DE19804065A1 - Jet cutting method useful for cutting biological tissue, e.g. human connective and skeletal tissue - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf Trennverfahren für biologische Gewebe, insbesondere Binde- und Stützgewebe des menschlichen Körpers wie Knochen, Knorpel, Sehnen, Gelenkinnenhaut, Menisken, Zahnsubstanz etc., sowie für biokompatible Materialien und Werkstoffe wie Knochenzement (PMMA), Implantatwerkstoffe und andere Materialien.The invention relates to separation processes for biological tissues, especially connective and supporting tissues of the human body such as bones, Cartilage, tendons, inner skin of the joint, menisci, tooth structure etc., as well as for biocompatible materials and materials such as bone cement (PMMA), Implant materials and other materials.
Generell soll es so universell wie zum Beispiel eine Säge oder ein Messer einzusetzen sein. Prinzipbedingt ist darüber hinaus selektives Trennen verschiedener Materialien voneinander möglich, wenn sich deren mechanische Eigenschaften genügend voneinander unterscheiden wie z. B. Meniskusgewebe und Knorpel, Knochen und Knorpel, Knochen und Knochenzement (PMMA) oder Knochen und Implantatwerkstoff.In general, it should be as universal as, for example, a saw or a knife to be used. In addition, selective separation is inherent in the principle different materials from each other possible if their mechanical Differentiate properties sufficiently from each other, e.g. B. meniscal tissue and Cartilage, bone and cartilage, bone and bone cement (PMMA) or Bones and implant material.
In den sechziger Jahren wurden Wasserstrahlen hoher kinetischer Energie ursprünglich für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, vor allem zum Schneiden von Faserverbundwerkstoffen, konzipiert. Inzwischen ist der Wasserstrahl in vielen Bereichen der industriellen Fertigungstechnik nicht nur ein etabliertes Schneid-, sondern auch Bohr- und Reinigungswerkzeug:In the 1960s, water jets became high kinetic energy originally for aerospace applications, especially for cutting of fiber composite materials. The water jet is now in many Areas of industrial manufacturing technology not just an established cutting, but also drilling and cleaning tools:
Die Vorteile gegenüber klassischen Trennverfahren liegen unter anderem im athermischen Charakter des Schneidprozesses, in der Möglichkeit einer selektiven Abtragung eines Werkstoffes, wenn die mechanischen Eigenschaften unterschiedlich genug sind, in der geringen mechanischen Belastung des Werkstückes sowie der weitgehenden Verschleißfreiheit des Schneidwerkzeuges selbst. Der Einsatzbereich des "klassischen" Wasserstrahlschneidens ist jedoch vorwiegend auf nichtmetallische Werkstoffe beschränkt, weil sich die zum Schneiden härterer Werkstoffe sehr hohen Pumpendrücke kaum realisieren lassen.The advantages compared to traditional separation processes include athermal character of the cutting process, in the possibility of selective Removal of a material if the mechanical properties are different enough in the low mechanical load of the Workpiece and the extensive freedom from wear of the cutting tool itself. The area of application of "classic" water jet cutting is however mainly limited to non-metallic materials, because the Cutting hard materials, very high pump pressures can hardly be realized.
Anfang der achtziger Jahre wurde das Wasser-Abrasiv-Strahlschneiden entwickelt, wobei die Trennwirkung des Wasserstrahls durch den Zusatz von Feststoffen als Schnitt- bzw. Abrasivmedium auf den Bereich der Bearbeitung von Metall-, Glas- und Keramikwerkstoffen ausgedehnt werden konnte. Dabei dient der Wasserstrahl beim Wasserabrasivstrahlschneiden als fluidgetragener Impulsstrom zur Leistungsübertragung auf das eigentliche Schnittmedium, den Abrasivstoff.At the beginning of the eighties, water-abrasive jet cutting was developed, the separating effect of the water jet by adding solids as Cutting or abrasive medium for the processing of metal, glass and ceramic materials could be expanded. The water jet serves here in water abrasive jet cutting as a fluid-borne impulse stream Power transfer to the actual cutting medium, the abrasive.
