DE19747979C2 - Verfahren und Vorrichtung für die Herstellung eines individuellen Knochenersatzes sowie ein Verfahren für die Herstellung einer individuell angepaßten Resektionsschablone - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Herstellung eines individuellen Knochenersatzes für die rekonstruktive Chirurgie aus einem medizinisch zugelassenen Implantationsmaterial, bei welchem der Knochenersatz mittels eines rechnergesteuerten spanabhebenden Formge­ bungsverfahrens anhand eines individuell ermittelten Datensatzes aus einem Rohteil herausgearbeitet wird, wobei der Datensatz aus der Differenz eines vorhandenen oder rechnergestützt konstruierten Sollmodells der Knochen­ struktur und eines mittels eine bildgebenden Verfahrens akquirierten dreidi­ mensionale Ist-Modells derselben Knochenstruktur gewonnen wird.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren für die Herstellung einer individuell angepaßten Resektionsschablone zur Vorbereitung der Implantation.

Vergleichbare Verfahren sind beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldung WO 95/15131 oder der Zeitschrift "Deutsches Ärzteblatt 94" Heft 38, 19.09.1997 bekannt. Weiterhin ist aus der DE 37 27 312 A1 eine Einrichtung zur Positionierung eines Werkstückes in einer Gießform für einen Eingußspannblock bekannt. Dabei wird ein Werkstück in eine Gießform eingesetzt und von einem Stützmaterial umgossen. Während der nachfolgenden spanabhebenden Formgebung bleibt das Werkstück in diesem Stützmaterial eingebettet und wird dadurch fixiert.

Bei dem eingangs genannten, vorbekannten Verfahren für die Herstellung von Knochenersatz wird der Knochenersatz mittels einer rechnergesteuerten Fräsmaschine aus einem Block oder entsprechend vorgefertigten Formteil (Rohteil) aus Implantationsmaterial, beispielsweise Titan oder einem anderen medizinisch zugelassenen Implantationsmaterial durch spanabhebende Bear­ beitung herausgearbeitet.

Diese Bearbeitung gestaltet sich schwierig, weil der Knochenersatz häufig sehr dünnwandig ist und außerdem komplizierte räumliche Konturen hat. Infolgedessen ist es sehr schwierig, das Werkstück ausreichend genau und reproduzierbar in der spanabhebenden Bearbeitungseinrichtung zu fixieren und bei dieser Einspannung eine ausreichende Abstützung in allen Bearbeitungsrichtungen zu gewährleisten. Außerdem müssen nach der Bearbeitung die an den Werkstücken belassenen Hilfs-Stützflächen entfernt werden, was eine umständliche Nachbearbeitung von Hand erfordert. Schließlich besteht die Gefahr, daß das dünnwandige Material bei der Bearbeitung örtlich in Schwingung gerät, sich elastisch verformt oder überhitzt wird, was zu Bearbeitungsungenauigkeiten führen kann oder dazu, daß sich das dünnwandige, überhitzte Material örtlich verzieht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, das Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß ein positionsgenaues und reproduzierbares Einspannen des Rohlings mit einer ausreichenden Abstützung in allen Bearbeitungsrichtungen sichergestellt ist, Schwingungen des zu bearbeitenden Materials vermieden werden, die kritische Wärme problemlos abgeführt wird und eine Nachbearbeitung des rechnergesteuert hergestellten Knochenersatzes von Hand nicht mehr notwendig ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß das Rohteil während der spanabhebenden Formgebung in ein vom Implantationsmaterial ablösbaren Stützmaterial eingebettet wird, daß das Rohteil vor dem Eingießen in das Stützmaterial in einer zerlegbaren, mehrteiligen Spannwanne angeordnet und in Bezug auf an einer Seitenwand der Spannwanne befindliche Referenzflächen ausgerichtet wird, die mit Gegenreferenzflächen der rechnergesteuerten Formgebungseinheit korrespondieren, daß die Spannwanne mindestens so weit mit Stützmaterial aufgefüllt wird, daß das Rohteil in dem Stützmaterial für die spanabhebende Bearbeitung ausreichend statisch und dynamisch fixiert ist und daß nach dem Erstarren oder Aushärten des Stützmaterials die Begrenzungswände der Stützwanne abgenommen werden, wobei die mit den Referenzenflächen versehene Seitenwand und die dieser gegenüberliegende Seitenwand als Einspannhilfsmittel an dem Gußkörper mit dem darin eingebetteten Rohteil verbleiben.

