DE10302873B3 - Nichtmagnetisches Bohrersystem mit keramischen Schneiden - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Keramik und Medizin und betrifft ein nichtmagnetisches Bohrersystem, wie es beispielsweise in der Chirurgie zur Anwendung kommen kann. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, einen nichtmagnetischen Bohrer mit keramischen Schneiden anzugeben, der für den Einsatz in MRT geeignet und wiederverwendbar ist. DOLLAR A Gelöst wird die Aufgabe durch ein nichtmagnetisches Bohrersystem mit keramischen Schneiden, bestehend aus einem Antriebsteil und einem Funktionsteil, wobei das Antriebsteil aus einem nichtmagnetischen Metall besteht, und das Funktionsteil mindestens im Bereich der Verbindung zum Antriebsteil aus einem nichtmagnetischen Metall besteht und mindestens ein weiteres Teil des Funktionsteiles ganz oder teilweise aus einem nichtmagnetischen keramischen Material besteht, wobei die Verbindung zwischen nichtmagnetischem Metall und nichtmagnetischem keramischen Material form- und kraftschlüssig ausgebildet ist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Keramik und Medizin und betrifft ein nichtmagnetisches Bohrersystem mit keramischen Schneiden, wie es beispielsweise in der Chirurgie zur Anwendung kommen kann.
• Keramische Bohrer und ein kostengünstiges Verfahren zu ihrer Herstellung sind aus der DE 195 27 695 A1 bekannt. Ein derartiger Bohrer besteht aus einem vollkeramischen Körper, d.h. neben der Schneide bestehen auch alle. übrigen Teile des Körpers aus keramischem Material. Zum Betreiben eines solchen Bohrers muss der gesamte Körper in ein Antriebssystem integriert werden, wobei zwischen Bohrer und Antriebssystem eine kraftschlüssige Verbindung geschaffen wird (z.B. durch ein schraubbares oder spannbares Bohrfutter), um das Drehmoment vom Antriebssystem auf den Bohrer übertragen zu können. Die kraftschlüssige Verbindung z.B. durch Spannen stellt in der Regel keine Gefährdung für keramische Materialien dar, da keramische Werkstoffe eine hohe Druckfestigkeit aufweisen und deshalb die beim Spannen entstehenden Druckspannungen gut aufnehmen können. In Abhängigkeit von den zu übertragenden Kräften und insbesondere bei zusätzlich auftretenden Schlag- oder Vibrationsbeanspruchungen ist es jedoch für viele Einsatzfälle besser, anstelle von vollkeramischen Bohren, die diesen Beanspruchungen gegebenenfalls nicht standhalten können, metallische Bohrer zu verwenden, die mit keramischen Schneidplättchen versehen sind.
• Beispielhaft dafür können Metallbohrer mit aufgelöteten Hartmetallplättchen genannt werden. Bei dieser, Lösungsvariante spielen zusätzlich Kostenaspekte eine Rolle, da sich Material- und Fertigungskosten von Metall und Hartmetall unterscheiden.
• Keramische Bohrer und Schneidwerkzeuge sind für medizinische Anwendungen sehr interessant, weil keramische Werkstoffe neben der guten Schneidleistung auch eine hohe Verschleißbeständigkeit sowie eine gute Biokompatibilität und aufgrund der Sterilisierbarkeit auch eine hohe Wiederverwendbarkeit aufweisen. So finden u.a. keramische Skalpelle bereits Anwendungen in der Medizintechnik (Shellock, F.G., Shelock, V.J.: ISMRM, 1996, p. 954-955).
• Es ist ebenfalls bekannt, dass in der Osteosynthese bereits keramische Schrauben verwendet werden (Kregler, G. zm 24/2000, S. 32).
