DE202017007277U1

DE202017007277U1 - Autotransplantationswerkzeug mit verbessertem Nutprofil und Verwendungsmethoden

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Publication number: DE202017007277U1
Application number: DE202017007277.7U
Authority: DE
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Current assignee: Huwais IP Holding LLC
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2020-10-06
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Abstract

Drehosteotom (136), das Folgendes umfasst:
einen Schaft (140), der eine Längsdrehachse bildet;
einen Körper (142), der sich von dem genannten Schaft (140) erstreckt, wobei der genannte Körper (142) Folgendes aufweist: ein apikales Ende (148) entfernt von dem genannten Schaft (140), mehrere spiralförmig gewundene Nuten (162), die um den genannten Körper (142) herum angeordnet sind, wobei jede genannte Nut (162) eine Schneidfläche (166) auf einer Seite, die einen Spanwinkel definiert, und eine Verdichtungsfläche (164) auf der anderen Seite hat, die einen fersenseitigen Winkel definiert, wobei die genannten Nuten (162) eine axiale Länge und eine radiale Tiefe haben, wobei ein Stoppabschnitt (106) des genannten Körpers (142) zwischen den genannten Nuten (162) und dem genannten Schaft (140) angeordnet ist, wobei ein Steg (170) zwischen jedem aneinandergrenzenden Paar Nuten (162) ausgebildet ist, wobei jeder genannte Steg (170) eine Arbeitskante (172) entlang der genannten Schneidfläche (166) der einen angrenzenden genannten Nut (162) hat, wobei sich die genannte Arbeitskante spiralförmig um den genannten Körper (142) herum dreht;
dadurch gekennzeichnet, dass
die genannten Nuten (162) einen durchgehend negativen Spanwinkel entlang ihrer Länge aufweisen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung. Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Werkzeuge zur Vorbereitung eines Lochs zur Aufnahme eines Implantats oder einer Befestigungsvorrichtung und im Besonderen auf Drehosteotome und damit durchgeführte Verfahren zur Erweiterung einer Osteotomie oder eines Lochs in einem anorganischen Material zur Aufnahme eines Implantats oder einer anderen Befestigungsvorrichtung.
Beschreibung des technologischen Hintergrunds. Ein Implantat ist ein medizinisches Gerät, das hergestellt wird, um eine fehlende biologische Struktur zu ersetzen, eine beschädigte biologische Struktur zu unterstützen oder eine bestehende biologische Struktur zu verbessern. Knochenimplantate sind Implantate des Typs, der in den Knochen eines Patienten eingesetzt wird. Knochenimplantate sind im gesamten menschlichen Skelettsystem zu finden, einschließlich Zahnimplantate in einem Kieferknochen als Ersatz für einen verlorenen oder beschädigten Zahn, Gelenkimplantate als Ersatz für ein beschädigtes Gelenk, z.B. in Hüfte und Knie, und Verstärkungsimplantate, die zur Reparatur von Frakturen und zur Behebung anderer Mängel eingesetzt werden, wie z.B. Pedikelschrauben zur Stabilisierung der Wirbelsäule, um nur einige zu nennen. Das Einsetzen eines Implantats erfordert häufig eine Präparation in den Knochen, entweder mit Handosteotomen oder Präzisionsbohrern mit hochgradig regulierter Geschwindigkeit, um Verbrennungen oder Drucknekrosen des Knochens zu verhindern. Nach einer variablen Zeitspanne, in der der Knochen auf der Oberfläche des Implantats anwachsen kann, ermöglicht eine ausreichende Einheilung dem Patienten den Beginn einer Rehabilitationstherapie oder die Rückkehr zum normalen Gebrauch oder vielleicht die Platzierung einer Restauration oder eines anderen Attachment-Merkmals.
Es gibt mehrere bekannte Möglichkeiten, ein Aufnahmeloch oder eine Osteotomie zu bilden. Seit den Anfangstagen der Implantologie werden Osteotomien beispielsweise mit Standardbohrern vorbereitet, die ähnlich wie Bohrer für industrielle Anwendungen aussehen und handhabbar sind. Diese Bohrerdesigns haben sich für dentale und medizinische Anwendungen als funktionell erwiesen, wenn auch auffallend unvollkommen. Die Implantaterfolgsraten waren im Laufe der Zeit zufriedenstellend, aber es fehlten aus verschiedenen Gründen immer noch Osteotomie-Präparationstechniken. Die in der zahnärztlichen und medizinischen Implantologie verwendeten Standard-Bohrerkonstruktionen dienen der Ausgrabung von Knochen, um Platz für das zu setzende Implantat zu schaffen, genau wie ein Bohrer, der für nicht-medizinische Anwendungen entwickelt wurde. Standardbohrer in Spiral- oder Nutenform schneiden Knochen effektiv ab, erzeugen aber in der Regel keine saubere, präzise Umfangsosteotomie. Osteotomien können durch Rattergeräusche länglich und elliptisch werden, da die Bohrer sehr aggressive Fräser sind. In Fällen, in denen die Osteotomie unvollkommen rund ist, kann das Eindrehmoment des Implantats reduziert werden, was zu einer schlechten Primärstabilität und möglicherweise zu einer mangelnden Integration führt. Osteotomien, die in schmale Knochenstellen gebohrt werden, können bukkal oder lingual zu einer Dehiszenz führen, was ebenfalls die Primärstabilität verringert und ein zusätzliches Knochentransplantationsverfahren erforderlich macht, was die Kosten und die Heilungszeit der Behandlung erhöht.
In jüngerer Zeit hat der Anmelder dieser Erfindung eine neue biomechanische Knochenpräparationstechnik namens „Osseodensifikation“ entwickelt. Die Osseodensifizierungstechnik basiert auf dem Erhalt des Wirtsknochens und hat in der Zahnärzteschaft rasch Akzeptanz gefunden. In einigen Fällen wird die Osseodensifikation als bevorzugter Behandlungsstandard angesehen. Beispiele für die Osseodensifikation finden sich im US-Patent Nr. 9.028.253 , erteilt am 12. Mai 2015, und im US-Patent Nr. 9.326.778 , erteilt am 3. Mai 2016, sowie in der PCT-Veröffentlichung Nr. WO 2015/138842 , veröffentlicht am 17. September 2015. Die gesamten Offenlegungen dieser Verweise werden hiermit durch Verweis aufgenommen und in dem von der jeweiligen nationalen Gerichtsbarkeit erlaubten Umfang herangezogen.
Im Allgemeinen ist die Osseodensifikation ein Verfahren zur Vergrößerung einer Osteotomie unter Verwendung eines speziell entworfenen, mehrwelligen Drehosteotoms oder Bohrers. Ein Beispiel für ein geeignetes Drehosteotom ist in dem oben erwähnten US-Patent Nr. 9,326,778 beschrieben. Drehosteotome für dentale Anwendungen werden als Densah® Bohrer durch Versah, LLC of Jackson, Michigan USA, einem Lizenznehmer des Antragstellers, vermarktet.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Bohrtechniken wird bei der Osseodensifikation kein Knochengewebe abgetragen. Vielmehr wird das Knochengewebe gleichzeitig verdichtet und von der Osteotomie aus in nach außen expandierende Richtungen automatisch transplantiert, ähnlich wie bei einem traditionellen Hammerosteotom, jedoch ohne das Trauma und andere Einschränkungen dieser Technik. Wenn diese Drehosteotome mit hoher Geschwindigkeit in einer umgekehrten, nicht schneidenden Richtung mit gleichmäßiger externer Spülung gedreht werden, bilden sie eine starke und dichte Knochengewebeschicht entlang der Wände und der Basis der Osteotomie. Dichtes, verdichtetes Knochengewebe bewirkt einen stärkeren Halt für das Lieblingsimplantat des Chirurgen und kann eine schnellere Heilung erleichtern.
Um die allgemeinen Prinzipien der Osseodensifikationstechnik zu veranschaulichen, sei kurz ein Beispiel aus der dentalen Implantologie angeführt. Die Osteotomiestelle wird zunächst mit einer Vorläufer-Pilotbohrung vorbereitet, die mit einem kleinen, z.B. 1,5 mm langen, medizinischen Standard-Spiralbohrer oder einem anderen Bohrwerkzeug gebohrt wird. (Natürlich bestimmen die Umstände der jeweiligen chirurgischen Anwendung, ob dentaler oder nichtdentaler Art, die Größe der Vorläufer-Pilotbohrung und andere Merkmale der Operation). Das Vorläufer-Vorbohrloch wird bis zu einer vorbestimmten Tiefe gebohrt. Unter Verwendung eines für die Osseodensifikation konzipierten Drehosteotoms entscheidet der Chirurg, ob die Vorläufer-Pilotbohrung entweder durch Verdichtung oder durch Schneiden vergrößert werden soll. Dabei berücksichtigt er situative Faktoren wie die Knochenhärte, die endgültige beabsichtigte Osteotomie/Implantatgröße, die lokale Breite der Knochenbildung und andere relevante Faktoren.
Entscheidet sich der Chirurg, die Vorläufer-Pilotbohrung durch Schneiden zu vergrößern, wird das speziell konstruierte Drehosteotom mit hoher Geschwindigkeit in Schneidrichtung gedreht. Eine hohe Geschwindigkeit ist definiert als im Allgemeinen über 200 U/min für Drehosteotome im Bereich von etwa 1,5 mm bis 6 mm Durchmesser. Das Drehosteotom wird in die Pilotbohrung des Vorläufers vorgeschoben, oft mit einer sanften Pumpbewegung und reichlicher Spülung. Bei seiner Abwärtsbewegung schneiden die Arbeitskanten des Drehosteotoms Knochenmaterial in kleine Späne oder Partikel, die sich in den Nuten ansammeln. Die Knochenpartikel werden anschließend verworfen oder aufgefangen/entnommen, falls dies für eine spätere Verwendung gewünscht wird. Die Osteotomie kann ebenfalls durch Schneiden (oder Verdichten) in einer oder mehreren Folgeoperationen mit immer größeren Drehosteotomen weiter vergrößert werden.
Wenn der Chirurg andererseits das Vorläufer-Pilotloch durch Verdichten vergrößern möchte, wird dasselbe Drehosteotom verwendet, das jedoch stattdessen mit hoher Geschwindigkeit in einer nicht schneidenden Richtung gedreht wird. Wenn das Drehosteotom so konstruiert ist, dass seine Schneidrichtung im Uhrzeigersinn verläuft (wie es bei den meisten Spiralbohrern typisch ist), dann würde die nicht schneidende Richtung für dasselbe Drehosteotom gegen den Uhrzeigersinn verlaufen. D.h., die nichtschneidende oder verdichtende Richtung ist der Schneidrichtung entgegengesetzt. Beim Verdichten schiebt der Chirurg das gegenläufige Drehosteotom in das Vorläufer-Pilotloch (oder ein Vorläuferloch, das durch eine vorangegangene Expansionsoperation wie die im vorhergehenden Absatz beschriebene entstanden ist), zusammen mit reichlicher Spülung. Der vom Chirurgen ausgeübte Druck nach unten ist erforderlich, um die Arbeitskanten des Drehosteotoms in Kontakt mit der Knochenoberfläche innerhalb der Osteotomie zu halten, oft mit der oben erwähnten sanften Prellbewegung, um den Druck zu modulieren und dadurch eine Überhitzung und Überbeanspruchung des Knochengewebes zu vermeiden. Je härter der Chirurg das Drehosteotom in die Osteotomie schiebt, desto mehr Druck wird seitlich ausgeübt, sowohl mechanisch als auch durch hydrodynamische Effekte, die durch die gleichzeitige Spülung ermöglicht werden. Es wird darauf geachtet, dass die Ausrichtung zwischen der Längsachse des Drehosteotoms und der Bohrungsachse der Osteotomie jederzeit gewährleistet ist. Sobald das Drehosteotom die volle vorgesehene Tiefe erreicht hat, ist die Vergrößerung mit diesem Drehosteotom abgeschlossen. Die Osteotomie kann dann weiter vergrößert werden, indem sie durch eine oder mehrere nachfolgende Operationen mit immer größeren Drehosteotomen nach dem gleichen Verfahren verdichtet wird.
Sowohl biomechanische als auch histologische Validierungsstudien der Osseodensifikationstechnologie haben ergeben, dass die Osseodensifikation bei Schweine-Schienbeinen und Schafsbeckenkamm die Knochenexpansion erleichtert, die Implantatstabilität erhöht und eine Verdichtungsschicht um die Präparationsstelle herum schafft, indem Knochenpartikel entlang der gesamten Tiefe der Osteotomie verdichtet und autotransplantiert werden.
Obwohl diese Techniken bisher im Zusammenhang mit medizinischen Anwendungen beschrieben wurden, sind sie auch auf Nicht-Knochenmaterialien anwendbar. Einige industrielle Anwendungen, darunter solche, die die Platzierung von Schraubankern in geschäumten Metallen, zellulären Zusammensetzungen und anderen nicht-organischen Materialien erfordern, akzeptieren möglicherweise die allgemeinen Prinzipien dieser Technologie und profitieren davon.
Die Osseodensifikation ist ein relativ neues Gebiet. Wie bei jeder neuen Technologie werden neue und verbesserte Werkzeuge und Techniken erwartet, sobald die Technologie zu reifen beginnt und perfektioniert wird. Darüber hinaus besteht ein durchgehender Bedarf, die Effizienz chirurgischer Eingriffe zu verbessern, um sie schneller und leichter durchführbar zu machen. Daher werden alle Verbesserungen der Osseodensifikationswerkzeuge und/oder - techniken, die die Basistechnologie voranbringen und die Effizienz verbessern, von den relevanten medizinischen und industriellen Kreisen begrüßt werden.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Nach einem ersten Aspekt dieser Erfindung umfasst ein Drehosteotom einen Schaft, der eine Längsdrehachse bildet. Ein Körper erstreckt sich von dem Schaft. Der Körper hat ein apikales Ende, das vom Schaft entfernt ist. Mehrere spiralförmig gewundene Nuten sind um den Körper herum angeordnet. Jede Nut hat eine Schneidfläche auf ihrer einen Seite, die einen Spanwinkel definiert, und eine Verdichtungsfläche auf ihrer anderen Seite, die einen fersenseitigen Winkel definiert. Die Nuten haben eine axiale Länge und radiale Tiefe. Ein Stoppabschnitt des Körpers ist zwischen den Nuten und dem Schaft angeordnet. Zwischen jedem aneinander angrenzenden Paar von Nuten wird ein Steg ausgebildet. Jeder Steg hat eine Arbeitskante entlang der Schneidfläche der einen angrenzenden Nut. Die Arbeitskante dreht sich spiralförmig um den Körper. Die Nuten sind mit einem durchgehend negativen Spanwinkel über ihre gesamte Länge geformt.
Die negativen Spanwinkel in Kombination mit dem Stoppabschnitt ermöglichen es dem Drehosteotom, einen bisher unerreichten Effekt zu erzielen, nämlich die beginnende Bildung einer sich verdichtenden Kruste in der umgebenden Osteotomie (d.h. Loch), während es im Schneidemodus arbeitet.
Nach einem anderen Aspekt dieser Erfindung wird eine Methode zur Vergrößerung eines Vorläuferlochs in einem Wirtsmaterial bereitgestellt. Das Vorläuferloch wird in Vorbereitung vergrößert, um eine Einschraubbefestigung mit erhöhter Anfangsstabilität aufzunehmen. Das Verfahren umfasst eine Reihe von Schritten, zu denen die Bereitstellung eines Drehwerkzeugs gehört, das so konfiguriert ist, dass es mit hoher Geschwindigkeit in einer Schneidrichtung gedreht werden kann. Das Werkzeug besteht aus einem Schaft und einem mit dem Schaft verbundenen Körper. Der Körper hat ein vom Schaft entferntes apikales Ende. Eine Vielzahl von um den Körper herum angeordneten Nuten. Die Nuten haben eine spiralförmige Windung. Jede Nut hat eine Verdichtungsfläche und eine gegenüberliegende Schneidfläche. Ein Stoppabschnitt des Körpers ist zwischen den Nuten und dem Schaft angeordnet. Der Körper hat auch eine Vielzahl von Stegen. Jeder Steg wird zwischen zwei benachbarten Nuten gebildet. Jeder Steg hat eine Stegfläche, die eine Verdichtungsfläche der einen Nut und eine Schneidfläche der anderen Nut verbindet. Jede Stegfläche schneidet die jeweilige Schneidfläche entlang einer Arbeitskante. Zu den weiteren Schritten gehört die Spülung eines Vorläuferlochs in einem Wirtsmaterial. Das Vorläuferloch hat eine Innenfläche, die sich zwischen einem im Allgemeinen kreisförmigen Eingang und einem durch das Grundmaterial verschlossenen Grund (unteres Ende) erstreckt. Die Schritte umfassen das Drehen des Körpers des Werkzeugs in einer Schneidrichtung von mehr als etwa 200 U/min. Die Schnittrichtung ist definiert als rotierendes Überstreichen der Schneidflächen in das Grundmaterial. Zu den weiteren Schritten gehört die Vergrößerung der Bohrung des Vorläufers durch gewaltsames Drücken des rotierenden Körpers auf den Boden der Bohrung des Vorläufers, so dass die Arbeitskanten das Grundmaterial schneiden und sich in den Nuten eine Aufschlämmung von Partikeln des Grundmaterials, gemischt mit Spülung, ansammelt. Dieser letztgenannte Schritt zur Vergrößerung der Vorläuferbohrung umfasst das gleichzeitige Verschließen der Bohrung mit dem Stoppabschnitt des Körpers, während weiterhin axiale Kraft ausgeübt wird, um die Aufschlämmung unter Druck zu setzen, wodurch zumindest einige der Wirtsmaterialpartikel, die sich in den Nuten angesammelt hatten, direkt in die Seitenwände der Bohrung eingepflanzt (d.h. eingebettet) werden.