Das Verfahren gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß das Rohteil bzw. auch das halbfertige Werkstück während der gesamten Bearbeitung allseitig gestützt ist. Dadurch, daß das Werkstück während des gesamten Bearbei­ tungsvorganges in dem Stützmaterial eingebettet bleibt, verändert es seine Lage in Bezug auf das Stützmaterial nicht.

Die allseitige Einbettung und Abstützung am Stützmaterial sorgt dafür, daß das zu bearbeitende Implantationsmaterial während des Bearbeitungsvorgan­ ges nicht in Schwingungen gerät, auch wenn es sehr dünnwandig wird. Ins­ besondere wird eine zu Formabweichung führende elastische Verformung unter Einfluß der Spannkräfte vermieden. Außerdem wird über das Stützma­ terial die bei der Bearbeitung zugeführte Wärme abgeführt, so daß es auch nicht zu örtlichen Überhitzungen kommen kann.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfin­ dung sieht vor, daß die Bearbeitung des Rohteiles in der rechnergesteuerten Formgebungseinrichtung abschnittsweise in aufeinanderfolgenden Arbeits­ schritten erfolgt, wobei vor einem neuen Arbeitsschritt der bereits fertig bearbeitete Abschnitt erneut soweit in Stützmaterial eingegossen wird, wie es für die Fixierung des Rohteiles für den nachfolgenden Arbeitsschritt erfor­ derlich ist.

Durch diese Maßnahmen wird sichergestellt, daß das Werkstück auch bei fortschreitender Bearbeitung sicher fixiert bleibt, ohne seine Position relativ zum Stützmaterial zu verändern. Insbesondere bleibt sichergestellt, daß das Werkstück bei fortschreitender Bearbeitung immer ausreichend großflächig an dem Stützmaterial abgestützt bleibt, was nicht der Fall wäre, wenn das Werkstück gegen Ende der Bearbeitung weitestgehend freigelegt wäre.

Weiterhin ist sichergestellt, daß auf einfache Weise der reale Werkstücknullpunkt mit dem Nullpunkt des ermittelten rechnerinternen Werkstückmodells abgeglichen werden kann. Dabei dient die an dem Gußstück mit dem eingebetteten Rohling verbleibende, mit Referenzflächen versehene Seitenwand in vorteilhafter Weise zugleich als Aufspann- und Positionierungshilfsmittel mit genau definierter Lage relativ zu dem eingegossenen Rohling.

Als Implantationsmaterial wird vorzugsweise, wie gemäß Stand der Technik üblich, Titan verwendet. In diesem Fall ist als Stützmaterial besonders eine niedrigschmelzende Metallegierung verwendbar. Diese niedrigschmelzende Metallegierung kann nach Abschluß der Bearbeitungsvorgänge auf einfache Weise von dem fertigen Knochenersatz abgeschmolzen werden, ohne daß dieser nachbearbeitet werden müßte.