• Für die Neurochirurgie wurden bereits spezielle Schädelfräser (craniale Perforatoren) entwickelt ( DE 35 03 098 A1 , DE 36 24 860 A1 , DE 38 90 886 A1 ), die aus Edelstahlschneiden und einer Antriebseinheit bestehen. Der beschriebene Schädelfräser findet Verwendung zum Bohren von Öffnungen in die Schädeldecke zum Einbringen von Diagnosegeräten und OP-Ausrüstungen. Über einen Kunststoffadapter ist der Schädelfräser mit der Antriebseinheit verbunden. Ein Hauptbohrer mit Edelstahlschneiden wird in eine äußere Bohrkrone gesteckt, ein Verbindungszapfen wird durch die Antriebshülse gesteckt und mit dem inneren Hauptbohrer verschraubt. Das Gewinde der Antriebshülse wird mit dem Adapter verschraubt. Zwischen Antriebshülse und Adapter wird vor dem Verschrauben eine Druckfeder eingesetzt. Ist die Verbindung zwischen Antrieb und Adapter hergestellt, beginnt der Bohrkopf erst die Rotationsbewegung, wenn die Spitze des inneren Hauptbohrers auf dem Schädelknochen aufsetzt und die Druckschraubenfeder zusammengepresst wird. Durch die axliale Verschiebung zwischen innerer und äußerer Bohrkrone hakt ein Klauensystem in die Antriebshülse ein und das Drehmoment wird auf den Bohrer übertragen. Mit Durchtritt des inneren Hauptbohrers durch den Knochen entspannt sich die Druckschraubenfeder, das Klauensystem wird getrennt und die Bewegung des Bohrers unterbrochen. Somit ist ein guter Schutz des Gehirns gewährleistet.
• Eine Motivation für die Anwendung von keramischen Werkstoffen ist der Einsatz in MR-Tomographen (MRT). Die starken Magnetfelder des MRT eignen sich vorrangig für Diagnosezwecke und bewähren sich aufgrund der hohen Ortsauflösung z.B. bei der Tumorfrüherkennung. Die Eignung von Keramik zur artefactfreien Bildgebung im MRT bezieht sich sowohl auf Implantatwerkstoffe (Cremer, J. u.a.,Tagungsband der gemeinsamen Jahrestagung von DGBM und CAB, 24.-25.11.2000, S. 45), als auch auf Instrumentwerkstoffe (Tronnier, V.M. et all, Neurosurgery, 40 (1997), N.5). Darüber hinaus sind keramische Werkstoffe aufgrund ihrer nichtmagnetischen Eigenschaften für die Operationstechnik im MRT besonders geeignet, da aufgrund der starken Magnetfelder die Lagerung und Anwendung von magnetischen Gegenständen infolge starker Anziehungskräfte nicht möglich ist. Der in DE 35 03 098 A1 , DE 36 24 860 A1 , beschriebene Schädelfräser kann nicht im MRT eingesetzt werden.
• In der WO 97/05082 A1 = DE 145 27 695 A1 ist ein keramischer Bohrer beschrieben, der im Inneren Hohlräume aufweist, in die z.B. Messgeräte zur Temperaturmessung oder Ähnliches integriert werden können. Die Integration von thermischen Sensoren ermöglicht z.B. eine Rückkopplung auf die Übertragung des Drehmomentes, d.h. der Bohrer dreht sich nur solange, wie die auftretende Temperaturerhöhung keine Schädigungen am Gewebe verursacht. In einer ähnlichen Art und Weise können z.B. Drucksensoren Signale erzeugen, die eine Rückkopplung auf die Übertragung des Drehmomentes ermöglichen, d.h. der Bohrer dreht sich nur solange, wie seiner Vorschubbewegung ein bestimmter Widerstand entgegengebracht wird. Sobald dieser Widerstand nicht mehr vorhanden ist, wird die Übertragung des Drehmomentes unterbrochen.