Die Methode dieser Erfindung ermöglicht die Bildung eines Lochs in einem Schneidmodus, das die frühe Bildung einer sich verdichtenden Kruste innerhalb seiner Seitenwände besitzt, um eine später installierte Befestigung zu schaffen, die mit einer erhöhten Anfangsstabilität in das Loch geschraubt werden kann.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden besser verstanden, wenn man die detaillierte Beschreibung und die Abbildungen dieser Erfindung betrachtet.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leichter gewürdigt, wenn sie in Verbindung mit der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden, wobei

1 zeigt eine beispielhafte Anwendung der vorliegenden Erfindung an einer zahnlosen (zahnlosen) Kieferstelle, die zur Aufnahme eines Implantats erweitert werden muss;
2 ist eine Ansicht wie in 1, zeigt jedoch die resultierende vollständig präparierte Osteotomie, wie sie durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung in einer progressiven Reihe von Expansionsschritten erreicht wurde;
3 ist eine Ansicht wie in 1, die einen progressiven Expansionsschritt mit einem Drehosteotom gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
4 ist eine Ansicht wie in 2, in der ein installiertes Implantat darauf ausgerichtet ist, eine Schnapp-Kupplung oder Basis für eine nachfolgende prothetische Versorgung aufzunehmen (nicht abgebildet);
5 ist eine schematische Ansicht, die als Beispiel die Verwendung eines chirurgischen Kits mit vier Osteotomen mit progressiv größerem Durchmesser gemäß der vorliegenden Erfindung in Kombination mit einem reversiblen Bohrmotor zur gleichzeitigen Präparation von drei separaten Osteotomiestellen in einem menschlichen Kiefer durch selektive Umkehrung der Osteotomierichtung zur Vergrößerung jeder Osteotomie entweder durch Schneiden oder Polieren ohne Entfernung des Osteotoms vom chirurgischen Bohrmotor zeigt;
6 ist eine Seitenansicht eines Drehosteotoms gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung;
7 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht, die ein chirurgisches Verfahren zeigt, das hier als „Bounce“ bezeichnet wird, bei dem ein Osteotom gemäß der vorliegenden Erfindung wiederholt in die Osteotomie geschoben und zurückgezogen wird, während sich das Osteotom weiterhin wiederholt dreht, um die Osteotomie zu vergrößern und es dem Chirurgen gleichzeitig zu ermöglichen, die Expansionsrate (und andere Faktoren) zu steuern, während er die Anpassungen während des Eingriffs vornimmt;
8 ist eine beispielhafte Grafik, in der die von einem Anwender aufgebrachte Kraft zum Vorschieben des Körpers in eine Osteotomie gegen die Eindringtiefe in die Osteotomie (oder das Loch) in drei getrennten Verfahren dargestellt ist, um zu veranschaulichen, dass der Chirurg (oder Anwender) die Vorschubkraft je nach der jeweiligen Situation während des Eingriffs anpassen kann;
9 ist eine vereinfachte Spannungs-Dehnungs-Kurve, die im Allgemeinen für Knochen, Metallschaum und andere Wirtsmaterialien repräsentativ ist, denn mit der vorliegenden Erfindung ist sie für die Anwendung geeignet;
10 ist eine vergrößerte Ansicht des apikalen Endes eines Drehosteotoms entsprechend einer Ausführungsform dieser Erfindung;
11 zeigt einen Querschnitt durch eine Osteotomie mit einem teilweise darin angeordneten Drehosteotom, das sich mitten in einem Expansionsvorgang gemäß dieser Erfindung befindet;
12 ist eine vergrößerte Ansicht des in 11 bei 12 umschriebenen Bereichs, der durch Reaktionskräfte (R) verstärkt wird, die von den Wänden des Knochens auf das Drehosteotom als Reaktion auf die Rotation des Osteotoms in Polierrichtung ausgeübt werden;
13 ist ein Diagramm der Reaktionskräfte (R) von 12, die in die lateralen (Rx) und axialen (Ry) Kräfte der Komponente aufgeteilt sind;
14 ist eine fragmentarische perspektivische Ansicht des apikalen Endes eines Drehosteotoms entsprechend einer Ausführungsform dieser Erfindung;
15 ist eine Endansicht des apikalen Endes eines Drehosteotoms gemäß den 6, 10 und 14;
15A ist ein Querschnitt des apikalen Endes eines erfindungsgemäßen Osteotoms, allgemein entlang der halbkreisförmigen Linien 15A-15A in 15 aufgenommen;
16 ist eine vergrößerte Ansicht eines Stegs, wie er in 15 bei 16 umschrieben ist;
17 ist ein übertriebener Querschnitt durch eine Osteotomie, wobei das apikale Ende eines Drehosteotoms in verschiedenen Stadien des Expansionsvorgangs dargestellt ist, um die Zonen einer Osteotomie zu beschreiben, die mit jedem Stadium des Expansionsvorgangs Schleifen, Verdichten und Autotransplantation erfahren;
18 ist eine Querschnittsansicht, die im Allgemeinen entlang der Linien 18-18 in 17 aufgenommen wurde;
19 ist eine Querschnittsansicht, die allgemein entlang der Linien 19-19 in 17 aufgenommen wurde;
20 ist eine vergrößerte Ansicht des in 17 bei 20 umschriebenen Bereichs und zeigt die Knochenschleif- und Autotransplantationsmerkmale des apikalen Endes;
21 ist eine fragmentarische perspektivische Ansicht des apikalen Endes wie in 14, jedoch aus einer etwas anderen Perspektive und zur Veranschaulichung des Bereichs des apikalen Endes, in dem sich Knochenmaterial sammelt und anschließend in den umgebenden Knochen zurückgeführt wird;
22 ist eine Mikro-CT-Aufnahme, die einen transversalen Schnitt durch ein mediales Tibiaplateau einer Porcine03 mit Vergleichslöchern zeigt, die durch einen Bohrer nach dem Stand der Technik und ein Drehosteotom erzeugt wurden, das sowohl in Schneid- als auch in Verdichtungsrichtung gedreht wurde;
23A-D sind Mikro-CT-Bilder, die vergleichende axiale Schichtaufnahmen der medialen Tibiaplateaus von Porcine02 und Porcine03 zeigen, die durch ein Drehosteotom sowohl in Schneid- als auch in Verdichtungsrichtung erzeugt wurden;
24 zeigt eine alternative Ausführungsform des Osteotoms dieser Erfindung, die für hochfrequente Schwingungen und nicht für Rotation konfiguriert ist;
25 ist ein Querschnitt durch eine Osteotomie, wobei das alternative Osteotom von 24 so angeordnet ist, dass es einen Expansionsvorgang gemäß dieser Erfindung teilweise abschließt;
26 ist eine vergrößerte Ansicht des apikalen Endes des alternativen Osteotoms von 24;
27 ist eine vereinfachte Darstellung eines menschlichen Skeletts, die einige Beispiele von Bereichen hervorhebt, in denen das neuartige Osteotom dieser Erfindung wirksam eingesetzt werden könnte;
27A ist eine vergrößerte Darstellung eines menschlichen Wirbels;
27B ist eine Ansicht der Wirbel wie in 27A im Querschnitt mit einem Drehosteotom gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung, die so angeordnet ist, dass sie eine Osteotomie zum Zweck der Aufnahme einer Fixierschraube oder einer anderen Implantatvorrichtung vergrößert; und
28 ist eine perspektivische Ansicht eines Schaummetallproduktes mit einem darin ausgebildeten Loch unter Verwendung eines Drehosteotoms nach dieser Erfindung, die mindestens eine nicht-knochenspezifische kommerzielle Anwendung veranschaulicht;
29 ist eine Querschnittsansicht wie in 7, die ein leicht angehobenes Osteotom zeigt, das nicht in Kontakt mit der inneren Seitenwand der Osteotomie steht, wobei Spülflüssigkeit zwischen den Nuten wie eine Schraubenpumpe kraftvoll in Richtung des Bodens des Vorläuferlochs getrieben wird, und die einen allgemein gleichmäßigen Druckgradienten in der umgebenden Spülflüssigkeit durch die Verwendung von strahlenden Pfeilen darstellt;
30 ist eine vergrößerte Ansicht des in 29 bei 30 umschriebenen Bereichs, die die physische Trennung zwischen dem Osteotomkörper und der inneren Seitenwand der Osteotomie zeigt;
31 ist eine Ansicht wie in 29, zeigt jedoch das Osteotom, das nach unten in Kontakt mit der inneren Seitenwand der Osteotomie gedrückt wird, und die daraus resultierenden Druckveränderungen, die auf die innere Seitenwand der Osteotomie ausgeübt werden;
32 ist eine fragmentarische Querschnittsansicht, die im Allgemeinen entlang der Linien 32-32 von 31 aufgenommen wurde und die erhöhte hydrodynamische Druckspitze zeigt, die unmittelbar vor dem Kontakt mit einer Arbeitskante gegen die Knochenseitenwand erzeugt wurde;
33 ist eine Seitenansicht eines verbesserten Drehosteotoms gemäß einer alternativen Ausführungsform dieser Erfindung;
34 ist eine Querschnittsansicht, die spiralförmig entlang 34-34 in 33 aufgenommen wurde;
35 ist eine Querschnittsansicht des verstärkten Drehosteotoms, die allgemein entlang der Linien 35-35 in 33 aufgenommen wurde;
36 ist eine partielle Querschnittsansicht wie in 34, zeigt jedoch die Nutenbildung in übertriebener Form, um verschiedene optionale Attribute hervorzuheben;
37 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht des verstärkten Drehosteotoms, wie in 34 gezeigt, teilweise absteigend in eine Vorläuferosteotomie im Schneidemodus;
38 ist eine Ansicht wie in 38, zeigt jedoch das verstärkte Drehosteotom in der vollen vorgesehenen Tiefe, wobei sein Stoppabschnitt die Osteotomie verstopft, um den Druckaufbau des in den Nuten eingeschlossenen Knochenbreis zu ermöglichen;
39 ist ein vereinfachtes Flussdiagramm, das eine optionale Methode beschreibt, die als Densify-After-Cut (DAC)-Protokoll bezeichnet wird und durch den strukturellen Aufbau des verstärkten Drehosteotoms ermöglicht wird;
40 ist ein vergrößertes Fragment eines Nutenbereichs für das verstärkte Drehosteotom von 38, das durch Druckaufbau in der Knochensuspension entstanden ist;
41 ist eine Vergrößerung des in 40 bei 41 umschriebenen Bereichs, der die Beziehung zwischen der Arbeitskante und der Osteotomieseitenwand zeigt, nachdem der Druck eine ausreichend starke Dehnungsreaktion in den elastischen oder plastischen Bereich induziert hat;
42 ist eine Seitenansicht eines verstärkten Drehosteotoms entsprechend einer leicht modifizierten Ausführungsform;
43 ist eine Ansicht des apikalen Endes, die allgemein entlang der Linien 43-43 in 42 aufgenommen wurde;
44 ist eine Querschnittsansicht, die im Allgemeinen entlang der Linien 44-44 in 42 aufgenommen wurde;
45 ist eine Querschnittsansicht, die allgemein entlang der Linien 45-45 in 42 aufgenommen wurde;
46 ist eine Querschnittsansicht, die allgemein entlang der Linien 46-46 in 42 aufgenommen wurde;
47 ist eine Querschnittsansicht, die allgemein entlang der Linien 47-47 in aufgenommen wurde; und
48 ist eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung, die speziell so konfiguriert ist, dass sie eine sich verdichtende Kruste während des Betriebs im Schneidmodus erzeugt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezogen auf die Figuren, bei denen gleiche Ziffern gleiche oder entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten anzeigen, zeigen die 1-4 das Beispiel eines Zahnimplantats, bei dem eine Osteotomie vorbereitet werden muss, um ein Knochenimplantat aufzunehmen (4). Es wird davon ausgegangen, dass diese Erfindung nicht auf dentale Anwendungen beschränkt ist, sondern in einem breiten Spektrum orthopädischer Anwendungen eingesetzt werden kann. Anwendungen beim Menschen sind typisch, aber Anwendungen beim Tier sind ebenso plausibel und liegen nicht außerhalb des Anwendungsbereichs dieser Erfindung. Darüber hinaus ist die Erfindung nicht einmal auf Knochenanwendungen beschränkt, sondern kann zur Herstellung von Löchern in anorganischen Materialien für industrielle und kommerzielle Anwendungen verwendet werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Metallschaum und andere zellulare Materialien, um nur einige zu nennen. In 1 wird eine unbezahnte (zahnlose) Kieferstelle 30 gezeigt, die expandiert und als endgültige voll ausgebildete Osteotomie 32 (2) vorbereitet werden muss, um ein Implantat 34 (4) oder eine andere Befestigungsvorrichtung zu erhalten. Eine Reihe von Schritten ist erforderlich, um die voll ausgebildete Osteotomie 32 aus 2 zu erreichen. Die Schrittfolge umfasst zunächst das Bohren eines Vorbohrlochs in den Empfängerknochen, um die anfängliche Osteotomie (nicht dargestellt) zu bilden, und dann die schrittweise Erweiterung der Osteotomie unter Verwendung progressiv breiterer Drehosteotome oder Osteotome, die im Allgemeinen bei 36 angezeigt werden, wie in 3 dargestellt, bis ein endgültiger gewünschter Durchmesser erreicht ist. Nachdem die Osteotomie vorbereitet wurde, wird das Implantat 34 oder die Befestigungsschraube, wie in 4 dargestellt, eingedreht. Das Verfahren zur Herstellung einer Osteotomie wird im Allgemeinen im Folgenden beschrieben.
5 ist eine schematische Darstellung, die beispielhaft die Verwendung eines Chirurgie-Kits mit vier Osteotomen 36A-D mit zunehmend größerem Durchmesser gemäß der vorliegenden Erfindung in Kombination mit einem reversiblen chirurgischen Bohrmotor 38 veranschaulicht. Der Pilotbohrer ist in diesem Beispiel nicht dargestellt. Das Chirurgie-Kit kann zur gleichzeitigen Präparation von drei separaten Osteotomiestellen 32A, 32B bzw. 32C in einem menschlichen Kieferknochen 30 unter Verwendung der Drehosteotome 36A-D und selektiver Umkehrung der Drehrichtung verwendet werden, um jede Osteotomie entweder durch Schneiden oder Kompaktieren zu vergrößern, ohne ein bestimmtes Osteotom 36 vom chirurgischen Bohrmotor 38 zu entfernen. Obwohl das Beispiel hier wieder im Zusammenhang mit einer dentalen Anwendung dargestellt wird, sind die beschriebenen Techniken an nichtdentale Anwendungen anpassbar, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Gelenkersatz, Knochenfixierungen im Allgemeinen sowie anorganische industrielle Anwendungen (siehe für Beispiele und ).
Im Beispiel von 5 befindet sich eine erste Osteotomiestelle 32A an der Vorderseite des Unterkieferknochens 30, wo die Knochenbreite relativ gering ist. Die Zusammensetzung des Knochens 30 im Bereich der ersten Osteotomiestelle 32A kann als Beispiel als überwiegend Typ II beschrieben werden. Eine zweite Osteotomiestelle 32B liegt etwas posterior der ersten Stelle 32A in einer Region des Unterkiefers, die eine mäßig Knochenbreite von Knochen 30 aufweist. Die Zusammensetzung des Knochens 30 im Bereich der zweiten Osteotomiestelle 32B kann in diesem Beispiel allgemein als eine Kombination der Typen II und III beschrieben werden. Eine dritte Osteotomiestelle 32C befindet sich in einer molaren Region des Unterkiefers und ist von einer relativ großzügigen Kieferkammbreite des Knochens 30 umgeben. Die Zusammensetzung des Knochens 30 im Bereich der dritten Osteotomiestelle 32C kann in diesem Beispiel als überwiegend Typ III beschrieben werden. Aufgrund der unterschiedlichen Kieferkammbreiten und Zusammensetzungen des Knochens 30 an den Stellen 32A, 32B und 32C möchte der Chirurg möglicherweise nicht an jeder Stelle dasselbe Protokoll anwenden. Durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung hat ein Chirurg (oder Anwender in nicht-chirurgischen Anwendungen) die Möglichkeit, alle drei Osteotomiestellen 32A-32C gleichzeitig auf unterschiedliche Weise zu präparieren, aber denselben Satz von Drehosteotomen 36A-D auf hocheffiziente Weise zu verwenden.
In diesem Beispiel wird davon ausgegangen, dass für jede Osteotomiestelle 32A-32C eine Vorläuferosteotomie vorbereitet wird, indem zunächst ein Pilotloch von 1,5 mm gebohrt wird. (Natürlich bestimmen die Umstände der jeweiligen chirurgischen Anwendung, ob dentaler oder nichtdentaler Art, die Größe des Vorläuferlochs und andere Merkmale der Operation.) Das Vorläuferloch erstreckt sich von einem Eingang 33 oder Rand in der freiliegenden Oberfläche des Knochens (oder im Fleisch, falls nicht zuvor reseziert wurde) bis zu einem Grund 35. Der Eingang 33 ist in den 2 und 3 gekennzeichnet, während der Grund 35 in den 7 und 11 dargestellt ist. Der Chirurg verriegelt oder installiert anderweitig das erste Drehosteotom 36A in den Bohrmotor 38 und stellt die Drehrichtung auf eine nicht schneidende Richtung ein, die in diesem Beispiel von oben gesehen (d.h. aus der Sicht des Chirurgen) gegen den Uhrzeigersinn verläuft. Obwohl der Chirurg die Rotationsgeschwindigkeit des Osteotoms 36 je nach den Erfordernissen der Situation variieren kann, deuten experimentelle Ergebnisse darauf hin, dass hohe Rotationsgeschwindigkeiten, d.h. mehr als etwa 200 U/min, und Drehmomenteinstellungen zwischen etwa 5-50 Ncm zufriedenstellende Ergebnisse liefern. Als hohe Rotationsgeschwindigkeit gilt alles oberhalb von etwa 200 U/min für Drehosteotom 36 Durchmesser im Bereich von etwa 1,5 mm bis 6 mm. Die oberen Bereiche für diese Drehosteotome mit relativ kleinem Durchmesser können etwa 2000 U/min erreichen. Bevorzugt werden Rotationsgeschwindigkeiten zwischen etwa 600-1800 U/min und Drehmomenteinstellungen zwischen etwa 20-45 Ncm, die zufriedenstellende Ergebnisse liefern. Noch bevorzugter sind Rotationsgeschwindigkeiten im Bereich von 800-1500 U/min und Drehmomenteinstellungen von etwa 35 Ncm, die zufriedenstellende Ergebnisse liefern. Mit zunehmendem Durchmesser des Osteotoms 36 kann es jedoch wünschenswert sein, die empfohlenen Rotationsgeschwindigkeiten zu reduzieren. Die hier vorgeschlagenen Drehzahlen gelten im Zusammenhang mit den beispielhaften dentalen Anwendungen. Drehosteotome 36 mit relativ großem Durchmesser, die für orthopädische Anwendungen an großen Knochen wie Femurknochen verwendet werden, erfordern aufgrund von Überlegungen zur Tangentialgeschwindigkeit an den Arbeitskanten möglicherweise niedrigere Drehzahlen als Drehosteotome 36, die für kleinere Knochenanwendungen verwendet werden. Das heisst, als Leitprinzip für Drehosteotome 36 mit großem Durchmesser kann es vorteilhaft sein, die Tangentialgeschwindigkeit (gemessen an den Arbeitskanten 72) zwischen etwa 0,02 m/s am unteren Ende und etwa 0,6 m/s am oberen Ende zu halten, um eine geeignete Kompressionswelle im Knochen zu erzeugen, die für die Durchführung der Osseodensifikation erforderlich ist.
Der Chirurg schiebt das rotierende erste Osteotom 36A in die erste Osteotomiestelle 32A, um das anfängliche Pilotloch durch Kompaktierung zu erweitern (die Einzelheiten dazu werden nachstehend ausführlich beschrieben). Dies wird als verdichtende (nicht schneidende) Operationsweise bezeichnet und im Folgenden technisch beschrieben. Aufgrund der unterschiedlichen Beschaffenheit der zweiten 32B- und dritten 32C-Osteotomiestelle entscheidet sich der Chirurg jedoch dafür, diese anderen Stellen 32B, 32C durch Schneiden statt durch Kompaktieren zu erweitern. Um dies zu beeinflussen, kehrt der Chirurg die Drehrichtung des Bohrmotors 38 in den Uhrzeigersinn um, ohne das erste Osteotom 36A vom Bohrmotor 38 zu entfernen. Die Hochgeschwindigkeitsdrehung wird sowohl im Verdichtungs- als auch im Schneidemodus verwendet. Mit einer ähnlich modulierten Schubbewegung vergrößert der Chirurg die zweite 32B- und die dritte 32C-Osteotomiestelle, indem er Knochenmaterial entfernt, das, falls gewünscht, entnommen werden kann. Dies wird als Schneide-Operationsmodus bezeichnet und weiter unten beschrieben. Während des gesamten Eingriffs wird ein kontinuierlicher Strom von Spülungsflüssigkeit verwendet.
In diesem Stadium des hypothetischen Beispiels ist die erste Osteotomiestelle 32A bereits so weit ausgedehnt, wie es der Chirurg wünscht; eine weitere Ausdehnung der ersten Osteotomiestelle 32A ist nicht erforderlich, da beabsichtigt ist, ein Implantat mit kleinem Durchmesser in die erste Osteotomiestelle 32A zu setzen. Die zweite Osteotomiestelle 32B und die dritte Osteotomiestelle 32C erfordern jedoch beide eine zusätzliche Erweiterung, da die für diese Stellen vorgesehenen Implantate einen größeren Durchmesser haben. Der Chirurg setzt dann das zweite Osteotom 36B in den Bohrmotor 38 ein und stellt die Drehrichtung am Bohrmotor 38 auf linksdrehend (nicht schneidende Richtung) ein. Die zuvor erweiterten Löcher in der zweiten 32B- und dritten 32C-Osteotomiestelle gelten nun als Vorläuferlöcher für die nachfolgenden Operationen, jeweils mit einem Eingang 33 in die freiliegende Knochenoberfläche und einem geschlossenen Grund 35. Der Chirurg überspringt die fertiggestellte erste Osteotomiestelle 32A und expandiert dann das zweite Osteotom 36B in die zweite Osteotomiestelle 32B unter Verwendung des oben beschriebenen Verdichtungsmodus. Aufgrund der unterschiedlichen Beschaffenheit der dritten Osteotomiestelle 32C entscheidet sich der Chirurg jedoch dafür, diese durch Schneiden statt durch Verdichten zu vergrößern. Um dies zu beeinflussen, ändert der Chirurg die Drehrichtung des Chirurgiemotors 38 und vergrößert mit einer ähnlichen Schubbewegung die dritte Osteotomiestelle 32C im Schneidemodus.
Nachdem die beiden verbleibenden Osteotomiestellen 32B, 32C durch das zweite Osteotom 36B vergrößert worden sind, setzt der Chirurg das dritte Osteotom 36C in den Bohrmotor 38 ein und stellt die Drehrichtung auf gegen den Uhrzeigersinn ein. Auch hier wird die fertiggestellte erste Osteotomiestelle 32A übersprungen, die zweite 32B und die dritte 32C Osteotomiestelle werden durch Kompaktierung vergrößert. In beiden Fällen wird der chirurgische Motor 38 so eingestellt, dass er sich gegen den Uhrzeigersinn dreht, und die zuvor erweiterten Löcher gelten als Vorläuferlöcher für die nachfolgenden Operationen. Die zweite Osteotomiestelle 32B ist nun so weit erweitert worden, wie der Chirurg es wünscht; eine weitere Erweiterung der zweiten Osteotomiestelle 32B ist nicht erforderlich. Die dritte Osteotomiestelle 32C muss jedoch noch weiter ausgedehnt werden, da das für die dritte Stelle 32C vorgesehene Implantat einen größeren Durchmesser hat als das in die zweite Osteotomiestelle 32B zu setzende Implantat. Daher setzt der Chirurg das vierte Osteotom 36D in den Bohrmotor 38 ein und stellt die Drehrichtung auf gegen den Uhrzeigersinn ein. Die durch das dritte Osteotom 36C erreichte Vergrößerung umfasst nun ein Vorläuferloch für die nächste Operation an der dritten Osteotomie-Stelle 32C, mit seinem neu vergrößerten Eingang 33 in der freiliegenden Knochenoberfläche und einem weiterhin geschlossenen Grund 35. Überspringt man die bereits fertiggestellte erste 32A- und zweite 32B-Osteotomie, so wird die dritte 32C-Osteotomie mit der zuvor beschriebenen Technik des Verdichtungsmodus weiter vergrößert. An jeder Osteotomiestelle 32A-32C können nun Implantate 34 (oder Fixturteile von Implantaten) geeigneter Größe eingesetzt werden. Zum Beispiel kann der Chirurg ein 3,0-3,25 mm Implantat (nicht abgebildet) in die erste Osteotomiestelle 32A, ein 5,0 mm Implantat (nicht abgebildet) in die zweite Osteotomiestelle 32B und ein 6,0 mm Implantat (nicht abgebildet) in die dritte Osteotomiestelle 32C setzen.