Als Alternative kommt als Implantationsmaterial auch ein biokompatibler Kunststoff oder eine biokompatible Keramik in Frage, soweit diese spanab­ hebend bearbeitbar sind. Soweit diese Materialien sich nicht mit einer nied­ rigschmelzenden Metallegierung vertragen, kann als Stützmaterial auch ein von diesen Materialien ablösbarer Kunststoff verwendet werden.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Spannwanne zur Durchführung des Verfahrens. Diese Spannwanne hat einen zerlegbaren, mehrteiligen Auf­ bau und weist eine Bodenplatte, Seitenwände und ggf. abnehmbare Aufbau­ ten für die Seitenwände auf. Dabei sind zwei gegenüberliegende Seiten­ wände innen mit hinterschnittenen Einformungen, z. B. schwalbenschwanz­ förmigen Nuten versehen, in die das Stützmaterial beim Eingießen eindringen kann, um einen festen Verbund mit dem entstehenden Gußkörper herzustel­ len. Eine der auf diese Weise mit dem Gußkörper fest verbindbaren Seiten­ wände ist mit Referenzflächen für das Werkstückkoordinatensystem verse­ hen.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren für die Herstellung einer individuell angepaßten Resektionsschablone zur Vorbereitung der Implantation eines Knochenersatzes, der nach dem oben erläuterten Verfah­ ren hergestellt ist. Diese Resektionsschablone soll es möglich machen, im Rahmen von Tumoroperationen den aufzufüllenden Knochendefekt geome­ trisch analog zu dem einzusetzenden Knochenersatz herzustellen und nach­ folgend paßgenau mit dem individuellen Knochenersatz wieder zu verschließen. Diese Resektionsschablone benötigt schlitzförmige Führungen oder überhöhte Anlageflächen, an denen ein Instrument zur chirurgischen Knochenresektion genau räumlich orientiert geführt werden kann. Darüber hinaus enthält diese Resektionsschablone ggf. Löcher zur Herstellung von Bohrungen im Knochen, die mit den Befestigungslöchern im Bereich des Befestigungsflansches des Knochenersatzes korrespondieren.

Um eine solche Resektionsschablone paßgenau herstellen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß anhand des individuellen Datensatzes für die Herstellung des Knochenersatzes die Außenkontur des Knochenersat­ zes und ggf. die Befestigungslöcher im Bereich des Befestigungsflansches des Knochenersatzes im Rechnermodell dargestellt werden und mittels einer rechnergesteuerten spanabhebenden Formgebungseinrichtung aus einem Schablonenrohteil herausgearbeitet werden können, wobei das Rohteil wäh­ rend der spanabhebenden Formgebung in ein vom Herstellungsmaterial der Schablone ablösbares Stützmaterial eingegossen ist.

Die Herstellung der Schablone erfolgt also vollständig analog zur eingangs erläuterten Herstellung des Knochenersatzes, so daß sich für die Herstellung der Resektionsschablone die gleichen Vorteile ergeben, wie bei der Herstel­ lung des Knochenersatzes selbst.

Ein Ausführungsbeispiel für das Verfahren gemäß der Erfindung wird im fol­ genden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Einen Schnitt durch die Spannwanne nach dem Eingießen des Stützmaterials;

Fig. 2: den ersten Schritt des Bearbeitungsvor­ ganges in der spanabhebenden Bearbei­ tungseinrichtung schematisch,

Fig. 3: den Gußblock nach Ausgießen der im ersten Bearbeitungsvorgang entstandenen Hohlräume,

Fig. 4: den nachfolgenden Bearbeitungsvorgang in der spanabhebenden Bearbeitungsein­ richtung.

In Fig. 1 ist die Spannwanne in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Spannwanne weist einen Boden 2, Seitenwände 3a und 3b und abnehmbare Aufbauten 4a und 4b für die gegebenenfalls erforderliche Erhöhung der Seitenwände 3a und 3b auf. Alle diese Teile sind lösbar, aber flüssigkeitsdicht miteinander verbunden.

Die einander gegenüberliegenden Seitenwände 3a und 3b sind innen jeweils mit hinterschnittenen Nuten 5a und 5b versehen, in die das in den Innen­ raum der Spannwanne 1 eingegossene Stützmaterial 6 eindringen kann. Die­ ses Stützmaterial 6 besteht aus einer niedrigschmelzenden Metallegierung, beispielsweise aus einer Wissmut-Zinn-Legierung.

Die rechte Seitenwand 3b ist außen mit Referenzflächen 7 versehen, die mit Gegenreferenzflächen der weiter unten erläuterten Einspannvorrichtung der rechnergesteuerten, spanabhebenden Bearbeitungseinrichtung korrespondie­ ren.