Die durch den Energieträger auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigten Abrasivstoffpartikel führen zu einem lokalen Materialabtrag durch abrasive Belastung (Mikrozerspanung, Mikrokerbung) am Werkstück. Als Abrasivstoff wird in der Industrie hauptsächlich Granatsand verwendet, da dieser Stoff bislang die widersprüchlichen Anforderungen nach einem hohen Schneidvermögen am Werkstück bei gleichzeitig niedrigem Verschleiß an der Wasserabrasivdüse am besten vereint. The accelerated to high speeds by the energy source Abrasive particles lead to local material abrasion Load (micro-machining, micro-notching) on the workpiece. As an abrasive is in the industry mainly uses garnet sand, as this substance has so far conflicting requirements for a high cutting capacity on the Workpiece with low wear on the water abrasive nozzle on the best united.
Problem beim Einsatz des Flüssigkeitsabrasivstrahl-Schneidens in der biologischen
Anwendung ist der Abrasivstoff selbst: Die technisch verwendeten Abrasivstoffe wie
z. B. Granatsand oder Korund sind nicht einsetzbar, weil diese Partikel
wasserunlöslich sind und nach dem eigentlichen Abrasionsvorgang selbst bei
sorgfältigster Spülung und Absaugung nicht vollständig aus dem angrenzenden
Gewebe oder Material entfernt werden könnten. Ein hier verwendbarer Abrasivstoff
muß daher folgende Eigenschaften aufweisen:
The problem with the use of liquid abrasive jet cutting in biological applications is the abrasive itself. B. garnet sand or corundum cannot be used because these particles are water-insoluble and could not be completely removed from the adjacent tissue or material after the actual abrasion process, even with the most careful rinsing and suction. An abrasive used here must therefore have the following properties:
- - Wasserlöslichkeit, damit der Abrasivstoff nach dem eigentlichen Abtragungs vorgang, in Spülflüssigkeit gelöst und verdünnt, abgesaugt werden kann- Water solubility, so that the abrasive after the actual ablation process, dissolved in dilution liquid and diluted, can be suctioned off
- - biologisch/pharmakologische Unbedenklichkeit- biological / pharmacological safety
- - hohe Molmasse zur Einhaltung der physiologischen Osmolarität- High molecular weight to maintain physiological osmolarity
Die unter Patentanspruch 4 aufgeführten Substanzen erfüllen diese Bedingungen in ausreichendem Maße.The substances listed in claim 4 meet these conditions in sufficient measure.
Damit bietet sich dem Anwender ein Trennverfahren, welches gegenüber den oben
aufgeführten herkömmlichen Werkzeugen folgende Vorteile aufweist:
This offers the user a cutting process which has the following advantages over the conventional tools listed above:
- 1. Hohe, effektive Materielabtragrate1. High, effective material removal rate
- 2. Selektive Abtragung verschiedener Gewebe oder Materialien innerhalb eines bestimmten "Druckfensters" aufgrund der unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften (zum Beispiel: Abtrag von PMMA bei weitgehender Schonung des Knochens [elastisch, gut zug- und druckbelastbar und PMMA (spröde, empfindlich gegenüber Zug und Kerbung]).2. Selective removal of different tissues or materials within one certain "pressure window" due to the different mechanical Properties (for example: removal of PMMA while largely protecting the Bones [elastic, good tensile and compressive strength and PMMA (brittle, sensitive to tension and notching]).
- 3. Höhere Werkzeugreichweite auch im Spalt.3. Higher tool range also in the gap.
