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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bohrmaschine, insbesondere eine medizinische Bohrmaschine, und ein Bohrverfahren.
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In der Chirurgie und Orthopädie werden im Rahmen der Versorgung von Knochenbrüchen, aber auch bei der Korrektur von angeborenen oder erworbenen Fehlstellungen des Skelettsystems, Metallimplantate zur Stabilisation an oder in den Knochen eingesetzt (sogenannte Osteosynthesen). Diese operativen Techniken der Knochenstabilisation kommen allein in Deutschland pro Jahr hunderttausendfach, weltweit aber millionenfach zur Anwendung.
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Als Osteosynthesematerialien werden seit Jahrzehnten zumeist Schrauben oder Kombinationen aus Metallplatten und Schrauben verwendet. Diese Implantate bestehen in der Regel aus Edelstahl, zunehmend häufiger aus einer Titanlegierung.
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Zur stabilen Verankerung der Schrauben ist es erforderlich, im Knochen gezielt Bohrkanäle anzulegen. Dabei sollte die implantierte Schraube mit der hinteren Knochenwand genau abschließen, da ein Schraubenüberstand zu einer chronischen Irritation und Schädigung der umgebenden Weichteile führt. Eine zu kurz gewählte Schraube kann wiederum durch Auslockerung in ein Implantatversagen münden mit dem Resultat der knöchernen Instabilität.
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Die Bestimmung der korrekten Schraubenlänge erfolgt im Stand der Technik routinemäßig indirekt über eine Messung der Tiefe bzw. Länge des angelegten Bohrkanals. Als Messinstrument dient eine mechanische Messlehre. Jedoch erweist sich der Messvorgang im Alltag immer wieder als problematisch, da messtechnisch bedingt fehlerhafte und teilweise nicht reproduzierbare Längenbestimmungen der Bohrkanäle resultieren. Die fehlerbehaftete Messtechnik führt dann unweigerlich zur Gefahr der Implantation einer falschen Schraubenlänge mit den oben aufgezeigten nachteiligen Konsequenzen. Eine Kontrolle der Schraubenlänge ist zumeist nur durch intraoperative Röntgenuntersuchung möglich, da das gegenüberliegende Schraubenende vom Operationsschnitt (Zugang) nicht einsehbar ist und durch die abgewandte Knochenwand verdeckt wird. Während einer laufenden Operation wird in der Regel nur ein Teil der fehlerhaften Bestimmungen erkannt, so dass eine Korrektur hier noch möglich wird. Ein weiterer Anteil der fehlerhaft bestimmten Schraubenlängen bleibt jedoch unerkannt und somit auch unkorrigiert. Diese Messfehler haben insbesondere für den Patienten, aber auch für das beteiligte Operations- und Narkoseteam nachteilige Folgen. Neben den gesundheitlichen Nachteilen für den Patienten und den ökonomischen Folgen durch erforderliche Folgeeingriffe ist auch mit möglichen Regressforderungen an den Klinikträger bzw. den ausführenden Operateur zu rechnen.
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Das oben beispielhaft für den medizinischen Bereich geschilderte Problem besteht ganz allgemein in Fällen, wenn man nicht in den zu bohrenden Körper hineinsehen kann und/oder wenn die von dem Eintrittspunkt des Bohrkanals abgewandte Seite des zu bohrenden Körpers nicht optisch zugänglich ist. Zudem kann der zu bohrende Körper nicht nur aus einem einheitlichen Material, sondern beispielsweise aus mehreren Materialschichten bestehen oder ein Hohlkörper sein. Der Bohrkanal muss sich auch nicht in jedem Fall durch den gesamten Körper erstrecken, sondern könnte beispielsweise auch nur durch eine oder mehrere Materialschichten notwendig sein.
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Die
DE 10 2006 006 988 A1 offenbart ein chirurgisches Knochenbohrsystem mit zusätzlichem Schutz vor Verletzung von Weichgewebe. Das Knochenbohrsystem weist einen Drucksensor zur Erfassung einer Axialkraft auf. Beim Übergang des Bohrers von Hart- in Weichgewebe sinkt der Druck (Axialkraft) ab. Diese Zustandsänderung wird ausgegeben bzw. angezeigt.
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Aus der
CN 101 530 341 A ist eine chirurgische Bohrmaschine bekannt, welche einen Drehmomentsensor, einen Drehzahlsensor und eine Steuereinheit enthält. Die Steuereinheit wertet die Sensordaten aus, um den Bohrer bzw. den Motor anzuhalten, sobald ein Knochen durchbohrt ist.