In das Stützmaterial 6 ist ein Rohling 8 eingebettet, der beim Ausführungs­ beispiel aus einem massiven, quaderförmigen Titanblock besteht. Aus die­ sem Rohling 8 soll der in Fig. 1 in gestrichelten Linien dargestellte Knoche­ nersatz 9 durch spanabhebende Bearbeitung herausgearbeitet werden. Um den Bearbeitungsaufwand zu verringern, kann in der Praxis der Rohling 8 eine schon mehr an die Form des Knochenersatzes 9 angenäherte Form haben. In jedem Fall ist aber wesentlich, daß der Rohling 8 den herzustellen­ den Knochenersatz 9 nach allen Seiten hin einhüllt.

Der Rohling 8 wird derart in der Spannwanne 1 positioniert, daß er eine ge­ nau definierte Lage in Bezug auf die Referenzflächen 7 einnimmt. Sodann wird die Spannwanne 1 mit dem Stützmaterial 6 angefüllt, und zwar soweit, daß das Stützmaterial den Rohling 1 überall ausreichend weit überdeckt.

Nachdem das Stützmaterial erstarrt ist, werden von der Spannwanne 1 der Boden 2 und die Aufbauten 4a und 4b abgenommen. Die Seitenwände 3a und 3b bleiben demgegenüber wegen der schwalbenschwanzförmigen Nuten 5a und 5b mit dem aus Stützmaterial 6 bestehenden Gußblock und dem ein­ gebetteten Rohling 8 verbunden.

Der Gußblock 8 wird sodann in der in Fig. 2 dargestellten Spannvorrichtung 10 einer im übrigen nicht näher dargestellten rechnergesteuerten, spanabhe­ benden Bearbeitungseinrichtung aufgespannt. Dabei werden die Referenz­ flächen 7 an der Seitenwand 3b mit Gegenreferenzflächen 11 der Spannvor­ richtung 10 zur Deckung gebracht. Sodann wird das spanabhebende Bear­ beitungswerkzeug 12 der Bearbeitungsvorrichtung numerisch gesteuert ver­ fahren und die Kontur der Oberseite des Knochenersatzes 9 hergestellt. Dabei fräst das Fräswerkzeug der spanabhebenden Bearbeitungseinrichtung sowohl das Stützmaterial 6, als auch das überflüssige Material des Rohlings 8 soweit weg, daß die herzustellende Oberfläche des Knochenersatzes 9 entsteht (vgl. Fig. 2).

Nach Abschluß dieses Arbeitsschrittes wird der Gußblock aus der Bearbei­ tungseinrichtung herausgenommen, um die durch die Bearbeitung entstan­ denen Hohlräume wieder mit Stützmaterial 6 auszugießen (vgl. Fig. 3). Anschließend wird der Gußblock gewendet, und die Bearbeitung der in der ersten Aufspannung unbearbeiteten Seite erfolgt in gleicher Weise.

Da bei der Bearbeitung der Rückseite des Knochenersatzes 9 das Werkstück schon erheblich dünner und labiler wird, muß bei der Herstellung der Rück­ seite der Fräsvorgang in mehrere Schritte unterteilt werden, wobei nach Abschluß des jeweils vorangehenden Arbeitsschrittes die entstandenen Hohl­ räume wieder mit Stützmaterial 6 vergossen werden. Auf diese Weise bleibt der herzustellende Knochenersatz 9 bis zum endgültigen Abschluß seiner Bearbeitung ausreichend fest in dem Gußblock eingespannt.

Nach Abschluß der Fräsarbeiten wird die Spannwanne wieder komplettiert und beheizt, bis das Stützmaterial 6 flüssig ist. Der fertige Knochenersatz 9 schwimmt dann oben auf dem flüssigen Stützmaterial 6.

Bei der Herstellung der beanspruchten Resektionsschablone wird ebenfalls wie oben verfahren.

