DE19905804C1

DE19905804C1 - Surgical instrument for removal of bone material has tool driven around rotary axis oscillating with rotary directing altering angularly

Info

Publication number: DE19905804C1
Application number: DE1999105804
Authority: DE
Inventors: Roland Alois Hoegerle
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 1999-02-12
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 2000-02-24
Anticipated expiration: 2019-02-13

Abstract

The bone material removal tool (14) is moved forwards and backwards additionally axially oscillating along the rotary axis. The drive (4,5) alters the direction of rotation at a rate from 15,000 to 30,000 rev/min, and for axial displacement alters the displacement direction at a rate from 2,000 to 10,000 rev/min. The drive between two rotary direction alterations rotates the material removal tool at an angle between 3 and 12 degrees.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zerspanung von Knochenmaterial mit einem um eine Drehachse drehbaren Zerspanungswerkzeug, welches man die Drehrichtung än dernd winkelmäßig oszillierend verdreht.The invention relates to a method for machining Bone material with a rotatable around an axis of rotation Cutting tool, which one changes the direction of rotation which rotates in an oscillating angle.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein chirurgisches In strument zum Zerspanen von Knochenmaterial mit einem um eine Drehachse drehbaren, von einem Antrieb die Dreh richtung ändernd winkelmäßig oszillierend angetriebenen Zerspanungswerkzeug.Furthermore, the invention relates to a surgical In instrument for cutting bone material with one an axis of rotation rotatable, from a drive the rotation direction changing angularly driven oscillating Cutting tool.

Beim Zerspanen von Knochenmaterial können die unter schiedlichsten Zerspanungswerkzeuge eingesetzt werden, beispielsweise Bohrer, Fräser, Trephine etc. Ziel eines solchen Vorganges ist es immer, Knochenmaterial zu ent fernen, sei es um dadurch einen kreisförmigen Schnitt in das Knochenmaterial einzubringen, beispielsweise um eine Knochenplatte aus dem Schädel herauszutrennen, sei es um eine Bohrung zu erzeugen.When cutting bone material, the under various cutting tools are used, for example, drills, milling cutters, trephines etc. Aim Such a process is always to remove bone material be it a circular cut in the bone material, for example in order to to separate a bone plate from the skull it to create a hole.

Es ist dabei bekannt, derartige Zerspanungswerkzeuge, die zum Zerspanen um eine Drehachse verdreht werden, nicht kontinuierlich zu verdrehen, sondern oszillie rend, d. h. man ändert die Drehrichtung dieser Zerspa nungswerkzeuge so häufig, daß die Zerspanungswerkzeuge nur einen relativ geringen Drehwinkel überstreichen, vgl. DE 297 17 118 U1. Dieser Drehwinkel muß mindestens so groß sein, daß be nachbarte Zähne am Zerspanungswerkzeug den Abstand zwi schen sich vollständig überstreichen, vorzugsweise wird der Drehwinkel jedoch so klein gewählt, daß er auch nicht sehr viel größer ist als dieser Minimalwert. Ein wesentlicher Vorteil dieses oszillierenden Verdrehens liegt darin, daß umgebende Weichteile von dem Zerspa nungswerkzeug nur über geringe Strecken mitgenommen werden, so daß eine Verletzung der umgebenden Weichtei le vermieden wird. Trotzdem hat sich herausgestellt, daß bei diesem oszillierenden Antrieb der Zerspanungs werkzeuge der Zerspanungsvorgang sehr effektiv durchge führt werden kann.It is known to use such cutting tools, which are turned around an axis of rotation for machining, not continuously twisting, but oscillation rend, d. H. you change the direction of rotation of this cutting tools so often that the cutting tools only cover a relatively small angle of rotation, cf. DE 297 17 118 U1. This angle of rotation must be at least so large that be adjacent teeth on the cutting tool the distance between completely overlap each other, preferably however, the angle of rotation is chosen so small that it too is not very much larger than this minimum value. On significant advantage of this oscillating twisting lies in the fact that surrounding soft tissues from the Zerspa tools only taken over short distances be so that an injury to the surrounding soft tissue le is avoided. Nevertheless, it turned out that with this oscillating drive the machining tools the cutting process very effectively can be led.