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Die
DE 10 2006 031 356 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Abtragen von Knochenmaterial, wobei eine Sensoreinheit den Körperschall in dem zu bohrenden Körper erfasst. Das Sensorsignal wird einer Auswert- und Steuereinheit zugeführt, welche unter Zugrundelegung eines Abbruchkriteriums das Abtragewerkzeug bei Durchbruch durch den Knochen automatisch deaktiviert.
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Die
DE 197 14 167 A1 ist auf ein Diagnose- und Behandlungsgerät zur Behandlung von Zahngewebe gerichtet. Hierbei wird unter anderem die Reflexionseigenschaft eines zu behandelnden Gewebes ermittelt und in einer Steuer- und Auswerteeinheit ausgewertet.
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Die
DE 103 03 964 A1 zeigt eine medizinische Bohrvorrichtung für das Erzeugen von Knochenbohrungen zum Einsetzen von Schrauben. Neben verschiedenen Ausprägungen von Messeinrichtungen zur Bestimmung der aktuellen Bohrtiefe erfolgt eine Impedanzmessung, um damit ein Kriterium für den Durchtritt des Bohrwerkzeugs durch den zu bohrenden Knochen zu erhalten.
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Darüberhinaus offenbart die
WO 2009/158 115 A1 eine medizinische Bohrvorrichtung mit der Eigenschaft, den axialen Vortrieb beim Bohren durch einen Knochen zu messen und so zu steuern, dass beim Durchtritt des Bohrwerkzeugs durch den zu bohrenden Knochen das umgebende Weichgewebe nicht verletzt wird. Dazu wird das Drehmoment und die aktuelle Bohrtiefe gemessen und dem Chirurgen angezeigt, bzw. auch einer elektronischen Steuereinheit zugeführt, um den Vortrieb des Bohrwerkzeugs automatisch zu steuern.
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Schließlich zeigt die nachveröffentlichte
US 2011/0 245 833 A1 eine Weiterentwicklung der in der
WO 2009/158 115 A1 gezeigten medizinischen Bohrvorrichtung, wobei zusätzlich auch die beim Bohren auftretende Axialkraft gemessen und bewertet wird.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine genaue Messung von Längen von Bohrkanälen, insbesondere wenn man nicht in den zu bohrenden Körper hineinsehen kann und/oder die von dem Eintrittspunkt des Bohrkanals abgewandte Seite des Bohrkörpers nicht optisch zugänglich ist, zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Bohrmaschine, insbesondere medizinische Bohrmaschine, mit einem Gehäuse, in dem ein Motor, vorzugsweise ein Elektromotor, und ein von diesem angetriebener Bohrmechanismus mit einem Bohrer angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine Bohrereindringtiefenmesseinrichtung zur Messung der Eindringtiefe des Bohrers während des Bohrens eines Bohrkanals in einen zu bohrenden Körper, eine Axialkraftmesseinrichtung zur Messung der Axialkraft, mit der der Bohrer auf den zu bohrenden Körper gedrückt wird, während des Bohrens, eine Körperschallmesseinrichtung zur Messung des Schalls in dem zu bohrenden Körper während des Bohrens und eine Signalauswerteeinrichtung zur Auswertung der von der Bohrereindringtiefen-, der Axialkraftmess- und der Körperschallmesseinrichtung gelieferten Messwerte zur Bestimmung der Länge des Bohrkanals durch den gesamten zu bohrenden Körper hindurch oder bis zu einem, insbesondere sprunghaften, Materialübergang in dem zu bohrenden Körper aufweist. Bei dem zu bohrenden Körper kann es sich beispielsweise um einen menschlichen oder tierischen Knochen handeln.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird diese Aufgabe gelöst durch eine Bohrmaschine, insbesondere medizinische Bohrmaschine, mit einem Gehäuse, in dem ein Motor, vorzugsweise ein Elektromotor, und ein von diesem angetriebener Bohrmechanismus mit einem Bohrer angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine Bohrereindringtiefenmesseinrichtung zur Messung der Eindringtiefe des Bohrers während des Bohrens eines Bohrkanals in einen zu bohrenden Körper, eine Axialkraftmesseinrichtung zur Messung der Axialkraft, mit der der Bohrer auf den zu bohrenden Körper gedrückt wird, während des Bohrens, eine Reflexionsmesseinrichtung zur Messung der Reflexion von Licht an den zu bohrenden Körper vor der Bohrerspitze während des Bohrens und eine Signalauswerteeinrichtung zur Auswertung der von der Bohrereindringtiefen-, der Axialkraftmess- und der Reflexionsmesseinrichtung gelieferten Messwerte zur Bestimmung der Länge des Bohrkanals durch den gesamten zu bohrenden Körper hindurch oder bis zu einem, insbesondere sprunghaften, Materialübergang in dem zu bohrenden Körper aufweist.
