder einen Momentensensor umfasst.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit wenigstens einen 6-Achsen Kraftsensor aufweist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit wenigstens einen 6-Achsen-Beschleunigungssensor aufweist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug eine Raspel ist, zur Knochenbearbeitung eines Oberschenkelknochens, und dass die Prothese eine Endoprothese für ein künstliches Hüftgelenk ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das motorisch angetriebene Schlagwerk einen elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch angetriebenen Schlaghammer aufweist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit einen Schallsensor umfasst, zur Erfassung von Schallfrequenzen, die während des Schlagwerkvorganges entstehen, und dass die erfassten Schallfrequenzen von der Auswerte- und Steuereinheit zur Ansteuerung zumindest des Schlagwerkes berücksichtigt werden.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101579250B (zh) * 2009-06-18 2010-08-11 北京科技大学 一种手术电钻的智能控制装置
WO2014074676A3 (en) * 2012-11-09 2014-07-03 Blue Belt Technologies, Inc. Systems and methods for navigation and control of an implant positioning device
EP2923677A1 (de) * 2014-03-27 2015-09-30 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Hilfsvorrichtung zum anbringen eines orthopädischen instruments
EP3260088A1 (de) * 2016-06-24 2017-12-27 Tornier System zur überwachung einer by-impaction-anordnung zwischen einer prothesenkomponente und einem stützelement und chirurgische kits mit solch einem system

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10146042A1 (de) * 2001-09-18 2003-05-08 Urs Universal Robot Systems Gm Chirurgisches Instrument zum Bearbeiten einer knöchernen Struktur
US20050101962A1 (en) * 2003-11-10 2005-05-12 Thorsten Schwenke Servo-controlled impacting device for orthopedic implants

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10146042A1 (de) * 2001-09-18 2003-05-08 Urs Universal Robot Systems Gm Chirurgisches Instrument zum Bearbeiten einer knöchernen Struktur
US20050101962A1 (en) * 2003-11-10 2005-05-12 Thorsten Schwenke Servo-controlled impacting device for orthopedic implants

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
IDR Archiv, ausgabe 2/02-IFW Steinseminar 2002, archiviert bei web.archive.org unter: http://web. archive.org/web/20060101234431/http://www.idr-onli ne.com/german/pages/archive/2002-2109-art/art09-2- 02.htm
IDR Archiv, ausgabe 2/02-IFW Steinseminar 2002, archiviert bei web.archive.org unter: http://web. archive.org/web/20060101234431/http://www.idr-onli ne.com/german/pages/archive/2002-2109-art/art09-202.htm *

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101579250B (zh) * 2009-06-18 2010-08-11 北京科技大学 一种手术电钻的智能控制装置
WO2014074676A3 (en) * 2012-11-09 2014-07-03 Blue Belt Technologies, Inc. Systems and methods for navigation and control of an implant positioning device
CN104936556A (zh) * 2012-11-09 2015-09-23 蓝带技术公司 用于导航和控制植入体定位装置的系统和方法
CN104936556B (zh) * 2012-11-09 2017-10-13 蓝带技术公司 用于导航和控制植入体定位装置的系统和方法
US10743950B2 (en) 2012-11-09 2020-08-18 Blue Belt Technologies, Inc. Systems and methods for navigation and control of an implant positioning device
US11147638B2 (en) 2012-11-09 2021-10-19 Blue Belt Technologies, Inc. Systems and methods for navigation and control of an implant positioning device
US11229491B2 (en) 2012-11-09 2022-01-25 Blue Belt Technologies, Inc. Systems and methods for navigation and control of an implant positioning device
US11284951B2 (en) 2012-11-09 2022-03-29 Blue Belt Technologies, Inc. Systems and methods for navigation and control of an implant positioning device
EP3998048A1 (de) * 2012-11-09 2022-05-18 Blue Belt Technologies, Inc. Systeme zur navigation und steuerung einer implantatpositionierungsvorrichtung
EP2923677A1 (de) * 2014-03-27 2015-09-30 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Hilfsvorrichtung zum anbringen eines orthopädischen instruments
FR3019031A1 (fr) * 2014-03-27 2015-10-02 Centre Nat Rech Scient Dispositif d'assistance a la mise en place d'un instrument orthopedique
EP3260088A1 (de) * 2016-06-24 2017-12-27 Tornier System zur überwachung einer by-impaction-anordnung zwischen einer prothesenkomponente und einem stützelement und chirurgische kits mit solch einem system

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