Ein Chirurg kann so gleichzeitig eine Vielzahl von Osteotomiestellen 32A, 32B, 32C ... 32n präparieren, verbunden mit der Möglichkeit, eine Stelle durch Verdichten und eine andere Stelle durch Schneiden zu erweitern, ohne das Osteotom 36 vom Bohrmotor 38 zu entfernen. Das Drehosteotom 36 ist so konfiguriert, dass es mit hoher Geschwindigkeit in eine Richtung gedreht werden kann, um eine Osteotomie durch Kompaktierung zu vergrößern, und in eine entgegengesetzte Drehrichtung, um eine andere Osteotomie durch Schneiden zu vergrößern.
In 6 ist ein Osteotom 36 entsprechend einer früheren Ausführungsform dieser Erfindung mit einem Schaft 40 und einem Körper 42 dargestellt. Der Schaft 40 hat einen länglichen zylindrischen Schaft, der eine Längsdrehachse A für das Drehosteotom 36 bildet. Am distalen oberen Ende des Schafts ist eine Schnittstelle 44 für den Eingriff des Bohrmotors zur Verbindung mit dem Bohrmotor 38 ausgebildet. Die spezielle Konfiguration der Schnittstelle 44 kann je nach Art des verwendeten Bohrmotors 38 variieren und in einigen Fällen sogar nur ein glatter Abschnitt des Schafts sein, gegen den die Backen einer Spannzange greifen können. Der Körper 42 verbindet sich mit dem unteren Ende des Schaftes 40, wobei diese Verbindung mit einem konischen oder gewölbten Übergang 46 ausgebildet sein kann. Der Übergang 46 wirkt so etwas wie ein Regenschirm, wenn der Chirurg während eines Eingriffs mit Wasser spült. Der sanfte Übergang 46 erleichtert den Fluss der Spülung auf die Osteotomiestelle, während sich das Osteotom 36 dreht.
Der Körper 42 hat vorzugsweise ein konisch verjüngtes Profil, das von einem maximalen Durchmesser neben dem Schaft 40 und dem Übergang 46 auf einen minimalen Durchmesser neben einem apikalen Ende 48 abnimmt. In einigen in Betracht gezogenen Ausführungsformen kann der Körper jedoch nicht konisch (d.h. zylindrisch) sein. Das apikale Ende 48 ist somit vom Schaft 40 entfernt. Die Arbeitslänge oder effektive Länge des Körpers 42 steht in proportionalem Verhältnis zu seinem Konuswinkel und zur Größe und Anzahl der Osteotome (36A, 36B, 36C, 36D ... 36n) in einem Kit. Vorzugsweise haben alle Osteotome 36 in einem Kit den gleichen Konuswinkel oder ungefähr den gleichen Konuswinkel, und vorzugsweise ist der Durchmesser am oberen Ende des Körpers 42 für ein Osteotom (z.B. 36A) ungefähr gleich dem Durchmesser neben dem apikalen Ende des Körpers 42 für das nächst größere Osteotom (z.B. 36B). Konuswinkel zwischen etwa 1° und 5° (oder mehr) sind je nach Anwendung möglich. Bevorzugt werden Kegelwinkel zwischen etwa 2°-3° verwendet, um zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen. Und noch bevorzugter ist ein Konuswinkel von etwa 2°36', von dem bekannt ist, dass er hervorragende Ergebnisse für dentale Anwendungen liefert, wenn die Länge des Körpers 42 zwischen etwa 11 mm und 15 mm liegt.
Das apikale Ende 48 wird durch mindestens eine, vorzugsweise aber ein Paar von Lippen 50 definiert. Die Lippen 50 sind genauer genommen Kanten, die auf gegenüberliegenden Seiten des apikalen Endes 48 angeordnet sind, aber in der abgebildeten Ausführungsform nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen. Mit anderen Worten, wie in den 14 und 15 dargestellt, können die Lippen 50 durch die kurze Länge einer Meißelspitze 52, die sich mittig durch die Längsachse A erstreckt, leicht versetzt sein (im Sinne einer direkten diametralen Ausrichtung). Die Meißelspitze 52 ist ein übliches Merkmal, das bei Bohrwerkzeugen zu finden ist, aber natürlich sind alternative Formationen des apikalen Endes 48 zur Meißelspitze 52 möglich, einschließlich abgerundeter und einfacher spitzer Formen usw. Wie bereits erwähnt, sind die Lippen 50 Kanten, die sich vom apikalen Ende 48 nach oben und außen (radial) abwinkeln. Der Winkel der Lippen 50 kann variiert werden, um die Leistung für die Anwendung zu optimieren. Die Winkel der Lippen 50 relativ zur Längsachse A können zwischen etwa 30° (sehr spitz) und 75° (sehr stumpf) liegen. In den abgebildeten Beispielen beträgt der Lippenwinkel etwa 60°, gemessen relativ zur Längsachse A, oder 120°, gemessen zwischen den beiden gegenüberliegenden Lippen 50.
Jede Lippe 50 hat eine allgemein ebene erste hintere Flanke 54. Die ersten nachlaufenden Flanken 54 sind von ihren jeweiligen Lippen 50 in einem ersten Winkel abgeschrägt. Der erste Winkel kann zwischen etwa 30° und 60° variiert werden, um die Leistung für die Anwendung zu optimieren. In der Praxis kann der erste Winkel etwa 45° betragen, gemessen relativ zur Längsachse A (in der halbkreisförmigen Querschnittsansicht von 15A mit der Lippenfläche 60 zusammenfallend dargestellt). Es wird daher geschätzt, dass die beiden gegenüberliegenden ersten nachlaufenden Flanken 54 in entgegengesetzte Richtungen eingestellt sind, so dass bei der Drehung des Osteotoms 36 bei der Anwendung die ersten nachlaufenden Flanken 54 ihren jeweiligen Lippen 50 entweder vorausgehen oder folgen. Wenn die ersten nachlaufenden Flanken 54 ihren jeweiligen Lippen 50 vorausgehen, sollte sich das Osteotom in eine nicht schneidende Richtung für den Verdichtungsmodus drehen; und umgekehrt, wenn die ersten nachlaufenden Flanken 54 ihren jeweiligen Lippen 50 folgen, sollte sich das Osteotom in eine Schneiderichtung drehen, in der die Lippen 50 beim Abstieg Knochen schneiden oder aufschneiden. Oder anders ausgedrückt, die Schneidrichtung kann definiert werden als rotierendes Fegen der Schneidflächen 66 in den Knochen (oder das Wirtsmaterial bei nicht-medizinischen Anwendungen). In der Verdichtungsrichtung bilden die ersten nachlaufenden Flanken 54 im Endeffekt einen großen negativen Spanwinkel für die Lippen 50, um die Spanbildung und Scherverformung im Knochen (oder anderem Wirtsmaterial) an der Berührungsstelle mit den Lippen 50 zu minimieren. (Siehe zum Beispiel 17 und 20).
Eine im Allgemeinen planare zweite hintere Flanke 56 wird neben jeder ersten hinteren Flanke 54 in einem zweiten Winkel gebildet und fällt von ihr ab. Der zweite Winkel ist kleiner als der erste Winkel, vorzugsweise kleiner als etwa 55°. In einem Beispiel, in dem die ersten hinteren Flanken 54 unter 45° (relativ zur Achse A) gebildet werden, können die zweiten hinteren Flanken 56 40° oder weniger betragen. Eine allgemein planare Entlastungs-Tasche 58 wird neben jeder zweiten hinteren Flanke 56 unter einem dritten Winkel gebildet und fällt von dieser ab. Der dritte Winkel ist kleiner als der zweite Winkel. In einem Beispiel, bei dem die zweiten nachlaufenden Flanken 56 unter 40° (relativ zur Achse A) gebildet werden, können die Entlastungstaschen 58 (d.h. der dritte Winkel) 30° oder weniger betragen. Jede Entlastungstasche 58 ist in einem Sektor des apikalen Endes 48 zwischen einer zweiten nachlaufenden Flanke 56 und einer Lippe 50 angeordnet. Eine im Allgemeinen axial angeordnete Lippenfläche 60 erstreckt sich zwischen der Entlastungstasche 58 und der benachbarten Lippe 50. Dies ist vielleicht am besten in der vergrößerten Ansicht von 10 dargestellt. Wenn das Osteotom 36 in Schnittrichtung gedreht wird, sammelt sich eine erhebliche Menge an Knochenspänen in den Bereichen der Entlastungstasche 58. Wenn das Osteotom 36 in Verdichtungsrichtung gedreht wird, sammeln sich wenig bis keine Knochenspäne in den Bereichen der Entlastungstasche 58.
15A ist ein stark vereinfachter und beispielhafter halbkreisförmiger Querschnitt durch das apikale Ende 48 des Osteotoms 36, wie er entlang der Linien 15A-15A in 15 aufgenommen wurde. In dieser vereinfachten Darstellung sind kleine Punkte am Schnittpunkt der planaren Flächen 54, 56 und 58 platziert. Die knotenartigen Punkte existieren in der Realität nicht, werden aber in dieser Ansicht hinzugefügt, um die Grenzen der verschiedenen Oberflächen besser unterscheiden zu können (54, 56, 58, 60). In Kombination mit den verschiedenen anderen Ansichten und Beschreibungen hilft 15A, dem Fachmann über die verschiedenen Facetten (54, 56, 58, 60) und ihre Beziehungen zueinander und zu den Lippen 50 zu informieren.
Eine Vielzahl von Rillen oder Nuten 62 sind um den Körper 42 angeordnet. Die Nuten 62 können eine gemeinsame axiale Länge und radiale Tiefe haben oder auch nicht. D.h., es ist möglich, dass die Nuten 62 in einigen Konfigurationen nicht alle identisch sind. Die Nuten 62 sind vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, gleichmäßig um den Körper 42 herum angeordnet. Der Durchmesser des Körpers 42 kann die Anzahl der Nuten 62 beeinflussen. Zum Beispiel können Körper 42 im Bereich von etwa 1,5 bis 2,8 mm mit drei oder vier Nuten gebildet werden; Körper 42 im Bereich von etwa 2,5 bis 3,8 mm können mit fünf oder sechs Nuten gebildet werden; Körper 42 im Bereich von etwa 3,5 bis 4,8 mm können mit sieben oder acht Nuten gebildet werden; und Körper 42 im Bereich von etwa 4,5 bis 5,8 mm können mit neun oder zehn Nuten gebildet werden. Und so weiter. Natürlich kann die Anzahl der Nuten 62 mehr oder weniger variiert werden als die hier angegebenen Beispiele, um die Leistung zu optimieren und/oder der jeweiligen Anwendung besser gerecht zu werden.
In der abgebildeten Ausführungsform sind die Nuten 62 mit spiralförmiger Windung geformt. Wenn die Schnittrichtung rechts (im Uhrzeigersinn) ist, dann ist vorzugsweise auch die spiralförmig gewundene Spirale rechtsgängig. Diese RHS-RHC-Konfiguration ist in den Figuren durchgehend dargestellt, obwohl man sich darüber im Klaren sein sollte, dass eine Umkehrung der Schnittrichtung und der spiralförmigen Spiralrichtung (d.h. zu LHS-LHC) auf Wunsch mit im Wesentlichen gleichen Ergebnissen vorgenommen werden könnte. Der Durchmesser des Körpers 42 kann den Winkel der gewundenen Spirale beeinflussen. Typischerweise sind für den Körper 42 Spiralen zwischen etwa 5° und 20° möglich, wobei der Durchmesser des Körpers 42 zwischen etwa 1,2 mm und 6 mm liegt. Als Beispiel können Körper 42 im Bereich von etwa 1,5 bis 2,8 mm mit einer 9,5°-Spirale, Körper 42 im Bereich von etwa 2,5 bis 3,8 mm mit einer 1 1°-Spirale, Körper 42 im Bereich von etwa 3,5 bis 4,8 mm mit einer 12°-Spirale und Körper 42 im Bereich von etwa 4,5 bis 5,8 mm mit einer 12,5°-Spirale gewunden werden. Natürlich können die Spiralwinkel mehr oder weniger als die hier angegebenen Beispiele variiert werden, um die Leistung zu optimieren und/oder der jeweiligen Anwendung besser gerecht zu werden. Tatsächlich kann jeder Körper 42 mit einem Durchmesser zwischen etwa 1,2 mm und 6 mm mit einer spiralförmigen Spirale im allgemeinen Bereich von etwa 5° bis 20° gewunden werden.
Wie vielleicht am besten in den 15 und 16 dargestellt, hat jede Nut 62 eine Verdichtungsfläche 64 und eine gegenüberliegende Schneidfläche 66. Zwischen benachbarten Nuten 62 wird abwechselnd eine Rippe oder ein Steg gebildet. So hat ein vier-nutiges 62er Osteotom 36 vier Stege, ein zehn-nutiges 62er Osteotom 36 zehn verschachtelte Stege, und so weiter. Jeder Steg hat eine äußere Stegfläche 70, die sich (umlaufend) zwischen der Verdichtungsfläche 64 der Nut 62 auf der einen Seite und der Schneidfläche 66 der Nut 62 auf der anderen Seite erstreckt. Die scharfe Schnittstelle zwischen jeder Stegfläche 70 und der zugehörigen Schneidfläche 66 wird als Arbeitskante 72 bezeichnet. Abhängig von der Drehrichtung des Osteotoms 36 hat die Arbeitskante 72 entweder die Funktion, Knochen zu schneiden oder Knochen zu verdichten. Das heißt, wenn das Osteotom in Schneidrichtung rotiert wird, schneiden die Arbeitskanten 72 und exkavieren Knochen (oder anderes Wirtsmaterial). Wenn das Osteotom in verdichtender (nicht schneidender) Richtung gedreht wird, komprimieren und verdrängen die Arbeitskanten 72 Knochen (oder anderes Wirtsmaterial) mit wenig bis gar keinem Schnitt. Diese Verdichtung und radiale Verschiebung zeigt sich als sanftes Drücken der knöchernen Struktur lateral nach außen in einem Verdichtungsmechanismus. 15 zeigt einen Kerndurchmesser 74, der als gebrochener Kreis überlagert ist. 35 kennzeichnet den Kerndurchmesser 74 auch als den kürzesten senkrechten Abstand zwischen diametral gegenüberliegenden Nuten 62. Der Kerndurchmesser 74 ist die Wurzel oder der zentrale Teil des Körpers 42, der alle Stege miteinander verbindet. Der Durchmesser des Kerndurchmessers 74 variiert mit dem sich verjüngenden Durchmesser des Körpers 42.
Die Arbeitskanten 72 sind in den Figuren durchgehend als im Wesentlichen randlos (engl.: margin-less) dargestellt, da der gesamte Teil jeder Stegfläche 70 hinter der Arbeitskante 72 weggeschnitten wird, um vollständigen Freiraum zu schaffen. Bei Standardfräsern und - bohrern nach dem Stand der Technik sind hinter der Arbeitskante üblicherweise Ränder eingearbeitet, um den Bohrer im Loch zu führen und den Bohrerdurchmesser beizubehalten. Der primäre Kegelspaltwinkel, d.h. der Winkel zwischen einer Tangente der Arbeitskante 72 und jeder Stegflanke 70, wie in dargestellt, kann je nach Anwendung und möglicherweise je nach Durchmesser des Körpers 42 zwischen etwa 1° und 35° liegen. Es hat sich gezeigt, dass primäre Kegelspalte zwischen etwa 5° und 20° für den Durchmesser des Körpers 42 zwischen etwa 1,2 mm und 6 mm wirksam sind. Zum Beispiel können Körper 42 im Bereich von etwa 1,5 bis 2,8 mm Stegflächen 70 mit einem 15° Primärkegelspiel aufweisen; Körper 42 im Bereich von etwa 2,5 bis 3,8 mm können Stegflächen 70 mit einem 15° Primärkegelspiel aufweisen; Körper 42 im Bereich von etwa 3,5 bis 4,8 mm können Stegflächen 70 mit einem 12° Primärkegelspiel aufweisen; und Körper 42 im Bereich von etwa 4,5 bis 5,8 mm können Stegflächen 70 mit einem 10° Primärkegelspiel aufweisen. Natürlich können die primären Kegelspielwinkel mehr oder weniger variiert werden als die hier angegebenen Beispiele, um die Leistung zu optimieren und/oder der Anwendung besser gerecht zu werden. Wie oben im Zusammenhang mit dem Winkel der spiralförmigen Verdrehung erwähnt, sind die im Wesentlichen randlosen Arbeitskanten 72 beispielsweise in 14 dargestellt, die sich von der Verdichtungsrichtung wegdrehen, wenn das konisch zulaufende Profil des Körpers 42 im Durchmesser abnimmt. Mit anderen Worten, wenn die Verdichtungsrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn ist, wie in 14 dargestellt, windet sich die spiralförmige Drehung der Arbeitskanten 72 von der Oberseite des Körpers 42 aus gesehen in Richtung seines apikalen Endes 48 gegen den Uhrzeigersinn. Oder umgekehrt, wie in 14 dargestellt, windet sich die Spirale, wenn man vom apikalen Ende 48 auf die Oberseite des Körpers 42 schaut, im Uhrzeigersinn, wie in 14 dargestellt. Wenn also die Verdichtungsrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn ist, werden sich die Arbeitskanten 72 „von der Verdichtungsrichtung wegdrehen“, wenn alle Stege 70 gegenüberliegen und die Nuten 62 entgegen dem Uhrzeigersinn um die Längsachse A kreisen, während man die Stege 70 und die Nuten 62 nach unten zum apikalen Ende 48 hin verfolgt.
Die Schneidfläche 66 legt für jede Arbeitskante 72 einen Spanwinkel fest. Ein Spanwinkel ist ein Neigungswinkel, gemessen von der Vorderfläche der Arbeitskante 72 zu einer imaginären Linie, die senkrecht zur Oberfläche des bearbeiteten Objekts (z.B. innere Knochenfläche der Osteotomie) verläuft. Der Spanwinkel ist ein Parameter, der bei verschiedenen Schneid- und Bearbeitungsprozessen verwendet wird und den Winkel der Schneidfläche relativ zum Werkstück beschreibt. Spanwinkel können sein: positiv, negativ oder Null. Gemäß 16 kann der Spanwinkel für die Arbeitskante 72 bei Drehung in Schnittrichtung etwa null Grad (0°) betragen. Mit anderen Worten, die Schneidfläche 66 im Beispiel von 16 ist ungefähr senkrecht zu einer Tangente des durch die Arbeitskante 72 geritzten Bogens ausgerichtet. Wie in 16 dargestellt, entsteht dadurch eine scharfe Schneidkante 72, die sich gut zum Schneiden/Schneiden von Knochen eignet, wenn das Osteotom 36 in Schneidrichtung gedreht wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Schneidfunktionalität des Drehosteotoms 36 verbessert werden kann, indem der Spanwinkel der Schneidfläche 66 zwischen etwa 0° und etwa -65° (negativer Spanwinkel) in Abhängigkeit vom Abstand vom apikalen Ende 48 verändert wird. Diese Optimierung des Spanwinkels der Schneidfläche 66 wird nachfolgend im Zusammenhang mit den 33-47 ausführlich beschrieben.
Wenn das Osteotom 36 im Verdichtungsmodus gegenläufig gedreht wird, ergibt sich der effektive Spanwinkel zwischen der Arbeitskante 72 und der Stegoberfläche 70, die, wie bereits erwähnt, bei einem großen negativen Spanwinkel in der Größenordnung von etwa 55°-89° liegen kann, der das Kompliment des primären Kegelspielwinkels darstellt. Der große negative Spanwinkel der Arbeitskante 72 (bei Drehung in Verdichtungsrichtung) übt an der Kontaktstelle zwischen der Wand der Osteotomie 32 und der Arbeitskante 72 einen Druck nach außen aus, um vor der Kontaktstelle eine Kompressionswelle zu erzeugen, die dem Streichen von Butter auf Toast ähnelt. Die Osseodensifikation kann auch mehr oder wenig mit dem bekannten Verfahren des (plastischen) Glättens (engl. burnishing) von Metall zur Verbesserung der Metalloberflächenqualität verglichen werden.