Es gibt aber Fälle, in denen bei einem solchen oszil lierenden Verdrehen der Zerspanungswerkzeuge die Abför derung der erzeugten Knochenspäne nicht in jedem Fall zufriedenstellend erfolgt, dadurch verzögert sich der Zerspanungsvorgang, und es besteht die Gefahr einer Verklemmung des Zerspanungswerkzeuges.But there are cases in which such an oszil the twisting of the cutting tools not always change the bone chips generated done satisfactorily, this delays the Machining process and there is a risk of Jamming of the cutting tool.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Ver fahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung so zu ver bessern, daß der Zerspanungsvorgang von Knochenmaterial noch effektiver erfolgen kann.It is an object of the invention to provide a generic Ver drive and ver a generic device improve the machining process of bone material can be done even more effectively.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs be schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man zusätzlich das Zerspanungswerkzeug längs der Drehachse axial oszillierend vor- und zurückschiebt. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß die Kombination einer Oszillation der Drehbewegung und einer Oszilla tion der axialen Verschiebung des Zerspanungswerkzeuges zu einer wesentlichen Erhöhung der Effektivität dieses Zerspanungsvorganges führt, die Überlagerung einer axialen Oszillationsbewegung zu der oszillierenden Drehbewegung scheint die Abförderung der erzeugten Kno chenspäne zu fördern und damit den Zerspanungsvorgang zu beschleunigen.This task is in a process of the beginning Written type solved according to the invention in that in addition the cutting tool along the axis of rotation pushes back and forth axially oscillating. It has surprisingly found that the combination an oscillation of the rotary motion and an oscillation tion of the axial displacement of the cutting tool to a significant increase in the effectiveness of this Machining process leads to the superposition of one axial oscillatory motion to the oscillating The movement of the kno produced seems to be rotating promote chips and thus the machining process to accelerate.

Die Frequenzen, mit denen die Drehbewegung und die axiale Verschiebebewegung erfolgen, sind vorzugsweise unterschiedlich, beispielsweise kann bei der Drehoszil lation mit 15.000 bis 30.000 Richtungswechseln pro Mi nute gearbeitet werden, bei der axialen Verschiebung mit etwa 2.000 bis 10.000 Richtungswechseln pro Minute.The frequencies with which the rotary motion and the axial displacement movement are preferred different, for example at the Drehoszil with 15,000 to 30,000 changes of direction per Wed be worked in the axial displacement with around 2,000 to 10,000 changes of direction per minute.

Zwischen zwei Drehrichtungsänderungen überstreicht das Zerspanungswerkzeug vorzugsweise Drehwinkel zwischen 3° und 12° und zwischen zwei axialen Verschieberichtungsän derungen verschiebt sich das Zerspanungswerkzeug typi scherweise um Strecken zwischen 0,1 mm und 1 mm.This sweeps between two changes in the direction of rotation Cutting tool preferably angle of rotation between 3 ° and 12 ° and between two axial displacement directions The cutting tool is typically shifting usually by distances between 0.1 mm and 1 mm.

Bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Zerspanungswerkzeug von dem Antrieb zusätzlich längs der Drehachse axial oszillierend vor- und zurück geschoben wird.In a device of the type described above This object is achieved in that the cutting tool from the drive axially oscillating back and forth along the axis of rotation is pushed.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines solchen In strumentes ist vorgesehen, daß eine Aufnahme für das Zerspanungswerkzeug in einer Halterung axial verschieb lich und unverdrehbar gelagert ist, daß die Halterung oszillierend verdrehbar ist und daß der Antrieb die Aufnahme in der Halterung axial oszillierend ver schiebt.In a preferred embodiment of such an In strumentes provides that a recording for the Axially move cutting tool in a holder Lich and non-rotatably mounted that the bracket is oscillating and that the drive Recording in the bracket axially oscillating ver pushes.