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Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Bohrverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass während des Bohrens eines Bohrkanals in einen zu bohrenden Körper die Eindringtiefe eines Bohrers, die Axialkraft, mit der der Bohrer auf den zu bohrenden Körper gedrückt wird, und der Körperschall in dem zu bohrenden Körper gleichzeitig gemessen und die Messwerte zur Bestimmung der Länge des Bohrkanals durch den gesamten zu bohrenden Körper hindurch oder bis zu einem, insbesondere sprunghaften, Materialübergang in dem zu bohrenden Körper ausgewertet werden und die Länge ausgegeben, insbesondere angezeigt wird. Als Motor kann beispielsweise auch ein Druckluft- oder Hydraulikmotor verwendet werden.
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Weiterhin wird diese Aufgabe gemäß einem zweiten Aspekt gelöst durch ein Bohrverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass während des Bohrens eines Bohrkanals in einen zu bohrenden Körper die Eindringtiefe eines Bohrers, die Axialkraft, mit der Bohrer auf den zu bohrenden Körper gedrückt wird, und die Reflexion von Licht an dem zu bohrenden Körper vor der Bohrerspitze gleichzeitig gemessen und die Messwerte zur Bestimmung der Länge des Bohrkanals durch den gesamten zu bohrenden Körper hindurch oder bis zu einem, insbesondere sprunghaften, Materialübergang in dem zu bohrenden Körper ausgewertet werden und die Länge ausgegeben, insbesondere angezeigt wird.
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Bei der Bohrmaschine gemäß dem zweiten Aspekt kann vorgesehen sein, dass sie eine Körperschallmesseinrichtung zur Messung des Schalls in dem zu bohrenden Körper während des Bohrens aufweist.
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Vorteilhafterweise weist die Körperschallmesseinrichtung einen Schwingungssensor zwischen dem hinteren Ende des Bohrers und einer zum Bohrmechanismus gehörigen Werkzeugwelle oder auf oder in der Werkzeugwelle auf.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Bohrmaschine eine Handbohrmaschine (auch handbetätigbare Bohrmaschine genannt).
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Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung weist die Bohrereindringtiefenmesseinrichtung eine den Bohrer konzentrisch umgebende Hülse, die über einen Verschiebebereich in Längsrichtung des Bohrers verschiebbar und in einer vordersten zur Spitze des Bohrers hin gelegenen Position des Verschiebebereiches elastisch vorgespannt ist, und einen Wegsensor zur Erfassung der während des Bohrens von der Hülse ab Aufsetzen auf den zu bohrenden Körper nach hinten zurückgelegten Verschiebestrecke auf. Die Hülse kann auch als Bohrhülse zum Weichteilschutz während eines Bohrvorgangs verwendet werden.
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Alternativ weist die Bohrereindringtiefenmesseinrichtung einen sich parallel zum Bohrer erstreckenden Stab, der über einen Verschiebebereich in seiner Längsrichtung verschiebbar und in einer vordersten zur Spitze des Bohrers hin gelegenen Position des Verschiebebereiches elastisch vorgespannt ist, und einen Wegsensor zur Erfassung der während des Bohrens von dem Stab ab Aufsetzen auf den zu bohrenden Körper nach hinten zurückgelegten Verschiebestrecke auf.
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Wiederum alternativ weist die Bohrereindringtiefenmesseinrichtung einen optischen Abstandsmesser, insbesondere Laserabstandsmesser, zur Bestimmung des Abstands der Bohrmaschine zu einem zu bohrenden Körper während des Bohrens eines Bohrkanals in selbigen auf.
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Andererseits ist auch denkbar, dass die Bohrereindringtiefenmesseinrichtung einen akustischen Abstandsmesser, insbesondere Ultraschallabstandsmesser, zur Bestimmung des Abstands der Bohrmaschine zu einem zu bohrenden Körper während des Bohrens eines Bohrkanals in selbigen aufweist.
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Zweckmäßigerweise weist die Axialkraftmesseinrichtung einen Drucksensor, insbesondere eine Kraftmessdose, auf.