Der vom Chirurgen ausgeübte Druck nach unten ist erforderlich, um die Arbeitskante 72 in Kontakt mit der Knochenoberfläche der Osteotomie 32 zu halten, die expandiert wird. Das heißt, es ist Druck erforderlich, um eine Kompressionswelle im Knochen zu erzeugen und auszubreiten, die beginnt, wenn die Kontaktspannungen die Streckgrenze des aufnehmenden Knochenmaterials überschreiten. Dies wird durch den Verjüngungseffekt der Osteotomie 32 und des Werkzeugs 36 unterstützt, um lateralen Druck (d.h. in der beabsichtigten Ausdehnungsrichtung) zu erzeugen. Je härter der Chirurg das Drehosteotom 36 in die Osteotomie 32 schiebt, desto mehr Druck wird lateral ausgeübt. Dies gibt dem Chirurgen die vollständige Kontrolle über die Expansionsrate, weitgehend unabhängig von der Rotationsgeschwindigkeit des Osteotoms 36, was ein Faktor für die kurze Lernkurve ist, die zur Beherrschung der Osseodensifikationstechnik erforderlich ist. Die Intensität des Verdichtungseffekts hängt also hauptsächlich von der Stärke der auf das Osteotom 36 ausgeübten Kraft ab, die vom Chirurgen kontrolliert wird. Je mehr Kraft ausgeübt wird, desto schneller erfolgt die Expansion.
Da jede Arbeitskante 72 über den Knochen zieht, können die ausgeübten Kräfte in zwei Komponenten zerlegt werden: eine senkrecht zur Knochenoberfläche, die den Knochen nach außen drückt, und eine tangentiale, die ihn an der Innenfläche der Osteotomie 32 entlangzieht. Wenn die tangentiale Komponente zunimmt, beginnt die Arbeitskante 72 entlang des Knochens zu gleiten. Gleichzeitig verformt die Normalkraft das weichere Knochenmaterial. Wenn die Normalkraft gering ist, reiben die Arbeitskanten 72 am Knochen, ohne dessen Oberfläche dauerhaft zu verändern. Die Reibung erzeugt Reibung und Wärme, aber dies kann vom Chirurgen kontrolliert werden, indem er die Rotationsgeschwindigkeit und/oder den Druck und/oder die Spülung während des Eingriffs verändert. Da der Körper 42 des Osteotoms 36 verjüngt ist, kann der Chirurg die Arbeitskanten 72 während des chirurgischen Eingriffs jederzeit vom Kontakt mit der Knochenoberfläche abheben, um eine Kühlung zu ermöglichen. Dies kann in einer kontrollierten „Prell“-Weise erfolgen, bei der Druck in kurzen Stößen ausgeübt wird, wobei der Chirurg den Fortschritt durchgehend überwacht und Feinkorrekturen und Anpassungen vornimmt. Siehe 7 und 8, die diese variable Krafteinwirkung und die Möglichkeit veranschaulichen, das Osteotom zu jeder Zeit während des Eingriffs aus dem Eingriff mit den Wänden der Osteotomie 32 herauszuheben. Wenn die vom Chirurgen nach unten gerichtete Kraft zunimmt, übersteigen die Spannungen in der Knochenoberfläche schließlich die Streckgrenze des Knochens. Wenn dies geschieht, pflügen die Arbeitskanten 72 durch die Oberfläche und bilden dahinter eine Mulde. Siehe 32. Durch die Pflugwirkung der Arbeitskanten 72 wird die Osteotomie somit progressiv vergrößert, bis das Drehosteotom 36 die volle/maximale Tiefe erreicht hat; zu diesem Zeitpunkt muss ein anderes, größeres Drehosteotom 36 verwendet werden, um bei Bedarf eine weitere Expansion zu erreichen.
9 zeigt eine Spannungs-Dehnungs-Kurve, die im Allgemeinen für Knochen und andere duktile Materialien einschließlich, aber nicht beschränkt auf Schaummetalle und zelluläre Polymere, wie sie in verschiedenen kommerziellen, industriellen und Luft- und Raumfahrtanwendungen verwendet werden, anschaulich ist. Das geradlinige Segment der Kurve vom Ursprungspunkt (0,0) bis B stellt den elastischen Reaktionsbereich des Materials dar. Der Bezugspunkt B gibt die Elastizitätsgrenze des Materials an. Die elastischen Eigenschaften des Knochens sind zwar bekannt, aber wenn die vom Chirurgen aufgebrachte Belastung die Fähigkeit des Knochens zur elastischen Verformung nicht überschreitet, d.h. über Punkt B hinausgeht, kehrt der Knochen sofort in seinen ursprünglichen (unverformten) Zustand zurück, sobald die Belastung beseitigt ist. Andererseits, wenn die vom Chirurgen auferlegte Belastung die Fähigkeit des Knochens zur elastischen Verformung übersteigt, wird sich der Knochen verformen und durch plastische Verformung dauerhaft seine Form verändern. Im Knochen kann die dauerhafte Formveränderung mit Mikrorissen verbunden sein, die eine Energiefreisetzung ermöglichen, ein Kompromiss, der eine natürliche Abwehr gegen einen vollständigen Bruch darstellt. Wenn diese Mikrorisse klein sind, bleibt der Knochen in einem Stück, während sich die Osteotomie ausdehnt. Der Bereich der plastischen Verformung erstreckt sich von der Fließgrenze des Materials (C) bis hin zur Frakturstelle (E). Der Scheitelpunkt (D) der Kurve zwischen der Streckgrenze (C) und der Bruchstelle (E) gibt die Zugfestigkeit des Materials an. Wenn ein Material (z.B. ein Knochen) im Bereich zwischen seiner Streckgrenze (C) und seiner Zugfestigkeit (D) einer Spannung ausgesetzt wird, erfährt das Material eine Kaltverfestigung. Reckverfestigung, auch als Kaltverfestigung oder Kaltverformung bekannt, ist die Verfestigung eines duktilen Materials durch plastische Verformung. Diese Verfestigung erfolgt aufgrund von Versetzungsbewegungen und Versetzungserzeugung innerhalb der Kristallstruktur des Materials- was bei Knochenmaterialien der Versetzung der Querverbindungen zwischen den Kollagenfasern im Knochengewebe entspricht. Das Material neigt dazu, Einschnürungen zu erfahren, wenn es im Bereich zwischen seiner Zugfestigkeit (D) und der Bruchstelle (E) belastet wird.
Die Richtung der spiralförmigen Verdrehung kann so gestaltet werden, dass sie zur Kontrolle des Chirurgen beiträgt, so dass während des gesamten Expansionsvorgangs ein optimales Spannungsniveau (in der Kaltverfestigungszone zwischen (C) und (D) auf dem Diagramm in ) auf den Knochen (oder ein anderes Wirtsmaterial) ausgeübt werden kann. Insbesondere die oben beschriebene RHS-RHC-Konfiguration, die eine rechtsdrehende Spirale für eine rechtsdrehende Schnittrichtung darstellt (oder alternativ eine LHS-LHC-Konfiguration, nicht gezeigt), übt eine Spannung aus, die eine vorteilhafte entgegengesetzte axiale Reaktionskraft (Ry) im Wirtsknochen hervorruft, wenn das Osteotom 36 durchgehend mit hoher Geschwindigkeit in einer Verdichtungsrichtung gedreht und gleichzeitig (manuell durch den Chirurgen) gewaltsam in eine Osteotomie 32 vorgeschoben wird. Diese entgegengesetzte axiale Reaktionskraft (Ry) ist in den 11-13 graphisch dargestellt, da sie der Richtung entgegengesetzt ist, in die das Osteotom 32 gewaltsam vorgeschoben wird. Mit anderen Worten: Wenn der Chirurg, der das Osteotom 36 operiert, das Osteotom 36 nach unten in eine Osteotomie 32 schiebt, dann wirkt die entgegengesetzte axiale Reaktionskraft (Ry) in die entgegengesetzte Richtung, um das Osteotom nach oben zu schieben. Die entgegengesetzte axiale Reaktionskraft (Ry) ist die vertikale (oder genauer gesagt die „axiale“ gegenüber der Längsachse A) Komponente der Reaktionskraft (R), d.h. die Newtonsche „gleiche und entgegengesetzte Reaktionskraft“, die vom Knochen gegen die gesamte Länge der Arbeitskanten 72 des Osteotoms 36 ausgeübt wird (d.h. das dritte Newtonsche Bewegungsgesetz). Eine entgegengesetzte axiale Reaktionskraft (Ry) wird auch durch den effektiv großen negativen Spanwinkel an den Lippen 50 erzeugt, wenn das Osteotom 36 in Verdichtungsrichtung gedreht wird, wie in 20 gezeigt und anhand von 15A leicht zu erkennen ist. Kunstkundige werden alternative Ausführungsformen zu schätzen wissen, bei denen die entgegengesetzte axiale Reaktionskraft (Ry) entweder durch die Konfiguration der Lippen 50 allein oder der Arbeitskanten 72 allein erzeugt wird und nicht durch beide (50, 72), die wie in der bevorzugten Ausführungsform zusammenwirken.
Damit ein Chirurg das apikale Ende 48 zum Boden der Osteotomie 32 vorschieben kann, wenn sich das Osteotom 36 in Verdichtungsrichtung dreht, muss er oder sie gegen die entgegengesetzten axialen Reaktionskräfte (Ry) drücken und diese überwinden, zusätzlich zur Bereitstellung der Kraft, die zur plastischen Verschiebung/Ausdehnung des Knochens wie oben beschrieben erforderlich ist. Das Osteotom 36 ist so konstruiert, dass der Operateur sozusagen durchgehend gegen die entgegenwirkenden axialen Reaktionskräfte (Ry) arbeiten muss, um die Osteotomie 32 durch Verdichtung, d.h. im Verdichtungsmodus, zu expandieren. Die entgegenwirkenden axialen Reaktionskräfte (Ry) sind für den Chirurgen nicht nachteilig, sondern vorteilhaft, da sie ihm mehr Kontrolle über den Expansionsprozess geben. Aufgrund der entgegengesetzten axialen Reaktionskräfte (Ry) wird das Osteotom 36 nicht tiefer in die Osteotomie 32 hineingezogen, wie dies bei einem standardmäßigen „aufwärts schneidenden“ Spiralbohrer oder Fräser der Fall sein kann, der eine Zugkraft erzeugt, die das Osteotom in das Innere der knöchernen Stelle vorrücken lässt. Aufwärts schneidende Fräser haben die Möglichkeit, den Bohrer zu greifen und tiefer in die Osteotomie zu ziehen, was zu einer unbeabsichtigten Überpenetration führen könnte.
Im Verdichtungsmodus ist die Intensität der entgegengesetzten axialen Reaktionskräfte (Ry) immer proportional zur Intensität der Kraft, die der Chirurg beim Vorschieben des Körpers 42 in die Osteotomie 32 ausübt. Diese entgegengesetzte Kraft erzeugt somit ein haptisches Echtzeit-Feedback, das intuitiv und natürlich ist und den Chirurgen darüber informiert, ob zu einem bestimmten Zeitpunkt mehr oder weniger Kraft aufgebracht werden muss. Dieses gleichzeitige taktile Feedback nutzt den feinen Tastsinn des Chirurgen voll aus, indem Reaktionskräfte (R und insbesondere die axiale Komponente Ry) direkt über das Osteotom 36 aufgebracht werden. In diesem Verdichtungsmodus unterstützt die mechanische Stimulation der entgegengesetzten axialen Reaktionskräfte (Ry) den Chirurgen dabei, den Expansionsvorgang besser zu kontrollieren, je nachdem, wie der Knochen (oder anderes Wirtsmaterial) in Echtzeit auf den Expansionsvorgang reagiert.
So wird die oben im Zusammenhang mit den 7-9 beschriebene kontrollierte „Prell“- oder „Pump“-Aktion durch die entgegenwirkenden axialen Reaktionskräfte (Ry) effektiver und wesentlich besser kontrollierbar, so dass der Chirurg den Fortschritt instinktiv überwachen und Feinkorrekturen und Anpassungen des angewandten Drucks on-the-fly vornehmen kann, ohne die Kontrolle über die Expansionsrate zu verlieren. Die taktile Rückkopplung von den entgegengesetzten axialen Reaktionskräften (Ry) erlaubt es dem Chirurgen, intuitiv Spannung auf das Knochenmaterial auszuüben, so dass seine Dehnungsreaktion vorzugsweise in der Kaltverfestigungszone liegt, d.h. zwischen seiner Streckgrenze (C) und seiner endgültigen Zugfestigkeit (D). In jedem Fall ist der Chirurg bestrebt, die Spannung (wie sie durch die von ihm über das rotierende Osteotom 36 aufgebrachte Kraft erzeugt wird) oberhalb der Elastizitätsgrenze (B) und unterhalb der Bruchstelle (E) zu halten. Solange die angewandte Spannung die Elastizitätsgrenze (B) nicht überschreitet, wird sich der Knochen natürlich überhaupt nicht dauerhaft verformen; und die Anwendung von Spannung über den Bruchpunkt (E) hinaus führt zu einem Bruch des Knochens (oder eines anderen Wirtsmaterials) - möglicherweise mit katastrophalen Folgen.
Der beispielhafte Graph in 8 stellt die von einem Chirurgen aufgebrachte Kraft zum Vorschieben des Körpers 42 in eine Osteotomie 32 gegen seine Eindringtiefe in die Osteotomie 32 in drei getrennten Verfahren (A-B-C) dar, um grafisch zu zeigen, wie der Chirurg diese fliegenden Anpassungen in Abhängigkeit von der jeweiligen Situation, auf die er trifft, vornehmen kann. Die angewandte Kraft ist, wie oben erwähnt, die vom Chirurgen manuell erzeugte Kraft, die zur Überwindung der kombinierten entgegengesetzten axialen Reaktionskräfte (Ry) plus der Kräfte, die zur Aufweitung/Verformung des Knochens erforderlich sind, erforderlich ist. Die angewandte Kraft erzeugt Spannungen im Knochen (oder anderem Wirtsmaterial), so dass dieser eine Dehnungsreaktion wie in dargestellt entwickelt. Während einer Operation setzt der Chirurg sein Geschick ein, um die angewandte Spannung manuell so zu variieren, dass die Dehnungsreaktion innerhalb des plastischen Verformungsbereichs (B-E) und vorzugsweise noch innerhalb des idealeren Verfestigungsbereichs (C-D) bleibt. Die Konfiguration des Osteotoms 36 ist daher so ausgelegt, dass der Chirurg während eines Ausdehnungsvorgangs (Verdichtungsmodus) mehr Kontrolle hat, indem er proportionale, entgegengesetzte axiale Reaktionskräfte (Ry) erzeugt, wenn das Osteotom 36 durchgehend rotiert und gleichzeitig gewaltsam in eine Osteotomie 32 vorgeschoben wird.
Die 17-21 veranschaulichen die Fähigkeit des Drehosteotoms 36, Knochen gleichzeitig zu transplantieren und zu verdichten. Der Aspekt der Verdichtung kann definiert werden als das sanfte Drücken der knöchernen Struktur von lateral nach aussen, um die Zellen in der gesamten Region um die Osteotomie 32 zu verdichten. In 17 ist eine durch die vorliegende Erfindung gebildete Osteotomie 32 mit einer übertriebenen Verjüngung in der Grössenordnung von ~7° (im Vergleich zum bevorzugten Verjüngungswinkel im Bereich von etwa 2°-3°) dargestellt, um das notwendige Abschleifen einer kleinen Menge Knochen (oder anderen Wirtsmaterials) mit jedem progressiv größeren Osteotom 36 hervorzuheben.
In 17 zeigt die Fläche 76 die Innenwand der Osteotomie 32, wie sie in einer vorangehenden Expansionsoperation mit einem Osteotom 36 kleinerer Größe vorbereitet wurde. Das heißt, in diesem Beispiel stellt die Oberfläche 76 ein Vorläuferloch dar. Das apikale Ende 48 des nächsten, inkrementell größeren Osteotoms 36 ist massiv dargestellt, um in die Osteotomie und wieder zu etwa 2/3 in die Osteotomie 32 einzudringen. Es ist zu verstehen, dass das Osteotom 36 durchgehend mit hoher Geschwindigkeit in einer sich verdichtenden Richtung (z.B. gegen den Uhrzeigersinn) gedreht und gleichzeitig durch die manuellen Anstrengungen des Chirurgen zwangsweise in eine Osteotomie 32 vorgeschoben wird. Die Konstruktionslinie 78 zeigt den zylindrischen (d.h. sich nicht verjüngenden) Weg des apikalen Endes 48 bei seiner Bewegung von oben nach unten innerhalb der Osteotomie 32. Mit anderen Worten, der Durchmesser des apikalen Endes 48 bleibt gleich, und daher bleibt auch der Durchmesser seiner Bahn 78 über die zurückgelegte Strecke konstant. Wenn das Osteotom 36 zum ersten Mal in die Osteotomie 32 eindringt, wie in der Abbildung gezeigt, ist der Innendurchmesser der vorherigen Osteotomie 76 ungefähr gleich dem Durchmesser des apikalen Endes 48. Der Innendurchmesser der vorherigen Osteotomie 76 verjüngt sich jedoch progressiv (d.h. verjüngt sich nach innen) in Richtung des Grunds 35 der Osteotomie 32. Wie gezeigt, bleibt der zylindrische Verlauf des apikalen Endes 48 jedoch konstant. Wenn das Osteotom 36 tiefer zum Grund 35 der Osteotomie 32 vorgeschoben wird, wird daher immer mehr Knochen weggeschliffen und/oder verschoben, um Platz für das vorrückende (größere) Osteotom 36 zu schaffen. Region 80, definiert als der ringförmige Raum zwischen den Oberflächen 76 und 78 (plus einem Teil des apikalen Endes 48), stellt das Knochenmaterial dar, das von den äußersten Rändern der Lippen 50 abgefräst und/oder verdrängt wird, während das apikale Ende 48 sich seinen Weg zur vollen Tiefe der Osteotomie 32 bahnt. Der gefräste oder geschliffene Bereich 80 umfasst nicht nur die Seitenwände, sondern auch das apikale Ende 48 des Osteotoms 32. Zur Erinnerung: Der Konuswinkel ist in stark übertrieben dargestellt, so dass die geschliffene Region 80 wesentlich grösser erscheint, als dies bei einem kleineren Konuswinkel von etwa 2°-3° der Fall wäre. Wenn in einer nachfolgenden Operation (nicht gezeigt) ein weiteres Osteotom 36 der nächst größeren Größe verwendet wird, um die Osteotomie 32 weiter auszudehnen, entsteht eine ähnliche (aber größere) Region 80, da ihr apikales Ende 48 bis zum Grund 35 der Osteotomie 32 geschoben wird, und so weiter.
Verbleibend im Kontext von 17 zeigt die Fläche 82 die Außenwand der Osteotomie 32, wie sie durch die Expansionsoperation von Osteotom 36 vorbereitet wurde, wenn ihr apikales Ende 48 den Grund 35 erreicht. Die Oberfläche 82 ist ein im Wesentlichen perfektes Negativ des rotierenden Osteotomkörpers 42. Mit anderen Worten, die Oberfläche 82 wird eine Verjüngung aufweisen, die der des Osteotomkörpers 42 entspricht, und einen unteren Abdruck, der durch das rotierende apikale Ende 48 des abgebildeten Osteotoms entsteht. Region 84, definiert als der ringförmige Raum zwischen den Oberflächen 78 und 82, stellt das Knochenmaterial dar, das durch die Arbeitskanten 72 der Stege plastisch verdrängt wird, wenn der Osteotomkörper 42 seinen Weg in die volle Tiefe der Osteotomie 32 nimmt. Das gesamte Knochenmaterial innerhalb der Region 84 wird ohne Schneiden radial nach außen in die umgebende Knochenstruktur verdichtet und stellt somit eine Zone verdichteten Knochens dar.
Eine wichtige Beobachtung kann wie folgt zusammengefasst werden: „Was geschieht mit dem geschliffenen/gefrästen Knochenmaterial, das einst Region 80 einnahm?“ Wie bereits erwähnt, ist das Osteotom 36 so konfiguriert, dass es den geschliffenen/gefrästen Knochen aus Region 80 gleichzeitig automatisch transplantiert und verdichtet, während er rotiert und gewaltsam in die Osteotomie 32 vorgeschoben wird. Das Autotransplantationsphänomen ergänzt die oben beschriebenen grundlegenden Knochenverdichtungs- und - kondensationseffekte, um die Innenwände 82 der Osteotomie weiter zu verdichten. Darüber hinaus verbessert das Autotransplantationsverfahren - bei dem das patienteneigene Knochenmaterial repatriiert wird - die natürlichen Heilungseigenschaften im menschlichen Körper, um die Genesung zu beschleunigen und die Osseointegration zu verbessern.