Günstig ist es weiterhin, wenn der Antrieb zur axialen Verschiebung der Aufnahme ein um die Drehachse des Zer spanungswerkzeuges verdrehbares Antriebselement umfaßt und wenn das Antriebselement und die Aufnahme stirnsei tig aneinander anliegende Nocken oder Nockenbahnen tra gen, die längs ihres Umfanges unterschiedliche axiale Erstreckung aufweisen. Es ist dadurch möglich, eine Drehbewegung eines kontinuierlich verdrehbaren An triebselementes umzusetzen in eine oszillierende Axial verschiebung der Aufnahme für das Zerspanungswerkzeug.It is also favorable if the drive for the axial Shift the recording around the axis of rotation of the Zer Cutting tool rotatable drive element comprises and when the drive element and the receptacle face cams or cam tracks resting against each other gene, the axial along their circumference different Show extension. This makes it possible Rotational movement of a continuously rotatable type implement drive element in an oscillating axial displacement of the holder for the cutting tool.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, daß die Halterung einen radial abstehenden Schwenkarm trägt, der mit ei nem rotierend antreibbaren Exzenter zusammenwirkt und bei dessen kontinuierlicher Verdrehung oszillierend verschwenkt wird. Durch eine solche Ausgestaltung kann auch das oszillierende Verdrehen des Zerspanungswerk zeuges über ein kontinuierlich rotierendes Antriebsele ment erzeugt werden, durch den Exzenter wird die konti nuierliche Drehbewegung in eine oszillierende Drehbewe gung umgesetzt.It can also be provided that the bracket carries a radially protruding swivel arm with egg interacts with a rotatably drivable eccentric and oscillating during its continuous rotation is pivoted. With such a configuration also the oscillating turning of the cutting machine testimony about a continuously rotating drive element ment are generated by the eccentric Nuclear rotary motion in an oscillating rotary motion implementation implemented.

Es ist dabei günstig, wenn die Drehachse des Exzenters parallel zur Drehachse der Halterung verläuft. It is advantageous if the axis of rotation of the eccentric runs parallel to the axis of rotation of the holder.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Halterung an einer Hohlwelle gela gert ist, die konzentrisch das Antriebselement für die axiale Verschiebung der Aufnahme umgibt. Man erhält da durch eine sehr kompakte Bauform für das Instrument.In a particularly preferred embodiment provided that the bracket on a hollow shaft gela is concentric, the drive element for the surrounding axial displacement of the recording. You get there due to a very compact design for the instrument.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.Further preferred embodiments of the invention are Subject of further subclaims.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausfüh rungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung zeigt eine perspektivische Ansicht eines teilweise geöffneten Instruments mit Oszillationsantrieben für ein Zerspa nungswerkzeug in Drehrichtung und in axialer Richtung.The following description of a preferred embodiment tion form of the invention serves in connection with the Drawing of the detailed explanation. The drawing shows a perspective view of a partially open Instruments with oscillation drives for a cutting machine tool in the direction of rotation and in the axial direction.

In der Zeichnung ist lediglich der vordere Teil des In strumentes dargestellt, im hinteren, nicht dargestell ten Teil des Instrumentes weist dieses beispielsweise einen üblichen Handgriff auf, wie er bei chirurgischen Instrumenten üblich ist, dieser Handgriff kann einen Elektromotor und ein Getriebe aufnehmen, mit dem die in der Zeichnung dargestellten Antriebsglieder im vorderen Teil des Instrumentes angetrieben werden.In the drawing, only the front part of the In strumentes shown, in the rear, not shown This part of the instrument has, for example a usual handle on, as in surgical Instruments is common, this handle can one Pick up electric motor and a gearbox with which the in the drawing shown drive elements in the front Part of the instrument are driven.