• Die Ausführung des Bohrers als vollkeramischer Körper ist unter den bereits beschriebenen Rahmenbedingungen (Ausbildung von Hohlräumen, Integration von Sensoren, Realisierung von Kupplungen usw.) kritisch, da keramische Materialien mit Verringerung von Materialstärke und Querschnitt einer zunehmenden mechanischen Belastung oft nicht standhalten können. Auftretende Zugbelastungen müssen minimiert werden, was nicht immer konstruktiv möglich ist. Vorteilhaft ist deshalb die Auslegung des Bohrers in dem Teil des Bohrers, welcher durch die Antriebseinheit angetrieben wird, aus einem nichtkeramischen Material mit höherer Bruchzähigkeit.
• Aus der DE 197 25 981 A1 ist ein kernspintauglicher Knochenbiopsiebohrer bekannt, welcher aus Material hergestellt wird, welches geringe Bildartifakte in der Kernspintomographie zeigt.
• Aus der DE 101 14 882 A1 ist ein Bohrwerkzeug bekannt, welches Schneidplatten aus Keramik aufweist.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen nichtmagnetischen Bohrer mit keramischen Schneiden anzugeben, der für den Einsatz in MRT geeignet und wiederverwendbar ist.
• Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Das erfindungsgemaße nichtmagnetische Bohrersystem mit keramischen Schneiden besteht aus einem Antriebsteil und einem Funktionsteil, wobei das Antriebsteil aus einem nichtmagnetischen Metall besteht und mit dem Funktionsteil kraftschlüssig verbunden ist, wobei die Kraftübertragung nicht permanent ist. Das Funktionsteil besteht mindestens aus einem Bohrer, dessen Schneiden aus einem nichtmagnetischen keramischen Material bestehen. Das Funktionsteil besteht weiterhin mindestens im Bereich der Verbindung zum Antriebsteil aus einem nichtmagnetischen Metall. Mindestens ein weiteres Teil des Funktionsteiles besteht erfindungsgemäß ganz oder teilweise aus einem nichtmagnetischen keramischen Material, wobei die Verbindung zwischen nichtmagnetischem Metall und nichtmagnetischem keramischen Material form- und kraftschlüssig ausgebildet ist Vorteilhafterweise sind als nichtmagnetisches keramisches Material Zirkonoxidkeramiken oder Siliciumnitridkeramiken eingesetzt.
• Ebenfalls vorteilhafterweise ist als nichtmagnetisches Metall Titan eingesetzt.
• Weiterhin ist erfindungsgemäß vorteilhaft, dass die Verbindung zwischen dem nichtmagnetischen Metall und dem nichtmagnetischen keramischen Material durch eine Schrumpfverbindung oder eine Konusverbindung oder Bajonettverbindung oder Polymerverbindung oder eine Schweißverbindung realisiert ist.
• Dabei ist im Fall einer Konusverbindung vorteilhaft, dass der Innenkonus aus Titan und der Außenkonus aus einem nichtmetallischen keramischen Material aufgebaut sind, deren Verbindung durch einen Spannring gesichert ist.
• Ebenfalls vorteilhaft ist es im Falle einer Bajonettverbindung, dass der Innenkonus aus Titan mit zwei um 180 ° zueinander versetzten Stiften fest verbunden ist und im Außenkonus aus einem nichtmetallischen keramischen Material eine Wendel mit geringer Steigung eingearbeitet ist, die zur Aufnahme der Stifte dient.
• Weiterhin ist es im Falle einer Polymerverbindung vorteilhaft, dass die Polymerverbindung in Vertiefungen der Verbindungsflächen aufgebracht sind, die eine kraftschlüssige Verbindung realisieren, wobei besonders vorteilhafterweise Polymerverbindungen eingesetzt werden, die biokompatibel, sterilisierbar und rückstandsfrei entfernbar sind.
• Es ist auch vorteilhaft eine Schrumpfverbindung einzusetzen, bei der das keramische Teil mit einem verjüngten Endstück versehen ist und der metallische Teil eine Aufnahme für das verjüngte Endstück aufweist, wobei besonders vorteilhaft zur Sicherung das verjüngte Endstück des keramischen Teiles mit eine Bohrung versehen ist, in die ein Stift aus einem nichtmagnetischen Metall hineinragt, wobei der Stift mindestens teilweise auch durch eine Bohrung im metallischen Teil hineinragt.