20 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Grenzfläche zwischen dem apikalen Ende 48 und dem Wirtsknochenmaterial, wie sie aus dem umschriebenen Bereich in 17 entnommen wurde. An dem Punkt, an dem die äußerste Kante jeder rotierenden und gewaltsam vorrückenden Lippe 50 den Knochen berührt, wird der Knochen durch Abrieb weggeschliffen. Die Knochentrümmer sammeln sich hauptsächlich an den zweiten hinteren Flanken 56, d.h. unmittelbar hinter den jeweils ersten hinteren Flanken 54. Ein Teil des angesammelten Knochentrümmers wandert entlang der Lippen 50 radial nach innen und wird bis ganz nach unten in die Osteotomie 32 getragen. Der Rest des angesammelten Knochentrümmers verteilt sich entlang der Nuten 62, die die zweiten hinteren Flanken 56 direkt schneiden, durch den Druck, der durch die manuellen Druckanstrengungen des Chirurgen ausgeübt wird. Dies ist in 21 dargestellt. Beachten Sie, dass eine Vielzahl von Nuten 62 in die zweiten nachlaufenden Flanken 56 münden. (Siehe auch 43, in der eine Vielzahl von Nuten 162 deutlich zu erkennen ist, die sich mit jeder zweiten hinteren Flanke 156 treffen, um im Verdichtungsmodus einen Aufwärtsfluss von knochigem Schlamm aufzunehmen). In den Osteotomen 36 mit dem kleinsten Durchmesser schneiden sich vielleicht nur zwei Nuten 62 mit den zweiten nachlaufenden Flanken 56. Wenn der Durchmesser des Osteotoms 36 jedoch zunimmt, wird die Möglichkeit für drei oder mehr Nuten 62, den Ausfluss von Knochenpartikeln direkt von der zweiten nachlaufenden Flanke 56 aufzunehmen, recht praktisch. Diese Nuten 62 tragen Knochentrümmer leicht von der Schleifoberfläche weg, wodurch die Möglichkeit einer hitze- und/oder druckinduzierten Nekrose der Knochenpartikel verringert wird. Trotz der reichlichen Ausflusskapazität, die durch die Vielzahl von Nuten 62, die in die zweiten hinteren Flanken 56 münden, ermöglicht wird, ist es möglich, dass ein kleiner Teil des Knochentrümmers in die Entlastungstaschen 58 überlaufen könnte, aber dies ist von minimaler Bedeutung.
Knochentrümmer, die in den Nuten 62 verteilt sind, arbeiten sich in Richtung des zugehörigen Stegs 70 vor, wo sie abgewischt und in die Zellwände der Osteotomie 32 gedrückt und sofort wieder in den Knochen des Patienten transplantiert werden, ganz in der Nähe der Stelle, an der sie entnommen wurden. Knochentrümmer, die zum Boden der Osteotomie 32 befördert werden, werden abgewischt und in den Boden der Osteotomie 32 gepresst. Infolgedessen entsteht um und unter der Verdichtungsregion 84 eine Autotransplantationszone 86, wie in 17 dargestellt. Interessanterweise ist die Autotransplantationszone 86 dort am dünnsten, wo die Verdichtungszone 84 am dicksten ist, und umgekehrt ist die Autotransplantationszone 86 dort am dicksten, wo die Verdichtungszone 84 am dünnsten ist. Und an dem Osteotomie-Grund 35, wo diese wenig bis gar keine Verdichtung aufweist, gibt es eine signifikante Zone des Autotransplantats 86, die dazu dient, einen Bereich der Osteotomie 32 zu verdichten (und positiv zu stimulieren), der sonst nicht verdichtet werden könnte. Dies wird in der Mikro-CT-Aufnahme von 22, Osteotomie ganz rechts, bestätigt. Man kann also davon ausgehen, dass das Autotransplantationsphänomen eine ideale Ergänzung zu den grundlegenden Knochenverdichtungs- und -kondensationseffekten bei der Vorbereitung einer Osteotomie 32 zur Aufnahme eines Implantats 34 oder eines anderen Fixationsgeräts darstellt.
Bei den 22-23D handelt es sich um Mikro-CT-Aufnahmen, die in der porcinen Tibia entwickelt wurden. 22 ist ein transversaler Schnitt durch ein mediales Tibiaplateau der Porcine03 mit Vergleichslöchern, die mit drei verschiedenen Methoden erzeugt wurden. Die Osteotomie ganz links wurde mit einem Bohrer nach dem Stand der Technik erstellt. Beachten Sie die rauen, unebenen Seitenwände. Die Osteotomie in der Mitte wurde mit einem Drehosteotom 36, wie in 6 dargestellt, in Schneidrichtung (d.h. im Schneidemodus) gedreht, geschaffen. Beachten Sie die relativ sauberen/unebenen Seitenwände. Die Osteotomie ganz rechts wurde durch das Drehosteotom 36 in 6 erzeugt, das gegen den Uhrzeigersinn (d.h. im Verdichtungsmodus) gedreht wurde.
Bei den 23A-D handelt es sich um Mikro-CT-Aufnahmen, die bei verschiedenen Typen von Schweine-Schienbeinen mit dem Drehosteotom 36 aus 6, das sowohl in Schneide- als auch in Verdichtungsrichtung gedreht wurde, entwickelt wurden. Die 23A und 23C zeigen beide axiale Schichtaufnahmen der medialen Tibiaplateaulöcher der Porcine03. Die 23B und 23D zeigen beide axiale Schichtaufnahmen der medialen Tibiaplateau-Löcher der Porcine02. In den 23A und 23B wurde das Drehosteotom 36 in Schnittrichtung (Schneidemodus) gedreht. In den 23C und 23D wurde das Drehosteotom 36 in die entgegengesetzte Richtung gedreht (Verdichtungsmodus). Diese Bilder werden miteinander verglichen und kontrastiert, um die Auswirkungen zu veranschaulichen, wenn dasselbe Drehosteotom 36 im Uhrzeigersinn gedreht wurde, um das Schneiden zu bewerkstelligen, und gegen den Uhrzeigersinn, um die Osseodensifikation bei zwei verschiedenen Knochentypen zu erreichen. Eine Verdichtungskruste (Stützschicht) in den Knochenseitenwänden ist an den weißen Regionen um die Osteotomien in 22 (ganz rechts) und 23C und 23D zu erkennen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Osseodensifikation eine Methode zur Erhaltung des Knochens und seines Kollagengehalts ist, um seine Plastizität zu verbessern. Sie ermöglicht die Vergrößerung einer Osteotomie 32 durch Kompaktierung (und/oder durch Schneiden, wenn die Rotation umgekehrt wird) mit einem Drehosteotom 34 als Vorbereitung für ein anschließend eingesetztes Implantat oder eine Fixierung 34. Die grundlegenden Schritte der Methode beginnen mit der Bereitstellung eines Wirtsmaterials, das in der bevorzugten Ausführungsform Knochen ist, bei anderen in Betracht gezogenen Anwendungen jedoch entweder ein zelluläres oder ein nicht-zelluläres Nicht-Knochenmaterial sein kann. Es wird auch ein Vorläuferloch 32 im Wirtsmaterial geschaffen. Dieses Vorläuferloch könnte entweder ein Pilotloch sein, das mit einem Standard-Spiralbohrer mit relativ kleinem Durchmesser gebohrt wird, oder ein Loch, das durch vorherige Anwendung der Schneid- oder Verdichtungstechniken eines Vorläufer-Drehosteotoms gebildet wird. In beiden Fällen hat das Vorläuferloch 32 eine Innenfläche (d.h. die Seitenwand 76), die sich zwischen einem im Allgemeinen kreisförmigen Eingang 33 in einer freiliegenden Oberfläche des Wirtsmaterials und einem Grund 35 erstreckt, der meist durch das Wirtsmaterial verschlossen ist. Der Grund 35 hat eine im Allgemeinen konische Form, wie sie durch die Spitze des Pilotbohrers oder das vorangehende Osteotom 36 erzeugt wird. Wenn das Vorläuferloch durch die vorherige Anwendung eines Drehosteotoms 36 gebildet wird, dann verjüngt sich seine Innenfläche kegelstumpfförmig, wobei der Eingang 33 einen etwas größeren Durchmesser hat als der Grund 35.
Die Methode umfasst ferner den Schritt der Bereitstellung eines Drehosteotoms 36, das so konfiguriert ist, dass es mit hoher Geschwindigkeit entweder in Schneid- oder Verdichtungsrichtung gedreht werden kann. Unabhängig davon, ob das Osteotom 36 durch Verdichten oder Schneiden vergrößert wird, rotiert es mit hoher Geschwindigkeit, im Gegensatz zu oszillierenden/schwingenden Bewegungen bei niedriger Geschwindigkeit, wie sie von einigen Systemen nach dem Stand der Technik gelehrt werden. Das Osteotom 36 besteht aus einem Schaft 40 und einem mit dem Schaft 40 verbundenen Körper 42. Der Körper 42 hat ein vom Schaft 40 entferntes apikales Ende 48 und ein sich konisch verjüngendes Profil, das von einem maximalen Durchmesser neben dem Schaft 40 auf einen minimalen Durchmesser neben dem apikalen Ende 48 abnimmt.
Das Osteotom 36 ist operativ mit einem chirurgischen Motor 38 verbunden, wobei seine Rotationsgeschwindigkeit irgendwo zwischen etwa 200-2000 U/min und sein Drehmoment auf etwa 5-50 Ncm eingestellt ist. Während des Eingriffs erfolgt eine ausgiebige Spülung in Form eines kontinuierlichen Stroms einer im Wesentlichen inkompressiblen Flüssigkeit 102 auf den rotierenden Körper 42 neben dem Eingang 33 zum Vorläuferloch 32.
Der Körper 42 wird durchgehend in einer sich verdichtenden Richtung gedreht, während seine apikale Spitze 48 vom Chirurgen gewaltsam in den Eingang 33 des Vorläuferlochs 32 vorgeschoben wird. Durchgehendes Vorrücken führt zu einer Vergrößerung des Vorläuferlochs 32, indem der rotierende Körper 42 gewaltsam gedrückt wird, so dass seine Arbeitskanten 72 gegen die Innenfläche des Vorläuferlochs 32 streichen, um den Knochen durch inkrementelle plastische Verformungen sanft auszudehnen, die eine fortschreitende Vergrößerung des Vorläuferlochs 32 bewirken, die angrenzend an den Eingang 33 beginnt und sich in einem kegelstumpfförmigen Muster nach unten zum Grund 35 hin entwickelt. Dieser Vergrößerungsschritt umfasst vorzugsweise ein axiales Streichen oder Pumpen des rotierenden Körpers 42 innerhalb des Vorläuferlochs 32, so dass die Arbeitskanten 72 abwechselnd mit einer Abwärtsbewegung gegen die Innenfläche des Knochens stoßen und sich dann mit einer Aufwärtsbewegung in immer tiefer werdenden Bewegungen, die eine fortschreitende plastische Verformung der Innenfläche des Vorläuferlochs bewirken, von der Innenfläche lösen. Wenn die Arbeitskanten 72 in physischem Kontakt mit dem Knochen stehen, kann der Chirurg je nach der haptisch empfundenen Reaktionsfähigkeit des Knochens manuell einen variablen axialen Druck ausüben. Der Vergrößerungsschritt umfasst auch das Läppen der Arbeitskanten 72 gegen die Innenfläche des Vorläuferlochs 32, ohne dass die Arbeitskanten 72 in den umgebenden Knochen schneiden, und zwar so, dass die Vorschubgeschwindigkeit zum Boden 35 des Vorläuferlochs 32 unabhängig von der Rotationsgeschwindigkeit des Körpers 42 ist. Diese letztere Eigenschaft steht im Gegensatz zu einigen Systemen nach dem Stand der Technik, die die Werkzeugrotation mit der Vorschubgeschwindigkeit koppeln.
Zu den bemerkenswerten Verbesserungen der vorliegenden Erfindung gehören: Zerkleinern einer zunehmend größeren Menge Knochenmaterial mit dem apikalen Ende 48, während der Körper 42 tiefer in die Osteotomie 32 vorgeschoben wird, automatisches Transplantieren des zerkleinerten Knochenmaterials in den Wirtsknochen innerhalb der Osteotomie 32 und Verdichten des zerkleinerten Knochenmaterials in den Wirtsknochen mit dem geriffelten Körper 42, und auch Erzeugen einer entgegengesetzten axialen Reaktionskraft (Ry) entgegen der Vorschubrichtung des Körpers 42 in die Osteotomie 32. Die entgegengesetzte axiale Reaktionskraft (Ry) wird durch die Konfiguration der Lippen 50 und/oder der Arbeitskanten 72 erzeugt.
Nach dem Entfernen des Osteotoms 36 aus dem aufgeweiteten Loch können zusätzliche Expansionsschritte geübt werden, um das Loch noch grösser zu machen, oder es kann der Fixierungsteil eines Implantats 34 oder einer anderen Verankerungsvorrichtung in die vorbereitete Osteotomie 32 eingebracht werden. Der Schritt des Einsetzens eines Fixateurs 34 oder eines Ankers würde das direkte Eingreifen einer äußeren Verankerungsgewindeform des Fixateurs 34 oder des Ankers in das expandierte Loch, das durch die Arbeitskanten 72 gebildet wurde, beinhalten.
Die Werkzeuge und Techniken dieser Erfindung lassen sich leicht an die Methoden computergenerierter Implantat-Insertionsanleitungen anpassen, wie sie zum Beispiel in der eigenen WO 2016/187493 des Anmelders an Huwais, veröffentlicht am 24. November 2016, beschrieben sind (deren vollständige Offenlegung hiermit durch Verweis übernommen wird, falls eine solche Übernahme durch Verweis in den Vorschriften zugelassen ist). Nach diesen Methoden wird ein Computermodell erstellt, das Informationen über die Struktur des Kieferknochens 30, die Form der Zahnfleischoberfläche und die Form der vorgeschlagenen Zähne oder des Zahnersatzes enthält. Das Computermodell zeigt die Knochenstruktur, die Zahnfleischoberfläche und die Zahnbilder in korrekter Beziehung zueinander, so dass die Osteotomie 32 Positionen ausgewählt werden können, wobei sowohl die richtige Positionierung innerhalb des Knochens 30 als auch die richtige Positionierung in Bezug auf das Implantat 34 berücksichtigt wird.
Die 24-26 zeigen eine alternative Ausführungsform dieser Erfindung, nämlich ein Ultraschallosteotom 90, das so konfiguriert ist, dass es eine Osteotomie ohne Rotation vergrößert. Das Ultraschallosteotom 90 umfasst einen Schaft und einen angrenzenden Körper 92. Der Körper 92 hat ein apikales Ende 94, das vom Schaft entfernt ist. Der Körper 92 ist im Allgemeinen glatt (d.h. ohne Nuten) und hat ein konisch verjüngtes Profil, das von einem maximalen Durchmesser neben dem Schaft bis zu einem minimalen Durchmesser neben dem apikalen Ende 94 abnimmt. Die Gesamtproportionen und Abmessungen des Körpers 92 werden denen des Körpers 42 in den vorhergehenden Beispielen ähnlich sein. Das apikale Ende 94 enthält eine unidirektionale Schleifformation, die die Form einer aufgerauten Oberfläche annehmen kann. Da das Ultraschallosteotom 90 mit einer hohen Frequenz vibriert wird (wie durch einen handelsüblichen chirurgischen Ultraschallgenerator), hat das apikale Ende 94 den Effekt, dass ein kleiner Teil des Knochens auf eine Weise geschliffen wird, die sich nicht allzu sehr von der des apikalen Endes 48 in den früheren Ausführungsformen unterscheidet. Der Körper 92 enthält außerdem eine Autotransplantations-Rampe 96, die so konfiguriert ist, dass der Knochen automatisch transplantiert und verdichtet wird, nachdem der Knochen durch das apikale Ende 94 mit Ultraschall pulverisiert wurde, während der Körper gleichzeitig mit hochfrequenter Vibration in eine Osteotomie vorgeschoben wird. In diesem Beispiel ist die Autotransplantations-Rampe 96 ein kegelstumpfförmiges Element, das unmittelbar unter dem glatt verjüngten Teil des Körpers 92 angeordnet ist. Die Autotransplantations-Rampe 96 verläuft in einem ersten Winkel, der grösser ist als die Verjüngung des Körpers 92, so dass die körnigen Knochentrümmer keilförmig in die umgebenden Wände der Osteotomie gepresst werden.
Die 27-27B sollen zum Nutzen des Fachmanns veranschaulichen, dass die Prinzipien dieser Erfindung nicht auf dentale Anwendungen beschränkt sind, sondern dass jede Knochenpräparationsstelle innerhalb des menschlichen (oder tierischen) Körpers auf ihre Eignung hin untersucht werden kann. Erste Hinweise deuten darauf hin, dass Anwendungen im Bereich der Wirbel und der Hand/des Handgelenks erste Kandidaten für Osteotomien 32 sind, die mit einem Drehosteotom 36 gebildet werden. Das potenzielle Anwendungsspektrum ist jedoch nicht auf die in 27 angezeigten Regionen beschränkt, auch nicht auf menschliche Patienten.
Darüber hinaus sind die Prinzipien dieser Erfindung, wie in 28 dargestellt, nicht auf Knochen als Wirtsmaterial beschränkt. Tatsächlich kann das Osteotom oder Drehwerkzeug 36 dieser Erfindung so konfiguriert werden, dass es durch Schneiden und/oder Verdichten ein Loch in fast jeder Art von zellulärem oder festem Material vergrößert. (Bei nichtmedizinischen Anwendungen sollte das Osteotom 36 als einfaches Werkzeug oder Drehwerkzeug gekennzeichnet werden, um Verwechslungen mit dem Osteo-Präfix zu vermeiden, das eine Verwendung im Knochen impliziert). In dieser Figur kann ein Abschnitt aus Metallschaum 98 von der Art sein, wie sie in der Luft- und Raumfahrt, bei Hitzeschilden und anderen kritischen Anwendungen verwendet wird. Der Metallschaum ist einschließlich eines Lochs 100 dargestellt, das durch Verdichten nach den oben beschriebenen Methoden gebildet wurde. Das resultierende Loch 100 ist besser für die Aufnahme einer Schraube oder eines anderen Befestigungsankers vorbereitet, da seine innere Seitenwand durch die Druckverschiebung und den Autopfropf-Effekt dieser Erfindung verdichtet wurde. Neben Schaummetallen sind alle anorganischen Materialien, die viskoelastische Eigenschaften ähnlich wie lebender Knochen haben, besonders gute Kandidaten. Es wurden auch einige Experimente zur Lochbildung in nicht-zellulären anorganischen Materialien wie Aluminiumplatten und Kunststoffen durchgeführt. Auch in diesen nicht-zellulären Materialien haben sich bestimmte Vorteile gezeigt, so dass das Potenzial zur Verbesserung der Schrauben- oder Dübelhaltefestigkeit durch Lochpräparation unter Anwendung der Prinzipien dieser Erfindung voll in Betracht gezogen wird.
Unter Bezugnahme auf die 29-32 wird nun eine verbesserte Funktionsweise der vorliegenden Erfindung beschrieben, wenn sie mit einem kontinuierlichen Fluss von Spülflüssigkeit 102 kombiniert wird, z.B. durch ein externes Spülhandstück. Die Spülung erfolgt vorzugsweise mit einer inkompressiblen Flüssigkeit wie steriler Kochsalzlösung oder Wasser, es können jedoch auch andere geeignete Flüssigkeiten verwendet werden.
29 entspricht im Allgemeinen den 7 und 11, jedoch mit einer besonderen Unterscheidung - die Arbeitskanten 72 des Osteotoms 36 sind leicht von der inneren Seitenwand der Osteotomie 32 getrennt, wie es wiederholt beim Praktizieren der oben beschriebenen kontrollierten „Prell“-Technik vorkommt. Diese Trennung ist in der vergrößerten Ansicht von 30 sichtbar. Wenn ein durchgehender Fluss von Spülflüssigkeit 102 bereitgestellt wird und das Drehosteotom 36 im Verdichtungsmodus gedreht wird, treibt (pumpt) die Rückdrehung der Nuten 62 die Spülflüssigkeit 102 nach unten in Richtung des Grunds 35 der Osteotomie 32. Das heißt, die Nuten 62 transportieren die Spülung so ähnlich wie die axialen Schub gebenden Elemente einer Schraubenpumpe oder eines Schiffspropellers. Infolgedessen wird die Spülung 102 während des gesamten chirurgischen Eingriffs kraftvoll in Richtung des Grunds 35 des Vorläuferlochs getrieben. Dieser Pump- oder Vortriebsvorgang wird durch die nach unten drehenden Pfeile in 29 dargestellt.