In diesem vorderen Teil 2 des Instrumentes 1, der von einem Gehäuse 3 umgeben ist, sind parallel nebeneinan der zwei Antriebswellen 4 und 5 angeordnet, die von ei nem Antrieb im hinteren Teil des Instrumentes kontinu ierlich verdreht werden können, dieser Antrieb kann ein Elektromotor oder ein pneumatischer Motor sein, wobei beide Antriebswellen 4 und 5 wahlweise gemeinsam vom selben Antrieb angetrieben werden können oder durch ge trennte Antriebe. Durch in der Zeichnung nicht darge stellte Getriebe kann die Drehzahl der Antriebswellen eingestellt werden.In this front part 2 of the instrument 1 , which is surrounded by a housing 3 , two drive shafts 4 and 5 are arranged in parallel next to each other, which can be continuously rotated by a drive in the rear part of the instrument, this drive can be an electric motor or be a pneumatic motor, wherein both drive shafts 4 and 5 can optionally be driven together by the same drive or by ge separate drives. By not shown in the drawing gearbox, the speed of the drive shafts can be adjusted.

Die Antriebswelle 4 tritt am vorderen Ende des Gehäuses 3 durch eine dort vorgesehene Öffnung 6 aus und ragt in eine hülsenförmige Halterung 7 hinein, die an einer Stirnseite 8 offen ist und an der gegenüberliegenden, verschlossenen Stirnseite 9 in eine Hohlwelle 10 über geht, die die Antriebswelle 4 konzentrisch umgebend in das Gehäuse 3 eintaucht. Im Innern des Gehäuses 3 ist die Hohlwelle 10 über Lager 11, 12 drehbar gelagert und bildet ihrerseits eine Lagerung für die Antriebswelle 4.The drive shaft 4 emerges at the front end of the housing 3 through an opening 6 provided there and protrudes into a sleeve-shaped holder 7 , which is open at one end face 8 and on the opposite, closed end face 9 into a hollow shaft 10 which passes over Immerses drive shaft 4 concentrically surrounding the housing 3 . Inside the housing 3 , the hollow shaft 10 is rotatably supported by bearings 11 , 12 and in turn forms a bearing for the drive shaft 4 .

Von der offenen Stirnseite 8 her ist in die Halterung 7 eine Aufnahme 13 für ein Zerspanungswerkzeug 14 einge schoben und in der Halterung 7 in axialer Richtung ver schieblich, jedoch gegenüber der Halterung 7 unverdreh bar gelagert. Diese Lagerung erfolgt durch Führungs stifte 15, die in Längsnuten 16 der Halterung 7 einge legt sind und die in entsprechende Längsnuten 17 der Aufnahme 13 eingreifen.From the open end 8 forth in the holder 7, however, a recording is stored turned 13 for a cutting tool 14 and pushed ver displaceable in the holder 7 in the axial direction relative to the holder 7 without rotating bar. This storage is carried out by guide pins 15 which are inserted in the longitudinal grooves 16 of the holder 7 and which engage in corresponding longitudinal grooves 17 of the receptacle 13 .

Die Aufnahme 13 trägt an ihrem dem Gehäuse 3 zugewand ten Ende stirnseitig eine Nockenbahn 18, deren axiale Erstreckung in Umfangsrichtung geringfügig variiert und die an einer entsprechenden Nockenbahn 19 an dem in die Halterung 7 hineinragenden Ende der Antriebswelle 4 an liegt. Bei einer Verdrehung der Aufnahme 13 gegenüber der Antriebswelle 4 kann dadurch die Aufnahme 13 unter schiedlich tief in die Halterung 7 eingeschoben werden, wobei der dadurch mögliche Verschiebeweg gering ist, beispielsweise liegt dieser Verschiebeweg in der Grös senordnung von 0,1 mm bis 1 mm.The receptacle 13 carries at its end facing the housing 3 th end a cam track 18 , the axial extent of which varies slightly in the circumferential direction and which rests on a corresponding cam track 19 on the end of the drive shaft 4 projecting into the holder 7 . With a rotation of the receptacle 13 with respect to the drive shaft 4 , the receptacle 13 can be inserted at different depths into the holder 7 , the displacement path thereby being possible being small, for example this displacement path being of the order of 0.1 mm to 1 mm.