• Auch vorteilhaft ist es, dass die nichtpermanente Kraftübertragung zwischen dem Antriebsteil und dem Funktionsteil durch eine Druckschraubenfeder realisiert ist.
• Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das als Bohrer ausgebildete Funktionsteil aus einem innenliegenden Hauptbohrer und einer diesen Hauptbohrer umgebenden Bohrkrone besteht, wobei besonders vorteilhafterweise auch die Bohrkrone Schneiden aus Keramik aufweist und/oder der Hauptbohrer und die Bohrkrone so angeordnet sind, dass ihre Schneiden koaxial zueinander stehen.
• Vorteilhaft ist auch, wenn der Hauptbohrer aus einem nichtmagnetischen keramischen Material besteht.
• Und ebenfalls von Vorteil ist es, wenn der Bohrer des Funktionsteiles durchgehend oder nicht durchgehend hohl ausgebildet ist und Sensoren enthalten kann oder zur Aufnahme von Instrumenten dienen kann.
• Vorteilhafterweise kann durch einen Temperatursensor im Bohrer die aktuelle Temperatur an der Schnittstelle ermittelt und diese zur Drehzahlsteuerung des Bohrers verwendet werden. Damit ist ein Schutz des Gewebes gegeben.
• Im Weiteren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
• Ein Bohrersystem besteht im Funktionsteil aus einem inneren Hauptbohrer und der ihn umgebenden äußeren Bohrkrone, wobei die Schneiden des Hauptbohrers und der Bohrkrone koaxial zueinander angeordnet sind. Beide Teile sind im vorderen Teil, dem Bereich der Schneiden, aus Zirkonoxid hergestellt. Im vorderen Bereich wurden an den ineinander gesteckten Keramikkomponenten im Abstand von 120° drei Freiflächen mit einem Winkel von 19° und je eine Arbeitsschneide unter einem Spanwinkel von 6° angeschliffen. Durch das Schleifen der drei Freiflächen/Schneiden ergibt sich in der Mitte des Hauptbohrers innen im vordersten Bereich die Zentrierspitze. Der innere Hauptbohrer steht um 3 mm aus der äußeren Bohrkrone heraus. Der hintere Teil des Hauptbohrers und der äußeren Bohrkrone bestehen aus Titan, um zum einen den Sicherheitsbestimmungen im MRT zu entsprechen und um eine hohe Qualität der Abbildung zur erreichen. Die Verbindung zwischen Titan und Zirkonoxid erfolgte durch eine Längspressverbindung, d.h. das Zirkonoxidteil und das dazugehörige Titanteil werden auf eine Passung geschliffen und dann in einer Presse durch Lastaufbringung axial ineinander gepresst. Um während des Bohrereinsatzes auch in extremen Betriebssituationen ein Verdrehen der Teile zueinander zu vermeiden und/oder um die kontinuierliche Übertragung des Drehmomentes zu gewährleisten, sind das Zirkonoxidteil und das Titanteil radial mit einem Titanstift miteinander verbunden. Dazu sind in die auf Passung geschliffenen Absätze von Hauptbohrer innen und äußerer Bohrkrone und jeweils in die zugehörigen Gegenkomponenten aus Titan in radialer Richtung Bohrungen mit einem Durchmesser von zwei Millimeter eingebracht worden. Nach dem Verpressen der Teile wurden speziell angefertigte Titanstifte in die Bohrungen eingepresst. Da die Längspressverbindung zwischen dem Titan- und dem Zirkonoxidteil so realisiert wurde, dass das Titan auf der Keramik aufsitzt, konnte der radial eingedrückte Titanstift an der Außenfläche nach dem Verschleifen mit dem benachbarten Teil verschweißt werden. Dadurch ergibt sich eine glatte Oberfläche und die Bewegung des inneren Hauptbohrers und der äußeren Bohrkrone zueinander, z.B. zu Montagezwecken, ist möglich und es ergibt sich eine saubere, gut zu reinigende Oberfläche.