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Vorteilhafterweise ist der Drucksensor zwischen dem hinteren Ende des Bohrers und einer/der zum Bohrmechanismus gehörigen Werkzeugwelle oder auf oder in der Werkzeugwelle angeordnet.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Schwingungsanreger zur aktiven Anregung des Bohrers zu mechanischen Schwingungen vorgesehen. Insbesondere kann eine vorzugsweise mechanische Kupplung vorgesehen sein, die so gestaltet ist, dass sie von dem Schwingungsanreger erzeugte Schwingungen nur dann einkoppelt, wenn der Bohrer nach dem Aufsetzen auf einen zu bohrenden Körper einen Gegendruck erfährt. Diese Variante mit aktiver Schwingungsanregung anstelle eines passiven Verfahrens, vorzugsweise im kHz-Bereich, weist den Vorteil auf, dass die Frequenz der eingebrachten Schwingung bekannt ist und dadurch die Signalauswertung vereinfacht wird. Alternativ zur mechanischen Kupplung kann beispielsweise auch ein Axialkraftsensor oder Drucksensor dafür verwendet werden, die aktive Schwingungsanregung kraft- oder druckabhängig ein- und auszuschalten.
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Günstigerweise ist ein Drehwinkelsensor zur Erfassung der Drehzahl und/oder des Drehwinkels des Bohrers während des Bohrens vorgesehen.
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Vorteilhafterweise wird/werden die erfasste Drehzahl und/oder der erfasste Drehwinkel ebenfalls der Signalauswerteeinrichtung zur Auswertung und zur Bestimmung der Länge des Bohrkanals zugeführt.
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Alternativ oder zusätzlich kann ein Drehmomentsensor zur Erfassung des Drehmoments des Bohrers während des Bohrens vorgesehen sein. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass das erfasste Drehmoment ebenfalls der Signalauswerteeinrichtung zur Auswertung und zur Bestimmung der Länge des Bohrkanals zugeführt wird.
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Günstigerweise ist eine automatische Abschalteinrichtung zum automatischen Abschaltung nach Erkennen eines vollständigen Durchbohrens vorgesehen.
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Bei dem Bohrverfahren gemäß dem zweiten Aspekt kann vorgesehen sein, dass während des Bohrens eines Bohrkanals in einen zu bohrenden Körper die Eindringtiefe eines Bohrers, die Axialkraft, mit der der Bohrer auf den zu bohrenden Körper gedrückt wird, und die Reflexion von Licht an dem zu bohrenden Körper vor der Bohrerspitze gleichzeitig gemessen und die Messwerte zur Bestimmung der Länge des Bohrkanals durch den gesamten zu bohrenden Körper hindurch oder bis zu einem, insbesondere sprunghaften, Materialübergang in dem zu bohrenden Körper ausgewertet werden und die Länge ausgegeben, insbesondere angezeigt wird.
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Schließlich betreffen die Unteransprüche 21 bis 26 vorteilhafte Weiterentwicklungen des Bohrverfahrens.
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Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch die gleichzeitige Messung der Eindringtiefe des Bohrers, der Axialkraft sowie des Körperschalls und/oder der Reflexion von Licht auf einfache und schnelle Weise das vollständige Durchdringen eines Körpers oder das Durchdringen von einer oder mehreren Materialschicht(en) eines Körpers erkannt und dadurch die Länge eines Bohrkanals durch den gesamten Körper bzw. durch eine oder mehrere Materialschicht(en) und/oder Materialübergänge ermittelt und/oder Materialschichtstärken bestimmt werden können. Bezüglich des Eingangs im Zusammenhang mit dem Bohren von Knochen beschriebenen Problems liefert die vorliegende Erfindung eine Arbeitserleichterung, indem nämlich anstelle der bisher benötigen drei Arbeitsschritte zur Einbringung von Schrauben (Bohren, Messung der Länge eines Bohrkanals und Einbringen der Schraube) lediglich zwei Arbeitsschritte (Bohren und gleichzeitige Messung der Länge eines Bohrkanals sowie Einbringen der Schraube) benötigt werden. Zudem lässt sich die Länge des Bohrkanals genauer als bisher messen. Dies liegt an der zusätzlichen Messung des Körperschalls, der beim Bohren eines Knochens auftritt. Da Knochen aus verschiedenen Schichten bestehen, werden beim Bohren verschiedene Schwingungen bezüglich Frequenzspektrum und Amplitude erzeugt. Beim Aufsetzen des Bohrers auf die äußere Knochenschicht (Kortikales) verändern sich die Schwingungen gegenüber dem Bohren im Knochenbälkchen (Spongiosa) oder in der Knochenmarkhöhle. Beim Austritt des Bohrers aus dem Knochen wiederum nehmen die vom Bohrvorgang verursachten Schwingungen stark ab. Die von einer Körperschallmesseinrichtung aufgenommenen Schwingungen können von einer Signalauswerteeinrichtung analysiert werden. Anhand des Schwingungsprofils lassen sich die Zeitpunkte des Eintritts und Austritts des Bohrers in und aus dem Knochen identifizieren.
