DE2649782A1

DE2649782A1 - Kunststoffknochen als uebungsobjekt fuer chirurgen

Info

Publication number: DE2649782A1
Application number: DE19762649782
Authority: DE
Inventors: Rudolf Heller; Urs Dr Med Schneider
Original assignee: Oerlikon Contraves AG; Synthes AG Chur
Current assignee: AO Technology AG
Priority date: 1975-12-05
Filing date: 1976-10-29
Publication date: 1977-06-30
Also published as: FR2334160B1; AT356938B; JPS5270623A; JPS5941587B2; FR2334160A1; DE2649782B2; CH601877A5; DE2649782C3; GB1567936A; ATA816776A; US4106219A

Description

Dipl.-Ing. H. MITSCHEKUCH Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN Dr.rer. not. W. KÖRBER

Dipl.-I η g. J. SCHMIDT-EVERS

PATENTANWÄLTE

D-8000 MDNCHEN 22

Steinsdorfstraße 10

<§> (089) ' 29 66 84

29. Oktober 1976

Oontraves AG
Sehaffhauserstr. 530

OH-8052 Zürich

und

Synthes AG
Grabenstraße 15

GH-7000 Chur

Patentanmeldung

Kunststoffknochen als Übungsobjekt für Chirurgen

Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Kunststoffknochen als Übungsobjekt für Chirurgen, zum mechanischen Verbinden von Knochenbruchteilen.

Zum Stand der Technik über das chirurgische Behandeln von Knochenbrüchen sei auf das Buch

"M a η u a 1 der Osteosynthese"

von M.E. Müller, M. Allgöwer, H. Willenegger, Springerverlag Berlin, Heidelberg, Hew York 1969 verwiesen. Es wird

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darin anhand von vielen Abbildungen und zugehörigen Beschreibungen dargelegt, welche technischen Hilfsmittel und Methoden den Orthopädie-Chirurgen zur Behandlung schwerer Knochen-Brüche und -Zertrümmerungen, insbesondere im Extremitätenbereich, zur Verfügung stehen, um den Verunfallten schon nach relativ kurzer Zeit den Wiedergebrauch und anschliessend die Heilung der verletzten Glieder zu ermöglichen. Diese Behandlungsmethoden und besonders der mechanisch-technisch richtige Gebrauch der verfügbaren Hilfsmittel, bzw. Verbindungselemente, erfordern zum Vermeiden folgenschwerer Fehler den Besuch intensiver Ausbildungskurse in Knochenchirurgie, und das praktische Ueben der mechanischen Verbindungstechnik an Uebungsknochen. Als solche standen bisher hauptsächlich nur Tierknochen aus Schlachthäusern, in seltenen Fällen auch Menschenknochen, zur Verfügung. Die verfügbaren Tierknochen weichen vor allem hinsichtlich ihrer inneren und äusseren Architektur, aber auch hinsichtlich ihrer Festigkeit wesentlich von den analogen Menschenknochen ab. Menschenknochen werden aus berufsethischen Gründen nur ungern als üebungsmaterial verwendet. Zudem können sie oft erst nach länger dauernder Konservierung und Vorbehandlung verwendet werden, in deren Verlauf sie sich hinsichtlich Festigkeit, Bruchverhalten und mechanischer Bearbeitbarkeit gegenüber den entsprechenden Eigenschaften des lebenden Knochens oft nachteilig verändern.

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Kunststoffknochen sind bisher nur als Spiel- und Nageknochc-n für Hunde oder zum Zeigen der äusseren Knochenformen bzw. für die Zusammensetzung von Demonstrationsskeletten bekannt geworden, wobei in beiden Fällen keine Markhöhlen vorgesehen werden und überhaupt die Innenstrukturen in keiner Weise der natürlichen Knochenbauweise irgendwie entsprechen müssen.

Beispielsweise in der US-PS 2,472,8.19 sind aus Holz geformte Knochenmodelle und ganze Gliedmassen-Skelettmodelle vorgeschlagen worden, die in ihren Aussenformen weitgehend wirklichen menschlichen Knochen entsprechen und für Anatomie- und Chirurgiestudenten eine gewisse Uebungshilfe für die sachgemässe Richtung von Bruchstellen und die Orientierung der Einzelknochen in Gelenkverbindungen ermöglichen.

Wegen der sehr wesentlichen Verschiedenheit zwischen einer massiven Naturholzstruktur und einer Knochenstruktur mit Markhöhle, Knochenbälkchen-Gewebe und kompakter Aussenschale kann man aber für eine Verbindung von Bruchteilen nicht gleiche Werkzeuge und nicht gleiche Verbindungsmittel (Schrauben etc.) verwenden.