- 4. "Herausspülen" des Abraums (zum Beispiel Knochenzement entlang einer Implantatkontur: Die harten metallischen Prothesen-Werkstoffe werden durch die vergleichsweise niedrigen Drücke und den im Vergleich zu industriellen relativ weichen biokompatiblen Abrasivstoffen nicht angegriffen, d. h. der Schneidstrahl kann tangential auch an gekrümmten Implantatoberflächen entlang "gestrahlt" werden)4. "Rinsing out" the overburden (for example, bone cement along one Implant contour: The hard metallic prosthesis materials are made by the comparatively low pressures and relative to industrial ones soft biocompatible abrasives are not attacked, d. H. the cutting beam can also be "blasted" tangentially along curved implant surfaces will)
- 5. kalter Schneidprozess5. Cold cutting process
-
6. geringe Reaktionskräfte des Werkzeuges auf Anwender und Werkstück:
Handführung ist sogar bei Drücken von über 1000 bar möglich.6. low reaction forces of the tool on user and workpiece:
Manual guidance is possible even at pressures above 1000 bar.
Das Trennen von Knochen oder anderen Geweben ist durch Werkzeuge wie Messer, Osteotom, Bohrer, Fräse und Säge zum Teil hinreichend gelöst, doch werden Operationsaufgaben, die an die Grenzen heranreichen, immer häufiger:The separation of bones or other tissues is through tools like Knife, osteotome, drill, milling machine and saw partially sufficiently loosened, but surgical tasks that reach the limits are becoming increasingly common:
Als Beispiel wird im Folgenden die spezielle Anwendung als Werkzeug zur Entfernung und Implantation von künstlichen Gelenken insbesondere Hüftendoprothesen erläutert:As an example, the special application as a tool for Removal and implantation of artificial joints in particular Hip endoprostheses explained:
Bevor eine Prothese mit einem Ausschlagwerkzeug herausgetrieben wird, sollte der Operateur versuchen, den Verbindungsspalt mit herkömmlichen Werkzeugen wie Meißeln, Fräsen oder Bohrern so weit wie möglich zu trennen, um Verbindungs- Fläche zu verkleinern.Before a prosthesis with a removal tool is driven out, the Surgeon try to make the connection gap with conventional tools like Separate chisels, routers or drills as much as possible to Reduce area.
Schwierigkeiten ergeben sich aus dem eingeschränkten Zugang zum Implantat- Knochenzement-Verbindungsspalt und äußerst beengten Platzverhältnissen im Oberschenkelknochen (wenige Millimeter).Difficulties arise from restricted access to the implant Bone cement connecting gap and extremely limited space in the Femur (a few millimeters).
Die Nachteile genannter herkömmlicher Werkzeuge bei diesem Arbeitsvorgang sind
prinzipbedingt folgende:
The disadvantages of the conventional tools mentioned in this process are, in principle, the following:
- - begrenzte Reichweite bzw. Schnittiefe im Spalt- limited reach or depth of cut in the gap
- - nichtselektive Abtragung, d. h. keine Entfernung nur von Knochenzement bei Schonung angrenzenden Knochens- non-selective removal, d. H. no removal of bone cement only Protection of adjacent bone
- - Gefahr der Knochenspaltung durch einen Mindestplatzbedarf im Interface- Risk of bone splitting due to a minimum space requirement in the interface
- - Gefahr der thermischen Schädigung angrenzenden Knochengewebes- Risk of thermal damage to adjacent bone tissue
Nach der Entfernung der Prothese verbleibt der Knochenzementköcher größtenteils im Oberschenkelknochen. Dieser muß vor Beginn einer Re-Implantation entfernt werden. Hierzu dienen verschiedene korkenzieherartige Geräte, eine Anzahl verschieden geformter Meißel sowie Bohr- und Fräswerkzeuge:After removal of the prosthesis, the bone cement sheath remains largely in the thigh bone. This must be removed before the start of a re-implantation become. Various corkscrew-like devices are used for this, a number Different shaped chisels as well as drilling and milling tools:
Auch diese Technik bietet insbesondere durch die engen Platzverhältnisse im Femurschaft wenig Möglichkeiten, knochenschonend zu arbeiten, so daß es zu großen Substanzverlusten am Knochen kommen kann.This technology also offers in particular due to the limited space in the Femur shaft little opportunities to work gently, so it is too large substance loss on the bone can occur.