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In einer besonderen Ausführungsform dient die Messung des Körperschalls dazu, den Zeitpunkt des Eintritts des Bohrers in einen Knochen und den Zeitpunkt des Austritts desselben aus dem Knochen zu bestimmen und anhand der zu den jeweiligen Zeitpunkten gemessenen Bohrereindringtiefen und der Bildung der Wegdifferenz die Länge des Bohrkanals zu bestimmen. Der Axialkraftmessung kann – insbesondere in diesem Zusammenhang – die Aufgabe zukommen, eine Fehldetektion des Austritts eines Bohrers aus einem Knochen beispielsweise bei Unterbrechung des Bohrvorgangs durch einen Chirurgen zu vermeiden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert werden. Dabei zeigt:
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1 eine Seitenansicht teilweise im Schnitt von einer Bohrmaschine gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung im Einsatz;
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2 eine Seitenansicht teilweise im Schnitt von einer Bohrmaschine gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung im Einsatz;
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3 eine Seitenansicht teilweise im Schnitt von einer Bohrmaschine gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung im Einsatz;
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4 eine Seitenansicht teilweise im Schnitt von einer Bohrmaschine gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung im Einsatz;
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5 eine Seitenansicht teilweise im Schnitt von einer Bohrmaschine gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung;
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6 eine Seitenansicht von einer Bohrmaschine gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung im Einsatz;
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7 eine Seitenansicht teilweise im Schnitt von einer Bohrmaschine gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung;
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8 zwei Graphiken, von denen die obere die zeitlich aufgelösten Amplitudenwerte in willkürlichen Einheiten für verschiedene Frequenzanteile des Körperschallsignals in Abhängigkeit von der Zeit und die untere die gemessene Amplitude des Körperschalls in willkürlichen Einheiten in Abhängigkeit von der Zeit zeigt; und
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9 eine Seitenansicht teilweise im Schnitt von einer Bohrmaschine gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt den vorderen Teil einer Bohrmaschine 10 mit einem Gehäuse 12, in dem ein Elektromotor (nicht gezeigt) und ein von diesem angetriebener Bohrmechanismus mit einem Bohrer 14 angeordnet sind. Die Bohrmaschine 10 weist eine Bohrereindringtiefenmesseinrichtung auf. Diese umfasst eine den Bohrer 14 konzentrisch umgebende Hülse 16, die über einen Verschiebebereich in Längsrichtung des Bohrers 14 verschiebbar und in einer vordersten zur Spitze 18 des Bohrers 14 hin gelegenen Position des Verschiebebereiches elastisch vorgespannt ist, und einen Wegsensor 20 zur Erfassung der während des Bohrens eines Bohrkanals 21 von der Hülse 16 ab Aufsetzen auf einen zu bohrenden Körper 22 nach hinten zurückgelegten Verschiebestrecke. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem Körper 22 um einen zylindrischen Hohlkörper.
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Die in der 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen von 1 darin, dass anstelle der Hülse 16 ein sich parallel zum Bohrer 14 erstreckender Stab 24 vorgesehen ist, der über einen Verschiebebereich in seiner Längsrichtung verschiebbar und in einer vordersten zur Spitze 18 des Bohrers 14 hin gelegenen Position des Verschiebebereiches elastisch vorgespannt ist. Der zu bohrende Körper 22 ist genau wie in der 1 ein zylindrischer Hohlkörper.
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Die in der 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform darin, dass anstelle der Hülse 16 und des Wegsensors 20 ein optischer Abstandsmesser 26 zur Bestimmung des Abstands der Bohrmaschine 10 zu einem zu bohrenden Körper 22 während des Bohrens eines Bohrkanals 21 vorgesehen ist. Der optische Abstandsmesser umfasst einen Laser als Sender von Licht und einen Empfänger von Licht, das an der Oberfläche des Körpers 22 reflektiert wird.
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In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Körper 22 um ein Werkstück, das aus mehreren unterschiedlichen Materialschichten 28, 30, 32 und 34 besteht.
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Das in der 4 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel darin, dass anstelle eines optischen Abstandsmessers 26 ein akustischer Abstandsmesser 36 vorgesehen ist. Dieser weist einen Ultraschall-Sender und einen Ultraschall-Empfänger auf.