Überschüssige Spülungsflüssigkeit 102 wird kontinuierlich aus der Osteotomie 32 in den Spalt um das Osteotom 36 gedrückt. (Es wird geschätzt, dass beim Einsatz des Werkzeugs 36 in nicht-medizinischen Anwendungen anstelle einer Osteotomie 32 das Werkzeug 36 in den Eingang eines Lochs 100 in der Oberfläche eines Wirtsmaterials platziert wird). Solange also der Fluss der Spülung 102 aufrechterhalten und das Osteotom 36 innerhalb der Osteotomie 32 gedreht wird, wird ein hydraulischer Druck erzeugt, der innerhalb der Osteotomie 32 nach außen drückt. Ein allgemein gleichmäßiger Druckgradient 104 in der Spülung wird durch abstrahlende Pfeile dargestellt. Wenn im Verdichtungsmodus gearbeitet wird, drückt der Druckgradient während des gesamten chirurgischen Eingriffs gegen die Knochenseitenwände, wodurch die Innenfläche des Vorläuferlochs vor dem Vergrößerungsschritt vorbereitet und vorkonditioniert wird.
Wenn das konische Osteotom 36 (durch den Chirurgen) so gehalten wird, dass seine Arbeitskanten 72 von den inneren Seitenwänden der Osteotomie 32 getrennt sind, wird der durch die Abwärtspumpwirkung der Nuten 62 erzeugte angetriebene Hydratationsdruck nach den allgemeinen Prinzipien der Hydraulik und Fluiddynamik im Allgemeinen gleichmäßig über die gesamte Innenfläche der Osteotomie 32 verteilt. Wenn der Chirurg das rotierende Osteotom 36 tiefer in die Osteotomie 32 hineinbewegt, seine Arbeitskanten 72 aber immer noch nicht direkt mit den inneren Seitenwänden der Osteotomie 32 in Kontakt kommen, wie zum Beispiel in den 29 und 30 dargestellt, wird der hydraulische Druck innerhalb der Osteotomie 32 zunehmen. Überschüssige Spülung 102 wird weiterhin kontinuierlich aus der Osteotomie 32 abgesaugt, aber durch einen kleineren kreisförmigen Spalt um das Osteotom 36, was zu einem Anstieg des hydraulischen Drucks führt.
Der Druckgradient 104 wird also in direkter Reaktion auf die vom Chirurgen aufgebrachte Kraft zu- und abnehmen, wenn er das rotierende Osteotom 36 wiederholt in die Osteotomie 32 vorschiebt und entspannt. Der Druckgradient 104 wird am kleinsten sein, wenn das Osteotom 36 weit von den Seitenwänden der Osteotomie 32 entfernt gehalten wird; und umgekehrt wird er am größten sein, wenn die Arbeitskanten 72 des Osteotoms 36 kräftig in die Seitenwände der Osteotomie 32 gedrückt werden. Durch Modulation der Position des Osteotoms 36 in Kombination mit einer durchgehenden Spülung mit Flüssigkeit 102 kann der Chirurg einen gleichmäßig verteilten, expansiven Druck mit kolbenartiger Wirkung auf die inneren Seitenwände der Osteotomie 32 ausüben - ohne die Wände der Osteotomie 32 mit den Arbeitskanten 72 physisch zu berühren. Dieser pochende hydraulische Effekt hat viele Vorkonditionierungs-Vorteile, unter anderem 1) sanfte Vorspannung der Knochenstruktur der Osteotomie 32 als Vorbereitung für den anschließenden Kompaktierungskontakt, 2) haptisches Feedback, das durch das Osteotom 36 übertragen wird und es dem Chirurgen erlaubt, den sofort ausgeübten Druck vor dem eigentlichen Kontakt zwischen dem Osteotom 36 und den Seitenwänden taktisch zu erkennen, 3) verbesserte Hydratation der Knochenstruktur, die die Knochenzähigkeit erhöht und die Knochenplastizität erhöht, 4) hydraulisch unterstützte Infusion von Knochenfragmenten 80 in die Gitterstruktur des umgebenden Knochens, 5) verringerte Wärmeübertragung, 6) hydrodynamische Schmierfähigkeit, 7) Dämpfung oder Abfederung des vom Patienten empfundenen Traumas usw.
Im Hinblick auf die Vorteile der haptischen Rückkopplung wird die unter Druck stehende Spülflüssigkeit 102 im Vergleich zu einem imaginären Szenario, in dem keine Spülung verwendet wird, einen signifikanten Verstärkungseffekt haben. Bei letzterem hypothetischen Szenario wird die haptische Rückkopplung ausschließlich durch den direkten physischen Kontakt zwischen den Knochenseitenwänden und den Arbeitskanten 72 und Lippen 50 erzeugt. Wenn der Chirurg das verwendete Osteotom „hüpfen“ lässt, würde die haptische Rückkopplung in dem Moment abrupt aufhören, in dem es zu einer Trennung zwischen den Knochenseitenwänden und den Arbeitskanten 72 und Lippen 50 kommt. Bei der Spülung mit Flüssigkeit 102 wird die haptische Rückkopplung jedoch durch Reaktionskräfte entlang der gesamten apikalen Spitze 48 sowie durch den Druckgradienten 104, der das Osteotom 36 umgibt, verstärkt, selbst wenn eine leichte Trennung zwischen den Knochenseitenwänden und den Arbeitskanten 72 und Lippen 50 vorliegt, wie im Beispiel der 30.
31 zeigt graphisch den Druckgradienten 104, wie er gegen die inneren Seitenwände der Osteotomie 32 ausgeübt wird, wenn der Chirurg die Arbeitskanten 72 des sich drehenden Osteotoms 36 in direkten Kontakt mit den Knochenseitenwänden bringt. Pfeile, die normal von den Seitenwänden der Osteotomie 32 ausstrahlen, stellen weiterhin den Druckgradienten 104 dar. Wenn die Arbeitskanten 72 des Osteotoms 36 die hydrodynamische Stützschicht durchbrechen, üben sie die oben im Detail beschriebene Verdichtungswirkung aus. Im Bereich des direkten Kontakts wird der Druckgradient 104 durch den mechanisch über die Arbeitskanten 72 ausgeübten Druck stark ansteigen, was wiederum eine plastische Verformung der Knochenstruktur bewirkt. In der Zwischenzeit übt die unter dem Osteotom 36 eingeschlossene Spülung 102 kontinuierlich einen vorkonditionierenden hydrostatischen Druck unterhalb der apikalen Spitze 48 des Osteotoms 36 aus. Durch axiales Streichen des rotierenden Körpers 42 innerhalb des Vorläuferlochs 32 wird der hydraulische Druck innerhalb des Vorläuferlochs in direkter Reaktion auf die Bewegungen des Chirurgen moduliert. In der Praxis wird der Chirurg also wiederholt Kraft auf das durchgehend rotierende Osteotom 36 ausüben und entspannen, um das Osteotom 36 immer tiefer und tiefer zum Grund 35 vorzuschieben, bis die gewünschte Endtiefe erreicht ist. Die hydraulische Unterstützung durch die Spülung 102 ermöglicht einen wesentlich kühleren, schnelleren, sanfteren und kontrollierbaren Expansionsvorgang. Darüber hinaus trägt der Dämpfungseffekt, der durch die hydraulische Wirkung der Spülung 102 entsteht, dazu bei, die vom Chirurgen ausgeübte Kraft für den Patienten abzufedern, was zu einem angenehmeren Erlebnis führt.
32 zeigt einen horizontalen Querschnitt durch die Osteotomie 32, wie allgemein entlang der Linien 32-32 in 31 aufgenommen. 32 zeigt eine Momentaufnahme des momentanen Druckgradienten 104 um eine Arbeitskante 72 des Osteotoms 36. Wie aus dieser Ansicht leicht zu erkennen ist, wird der augenblickliche Druckgradient 104 im Bereich der Nuten 62 relativ gering sein. Es ist zu erwarten, dass der augenblickliche Druckgradient 104 im Bereich der Nuten 62 in der Nähe des Druckgradienten unterhalb der apikalen Spitze 48 des Osteotoms 36 liegen wird. Der Druck steigt jedoch schnell an, d.h. Spikes, da die Stege 70 wie Keile wirken, um die Flüssigkeit 102 vor den Arbeitskanten 72 schnell zu komprimieren. Die Spülung der Flüssigkeit 102, die zwischen den Stegen 70 und der Innenwand der Osteotomie 32 eingeschlossen ist, wirkt wie eine Hochdruck-Polsterschicht, die den Arbeitskanten 72 immer vorauseilt (d.h. vorauseilt), und zusammen wirken sie kräftig auf die Knochenstruktur der Osteotomie 32 ein, um ihren Durchmesser zu vergrößern und eine Stützschicht (Verdichtungskruste) im Knochen zu erzeugen (oder eine härtende Kruste im Falle von Metallen und anderen Nicht-Knochen-Wirtsmaterialien). Die Arbeitskanten 72, die der Hochdruck-Polsterschicht während der Rotation in Verdichtungsrichtung ständig nachlaufen, durchbrechen die Polsterschicht, um direkten Kontakt mit den Knochenseitenwänden herzustellen, wenn vom Chirurgen genügend Kraft nach unten aufgebracht wird.
Bei direktem Knochen-zu-Kanten-Kontakt führen die Arbeitskanten 72 die oben beschriebene Verdichtungsaktion aus, um gleichzeitig die Osteotomie 32 zu expandieren und die Verdichtungskruste (Stützschicht) in den Knochenseitenwänden zu erzeugen. Sobald der Chirurg das Osteotom 36 jedoch auch nur ein wenig anhebt, spült mehr Spülung 102 über die gerade erst (plastisch) geglättete Oberfläche. Wenn der Chirurg also das Osteotom 36 nach einigen Expansionsfortschritten sanft anhebt, fördert eine Spülung mit unter Druck stehender Spülflüssigkeit 102 sofort die Hydratation der Knochenstruktur, spannt die Knochenstruktur sanft vor, um eine weitere Verdichtung durch die Arbeitskanten 72 vorzubereiten, infundiert hydraulisch Knochenfragmente 80 in die Gitterstruktur des umgebenden Knochens, kühlt die Grenzfläche ab und so weiter. Dieser Zyklus kann sich viele Male wiederholen, wenn der Chirurg das sich schnell drehende Osteotom 36 sanft in die endgültige Tiefe prallen lässt. In vielen Fällen wird der Chirurg das sich drehende Osteotom 36 etwa 5-20 Mal in und außer Kontakt mit der Knochenseitenwand prallen lassen, bevor er den Grund 35 erreicht. Bei jedem Aufprall steigt der hydraulische Druck kurz vor dem direkten Kontakt an, um die Osteotomie 32 vorzubereiten und dadurch sowohl die Leistung als auch die Ergebnisse zu verbessern.
Das Verfahren dieser Erfindung umfasst daher den Schritt der Vorkonditionierung der Innenfläche des Vorläuferlochs 32 vor dem oben beschriebenen Vergrößerungsschritt. Der Vorkonditionierungsschritt umfasst den Aufbau eines hydraulischen Drucks innerhalb des Vorläuferlochs 32 zwischen der apikalen Spitze 48 und dem Grund 35, indem die inkompressible Flüssigkeit 102 zwischen den Nuten 62 des mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Osteotoms 36 in Richtung des Bodens des Vorläuferlochs 32 getrieben wird. Der hydraulische Druck kann innerhalb des Vorläuferlochs 32 in direkter und einigermaßen proportionaler Reaktion auf den Schritt des axialen Streichens des rotierenden Körpers 42 innerhalb des Vorläuferlochs 32 moduliert werden. Der Vorkonditionierungsschritt umfasst ferner die Erzeugung eines erhöhten hydrodynamischen Druckstoßes oder Spike unmittelbar stromaufwärts von, d.h. in der Winkeldrehrichtung, der Arbeitskante 72. Der Erzeugungsschritt umfasst ferner die Positionierung des Druckspikes radial nach außen von der Stegfläche 70 jedes Stegs. Wie in 32 graphisch dargestellt, ist die hydrodynamische Druckspitze kleiner als der mechanische Druck, der im Wirtsmaterial durch direkten physischen Kontakt der Arbeitskante 72 erzeugt wird, aber größer als der Druckgradient in den Taschen der Nuten 62.
Die vorliegende Erfindung kann, wenn sie mit einer durchgehenden Spülung 102 betrieben wird, zur Bildung von Löchern in vielen verschiedenen Arten von Materialien zusätzlich zu Knochen verwendet werden. Zum Beispiel können am Wirtsmaterial formbare Metalle (z.B. Aluminium) oder Kunststoffe verwendet werden. Die Spülung kann unter diesen Umständen eher aus Öl oder Schneidflüssigkeit als aus Wasser oder Kochsalzlösung bestehen. Wenn das Nicht-Knochen-Wirtsmaterial zellulär ist, wie im Fall von Schaummetallen und Polymeren, kann sich das Wirtsmaterial ähnlich wie Knochen verhalten. Wenn das Wirtsmaterial jedoch nicht zellulär, sondern fest ist, neigt das verdrängte Material dazu, sich oberhalb und unterhalb des Lochs zu häufen, anstatt automatisch in die Seitenwände des Lochs 100 eingepfropft zu werden. Diese Anhäufung stellt verformbares Material dar, das durch die Kompressionswelle der Arbeitskante 72 plastisch verdrängt und durch die oben erwähnte hydraulische Unterstützung insgesamt weiter verstärkt wird. Infolgedessen wird die effektive Schaftdicke um ein Loch, das in nicht-zellularem Material gebildet wird, wesentlich größer sein als die ursprüngliche Schaftdicke.
Dementsprechend kann die vorliegende Erfindung in nichtmedizinischen Anwendungen als Werkzeug und Methode zur Lochbildung verwendet werden, die sich durch hydrodynamische Verdichtung auszeichnet. Zu den Vorteilen und Nutzen des hydrodynamischen Verdichtens gehört die geringe plastische Verformung durch Roll- und Gleitkontakt mit dem rotierenden Werkzeug 36. Das hydrodynamische Verdichten erfolgt mit einem Werkzeug 36, das Arbeitskanten 72 hat, um die Seitenwände des Lochs während der Formgebung zu verdichten. Neben vielen anderen Vorteilen ist eine Schmierung / Spülung vorgesehen, um eine Überhitzung zu vermeiden und eine viskose hydrodynamische Verdichtungsschicht zu erzeugen. Hydrodynamische Verdichtung tritt auf, wenn die Belastung unterhalb der Bruchfestigkeit gut kontrolliert wird. Hydrodynamische Verdichtung tritt auf, wenn ein großer negativer Spanwinkel (nicht schneidende Kante) als Verdichtungskante verwendet wird. Während reguläre Spiralbohrer oder Bohrer mit geraden Nuten 2-3 Stege haben, um sie durch das Loch zu führen, haben hydrodynamisch verdichtende Bohrer vorzugsweise 4 oder mehr Stege und Nuten.
Der Fachmann wird es zu schätzen wissen, dass das Osteotom dieser Erfindung mit einem geraden oder nicht verjüngten Körper statt mit dem verjüngten Arbeitsende konfiguriert werden könnte, wie in den Figuren gezeigt. Dementsprechend können die beschriebenen Osteotomievergrößerungstechniken mit nicht verjüngten Werkzeugen durch die neuartige Methode der Kompaktierung in Kombination mit hydrodynamischen Effekten durchgeführt werden.
Betrachtet man nun die 33-47, so ist ein modifiziertes und verbessertes Drehosteotom in der Regel bei 136 indiziert. In allen 33-47 werden die oben eingeführten, aber um 100 versetzten Referenznummern verwendet, um ähnliche oder entsprechende Merkmale zu identifizieren. Somit ist das Drehosteotom 136 mit dem Drehosteotom 36 der 5-21 und 29-32 vergleichbar und weist viele ähnliche Merkmale auf. Tatsächlich sind das verbesserte Drehosteotom 136 und das vorherige Drehosteotom 36 in den meisten Punkten bis auf die Formgebung ihrer Nuten 162 bzw. 62 im Wesentlichen identisch. Die Nuten 162 des weiterentwickelten Drehosteotoms 136 sind speziell geformt, um ein Ergebnis zu erzielen, das mit dem früheren Drehosteotom 36 nicht möglich war, nämlich einen moderaten Verdichtungsgrad beim Betrieb im Schneidemodus. Das Drehosteotom 36 der 5-21 und 29-32 war nicht in der Lage, wenn in dem Schneidemodus betrieben, eine Stützschicht zu erzeugen, wie die Mikro-CT-Bilder in 22 (Mitte) und 23A und 23B zeigen. Die modifizierte Geometrie der Nuten 162 ermöglicht es jedoch, dass das verbesserte Drehosteotom 136 eine teilweise verdichtete Kruste erzeugt, wenn es in die Schneidrichtung gedreht wird. Siehe 38. Die vom verstärkten Drehosteotom 136 im Schneidemodus erzeugte Stützschicht im Frühstadium ist weniger entwickelt als wenn das gleiche verstärkte Drehosteotom 136 im Verdichtungsmodus betrieben wird. Dennoch kann sich diese Fähigkeit, im Schneidemodus einen gewissen Grad an Verdichtung zu erreichen, für den Chirurgen bei vielen Anwendungen als nützlich erweisen, wie z.B. bei hartem Knochen, um nur eine zu nennen. Und, falls gewünscht, kann die Stützschicht noch weiter verbessert werden, indem ein neuartiges Verdichten-nach-Schneiden (Densify-after-cut, DAC)-Protokoll durchgeführt wird, das im Folgenden beschrieben wird.
33 ist eine seitliche Anhebung des verstärkten Drehosteotoms 136. Der Körper 142 des Drehosteotoms 136 enthält einen Stoppabschnitt 106, der sich zwischen dem Ende der Nuten 162 und dem Übergang 146 erstreckt. Der Stoppabschnitt 106 erzeugt eine wichtige Stopfenwirkung, um die durchgehende Wanderung von Knochenpartikeln entlang der Nuten 162 im Schneidemodus zu verhindern und dadurch die Schneidleistung des Osteotoms 136 bei Betrieb in Schneidrichtung selbst aufzuhalten. 34, ein spiralförmig entlang 34-34 in 33 aufgenommener Querschnitt, zeigt zwei diametral gegenüberliegende Nuten 162. Die Nuten 162 des verstärkten Drehosteotoms 136 sind so geformt, dass ihre Größe (d.h. ihre Querschnittsfläche) ab dem apikalen Ende 48 allmählich abnimmt.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass die axiale Länge des Stoppabschnitts 106 mindestens der durchschnittlichen Breite der Nuten 162 entsprechen und vorzugsweise größer sein sollte. Das heißt, wenn die durchschnittliche Breite der Nuten 162, gemessen über ihre gesamte spiralförmige Länge, beispielsweise 1,8 mm beträgt, dann sollte die axiale Länge des Stoppabschnitts 106 beispielsweise mindestens 1,8 mm betragen. In der Praxis wird der Stoppabschnitt für dentale Anwendungen größer oder gleich etwa 2 mm sein, wie in 42 vorgeschlagen. Für größere orthopädische Anwendungen können die Nuten 162 größer sein und somit kann der Stoppabschnitt 106 ebenfalls höher sein, um die gewünschte Stopfenwirkung zu erzielen.
Einige der relevanten Merkmale der Nuten 162 sind in der Querschnittsabbildung 35 ausdrücklich genannt. Hier ist der Kerndurchmesser 174 bezeichnet, der der Tiefe der Nuten 162 über die Länge des Körpers 142 entspricht. Der Spanwinkel ist ebenfalls entlang einer Schneidfläche 166 gekennzeichnet. Ebenfalls beschriftet ist ein fersenseitiger Winkel, der dem ungefähren Winkel der Verdichtungsflächen 164 jeder Nut 162 entspricht. Der Freiwinkel hinter jeder Arbeitskante 172 ist zusammen mit der Stegbreite für eine der Stegflächen 170 angegeben. Diese Diagramme sollen das Verständnis der folgenden Beschreibungen der augmentierten Nut 162-Geometrien erleichtern, die das verbesserte Drehosteotom 136 charakterisieren.
Bei der verbesserten Konstruktion wurden die Spanwinkel (d.h. die winkelbezogene Beziehung zwischen jeder Schneidfläche 166 und einem Radial, das durch die entsprechende Arbeitskante 172 verläuft) im Wesentlichen über ihre gesamte Länge ins Negative geändert (wie bei einem Glättwerkzeug (für plastisches Glätten; engl. burnishing tool)). (Eine unten erwähnte alternative Ausführungsform beschreibt eine Variante, bei der der untere Führungsteil jeder Nut einen aggressiven Null- oder sogar positiven Spanwinkel hat, sich aber in einen negativen Spanwinkel etwa in der Körpermitte verwandelt). Der Spanwinkel des ursprünglich beschriebenen Drehosteotoms 36 wurde vorzugsweise über die gesamte Länge der Nuten 62 auf Null festgelegt. Siehe 16. Obwohl die negativen Spanwinkel des weiterentwickelten Drehosteotoms 136 sehr unterschiedlich sein können, kann ein Schliff zwischen etwa -1° und - 75° (d.h. negativ wie bei einem Glättwerkzeug (engl. burnishing tool)) die neuen und bisher nicht vorhergesehenen Vorteile dieser Ausführungsform ermöglichen und dennoch zufriedenstellende Schneidergebnisse erzielen. Der angegebene Bereich kann etwas verbessert werden, indem die negativen Spanwinkel zwischen etwa -5° und -65° beibehalten werden. Noch bessere Schnittergebnisse können durch die Einstellung der Spanwinkel zwischen etwa -5° und - 50° erzielt werden. Und in einigen Fällen werden bessere Ergebnisse erzielt, wenn die Spanwinkel zwischen etwa -10° und -40° liegen.