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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, als Uebungsobjekte für Chirurgen zum mechanischen Verbinden von Bruchteilen geeignete Kunststoffknochen zu schaffen, vorzugsweise in der Form von menschlichen Extremitäten-Schaftknochen, derart, dass damit den Chirurgen Uebungsknochen zur Verfügung gestellt werden, an denen in weitgehend zu den Ernstfallobjekten ähnlicher V/eise die einleitend erwähnten Verfahrenstech- niken zur dauernden, steifen Verbindung von Knochenbruchteilen mit satt in die passend auszubohrende Markhöhle eingetriebenen Marknägeln und/oder mit äusserlich angeschraubten Halteschienen oder anderen Verbindungselementen geübt werden können. Solche Kunststoffknochen sollen darum bezüglich ihrer Aussenform, der Form ihres Innenhohlraumes, sowie auch bezüglich ihrer Aussenv/andstruktur in genügend guter Annäherung den äusseren, kompakten Wandteilen des natürlichen Vorbildes hinsichtlich Festigkeit, Bruchverhalten und mechanischer Bearbeitbarkeit ausreichend gut ihrem natürlichen Vorbild entsprechen. '

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Dabei ist es vor allem wichtig, dass das verwendete Kunststoffmaterial ebensogut wie natürliche Knochensubstanz mit den für die Knochenchirurgie üblichen Bohr- und Gewindeschneide-Werkzeugen bearbeitet werden kann. Viele Arten von üblichen Kunststoffrnaterialien₃ wie z.B. Thermoplaste oder hochfeste, mit Glasfasern verstärkte Kunststoffe, neigen dazu, beim Bohren und Gewindeschneiden das verwendete Werkzeug festzuklemmen und so entsprechende Bearbeitungstechniken wesentlich zu erschweren.

Erfindungsgemäss ist zur Erreichung dieser Ziele der Erfindungsgegenstand dadurch gekennzeichnet, dass er als Kunstharzgiessling oder -Pressling in Form und Grosse eines menschlichen Extremitäten-Schaftknochens mit einem Innenraum ausgebildet ist, welcher sich über einen engen Markhöhlenbereich in der Schaftmitte hinaus nach den beiden Schaftenden in die Bereiche von stärker ausgebildeten Knochenbälkchen-Gewebe (Spongiosa) des natürlichen Vorbildes hinein fortsetzt und erweitert und dessen Wandstruktur den massiven Wandteilen (Compakta) des natürlichen Vorbildes hinsichtlich Gewicht, · Festigkeit und mechanischer Bearbeitbarkeit annähernd entspricht.

Vorzugsweise ist der erfindungsgemässe Kunststoffknochen als einstückiger Polyurethan-Hartschaumgiessling mit praktisch ungesehäumten Grenzschichten und einer mikrozellulär strukturierten Zwischenschicht seiner Wandung ausgebildet.

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Mit Vorteil hat der Innenraum im Bereich des mittleren Schaftteiles einen gleichrnässig engsten und profilierten Querschnitt, der zwischen nach innen vorstehenden Rippen und/oder Zapfen Ausnehmungen zur Aufnahme von beim Ausbohren auf einen vorbestimmten Innendurchmesser anfallenden Spänen aufweist.

Dabei können je nach besonderen Wünschen mindestens diese Erweiterungen des Innenraumes im Bereich der Kopfenden mit einem besonderen Leichtschaum-Stützmaterial ausgefüllt werden, das seinerseits mit Schmiermittel getränkt sein kann, um die bei einer wirklichen Markhöhlenbohrung auftretenden Verhältnisse noch besser nachzuahmen.

Weil auf andere Weise ein Kerneinsatz zur Bildung des Innenhohlraumes der geschilderten Art nach Erhärtung der Wandstruktur aus der Giessform nicht entfernbar ist, es sei denn, man fertige den Kunststoffknochen aus zwei später miteinander zu verklebenden Längshälften, giesst man zweckmassigerweise den Kerneinsatz in einer entsprechenden Giessform in an sich bekannter Weise aus einem Material mit einem Schmelzpunkt im Bereiche von etwa 50 bis 100 Grad Celsius, aus einem Wachs oder einer passenden Metall-Legierung z.B. aus "Woods Metall", "Roses Metall", "Wismut-Lot" oder "Wismut-Cadmium-Lot". Derartige Kerneinsatz-Giesslinge können nach Aushärtung des gegossenen Knochens durch Formerhitzung geschmolzen und durch ein-Ablass-Loch entleert werden.