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Auch wenn dies in den 1 bis 4 nicht gezeigt ist, weisen die darin gezeigten Bohrmaschinen 10 zusätzlich eine Axialkraftmesseinrichtung zur Messung der Axialkraft, mit der der Bohrer 14 auf den zu bohrenden Körper 22 gedrückt wird, während des Bohrens und eine Körperschallmesseinrichtung zur Messung des Schalls in dem zu bohrenden Körper 22 während des Bohrens sowie eine Signalauswerteeinrichtung zur Auswertung der von der Bohrereindringtiefen-, der Axialkraftmess- und der Körperschallmesseinrichtung gelieferten Messwerte zur Bestimmung der Länge des Bohrkanals 21 durch den gesamten zu bohrenden Körper 22 hindurch oder bis zu einem, insbesondere sprunghaften, Materialübergang in dem zu bohrenden Körper, beispielsweise beim Übergang von der Wand des Hohlkörpers in den Hohlraum bzw. beim Übergang von einer Materialschicht zur anderen auf.
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In der 5 ist ebenfalls ein Teil einer Bohrmaschine 10 gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Diese kann genau wie die vorangehend gezeigten und beschriebenen Bohrmaschinen als eine Handbohrmaschine verwendet werden. Zudem kann sie ebenfalls insbesondere zum Bohren von menschlichen oder tierischen Knochen eingesetzt werden. Sie weist ein Gehäuse 12 auf, in dem ein Elektromotor (nicht gezeigt) und ein von diesem angetriebener Bohrermechanismus mit einem Bohrer 14 angeordnet sind. Der Bohrmechanismus umfasst eine Werkzeugwelle 38 (Bohrgestänge). Entlang der Werkzeugwelle 38 sind ausgehend von dem Bohrerschaft 40 nach hinten ein Drucksensor 42 zur Messung der Axialkraft, mit der der Bohrer auf den zu bohrenden Körper gedrückt wird, während des Bohrens, ein Drehwinkelsensor 44 zur Erfassung der Drehzahl und/oder des Drehwinkels des Bohrers 14 während des Bohrens, ein Schwingungssensor 46 zur Messung des Schalls in dem zu bohrenden Körper 22 (Körperschall) während des Bohrens, ein elektromagnetischer Schwingungsanreger 48 zur aktiven Anregung von mechanischen Schwingungen in dem Bohrer 14 und ein Drehmomentsensor 50 zur Erfassung des Drehmoments des Bohrers 14 während des Bohrens vorgesehen. Die Werkzeugwelle 38 ist so gelagert, dass der Bohrer 14 kleine Axialbewegungen durchführen kann, um die aktive Schwingungsanregung mittels des elektromagnetischen Schwingungsanregers 48 zu ermöglichen. Eine Signalauswerteeinrichtung (nicht gezeigt) in der Bohrmaschine 10 wertet die von einer Bohrereindringtiefenmesseinrichtung (nicht gezeigt) der Bohrmaschine 10 gelieferten Messwerte für die Eindringtiefe des Bohrers 14 während des Bohrens eines Bohrkanals in den Körper sowie die von dem Drucksensor 42, dem Drehwinkelsensor 44, dem Schwingungssensor 46 und dem Drehmomentsensor 50 gelieferten Messwerte zur Bestimmung der Länge des Bohrkanals 21 aus.
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Die 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Bohrmaschine 10 im Einsatz beim Bohren eines Oberschenkelknochens (Femur) 52. Besagte Bohrmaschine weist ein Gehäuse 12 auf, dessen hinteres Ende abgewinkelt ist und einen Handgriff 54 bildet. In dem Gehäuse sind unter anderem ein Elektromotor 56 und ein von diesem angetriebener Bohrmechanismus mit einem Getriebe 58, einer Werkzeugwelle 38 und einem Bohrer 14 angeordnet. Genau wie bei der in der 1 gezeigten Bohrmaschine sind eine Hülse 16 und ein Wegsensor 20 zur Messung der Eindringtiefe des Bohrers während des Bohrens eines Bohrkanals in den Oberschenkelknochen 52 vorgesehen. Desweiteren weist die Bohrmaschine entlang der Werkzeugwelle 38 ausgehend von dem Bohrerschaft 40 nach hinten einen Schwingungssensor 46 und einen Drucksensor 42 auf. Ein Piezo-Schwingungsanreger 60 (Piezo-Shaker) ist neben der Werkzeugwelle 38 angeordnet und damit zur Einkopplung von aktiv erzeugten mechanischen Schwingungen gekoppelt. Zudem enthält die Bohrmaschine 10 auch eine Signalauswerteeinrichtung 62 nebst Anzeigeeinrichtung zur Auswertung und Anzeige der von dem Wegsensor 20, dem Schwingungssensor 46 und dem Drucksensor 42 gelieferten Messwerte zur Bestimmung der Länge des Bohrkanals durch den gesamten zu bohrenden Körper 22 hindurch oder bis zu einem, insbesondere sprunghaften, Materialübergang in dem zu bohrenden Körper 22.