Die nicht zementierten Prothesen lassen sich in der Regel nicht ohne Aufsägen des Knochenrohres aus dem Knochen entfernen, da das Knochengewebe in die Beschichtung oder die rauhe Oberflächenstruktur eingewachsen ist und ein großer Teil dieses Verbindungsspaltes nur von außen durch oben genannte Werkzeuge gelöst werden kann. Dementsprechend groß ist der Knochenverlust und damit die Schädigung des Implantatlagers der neuen Prothese. The non-cemented prostheses can usually not be cut without sawing the Remove the bone tube from the bone as the bone tissue enters the Coating or the rough surface structure is ingrown and a great one Part of this connection gap only from the outside using the above-mentioned tools can be solved. Accordingly, the bone loss and thus the loss is large Damage to the implant site of the new prosthesis.
Seit 1976 wurden die Möglichkeiten überprüft, PMMA bei Reoperationen mittels
hochfrequent oszillierender Metallsonden (sogenannte Ultraschallsonden) im
Knochen zu bearbeiten. Diese Methode weist folgende Probleme auf:
Since 1976, the possibilities of processing PMMA in the bone during reoperations using high-frequency oscillating metal probes (so-called ultrasonic probes) have been examined. This method has the following problems:
- - Der amorphe Thermoplast Knochenzement (PMMA) wird durch die Hitze, die durch die Schwingungen des Ultraschallgerätes erzeugt wird, an der Grenzschicht zum Schmelzen gebracht. Der Zement muß bei Erweichung sofort entfernt werden, da sonst ein erneutes Aushärten, womöglich an einem anderen Ort, die Folge wäre.- The amorphous thermoplastic bone cement (PMMA) is affected by the heat is generated by the vibrations of the ultrasound device at the boundary layer melted. The cement must be removed immediately if it softens , otherwise a new hardening, possibly in a different place, the Consequence would be.
- - Die bei Erhitzung des PMMA entstehenden toxischen monomerhaltigen Dämpfe lassen ein Arbeiten nur unter einwandfreien Abzugs- und Lüftungsbedingungen zu.- The toxic monomeric vapors generated when the PMMA is heated only allow working under perfect fume cupboard and ventilation conditions to.
- - Die bei der Entfernung entstehenden Temperaturen in Prothesennähe reichen von 50°C bis 90°C, je nach der Kühlungsmethode. Durch diese Temperaturen werden thermische Schäden am Knochengewebe verursacht. Im Bereich von spongiösem Knochen besteht zusätzlich die Gefahr der Mitentfernung der gesunden Knochenbälkchen durch die thermischen Verletzung.- The temperatures generated during removal are close to the prosthesis from 50 ° C to 90 ° C, depending on the cooling method. Through these temperatures thermal damage to the bone tissue is caused. In the range of Cancellous bone is also at risk of co-removal healthy trabeculae due to thermal injury.
Versuche, Knochenzement mit Laser zu entfernen, zeigten, daß abgesehen von toxischen Dämpfen und dem Risiko der thermischen Schädigung angrenzenden Gewebes (s. o.), die Effizienz dieses Verfahrens mit Abtragraten von maximal 10 g/h eine intraoperative Anwendung per se ausschließt.Attempts to remove bone cement with laser showed that apart from toxic vapors and the risk of thermal damage adjacent Tissue (see above), the efficiency of this process with removal rates of up to 10 g / h precludes intraoperative use per se.