Der gleiche oder im Allgemeinen der gleiche negative Spanwinkel kann über die gesamte Länge der Nut 162 beibehalten werden. In den Abbildungen der 43-46 beispielsweise bleibt der Spanwinkel über die Länge der Nuten 162 in einem relativ engen Bereich von etwa -13° bis -28° (-15° Varianz). Konkret werden die Spanwinkel in den jeweils bei etwa -28°/-18°/-13°/-24° gemessen. Schwankungen wie diese können in einigen Fällen durch fertigungstechnische Zwänge bedingt sein. Der negative Spanwinkel kann absichtlich so ausgelegt werden, dass er sich über die Länge der Nuten 162 ändert, anstatt sich an eine Toleranz zu halten. Die Änderung kann relativ klein (z.B. <30° Varianz) oder relativ groß (z.B. >30° Varianz) sein. Beabsichtigte Änderungen des Spanwinkels können fluktuierend (wie in den 43-46 in geringem Maße zu sehen ist), regressiv oder progressiv sein. Eine progressive Veränderung würde darauf hinweisen, dass der Spanwinkel neben dem apikalen Ende 148 am kleinsten ist (am nahesten bei Null) und neben dem Stoppabschnitt 106 sanft bis zu einem Maximum wächst. Eine progressive Veränderung des negativen Spanwinkels ist in 36 dargestellt. Eine progressiv Änderung würde dagegen bedeuten, dass der negative Spanwinkel am apikalen Ende 148 größer ist und in der Nähe des Stoppabschnitts 106 kleiner (und damit aggressiver im Schnittmodus) wird.
36 zeigt eine Hälfte des Querschnitts des Körpers 142 in übertriebenem Detail, um eine progressive Veränderung des negativen Spanwinkels sowie eine progressive Abnahme der Tiefe der Nuten 162 zu betonen. Mehrere beispielhafte Profile aus der einen sichtbaren, spiralförmig geschnittenen Nut 162 erscheinen über der im Querschnitt geschnittenen Nut 162, wobei Konstruktionslinien die Spanwinkel zur Verdeutlichung verlängern. Bemerkenswert ist, dass der Spanwinkel nahe dem apikalen Ende 148 zwischen etwa -5° und -10° liegt. Die Spanwinkel werden jedoch zum Stoppabschnitt 106 hin zunehmend negativer. In der Nähe des Endes der Nut 162 beträgt der Spanwinkel etwa -60° oder -65°, was dazu führt, dass sich die Arbeitskante 172 beim Drehen im Schneidmodus eher wie eine Verdichtungskante als wie eine Schneidkante verhält.
Wie die Spanwinkel können auch die fersenseitigen Winkel über die gesamte Länge der Nuten 162 entweder allgemein konstant bleiben (d.h. innerhalb einer Toleranz) oder sich ändern. Die 36 und 43-46 zeigen Beispiele, bei denen die fersenseitigen Winkel der Verdichtungsflächen 164 über die Länge der Nuten 162 mit einer Gesamtvarianz von weniger als 30° variieren. Bei der Messung des fersenseitigen Winkels gegen ein Radial, das durch den Schnittpunkt zwischen der Verdichtungsfläche 164 und der zugehörigen Stegoberfläche 170 verläuft (wie in 35), sind die fersenseitigen Winkel in 36 neben dem apikalen Ende 148 am kleinsten und neben dem Stoppabschnitt 106 am größten. In den 43-46 betragen die fersenseitigen Winkel jeweils etwa 39°/42°/44°/65°. Daher können die Absolutwerte sowohl der fersenseitigen Winkel als auch der Spanwinkel so ausgelegt werden, dass sie von einem Minimum neben dem apikalen Ende 148 bis zu einem Maximum neben dem Stoppabschnitt 106 ansteigen.
Gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn die fersenseitigen Winkel zwischen etwa 15° und 55° liegen. Noch bessere Ergebnisse können erzielt werden, wenn die fersenseitigen Winkel zwischen etwa 15° und 40° eingestellt werden. Und in einigen Fällen wurden bessere Ergebnisse erzielt, wenn die fersenseitigen Winkel zwischen etwa 15° und 35° liegen.
Unter Berücksichtigung des primären Freiwinkels (auch als primäres Kegelspiel bezeichnet, z.B. in 16) wurden gute Ergebnisse beobachtet, wenn der Winkel zwischen etwa 6° und 34° liegt. Noch bessere Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die primären Freiwinkel zwischen etwa 6° und 28° eingestellt werden. Und in einigen Fällen wurden bessere Ergebnisse erzielt, wenn die primären Freiwinkel zwischen etwa 10° und 25° liegen.
36 ist auch bemerkenswert für die keilförmigen Konstruktionslinien, die durch die Arbeitskanten (auf der hohen Seite) und den Boden der Nutenprofile (auf der niedrigen Seite) verlaufen. Diese Konstruktionslinien verstärken visuell ein Merkmal dieser beispielhaften Ausführungsform, bei der sich die Tiefe der Nuten 162 absichtlich über die Länge verändert. Die Veränderung in 36 ist regressiv, was bedeutet, dass die Tiefe der Nuten 162 ein Maximum nahe dem apikalen Ende 148 ist und kleiner wird, wenn sie sich dem Stoppabschnitt 106 nähert. Eine andere Möglichkeit, diese Veränderung der Konfiguration der Nut 162 zu beschreiben, bestünde darin, die Querschnittsfläche der Nut an jedem Punkt ihrer Länge zu betrachten. In Bezug auf die beispielhaften Profile in 36 kann man wiederum sehen, dass die Fläche der Nuten 162 neben dem Stoppabschnitt 106 am kleinsten und neben dem apikalen Ende 148 am größten ist. Die regressive Änderung der Tiefe und der Querschnittsfläche der Nut 162, wie in 36 dargestellt, kann mit Spanwinkeln kombiniert werden, die konstant sind, schwanken (43-46), progressiv (36) oder regressiv verlaufen. Ebenso kann eine regressive Änderung der Tiefe und/oder Fläche der Nut 162 mit fersenseitigen Winkeln kombiniert werden, die konstant, schwankend, progressiv oder regressiv sind (36). Es wird vermutet, dass eine regressive Veränderung der Tiefe und/oder Fläche von Nut 162 in Kombination mit mindestens einem negativen Spanwinkel ein relevanter Faktor ist, der zu den vorteilhaften Schneidmodus-Eigenschaften des verbesserten Drehosteotoms 136 beiträgt.
Bei Ausführungsformen, bei denen sich der negative Spanwinkel, wie in 36, progressiv ändert, können zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden, wenn die Spanwinkel bei etwa 0° bis -30° neben dem apikalen Ende 148 beginnen und bis etwa -45° bis -70° neben dem Stoppabschnitt 106 fortschreitenFreiwinkel können im Bereich von etwa 5° bis 35° gebildet werden. Und fersenseitige Winkel können im Bereich von etwa 15° bis 55° gebildet werden. Es sollte jedoch klar verstanden werden, dass die progressive oder regressive Veränderung einer dieser Eigenschaften der Nuten 162 nicht erforderlich ist, um die genannten Vorteile des verstärkten Drehosteotoms 136 zu erreichen. Beispielsweise bietet die Ausführungsform der 43-46 eine praktikable Alternative, deren Spanwinkel weder einzeln progressiv noch regressiv ist.
Wenn das verstärkte Drehosteotom 136 im Schneidemodus verwendet wird, füllen Knochenpartikel schnell die Nuten 162. In den 37-38 ist ein verbessertes Drehosteotom 136 dargestellt, das im Schneidemodus betrieben wird. Obwohl hier nicht dargestellt, wird der Eingriff wie in den früheren Beispielen durchgehend mit externer Spülung begleitet. In 37 wird das verstärkte Drehosteotom 136 im Schneidemodus in eine Osteotomie 132 abgesenkt. Es sind Knochenpartikel zu sehen, die die Nuten 162 ausfüllen. Mit Blut und Kollagen und Spülung vermischt, haben die Knochenspäne die Konsistenz einer halbviskosen Aufschlämmung. In 38 hat das verstärkte Drehosteotom 136 seine vorgesehene Tiefe am Grund 135 der Osteotomie 132 erreicht. In 38 ist zu erkennen, dass es, sobald die gesamten Längen der Nuten 162 in die Osteotomie 132 eingedrungen sind, keinen bequemen Austritt der Knochenpartikelaufschlämmung aus den Nuten 162 mehr gibt. Der Stoppabschnitt 106 dichtet die Knochenpartikel zwischen den Nuten 162 und den Seitenwänden der Osteotomie 132 wie ein Korken oder Kolben ab oder fängt sie auf. Wenn der Chirurg das rotierende Osteotom 136 durchgehend tiefer in die Osteotomie 132 vorschiebt, stößt er auf erheblichen Widerstand. Die eingeschlossene Knochenspanaufschlämmung wird in den Nuten 162 als Reaktion auf die Kraft des Drucks des Chirurgen unter Druck gesetzt. Der hydraulische Druck wird durch die winzigen nach außen gerichteten Pfeile in 38 angezeigt. Der hydraulische Druck kann, wenn der Chirurg es wünscht, durch die oben erwähnte Pumpwirkung durch die Knochenpartikelaufschlämmung gepulst werden.
40 stellt eine vergrößerte, fragmentarische Querschnittsansicht dar, die im Allgemeinen in der Mitte des Körpers 142 aufgenommen wurde. In dieser Figur ist eine einzelne Nut 162 mit eingeschlossenen Knochenpartikeln dargestellt, nachdem der Stoppabschnitt 106 vollständig in die Osteotomie 132 abgesenkt wurde (wie in 38). Das verstärkte Drehosteotom 136 in dieser Figur wird in Schnittrichtung gedreht. Der von der Schneidfläche 166 dargestellte negative Spanwinkel ist deutlich zu erkennen. Nach außen gerichtete Pfeile zeigen den hydraulischen Druck in der halbviskosen Knochenpartikelaufschlämmung an, der hauptsächlich durch das durchgehende Vorrücken des verstärkten Drehosteotoms 136 nach dem vollständigen Eintauchen der Nuten 162 in die Osteotomie verursacht wird. Durchgehender Druck führt dazu, dass immer mehr Knochenpartikel in die engen Nuten 162 gepackt werden.
41 ist eine stark vergrößerte Ansicht des in 40 bei 41 umgrenzten Bereichs, um die Schneidfläche 166 und die Arbeitskante 172 zu zeigen. Aufgrund des hohen Drucks, der in der halbviskosen Knochenpartikelaufschlämmung erzeugt wird, in Kombination mit dem negativen Spanwinkel an der Schneidfläche 166, beginnt das im Schneidmodus arbeitende verbesserte Drehosteotom 136 die Aufschlämmung in die umgebenden Wandflächen der Osteotomie 132 zu drücken, wodurch sich eine beginnende Verdichtungskruste auszubilden beginnt. Anders ausgedrückt nimmt das verstärkte Drehosteotom 136 mit Nuten 162 mit negativen Spanwinkeln so stark zu, dass eine nach außen gerichtete Färbung entsteht, die die Arbeitskante 172 gewissermaßen vom Kontakt mit dem Osteotom 132 trennt und den Schneidevorgang stoppt. Ein Teil der Knochenpartikel und des Kollagens werden direkt in die Seitenwände der Osteotomie 132 autotransplantiert, wenn im Schneidemodus gearbeitet wird. Als Folge davon wird jedes nachträglich eingebrachte Implantat oder jede später in die Osteotomie 132 zu schraubende Fixierung (d.h. Loch bei nicht-medizinischen Anwendungen) mit einer erhöhten Anfangsstabilität profitieren.
Darüber hinaus ermöglicht das verbesserte Drehosteotom 136 ein neuartiges neues Protokoll, das als Verdichten-nach-Schneiden (Densify-After-Cut, DAC) bezeichnet werden kann. Das DAC-Protokoll eignet sich gut für harte Knochenbedingungen, bei denen dasselbe verbesserte Drehosteotom 136 verwendet wird, um innerhalb derselben Osteotomie 132 in einem einzigen durchgehenden Arbeitsgang zu schneiden und dann wieder zu verdichten. In einem exemplarischen Fall, der sich in sehr dichtem Knochen präsentiert, kann ein Chirurg entweder zuerst damit beginnen, die Osteotomie 132 im Schneidemodus zu vergrößern, oder er kann vielleicht mit dem Verdichtungsmodus beginnen, aber nach starkem Widerstand schnell in den Schneidemodus wechseln. Ungeachtet dessen wird das vergrößerte Drehosteotom 136 im Schneidemodus in die Osteotomie 132 vorgeschoben, bis die gewünschte Tiefe erreicht ist, vermutlich aufgrund der harten Knochenverhältnisse, die den Verdichtungsmodus nicht ratsam erscheinen lassen. Aufgrund der Wirkung des Schneidemodus haben sich in den Nuten 162, wie in 38 dargestellt, Knochenpartikelschlamm angesammelt. Sobald sich das Ende der Nuten 162 am Stoppabschnitt 106 innerhalb der Osteotomie 132 gesenkt hat, beginnen die frühen Stadien der Autotransplantation und Kondensation, wie oben beschrieben. Die Osteotomie 132 ist nun vergrößert und der Chirurg kann das verbesserte Drehosteotom 136 zurückziehen und entweder ein Implantat einsetzen oder die Osteotomie 132 mit einem größeren Osteotom 136 weiter vergrößern. Alternativ kann der Chirurg stattdessen einige zusätzliche Sekunden investieren, um das DAC-Protokoll anzuwenden. Das DAC-Protokoll umfasst die folgenden zusätzlichen Schritte. Ohne den Körper 142 des vergrößerten Drehosteotoms 136 aus der Osteotomie 132 zu entfernen, schaltet der Chirurg den Bohrmotor auf Rückwärtslauf (Verdichtungsmodus) um, der immer noch auf hohe Rotationsgeschwindigkeit eingestellt ist, und nutzt die Zentrifugalkraft zusammen mit den fersenseitigen Nutenprofilen 162 und der konischen Form des Körpers 142, um alle verbleibenden eingeschlossenen Knochenpartikel und Kollagen automatisch in die Osteotomiewände zurück zu autotransplantieren. Während des gesamten Eingriffs wird weiterhin eine umfangreiche externe Spülung durchgeführt. Ein sanftes Pumpen, d.h. ein axiales Streichen des sich drehenden Körpers 142 innerhalb der Osteotomie 132, wird empfohlen, so dass das apikale Ende 148 intermittierend mit dem Osteotomie-Grund 135 in Kontakt kommt. Dieser sanfte Pumpvorgang bei schneller Rückwärtsrotation erleichtert die gleichmäßige Bildung einer vollen oder fast vollen Stützschicht (d.h. einer Verdichtungskruste), wie sie in den 22 (ganz rechts), 23C und 23D zu sehen ist. Indem der Chirurg den Körper 142 des verstärkten Drehosteotoms 136 nicht aus der Osteotomie 132 entfernt, bevor er zu einer verdichtenden Operationsweise wechselt, lagert er die geschnittenen Knochenpartikel und Kollagen innerhalb der Wirtsosteotomie 132 neu an (Autotransplantation).
Die allgemeinen Schritte des DAC-Protokolls sind in 39 in Form eines vereinfachten Flussdiagramms dargestellt. Unter Bezugnahme auf diese Figur legt der Chirurg zunächst eine beabsichtigte Tiefe der Osteotomie 132 fest. Diese Tiefe wird zu einem früheren Zeitpunkt mit einem Pilotbohrschritt und möglicherweise einem oder mehreren vorausgehenden Expansionsschritten festgelegt worden sein, wobei vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, verbesserte Drehosteotome 136 mit kleinerem(n) Durchmesser(n) verwendet werden. Betrachtet man den letzten Expansionsschritt nur vor dem Einsetzen eines Implantats (34, nicht abgebildet), so installiert der Chirurg ein verstärktes Drehosteotom 136 in seinen Bohrmotor (38, nicht abgebildet). Es wird erwartet, dass die Spülung der Osteotomiestelle während des gesamten Eingriffs durchgehend erfolgt. Der Chirurg kann den endgültigen Expansionsvorgang im Schneidemodus einleiten oder auch nicht. Mit dem Wissen, dass der Verdichtungsmodus eine überlegene Verdichtungskruste erzeugt, kann der Chirurg das endgültige Expansionsverfahren im Verdichtungsmodus einleiten, aber nach einem zu großen Widerstand in den Schneidemodus wechseln. Unabhängig davon, mit welchem Modus der Endausdehnungsschritt gestartet wird, schließt der Chirurg den Endausdehnungsschritt im Schneidemodus ab. Im Schneidemodus sammeln sich, wie oben beschrieben, Späne und Blut sowie Kollagen und Spülung als knochige Aufschlämmung in den Nuten 162 an. Das Vorschieben des verbesserten Drehosteotoms 136 wird abgebrochen, wenn das apikale Ende 148 die vom Chirurgen vorgegebene Tiefengrenze erreicht. Ohne das verbesserte Drehosteotom 136 aus Osteotomie 132 zu entfernen, kehrt der Chirurg die Drehrichtung des Werkzeugs innerhalb von Osteotomie 132 um. Die in den Nuten 162 aufgefangene halbviskose Knochenspanaufschlämmung wird durch den mit hoher Geschwindigkeit gegenläufig rotierenden Körper 142 in die umgebenden Seitenwände der Osteotomie 132 eingebracht. Begleitet von einer leichten Auf- und Abpumpbewegung transplantieren die Arbeitskanten 172 den Knochenspanschlamm direkt in die Wände der Osteotomie 132 und bilden gleichzeitig eine verdichtete Kruste. Nach nur wenigen Sekunden im verdichtenden Modus, z.B. etwa 3-10 Sekunden, zieht der Chirurg den Körper 142 aus der vergrößerten Osteotomie 132 zurück und fährt mit der nächsten Phase des Eingriffs fort. Das DAC-Protokoll stellt eine effiziente Methode dar, eine Osteotomie 132 in hartem Knochen unter Verwendung des erweiterten Drehosteotoms 136 zu vergrößern, wobei im Wesentlichen der gesamte geschnittene Knochen und das Kollagen zurück in die Seitenwände erhalten (autotransplantiert) werden.
42 zeigt den Körper 142 des verbesserten Drehosteotoms 136 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. 43 ist eine apikale Endansicht und die 44-47 stellen laterale Querschnitte dar, die in verschiedenen Höhen genommen wurden: 4mm, 8mm, 13mm bzw. ~15mm, gemessen ab dem apikalen Ende 148. In den 44-46 zeigen die Querschnitte die sich verändernden Profile der Nuten 162 in zunehmendem Abstand vom apikalen Ende 148. Der Vergleich der sich ändernden Neigung der Schneidflächen 166 in den 43-46 zeigt die oben erwähnte durchgehend negative Spanne entlang der Länge jeder Nut 162. Die Endansicht von 43 zeigt die Spanwinkel an den Nuten 162, wo sie sich mit den zweiten hinteren Flanken 156 und den Entlastungstaschen 158 schneiden. In 43 ist der Spanwinkel an den Stellen, an denen die Nuten 162 in die jeweiligen zweiten hinteren Flanken 156 und die Entlastungstaschen 158 münden, am wenigsten schneidend. In dieser Ausführungsform, bei der der Spanwinkel der Schneidflächen 166 nie positiv ist, stellen diese Öffnungen zu den Nuten 162 vom apikalen Ende 148 aus den negativsten Spanwinkel über die gesamte Länge der Nut 162 dar. Der fersenseitige Winkel ist hier am apikalen Ende 148 am geringsten. Neben 44, die die Profile der Nut 162 4 mm vom apikalen Ende 148 entfernt zeigt, sind die Spanwinkel etwas weniger negativ und der Kerndurchmesser ist größer. Die Tiefe und Fläche des Nutquerschnitts ist hier etwas kleiner. Der fersenseitige Winkel wächst ebenfalls, während die Stegbreite im Allgemeinen unverändert bleibt. Weiter zu 45, wo die Profile der Nut 162 8 mm vom apikalen Ende 148 entfernt dargestellt sind, sind die Spanwinkel etwas weniger negativ und der Kerndurchmesser ist noch größer, was mit einer weiteren Verringerung der Tiefe und Fläche des Nutquerschnitts zusammenfällt. Der fersenseitige Winkel ist etwas größer und die Stegbreite bleibt im Allgemeinen unverändert. In 46, wo die Profile der Nut 162 13 mm vom apikalen Ende 148 entfernt freiliegen, ganz in der Nähe ihres Endes am Stoppabschnitt 106, wird der Spanwinkel in negativer Richtung vergrößert, und die Nuten 162 sind recht flach und klein im Querschnitt. Der fersenseitige Winkel ist ebenfalls am Maximum, und die Stegbreite ist abrupt aufgeweitet, um auf den nahegelegenen Stoppabschnitt 106 zu treffen. 47 ist durch den Stoppabschnitt 106 aufgenommen, wo keine Nuten 162 sichtbar sind.