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Die Eindringtiefe des Bohrers 14 wird mit Hilfe der verschiebbaren Hülse 16 gemessen, die in der Bohrmaschine mit dem Wegsensor 20 gekoppelt ist. Dazu wird die Hülse 16 auf den Oberschenkelknochen 52 aufgesetzt und wird der drehende Bohrer 14 gegen den Oberschenkelknochen 52 gedrückt. Sobald ein Kontakt zustande kommt, kann die Axialkraft über den Drucksensor 42 gemessen werden. Ab diesem Zeitpunkt wird die Verschiebung der Hülse 16 mittels des Wegsensors 20 gemessen, solange bis die Axialkraft beim Austreten des Bohrers 14 aus dem Oberschenkelknochen 52 sprunghaft abnimmt. Knochen bestehen üblicherweise aus verschiedenen Schichten. Die Knochenwand (Kortikalis) ist in der Regel härter als das Innere eines Knochens (Spongiosa). Dies hat zur Folge, dass die Axialkraft während des Bohrvorgangs variiert.
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Die Wegdifferenz zwischen dem Aufsetzen des Bohrers 14 und dem detektierten Austreten des Bohrers 14 auf der gegenüberliegenden Seite des Oberschenkelknochens 52 entspricht der Länge des Bohrkanals. Mit Hilfe der Signalauswerteeinrichtung 62 werden die Messwerte des Wegsensors 20 und des Drucksensors 42 miteinander kombiniert und für die Bestimmung der Länge des Bohrkanals ausgewertet. Dazu sollte die Signalauswertung so ausgelegt sein, dass sie für verschiedene Knochentypen und Bohr-Szenarien verlässliche Messwerte liefert. Zusätzlich werden die Messwerte des Schwingungssensors 46, der die Schwingungen erfasst, die beim Bohren des Knochens auftreten, verwendet. Anhand der so festgestellten Länge des Bohrkanals können anschließend Schrauben in der passenden Länge herausgesucht werden.
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Die in der 7 gezeigte Bohrmaschine 10, bei der die Bohrereindringtiefenmesseinrichtung der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist, unterscheidet sich unter anderem von der in der 5 gezeigten Bohrmaschine darin, dass der Schwingungsanreger ein Piezo-Schwingungsanreger 60 ist. Zudem unterscheidet sie sich von der in der 6 gezeigten Ausführungsform darin, dass sie eine Kupplung 64 zum mechanischen Einkoppeln der Schwingungen des Piezo-Schwingungsanreger 60, sobald eine Axialkraft auf den Bohrer 14 einwirkt, aufweist.
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In der 8 sind beispielhafte Ergebnisse von Körperschallmessungen während des Bohrens in einem Knochen (Rinderoberschenkel, Hinterbein) gezeigt. Der Körperschall wurde mittels eines Piezo-Schwingungssensors gemessen, der sich auf einem Aluminiumstab befand, der mit der Knochenoberfläche mechanisch gekoppelt war.
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In der 8 wird zwischen den zeitlichen Abschnitten 1, 2, 3 und 4 unterschieden.
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1. Durchbohren der ersten Knochenrinde
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Hier ist das Eintreten des Bohrers und die Abnahme von Knochenmaterial zu erkennen (steigende Flanke). Das rapide Abfallen der Kurve bei Punkt b markiert den Zeitpunkt, zu dem die zwei vorangehenden Schneiden des Bohrers kein Material mehr erfassen können, d. h. zum Zeitpunkt b hat der Bohrer bereits die erste Knochenrinde durchbrochen.
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2. Bohrung im Knochenmark
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Hier wird das Knochenmark gebohrt. Das Ende dieses Zeitbereiches bildet der Peak zum Intervallende, der auf das Auftreffen der Bohrerspitze auf die Innenwand der Knochenrinde zurückzuführen ist.
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3. Durchbohren der zweiten Knochenrinde
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Im Bereich 3 ist das Verhaken der Hauptschneide des Bohrers mit dem harten Knochenrindenmaterial zu erkennen. Der zweite Peak im Bereich 3 markiert das Ende des Bohrvorganges – das Durchbrechen des Bohrers durch die zweite Knochenwand.