Durch einen in die Halterung 7 eingeschraubten Halte ring 20 wird die Aufnahme 13 im übrigen am Herausziehen aus der Halterung 7 gehindert, so daß insgesamt nur ein relativ geringer axialer Verschiebeweg für die Aufnahme 13 in der Halterung 7 zur Verfügung steht.By a screwed into the bracket 7 retaining ring 20 , the receptacle 13 is prevented from pulling out of the holder 7 , so that overall only a relatively small axial displacement path for the receptacle 13 in the holder 7 is available.

Die zweite Antriebswelle 5 verläuft parallel zur ersten Antriebswelle 4 im Gehäuse 3 und ist über Lager 21, 22 im Gehäuse 3 gelagert. An ihrem freien Ende trägt die Antriebswelle 5 eine Exzenterscheibe 23, die gabelför mig umgriffen wird von einem Schwenkhebel 24, der ra dial von der Hohlwelle 10 absteht und drehfest mit die ser verbunden ist. Bei einer kontinuierlichen Verdre hung der Antriebswelle 5 wird somit der Schwenkhebel 24 oszillierend hin- und hergeschwenkt und überträgt diese Schwenkbewegung auf die Hohlwelle 10, die dadurch ih rerseits die Halterung 7 oszillierend um die durch die Antriebswelle 4 gebildete Drehachse verschwenkt.The second drive shaft 5 runs parallel to the first drive shaft 4 in the housing 3 and is mounted in the housing 3 via bearings 21 , 22 . At its free end, the drive shaft 5 carries an eccentric disk 23 which is gripped by a swivel lever 24 which projects from the hollow shaft 10 and is connected in a rotationally fixed manner to the water. With a continuous rotation of the drive shaft 5 , the pivot lever 24 is thus oscillated back and forth and transmits this pivoting movement to the hollow shaft 10 , which in turn causes the holder 7 to oscillate about the axis of rotation formed by the drive shaft 4 .

Da die Aufnahme 13 unverdrehbar in der Halterung 7 ge lagert ist, überträgt sich diese oszillierende Drehbe wegung damit auch auf die Aufnahme 13. Since the receptacle 13 is non-rotatably supported in the bracket 7 , this oscillating rotary motion is thus also transmitted to the receptacle 13 .

In diese Aufnahme 13 kann als Zerspanungswerkzeug 14 ein Bohrer eingesetzt werden oder ein Fräser, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist in die Aufnahme 13 eine Trephine eingesetzt, die an ihrer Stirnkante Zähne 25 trägt und die geeignet ist zur Erzeugung von kreisförmigen Einschnitten in das Knochenmaterial.In this receptacle 13 can be used as a cutting tool 14, a drill or a milling cutter, in the illustrated embodiment, a trephine is inserted into the receptacle 13 , which carries teeth 25 on its front edge and which is suitable for producing circular incisions in the bone material.

Im Betrieb werden die beiden Antriebswellen 4 und 5 kontinuierlich verdreht, und dies führt einmal zu einer oszillierenden Drehbewegung der Halterung 7 und damit des eingesetzten Zerspanungswerkzeuges 14 und zum ande ren dazu, daß das Zerspanungswerkzeug 14 unterschied lich tief in die Halterung 7 eingeschoben werden kann. Wenn man das Zerspanungswerkzeug 14 an einer zu bear beitenden Fläche ansetzt, drückt man die Aufnahme 13 in die Halterung 7 hinein und sorgt dafür, daß die beiden Nockenbahnen 18 und 19 aneinander anliegen. Durch die Drehung der Antriebswelle 4 bedeutet dies auch, daß die Aufnahme 13 oszillierend aus der Halterung 7 herausge schoben und wieder in diese eingeschoben wird, das Zer spanungswerkzeug 14 erfährt dadurch eine oszillierende Verschiebung in axialer Richtung, die sich der oszil lierenden Verdrehung des Zerspanungswerkzeuges 14 über lagert.In operation, the two drive shafts 4 and 5 are continuously rotated, and this leads to an oscillating rotary movement of the holder 7 and thus of the cutting tool 14 and the other hand to the fact that the cutting tool 14 can be inserted at different depths in the holder 7 . If you apply the cutting tool 14 to a surface to be machined, you press the receptacle 13 into the holder 7 and ensure that the two cam tracks 18 and 19 abut each other. By the rotation of the drive shaft 4, this also means that the receptacle 13 in an oscillating herausge from the holder 7 inserted and is pushed back to this, the cerium spanungswerkzeug 14 undergoes characterized an oscillating displacement in the axial direction, the oszil lierenden rotation of the cutting tool 14 overlaid.