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Es konnte auch vorgesehen werden, den Kerneinsatz aus einem Material herzustellen, das nach der Aushärtung des Kunststoffknochens mit Hilfe von Wasser oder einem anderen Lösungsmittel physikalisch oder chemisch aus dem Innenraum herausgelöst werden kann. Eine weitere Möglichkeit kann darin bestehen, den formgebenden Kerneinsatz aus einem Stützmaterial zu fertigen, das ohne wesentlichen Nachteil im Innenraum des fertigen Kunststoffknochens belassen werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Kunststoffknochens ist in
Fig. 1 im Längsschnitt und in

Fig. 2 im Querschnitt nach der Linie II-II von Fig. 1 der Zeichnung dargestellt.

Der in der Zeichnung dargestellte Kunststoff-Knoehen ist vorzugsweise als Polyurethan-Hartschaum-Giessling ausgebildet. Er entspricht bezüglich seiner Aussenform und seines Innenraumes weitgehend dem Schienbein (Tibia) eines menschlichen Unterschenkels. Sein Innenraum 10 hat im Mittelteil des Knochenschaftes seinen engsten und in diesem Bereich etwa gleichmässigen Querschnitt und entspricht dort etwa der Markhöhle des natürlichen Vorbildes. In diesem engsten Mittelabschnitt 10 ist der Innenraum profiliert und bildet gemäss Fig. 2 zwischen nach innen vorstehenden Rippen 11 Ausnehmungen 12 zur Aufnahme von beim Ausbohren auf einen vorbestimmten Zylinderdurchmesser für die Fixation eines einzutreibenden

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Marknagels entstehenden Spänen. Dieser Markhöhlenteil 10 kann z.B. etwa auf einen Zylinder gemäss dem in Fig. 2 gestrichelt eingezeichneten Kreis 13 ausgebohrt werden, in welchem der einzutreibende Marknagel auf eine Länge von etwa 10 bis 15 cm festsitzen muss, um die gegenseitige Fixation der Knochenteile bei einem Mittelschaftbruch zu sichern. Von diesem profilierten Markhöhlen-Mittelteil 10 aus erweitert sich der Innenraum 10 nach dem proximalen Kopfende und nach dem distalen Kopfende des ganzen Kunststoff-Knochens, d.h. in die Bereiche des Knochenbalkchengewebes des natürlichen Vorbildes hinein (Spongiosa-Bereich). Diese erweiterten oberen und unteren Endteile des Innenraumes 10 sind mit 10 (proximal), bzw. mit 10 (distal) bezeichnet und können für den vorgesehenen Verwendungszweck ohne Nachteil leer belassen werden. Sofern es aber von den Verwendern aus besonderen Gründen gewünscht würde, könnte der ganze Innenraum 10 oder auch nur dessen erweiterte Endteile 10 und 10,

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z.B. nach dem Aushärten des Knochenkörpers durch Hilfsbohrlöcher mit einem Schaumstoff-Reaktions-Gemisch, das zu einer Leichtschaum-Struktur aushärtet, z.B. einem grobzelligen, gefüllt werden, das z.B. auch mit einem Schmiermittel getränkt werden könnte.

Die den genannten Innenhohlraum 10 umschliessende Wandung 1 des dargestellten Kunststoffknochens besteht mit Vorteil aus einer, in einer, einen darin eingesetzten Formkern enthaltenden, mehrteiligen, und verschlossenen Giessform gegossenen

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und in der verschlossenen Form ausgehärteten Polyurethan-Hartschaurnstruktur. Im Bereich der proximalen Erweiterung 10 des Innenraumes 10 kann die Wandung 1 seitlich verdickt und mit Innenrippen und/oder Zapfen 110 versehen sein, die einer einzutreibenden Winkelplatte einen ähnlichen Stützhalt wie das Knochenbalkchengewebe im natürlichen Vorbild bieten. Als Beispiel eines zur Herstellung eines erfindungsgemässen Kunststoff- bzw. Uebungsknochens geeigneten Polyurethan-Hartschaum-Reaktionsgemisches sei eine flüssige Mischung aus

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100 Gew.-Teilen Polyolen, z.B. "Desmophen B 6¹U" ,-110 " " höherfunktionellen Isozyanaten,

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z.B. "Desmodur 44 V 10" ^R und Treibmittel (z.B. "Prigen 11" ^R)

genannt, die bei Raumtemperatur etwa nach 15 Sekunden zu schäumen und anschliessend auszuhärten beginnt. Es ist vorteilhaft,¹ sowohl für die Aussenform als auch für den Kern Metall zu verwenden und vor dem Einspritzen des Reaktionsgemisches mindestens die Aussenschalen auf relativ tiefere Temperaturen abzukühlen (15°C bis 20°C), damit die an diesen Form- bzw. Kern-Oberflächen anliegenden Reaktionsgemisch-Schichten gekühlt und deswegen am Schäumen verhindert werden, so dass sie nach Aushärtung ungeschäumte Harthautschichten 1, bilden, die etwa der natürlichen Knochenhaut entsprechen, während zwischen der ausseren und inneren Harthautschicht der Wandung 1 als mikrozelluläre Hartschaumschichten mit

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geschlossenen Zellen von etwa 0,5 bis 2,0 mm 0 entstehen. Eine solche Wandstruktur bleibt bis zu Temperaturen von etwa 125 C fest, hat ein Raumgewicht von etwa 1000 g/Liter und Druckfestigkeitswerte von etwa 800 bis 1500 kg/cm .