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4. Bohren im Leerlauf und Stopp der Rotationsbewegung
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Zu Beginn des Bereiches 4 ist die sinkende Umdrehungsgeschwindigkeit des Bohrers bis zum völligen Stillstand der Bohrspindel zu erkennen. Signale im Bereich 4 unterscheiden sich deutlich von dem vorherigen Bohrprozess und lassen sich deshalb gut analytisch von dem Bohrprozess abgrenzen.
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9 zeigt den vorderen Teil einer Bohrmaschine 10 gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung mit einem Gehäuse 12, in dem ein Elektromotor (nicht gezeigt) und ein von diesem angetriebener Bohrmechanismus mit einem Bohrer 14 angeordnet sind. Die Bohrmaschine 10 weist eine Bohrereindringtiefenmesseinrichtung auf, die der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt ist. Beispielsweise kann es sich um eine Bohrereindringtiefenmesseinrichtung handeln, die in einer der 1 bis 3 gezeigt ist. Zusätzlich oder alternativ zu einer Körperschallmesseinrichtung (nicht gezeigt) zur Messung des Schalls in einem zu bohrenden Körper während des Bohrens weist sie eine Reflexionsmesseinrichtung zur Messung der Reflexion von Licht an dem zu bohrenden Körper vor der Bohrspitze während des Bohrens auf. Dazu weist der Bohrer 14 in seiner Längserstreckung mittig einen Kanal 66 (optischen Tunnel/optischen Messkanal) auf. Die Reflexionsmesseinrichtung weist eine Lichtquelle 68, ein Lichteinkoppelelement 76 und einen Lichtleiter 70 zum Einkoppeln und Lenken von Licht auf den zu bohrenden Körper vor der Bohrerspitze auf. Das eingekoppelte Licht wird teilweise zurückreflektiert und über den Lichtleiter 70 sowie ein Lichtauskoppelelement 74 einem Lichtsensor 72 zugeführt. Das dem Lichtsensor 72 zugeführte Licht wird ausgewertet. Die Auswertung beruht dabei auf der Annahme, dass das reflektierte Licht durch die unterschiedlichen optischen Eigenschaften der verschiedenen Materialschichten 28, 30, 32 und 34 unterschiedlich ausfallen wird. Beispielsweise lassen sich die Lichtintensität und mit einem farbempfindlichen Lichtsensor die spektrale Lichtverteilung auswerten.
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Die in der 9 gezeigte Ausführungsform weist zusätzlich eine Axialkraftmesseinrichtung (nicht gezeigt) zur Messung der Axialkraft, mit der der Bohrer 14 auf den zu bohrenden Körper 22 gedrückt wird, während des Bohrens sowie eine Signalauswerteinrichtung zur Auswertung der von der Bohrereindringtiefen, der Axialkraft-, der Reflexions- und gegebenenfalls auch der Körperschallmesseinrichtung gelieferten Messwerte zur Bestimmung der Länge des Bohrkanals 21 durch den gesamten zu bohrenden Körper 22 hindurch oder bis zu einem, insbesondere sprunghaften, Materialübergang in dem zu bohrenden Körper, beispielsweise beim Übergang von einer Materialschicht zur anderen auf.
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Wenn die Reflexionsmesseinrichtung zusätzlich zur Körperschallmesseinrichtung vorgesehen ist, so sollte die Aussagekraft des Gesamtsystems erhöht und das Gesamtsystem robuster gestaltet werden können.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bohrmaschine
- 12
- Gehäuse
- 14
- Bohrer
- 16
- Hülse
- 18
- Spitze
- 20
- Wegsensor
- 21
- Bohrkanal
- 22
- Körper
- 24
- Stab
- 26
- optischer Abstandsmesser
- 28, 30, 32, 34
- Materialschichten
- 36
- akustischer Abstandsmesser
- 38
- Werkzeugwelle
- 40
- Bohrerschaft
- 42
- Drucksensor
- 44
- Drehwinkelsensor
- 46
- Schwingungssensor
- 48
- elektromagnetischer Schwingungsanreger
- 50
- Drehmomentsensor
- 52
- Oberschenkelknochen
- 54
- Handgriff
- 56
- Elektromotor
- 58
- Getriebe
- 60
- Piezo-Schwingungsanreger
- 62
- Signalauswerteeinrichtung
- 64
- Kupplung
- 65
- Reflexionsmesseinrichtung
- 66
- Kanal
- 68
- Lichtquelle
- 70
- Lichtleiter
- 72
- Lichtsensor
- 74
- Lichtauskoppelelement
- 76
- Lichteinkoppelelement