Grundsätzlich ist es auch möglich, in herkömmlicher Wiese nur mit oszillierend angetriebenem Zerspanungs werkzeug 14 zu arbeiten, dazu müßte lediglich die An triebswelle 4 stillgelegt werden, so daß ein Antrieb nur noch über die Antriebswelle 5 erfolgt, die die os zillierende Drehbewegung der Aufnahme 13 erzeugt.Basically, it is also possible to work in a conventional meadow only with an oscillating cutting tool 14 , for this only the drive shaft 4 would have to be shut down, so that a drive only takes place via the drive shaft 5 , which produces the oscillating rotary movement of the receptacle 13 .

Claims

1. A method for machining bone material with a cutting machine rotatable about an axis of rotation, which one rotates the direction of rotation in a moderately oscillating manner, characterized in that the cutting tool is also pushed axially back and forth along the axis of rotation.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the direction of rotation with a Rate changes from 15,000 to 30,000 / minute.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized records that one with the axial displacement the direction of displacement at a rate of 2,000 up to 10,000 / minute changes.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that between two Changes in direction of rotation around the cutting tool Angle rotated between 3 ° and 12 °.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that between two axial displacement changes the Zerspa tool for distances between 0.1 mm and 1 mm axially shifts.

6. Surgical instrument for cutting bone material with a rotary about an axis of rotation, by a drive changing the direction of rotation oscillating angularly driven cutting tool, characterized in that the cutting tool ( 14 ) by the drive ( 4 , 5 ) additionally along the axis of rotation axially oscillating is pushed back and forth.

7. Instrument according to claim 6, characterized net that the drive when turning the rotary dial at a rate of 15,000 to 30,000 / minute changes.

8. Instrument according to one of claims 6 or 7, there characterized in that the drive at the axial displacement using the displacement direction at a rate of 2,000 to 10,000 / minute.

9. Instrument according to one of claims 6 to 8, characterized in that the drive between two changes in direction of rotation, the cutting tool ( 14 ) rotated by an angle between 3 ° and 12 °.

10. Instrument according to one of claims 6 to 9, characterized in that the drive between two axial displacement direction changes the cutting tool ( 14 ) axially shifts by distances between 0.1 mm and 1 mm.

11. Instrument according to one of claims 6 to 10, characterized in that a receptacle ( 13 ) for the cutting tool ( 14 ) in a holder ( 7 ) is axially displaceably and non-rotatably mounted, that the holder ( 7 ) is oscillating and rotatable that the drive ( 4 ) moves the receptacle ( 13 ) in the holder ( 7 ) axially oscillating.

12. Instrument according to claim 11, characterized in that the drive ( 4 ) for the axial displacement of the receptacle ( 13 ) comprises a rotation around the axis of rotation of the machining tool ( 14 ) rotatable drive element and that the drive element and the receptacle me ( 13 ) on the end face bear adjacent cams or cam tracks ( 18 , 19 ) which have different axial extents along their circumference.

13. Instrument according to one of claims 11 or 12, characterized in that the holder ( 7 ) carries egg NEN radially projecting swivel arm ( 24 ) which interacts with a rotatably drivable eccentric ( 23 ) and is pivoted oscillatingly during its continuous rotation .

14. Instrument according to claim 13, characterized in that the axis of rotation of the eccentric ( 23 ) extends parallel to the axis of rotation of the holder ( 7 ).

15. Instrument according to one of claims 12 to 14, characterized in that the holder ( 7 ) on egg ner hollow shaft ( 10 ) is mounted, which concentrically surrounds the drive element ( 4 ) for the axial displacement of the receptacle ( 13 ).