• Am antriebsseitigen Ende des inneren Hauptbohrers, welches nun aus Titan besteht, sind drei Klauen im Winkel von 120 ° angebracht, sowie im Zentrum eine ca. 5 mm tiefe Gewindebohrung. Am antriebsseitigen Ende der äußeren Bohrkrone sind drei nutenförmige Schlitze angebracht. Wird der Hautbohrer innen von vorn in die äußere Bohrkrone hineingesteckt, greifen die drei Klauen in die Schlitze ein und ragen auf deren Rückseite um 4 mm hindurch. In die Gewindebohrung im hinteren Teil wird nach dem Aufstecken der Antriebshülse der Verbindungszapfen eingeschraubt. Der Verbindungszapfen ist ein 35 mm langer Titanstift, der im vorderen Teil mit Außengewinde, passend zum inneren Hauptbohrer, einem zylindrischen Stück und am Ende mit einem Bund versehen, ausgebildet ist. Im hinteren Teil ist axial in die Bundfläche eine Bohrung eingebracht. Der Bund auf dem Verbindungszapfen ist erforderlich, um ein Herunterrutschen der Antriebshülse zu verhindern. Die Antriebshülse sitzt mit einem axialen Spiel von einigen Millimetern zwischen Bohrkrone und Bund auf dem Verbindungszapfen. Die Antriebshülse ist wiederum ein abgesetztes, zylindrisches Titanteil mit drei nutenförmigen Vertiefungen, in welche die drei Klauen des inneren Hauptbohrers eingreifen können. Auf dem Bund der Antriebshülse ist ein Außengewinde aufgebracht. Nach dem Einsetzen einer Druckfeder, in Form einer Spiralfeder mit Durchmesser von 3 mm und einer Länge von 20 mm, in die axiale Bohrung des Verbindungszapfens wird der Spannadaptor, (auch unter der Bezeichnung HUDSON – Schaft bekannt) auf das Außengewinde der Antriebshülse fest aufgeschraubt und die Druckfeder dabei unter Vorspannung gesetzt. Der hintere Teil des Spannadaptors besteht aus einem Zapfen mit einer Schlüsselfläche, um das Drehmoment von der Bohrmaschine zu übertragen. Die Längenverhältnisse von Verbindungszapfen, die Eintauchtiefe in den Spannadaptor und die Druckfeder sind so aufeinander abgestimmt, dass die Druckfeder den inneren Hauptbohrer und die äußere Bohrkrone um 3 mm von der fest mit dem Spannadaptor verschraubten Antriebshülse auf Distanz hält.
• Nach Einspannen des Spannadaptors in die Bohrmaschine wird das Drehmoment über die Schlüsselflächen auf die Antriebshülse übertragen, ohne dass die schneidenden Teile des Bohrers angetrieben werden. Wird die Zentrierspitze des inneren Hauptbohrers auf die zu bohrende Unterlage aufgesetzt, wird die Druckfeder zusammengedrückt und schiebt die Antriebshülse axial auf das Klauensystem des inneren Hauptbohrers. Es entsteht der erforderliche Formschluß, wodurch die Kraftübertragung realisiert wird. Mit Einleitung des Drehmomentes verhaken die Klauen des Bohrers in den nuten – nierenförmige Vertiefungen der Antriebshülse: Das Drehmoment wird auch auf die äußere Bohrkrone übertragen, da die Klauen durch die Schlitze in der äußeren Antriebshülse ragen. Nach dem Austritt des inneren Bohrers aus dem gebohrten Material wird die Druckfeder nicht mehr zusammengedrückt und trennt somit den Antriebsmechanismus von den schneidenden Bohrerteilen und es erfolgt keine Kraftübertragung mehr auf die Bohrerteile.