Die oben geschilderten Probleme werden durch die in den Patentansprüchen 1 bis 4 genannten Merkmale gelöst. The problems described above are solved by the in claims 1 to 4 mentioned features solved.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben:An embodiment of the invention is shown in the drawing 1 and is in described the following in more detail:
Es zeigenShow it
- 1. das eigentliche Handstück in Form eines Zylinders mit einem einseitigen Innengewinde zur Aufnahme der Mischkammer-Fokus-Einheit (6)1. the actual handpiece in the form of a cylinder with a one-sided internal thread for receiving the mixing chamber focus unit ( 6 )
- 2. die konzentrische Bohrung der Druckwasserzufuhr im Handstück2. the concentric bore of the pressurized water supply in the handpiece
- 3. ein konisches, selbstdichtendes Innengewinde zum Anschluß des Druckwasserschlauches3. a conical, self-sealing internal thread for connecting the Pressure water hose
- 4. eine konische Passung zur Abdichtung gegenüber der Wasserdüse (5)4. a conical fit for sealing against the water nozzle ( 5 )
- 5. die Wasserdüse, die mit dem Strahlberuhigungsrohr in die Mischkammer (6) eingesetzt und somit zwangszentriert ist, und die durch eine konische Passung gegenüber der Druckwasserbohrung (3, 4) abgedichtet ist5. the water nozzle, which is inserted with the jet calming tube into the mixing chamber ( 6 ) and thus is positively centered, and which is sealed off from the pressurized water bore ( 3 , 4 ) by a conical fit
- 6. die Mischkammer-Fokus-Einheit mit einer konzentrischen Bohrung als Mischkammer, die sich einseitig konisch zur Öffnung des eingelöteten Fokusrohres (8) hin verjüngt, und einem Aussengewinde, mit dem die Einheit in das Handstück eingeschraubt wird6. the mixing chamber-focus unit with a concentric bore as a mixing chamber, which tapers conically on one side towards the opening of the soldered focus tube ( 8 ), and an external thread with which the unit is screwed into the handpiece
- 7. eine in die Mischkammer einmündende konische Bohrung als Abrasivstoffzufuhr7. a conical bore opening into the mixing chamber as an abrasive feed
- 8. das Fokusrohr für den Wasser-Abrasivstrahl, das in die konische Mischkammer öffnung eingelötet ist8. The focus pipe for the water abrasive jet that flows into the conical mixing chamber opening is soldered
Das Druckwasser wird durch die Wasserdüse (5) gepresst und gelangt als fokussierter, kompakter Wasserstrahl in die Mischkammer (6). Dort bildet sich um den kompakten Kernstrahl herum ein Sprühkegel aus, der die Mischkammerwände benetzt und dadurch nach dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe einen leichten Unterdruck erzeugt. Der Abrasivstoff wird durch diesen Unterdruck mit seinem Fördermedium Luft angesaugt und über die Abrasivstoffzufuhr (7) in die Mischkammer und in den Hochdruckwasserstrahl injiziert (Injektorverfahren). Im nachgeschalteten Fokusrohr (8) wird der Wasserabrasivstrahl nochmals durchmischt und fokussiert.The pressurized water is pressed through the water nozzle ( 5 ) and reaches the mixing chamber ( 6 ) as a focused, compact water jet. There, a spray cone forms around the compact core jet, which wets the mixing chamber walls and thus generates a slight negative pressure based on the principle of the water jet pump. The abrasive material is sucked in air with its conveying medium by this negative pressure and injected into the mixing chamber and into the high-pressure water jet via the abrasive material feed ( 7 ) (injector method). The water abrasive jet is mixed and focused again in the downstream focus tube ( 8 ).
Wie Versuche zeigten, ist die druckabhängige Kontaktzeit des wasserlöslichen Abrasivstoffes mit seinem Förder- und Beschleunigungsmedium für eine vollständige Auflösung der Abrasivstoffpartikel nicht ausreichend. Daher können die Abrasivstoffpartikel beim Auftreffen auf den abzutragenden Werkstoff einen Materialabtrag bewirken.As experiments have shown, the pressure-dependent contact time is the water-soluble Abrasive with its conveying and acceleration medium for a complete Dissolution of the abrasive particles is not sufficient. Therefore, the Abrasive particles when hitting the material to be removed Effect material removal.
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