Claims (6)

1. Verfahren für die Herstellung eines individuellen Knochenersatzes (9) für die rekonstruktive Chirurgie aus einem medizinisch zugelassenen Implantationsmaterial, bei welchem der Knochenersatz mittels eines rechnergesteuerten spanabhebenden Formgebungsverfahrens anhand eines individuell ermittelten Datensatzes aus einem Rohteil (8) herausgearbeitet wird, wobei der Datensatz aus der Differenz eines vorhandenen oder rechnergestützt konstruierten Sollmodells der Knochenstruktur und einem mittels eines bildgebenden Verfahrens akquirierten dreidimensionalen Ist-Modells derselben Knochenstruktur gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Rohteil (8) während der spanabhebenden Formgebung in ein vom Implantationsmaterial ablösbares Stützmaterial (6) eingebettet wird,
daß das Rohteil (8) vor dem Eingießen in das Stützmaterial in einer zerlegbaren, mehrteiligen Spannwanne (1) angeordnet und in Bezug auf an einer Seitenwand (3b) der Spannwanne (1) befindliche Referenzflächen (7) ausgerichtet wird, die mit Gegenreferenzflächen (11) der rechnergesteuerten Formgebungseinrichtung (10) korrespondieren,
daß die Spannwanne (1) mindestens soweit mit Stützmaterial (6) auf­ gefüllt wird, daß das Rohteil (8) in dem Stützmaterial für die spanabhebende Bearbeitung ausreichend statisch und dynamisch fixiert ist,
und daß nach dem Erstarren oder Aushärten des Stützmaterials (6) die Begrenzungswände der Stützwanne (1) abgenommen werden, wobei die mit den Referenzflächen (7) versehene Seitenwand (3b) und die dieser gegenüberliegende Seitenwand (3a) als Einspannhilfsmittel an dem Gußkörper mit dem darin eingebetteten Rohteil (8) verbleiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung des Rohteiles (8) in der rechnergesteuerten Formge­ bungseinrichtung abschnittsweise in aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten erfolgt, wobei vor einem neuen Arbeitsschritt die bereits fertig bearbeiteten Abschnitte erneut soweit in Stützmaterial (6) eingegossen werden, wie es für die Fixierung des Rohteiles (8) für den nachfolgenden Arbeitsschritt erforderlich ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Implantationsmaterial Titan und als Stützmaterial eine niedrigschmelzende Metallegierung verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Implantationsmaterial ein biokompatibler Kunststoff oder Keramik und als Stützmaterial ein von diesen Materialien ablösbarer Kunststoff verwendet werden.

5. Spannwanne zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen mehrteiligen, zer­ legbaren Aufbau, bestehend aus einer Bodenplatte (2) und Seitenwänden und gegebenenfalls abnehmbaren Aufbauten (4a, 4b) für die Seitenwände (3a, 3b), wobei zwei gegenüberliegende Seitenwände (3a, 3b) innen mit hinterschnittenen Einformungen (5a, 5b) versehen sind und eine dieser Seitenwände (3b) mit Referenzflächen (7) versehen ist, die mit der Gegenreferenzflächen (11) der rechnergesteuerten Formgebungseinrichtung (10) korrespondieren.

6. Verfahren für die Herstellung einer individuell angepaßten Resektionsschablone zur Vorbereitung der Implantation eines nach dem Ver­ fahren der Ansprüche 1 bis 3 hergestellten Knochenersatzes, dadurch gekennzeichnet, daß anhand des individuellen Datensatzes für die Herstel­ lung des Knochenersatzes die Außenkontur des Knochenersatzes und gege­ benenfalls die Befestigungslöcher im Bereich der Befestigungsflansche des Knochenersatzes im Rechnermodell dargestellt und mittels einer rechnerge­ steuerten spanabhebenden Formgebungseinrichtung aus einem Schablonen­ rohteil herausgearbeitet werden, wobei das Schablonenrohteil während der spanabhebenden Formgebung in ein vom Herstellungsmaterial der Schablone ablösbaren Stützmaterial eingegossen ist.