Bei der Zusammenfassung der neuartigen Eigenschaften des verbesserten Drehosteotoms 136 ist es wichtig, daran zu erinnern, dass lebender Knochen viskoelastische Eigenschaften hat. Wenn er einer moderaten Dehnung ausgesetzt wird, d.h. innerhalb des geradlinigen Abschnitts der Kurve vom Ursprungspunkt (0,0) nach B, wie in 9 dargestellt, zeigt der Knochen eine allgemein elastische Reaktion. Eine durchgehende Dehnung über diesen Punkt hinaus induziert eine plastische Verformung. Die vorteilhafte Verdichtungskruste wird optimal gebildet, wenn eine expansionsorientierte (d.h. radial nach außen gerichtete) Dehnung auf die Seitenwände der Osteotomie 132 innerhalb des Kaltverfestigungsbereichs von B nach D in 9 ausgeübt wird. Durch das Einfangen von halbviskosen Knochenpartikeln sowie Kollagen und Blut in den Nuten 162 während des Schneidemodus provoziert das verbesserte Drehosteotom 136 einen hydraulischen Druckaufbau, der in Verbindung mit den Arbeitskanten 172 die Seitenwände der Osteotomie 132 nach außen verformt, wie in den 38 und 40 dargestellt. Der Druckaufbau provoziert (zumindest anfänglich) eine nach außen elastische Reaktion, die sich in einer Abnahme des Anpressdrucks an der Arbeitskante 72 niederschlägt (41). Der Schneidevorgang wird verzögert oder vielleicht sogar ganz gestoppt. In Kombination mit den negativen Spanwinkeln (43) ermöglicht dies dem verstärkten Drehosteotom 136 den Übergang vom Schneidemodus in den Autograft-/Verdichtungsmodus mit kontinuierlicher Hochgeschwindigkeitsdrehung in Schneiderichtung, sobald der Stoppabschnitt 106 die Osteotomie 132 verstopft. Der hydraulische Druck wird durch die kolbenartigen Effekte des Stoppabschnitts 106 in Kombination mit den laufradartigen Eigenschaften der negativen Spanwinkel erzeugt, die nach außen gerichtete Kraftvektoren erzeugen. Dieser hydraulische Druck wird durch den Knochenpartikelschlamm gegen die viskoelastischen Knochenwände der Osteotomie 132 ausgeübt. Obwohl das Osteotom 136 im Schneidemodus mit hoher Geschwindigkeit rotiert, wird der weitere Schneidevorgang verzögert, da bei ausreichendem Druckaufbau die Seitenwände der Osteotomie 132 aus dem direkten Kontakt mit der Arbeitskante 72 gedrückt werden, wie in 41 dargestellt. Die kontinuierliche Belastung, die durch den unter Druck stehenden Knochenschlamm auf die Seitenwände der Osteotomie 132 ausgeübt wird, überschreitet schließlich den Punkt der elastischen Verformung (B in 9) und induziert eine plastische Verformung in der idealen Kaltverfestigungsregion, die in 9 als C-to-D gekennzeichnet ist. Infolgedessen ist das modifizierte verbesserte Drehosteotom 136 in der Lage, eine saubere, halbkondensierte Osteotomie 132 zu erzeugen, wenn es allein im Schneidemodus betrieben wird. Optional kann die Verdichtungskruste dann durch Anwendung des DAC-Protokolls weiter intensiviert werden.
In einer anderen in Betracht gezogenen Ausführungsform, die nicht abgebildet ist, sind die Nuten 162 so konfiguriert, dass sie sowohl Schneiden als auch Verdichtung erreichen, wenn sie im Schneidemodus betrieben werden. Insbesondere könnte der Spanwinkel in der Nähe des apikalen Endes für maximal aggressives Schneiden im Schneidemodus festgelegt werden, z.B. mit einem Neigungswinkel von Null oder nahe Null wie in 16. Allerdings würde der Spanwinkel in dieser alternativen Ausführungsform schnell in einen negativen Spanwinkel übergehen. Der Übergang zu negativem Spanwinkel wäre so aggressiv, dass der obere Teil der Nuten beginnen würde, sich einem negativen Spanwinkel anzunähern, der gleich dem primären Kegelspannungs-/Freiwinkel ist, so dass die Arbeitskante 172 tatsächlich auf die andere Seite (fersenseitiger Winkel) des Stegs 170 verlagert wird. Infolgedessen würde sich der obere Teil der Nuten als Verdichter verhalten, obwohl sie sich in Schnittrichtung drehen. Obwohl die spiralförmige Verdrehung dem Autotransplantieren nicht bis zu einem gewissen Grad entgegenwirken würde, könnten die Gesamtvorteile bei einigen Anwendungen erheblich sein. Ein Drehosteotom dieser Konfiguration würde niemals rückwärts laufen; es würde immer im Schneidemodus betrieben werden. Für einige chirurgische Anwendungen (und vielleicht auch für einige industrielle Anwendungen) könnte die Fähigkeit, schnell eine Osteotomie (Loch) mit verdichteter Kruste zu bilden, indem nur in der Schneidrichtung gebohrt wird, diese Option sehr attraktiv machen.
Unter Bezugnahme auf 48 wird eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit dem ähnlichen Ziel beschrieben, schnell eine Osteotomie (oder ein Loch) mit verdichteter Kruste zu bilden, indem nur in Schneidrichtung gebohrt wird. In diesem Beispiel ist der Körperteil des Drehosteotoms 236 mit zwei verschiedenen genuteten Abschnitten versehen - einem unteren schneidenden Abschnitt 208 und einem oberen verdichtenden Abschnitt 210. Die Nuten des unteren Schneidabschnitts 208 haben eine spiralförmige Rechtswindung zum Schneiden, wenn das Osteotom 236 mit hoher Geschwindigkeit im Schneidmodus (im Uhrzeigersinn) gedreht wird. Dies stimmt mit der RHS-RHC-Konfiguration überein, die in den vorhergehenden Figuren gezeigt wurde. Umgekehrt haben die Nuten der oberen Verdichtungssektion 210 eine linksdrehende spiralförmige Windung, um optimal zu verdichten, wenn das Osteotom 236 mit hoher Geschwindigkeit im Schneidmodus (im Uhrzeigersinn) gedreht wird. Die Nuten des oberen Verdichtungsteils 210 haben eine linksdrehende Konfiguration. Zwischen den Abschnitten Schneiden 208 und Verdichten 210 kann eine ringförmige Übergangszone 212 gebildet werden.
Nach dieser Ausführungsform wird, wenn das Drehosteotom 236 mit hoher Geschwindigkeit in Schneidrichtung gedreht und in eine Osteotomie vorgeschoben wird, halbviskose Knochenpartikelaufschlämmung leicht die Nuten des Schneidabschnitts 208 hinauffließen und sich in der Übergangszone 212 sammeln. Der Knochenschlamm wandert dann von der Übergangszone 212 in die Nuten der Verdichtungssektion 210, wo er automatisch in die Innenwände der Osteotomie in der oben beschriebenen verdichtenden Art und Weise eingebracht wird. Die Übergangszone 212 fungiert als Vorverdichtungs-Stufenbereich oder Verteiler, in dem sich der Schlamm ansammeln und dann allgemein gleichmäßige Verteilungswege in den verschiedenen Nuten des oberen Verdichtungsabschnitts 210 finden kann. Die Übergangszone 212 vermeidet auch die Notwendigkeit, dass sich die Nuten des unteren Schneidabschnitts 208 mit den Nuten des oberen Verdichtungsabschnitts 210 ausrichten müssen. In der Übergangszone 212 wird auch erwogen, dass der Körperteil des Osteotoms 236 in mehreren Teilen hergestellt werden könnte, die in einem nachfolgenden Fertigungsschritt zusammengesetzt werden. Zum Beispiel könnte der untere Schneidabschnitt 208 als loses Stück in einem speziellen Herstellungsvorgang hergestellt werden. Ebenso könnte die obere Verdichtungssektion 210 ebenfalls in einem speziellen Fertigungsschritt hergestellt werden. Die untere Schneidsektion 208 und die obere Verdichtungssektion 210 könnten dann z.B. durch jede geeignete Verbindungstechnik angebracht werden. Der Schaft könnte integral mit dem oberen Verdichtungsabschnitt 210 oder als ein weiteres loses Stück geformt werden, das ebenfalls mit dem Körperabschnitt aus Verbundwerkstoff verbunden wird. Unterschiedliche Materialien sind in diesem Fall eine Option. Zum Beispiel könnten der untere Schneidabschnitt 208 und der Schaft aus chirurgischem Werkzeugstahl hergestellt werden, während der obere verdichtende Abschnitt 210 aus einem geeigneten hochdichten medizinischen Polymer besteht. Es gibt viele Optionen.
Dessen ungeachtet wird erwogen, dass die Übergangszone 212 optional ist, so dass die Nuten des unteren Schneidabschnitts 208 in direkter Ausrichtung mit den Nuten des oberen Verdichtungsabschnitts 210 gepaart werden können. Bei dieser letzteren Anordnung wandern die Knochenpartikel, die in jeder Nut der unteren Schneidsektion 208 nach oben wandern, direkt in eine entsprechende Nut der oberen Verdichtungssektion 210, um sich in der oben beschriebenen Weise in der Seitenwand der Osteotomie abzulagern. Ein Vorteil der alternativen Ausführungsform von 48 besteht darin, dass die Osteotomie - sowohl geschnitten als auch verdichtet - mit einem kontinuierlichen Vorwärtsschnitt vorbereitet werden kann, wodurch Zeit gespart und das Verfahren vereinfacht wird.
Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass alle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einschließlich der in Verbindung mit den 33-48 beschriebenen, in nichtmedizinischen Anwendungen für Metalle und Schäume und andere anorganische Materialien verwendet werden können. In solchen Fällen wird das Osteotom 36, 136, 236 in Werkzeug oder Drehwerkzeug umbenannt, da der Begriff Osteotom speziell die Verwendung im Knochen impliziert. Und in der Tat können alle Verweise auf Knochen und Knochenschlämme von dem Fachmann leicht als das relevante anorganische Material, das als Wirt für das zu vergrößernde Loch dient, wiedererkannt werden. Auch wenn in den abgebildeten Ausführungsformen der Körper 42, 142 verjüngt ist, können die neuartigen Eigenschaften und der zugrundeliegende Gedanke dieser Erfindung im Zusammenhang mit einem nicht verjüngten (d.h. zylindrischen) Körper erreicht werden.
Die vorstehende Erfindung wurde in Übereinstimmung mit den einschlägigen Rechtsnormen beschrieben, so dass die Beschreibung eher exemplarischen als einschränkenden Charakter hat. Variationen und Modifikationen der offengelegten Ausführungsform können für den Fachmann offensichtlich werden und in den Anwendungsbereich der Erfindung fallen.
Bezugszeichenliste

A' -: Osteotomieseite A
B' -: Osteotomieseite B
C' -: Osteotomieseite C
D' -: Expandieren
E' -: Schneiden
F -: Axiale Kraft (aufgewendet durch Chirurg)
G -: Osteotomie-Tiefe (mm)
H -: Prozedur A
I -: Prozedur B
J -: Prozedur C
K -: Belastung
L -: Deformation
M -: Kalthärtend
N -: Einschnürung
O -: 90°; Null Spanwinkel
P -: Kein Rand
Q -: Primärer Konusfreiraum
R -: Reaktionskraft
S -: Tangente
T -: Bogen der Glättkante
U -: Rotation (von unten betrachtet)
V -: Radial von der Mittellinie
W -: Schleifregion (80)
X -: Verdichtungsregion (84)
Y -: Autotransplantationsregion (86)
Z -: Glätten
AA -: Schleifen
BB -: Stegbreite
CC -: Kerndurchmesser
DD -: Freiwinkel
EE -: Fersenseitiger Winkel
FF -: Progressive Änderung der Nutengröße und des Spanwinkels
GG -: Festlegen einer vorgegebenen Osteotomietiefengrenze
HH -: Spülen der Osteotomieseite
II -: Rotationswerkzeug in Schneidrichtung
JJ -: Vergrößerung des Osteotomie-Durchmessers durch Vorschieben des rotierenden Werkzeugs in die Osteotomie
KK -: Ansammeln von Knochenspäne in Nuten
LL -: Unterbrechen des Werkzeug-Vorschiebens bei einer vorbestimmten Tiefengrenze
MM -: Ohne das Werkzeug der Osteotomie zu entfernen, Umkehren der Werkzeugrotationsrichtung
NN -: Transferieren von Knochenspäne von den Nuten in die umliegenden Seitenwände, während das Werkzeug sanft innerhalb der Osteotomie gepumpt wird
OO -: Entfernen des Werkzeugs von der vergrößerten Osteotomie
PP -: Schneidrichtung
QQ -: Knochen
RR -: Spanwinkel
SS -: Knochenpartikel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9028253 [0004]
US 9326778 [0004, 0005]
WO 2015/138842 [0004]
WO 2016/187493 [0061]

Claims

Drehosteotom (136), das Folgendes umfasst: einen Schaft (140), der eine Längsdrehachse bildet; einen Körper (142), der sich von dem genannten Schaft (140) erstreckt, wobei der genannte Körper (142) Folgendes aufweist: ein apikales Ende (148) entfernt von dem genannten Schaft (140), mehrere spiralförmig gewundene Nuten (162), die um den genannten Körper (142) herum angeordnet sind, wobei jede genannte Nut (162) eine Schneidfläche (166) auf einer Seite, die einen Spanwinkel definiert, und eine Verdichtungsfläche (164) auf der anderen Seite hat, die einen fersenseitigen Winkel definiert, wobei die genannten Nuten (162) eine axiale Länge und eine radiale Tiefe haben, wobei ein Stoppabschnitt (106) des genannten Körpers (142) zwischen den genannten Nuten (162) und dem genannten Schaft (140) angeordnet ist, wobei ein Steg (170) zwischen jedem aneinandergrenzenden Paar Nuten (162) ausgebildet ist, wobei jeder genannte Steg (170) eine Arbeitskante (172) entlang der genannten Schneidfläche (166) der einen angrenzenden genannten Nut (162) hat, wobei sich die genannte Arbeitskante spiralförmig um den genannten Körper (142) herum dreht; dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Nuten (162) einen durchgehend negativen Spanwinkel entlang ihrer Länge aufweisen.
Drehosteotom (136) nach Anspruch 1, wobei die genannten Nuten (162) eine regressive Tiefe haben, die am tiefsten neben dem genannten apikalen Ende (148) und am flachsten neben dem genannten Stoppabschnitt (106) ist.
Drehosteotom (136) nach Anspruch 1, wobei der genannte durchgehend negative Spanwinkel entlang der Länge jeder genannten Nut (162) mit einer Gesamtvarianz von weniger als 30° schwankt.
Drehosteotom (136) nach Anspruch 1, wobei der genannte durchgehend negative Spanwinkel entlang der Länge jeder genannten Nut (162) mit einer Gesamtvarianz von mehr als 30° schwankt.
Drehosteotom (136) nach Anspruch 1, wobei sich der genannte durchgehend negative Spanwinkel entlang der Länge jeder genannten Nut (162) progressiv ändert.
Drehosteotom (136) nach Anspruch 1, wobei sich der genannte durchgehend negative Spanwinkel entlang der Länge jeder genannten Nut (162) regressiv ändert.
Drehosteotom (136) nach Anspruch 1, wobei der genannte fersenseitige Winkel entlang der Länge jeder genannten Nut (162) allgemein konstant ist.
Drehosteotom (136) nach Anspruch 1, wobei der genannte fersenseitige Winkel entlang der Länge der genannten Nut (162) mit einer Gesamtvarianz von weniger als 30° schwankt.
Drehosteotom (136) nach Anspruch 1, wobei der genannte Körper (142) ein konisch verjüngtes Profil aufweist, das von einem maximalen Durchmesser neben dem genannten Schaft (140) zu einem minimalen Durchmesser neben dem genannten apikalen Ende (148) abnimmt.
Drehosteotom (136) nach Anspruch 8, wobei sich die genannten Arbeitskanten (172) um den genannten Körper (142) in einer Richtung winden, die sich von einer Nicht-Schneidrichtung wegdreht, während das genannte konisch verjüngte Profil im Durchmesser abnimmt.
System zum Vergrößern eines Lochs (100) in einem Wirtsmaterial (98) als Vorbereitung zur Aufnahme einer Einschraubvorrichtung, wobei das genannte System so beschaffen ist, dass die folgenden Schritte durchgeführt werden können: Bereitstellen eines Drehwerkzeugs (136), das so konfiguriert ist, dass es mit hoher Geschwindigkeit in eine Schneidrichtung gedreht wird, wobei das Werkzeugs (136) einen Schaft (140) und einen Körper (142), der mit dem Schaft (140) verbunden ist, umfasst, wobei der Körper (142) ein apikales Ende (148) entfernt von dem Schaft (140) aufweist, wobei mehrere Nuten (162) um den Körper (142) herum angeordnet sind, wobei die Nuten (162) spiralförmig gewunden sind, wobei jede Nut (162) eine Verdichtungsfläche (164) und eine gegenüberliegende Schneidfläche (166) umfasst, wobei ein Stoppabschnitt (106) des Körpers (142) zwischen den Nuten (162) und dem Schaft (140) angeordnet ist, wobei eine Vielzahl von Stegen (170) vorhanden sind, wobei jeder Steg zwischen zwei aneinandergrenzenden Nuten (162) ausgebildet ist, wobei jeder Steg (170) eine Stegfläche aufweist, die eine Verdichtungsfläche (164) einer Nut und eine Schneidfläche (166) einer anderen Nut verbindet, wobei jede Stegfläche die jeweilige Schneidfläche (166) entlang einer Arbeitskante (172) schneidet; Spülen (102) eines Vorläuferlochs (100) in dem Wirtsmaterial (98), wobei das Vorläuferloch eine Innenfläche hat, die sich zwischen einem allgemein kreisförmigen Eingang und einem Grund erstreckt, der durch das Wirtsmaterial (98) verschlossen wird; Drehen des Körpers (142) des Werkzeugs (136) in einer Schneidrichtung mit mehr als etwa 200 U/min, wobei die Schneidrichtung als rotatorisches Streichen entlang der Schneidflächen in das Wirtsmaterial definiert ist; Vergrößern des Vorläuferlochs (100) durch kräftiges Drücken des Drehkörpers (142) zum Grund des Vorläuferlochs, so dass die Arbeitskanten (172) das Wirtsmaterial schneiden und sich ein Schlamm aus Wirtsmaterialpartikeln, gemischt mit Spülflüssigkeit, in den Nuten (162) ansammelt; wobei der genannte Schritt des Vergrößerns des Vorläuferlochs (100) das gleichzeitige Verstopfen des Lochs (100) mit dem Stoppabschnitt (106) des Körpers beinhaltet, während weiterhin eine axiale Kraft aufgebracht wird, um den Schlamm unter Druck zu setzen, wodurch wenigstens einige der Wirtsmaterialpartikel, die sich in den Nuten angesammelt haben, in die Seitenwände des Lochs (100) autotransplantiert werden.
System nach Anspruch 11, das so konfiguriert ist, dass ferner der folgende Schritt durchgeführt werden kann: Umkehren der Drehrichtung des Drehwerkzeugs (136), ohne den Körper (142) aus dem Loch (100) zu entfernen, und die Nutzung von Zentrifugalkraft, um im Wesentlichen alle Wirtsmaterialpartikel in die Nuten (162) in den Seitenwänden des Lochs abzusetzen.
System nach Anspruch 12, das so konfiguriert ist, dass der genannte Umkehrschritt das gleichzeitige axiale Pumpen des Drehwerkzeugs (136) innerhalb des Lochs beinhaltet.
System nach Anspruch 13, das so konfiguriert ist, dass die Innenfläche des Vorläuferlochs (100) eine konisch verjüngte Seitenwand hat, die sich zwischen dem Eingang und dem Grund erstreckt, und wobei der Eingang einen größeren Durchmesser als der Grund hat und der Körper (142) des Werkzeugs konisch verjüngt ist.
System nach Anspruch 14, das so konfiguriert ist, dass die Arbeitskante (172) jedes Steges (170) eine spiralförmige Drehung aufweist, die sich von der Verdichtungsrichtung wegdreht, während das konisch verjüngte Profil im Durchmesser abnimmt.