Claims (16)

1. Nichtmagnetisches Bohrersystem mit keramischen Schneiden, bestehend aus einem Antriebsteil und einem Funktionsteil, wobei das Antriebsteil aus einem nichtmagnetischen Metall besteht und mit dem Funktionsteil kraftschlüssig verbunden ist, wobei die Kraftübertragung nicht permanent ist, und das Funktionsteil mindestens aus einem Bohrer besteht, dessen Schneiden aus einem nichtmagnetischen keramischen Material bestehen, und das Funktionsteil mindestens im Bereich der Verbindung zum Antriebsteil aus einem nichtmagnetischen Metall besteht, wobei die Verbindung zwischen nichtmagnetischem Metall und nichtmagnetischem keramischen Material form- und kraftschlüssig ausgebildet ist.
2. Bohrersystem nach Anspruch 1, bei dem als nichtmagnetisches keramisches Material Zirkonoxidkeramiken oder Siliciumnitridkeramiken eingesetzt sind.
3. Bohrersystem nach Anspruch 1, bei dem als nichtmagnetisches Metall Titan eingesetzt ist.
4. Bohrersystem nach Anspruch 1, bei dem die Verbindung zwischen dem nichtmagnetischen Metall und dem nichtmagnetischen keramischen Material durch eine Schrumpfverbindung oder eine Konusverbindung oder eine Bajonettverbindung oder eine Polymerverbindung oder eine Schweißverbindung realisiert ist.
5. Bohrersystem nach Anspruch 4, bei dem bei einer Konusverbindung der Innenkonus aus Titan und der Außenkonus aus einem nichtmetallischem keramischem Material aufgebaut sind, deren Verbindung durch einen Spannring gesichert ist.
6. Bohrersystem nach Anspruch 4, bei dem bei der Bajonettverbindung der Innenkonus aus Titan mit zwei um 180 ° zueinander versetzten Stiften fest verbunden ist und im Außenkonus aus einem nichtmetallischen keramischen Material eine Wendel mit geringer Steigung eingearbeitet ist, die zur Aufnahme der Stifte dient.
7. Bohrersystem nach Anspruch 4, bei dem die Polymerverbindung in Vertiefungen der Verbindungsflächen aufgebracht sind, die eine kraftschlüssige Verbindung realisieren.
8. Bohrersystem nach Anspruch 7, bei dem Polymerverbindungen eingesetzt werden, die biokompatibel, sterilisierbar und rückstandsfrei entfernbar sind.
9. Bohrersystem nach Anspruch 4, bei dem bei einer Schrumpfverbindung das keramische Teil mit einem verjüngten Endstück versehen ist und der metallische Teil eine Aufnahme für das verjüngte Endstück aufweist.
10. Bohrersystem nach Anspruch 9, bei dem das verjüngte Endstück des keramischen Teiles mit eine Bohrung versehen ist, in die ein Stift aus einem nichtmagnetischen Metall hineinragt, wobei der Stift mindestens teilweise auch durch eine Bohrung im metallischen Teil hineinragt.
11. Bohrersystem nach Anspruch 1, bei dem die nichtpermanente Kraftübertragung zwischen dem Antriebsteil und dem Funktionsteil durch eine Druckschraubenfeder realisiert ist.
12. Bohrersystem nach Anspruch 1, bei dem das als Bohrer ausgebildete Funktionsteil aus einem innenliegenden Hauptbohrer und einer diesen Hauptbohrer umgebenden Bohrkrone besteht.
13. Bohrersystem nach Anspruch 12, bei dem auch die Bohrkrone Schneiden aus Keramik aufweist.
14. Bohrersystem nach Anspruch 12, bei dem der Hauptbohrer und die Bohrkrone so angeordnet sind, dass ihre Schneiden koaxial zueinander stehen.
15. Bohrersystem nach Anspruch 12, bei dem der Hauptbohrer aus einem nichtmagnetischen keramischen Material besteht.
16. Bohrersystem nach Anspruch 1, bei dem der Bohrer des Funktionsteiles durchgehend oder nicht durchgehend hohl ausgebildet ist und Sensoren enthalten kann oder zur Aufnahme von Instrumenten dienen kann.