Als Kernmaterial zur Bildung des Innenhohlraumes 10 dient mit Vorteil eine Legierung mit niederem Schmelzpunkt (60 C bis 95 C). Damit wird der Kerneinsatz in an sich bekannter Weise in einer Spezialform gegossen. Dabei ist es vorteilhaft, einem solchen Kern-Giessling mindestens einen achsial vorstehenden Vierkantzapfen anzuformen, der bzw. die in entsprechende Ausnehmungen der Aussenformteile eingeset-zt werden und damit den Formkern in der richtigen Orientierung festhalten. Solche Richt-Zapfen 21 sind in Pig. I der Zeichnung punktiert eingezeichnet und hinterlassen nach dem Ausformen entsprechende Löcher in den Gelenk-Kopfflächen des ausgeformten Kunststoffknochens. Solche Löcher können nach Bedarf mit einer erhärteten Kunststoffpaste ausgefüllt werden. Die Einspritzkanäle für das Einführen des flüssigen Reaktionsgemisches in die Form hinterlassen gestrichelt gezeichnete Zapfen 22, die abgeschnitten werden.

Nach dem Aushärten des geschäumten Reaktionsgemisches wird die Giessform auf etwa 100 C erhitzt, um das Kernmetall zu schmelzen und auslaufen zu lassen.

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Ein anhand der Zeichnung ausgebildeter und gemäss vorstehenden Angaben hergestellter Kunststoffknochen, bestehend aus einer Polyurethan-Hartschaumstruktur und einem Innenhohlraum entspricht in bezug auf sein Gewicht, seine Aussen- und Innenform, die Bearbeitbarkeit seiner Struktur, insbesondere deren Verschraubbarkeit sowie in bezug auf seine Festigkeit, bzw. sein Bruchverhalten weitgehend dem natürlichen Vorbild. Durch Anritzen der Aussenhaut längs vorwählbarer Bruchlinien und/oder Schwächung der Wandstärke längs einer besonderen Innennute 14 und Applikation entsprechender Biege- und/oder Torsionskräfte lassen sich bestimmte Bruchtypen vorbestimmen. Es lassen sich auch durch Zerschlagen ganz schwere Trümmerbrüche nachbilden.

Der in Osteosynthese auszubildende Chirurg findet im beschriebenen Kunststoffknochen ein sehr brauchbares Uebungsobjekt, an welchem er die manuell-mechanische Technik zum Zusammenfügen und Verschrauben und/oder Vernageln von Knochen-Bruchstücken über und prüfen lassen kann. Andere Typen von menschlichen Knochen, vorzugsweise von Schaftknochen mit Markhöhle, lassen sich nach der gegebenen Lehre ohne Schwierigkeiten herstellen.

In Fig. 1 der Zeichnung ist die Wandung der proximalen Erweiterung 10 des Innenraumes 10 im Bereich unter der Tuberositas durch eine Innen-Ausnehmung geschwächt,um an dieser Stelle die Herstellung eines Wanddurchbruches zum Einführen eines Marknagels und von dessen Vortriebsorganen zu erleichtern.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

1. Kunststoffknochen als Uebungsobjekt für Chirurgen zum mechanischen Verbinden von Knochenbruchteilen, dadurch gekennzeichnet, dass er als. Kunstharzgiessling oder -Pressling in Form und Grosse eines menschlichen Extremitäten-Schaftknochens mit einem Innenhohlraum (10) ausgebildet ist, welcher sich über einen Markhöhlenbereich (10 ) in der Schaftmitte hinaus nach den beiden

Schaftenden in die Bereiche (10 , 10,) des schwammig strukturierten Knochenbälkchen-Gewebes (Spongiosa) des natürlichen Vorbildes hinein fortsetzt und erweitert, und dessen Wandstruktur den massiven Wandteilen (Compakta) des natürlichen Vorbildes in Gewicht, Festigkeit und mechanischer Bearbeitbarkeit annähernd entspricht.

2. Kunststoffknochen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er als einstückiger Polyurethan-Hartschaumgiessling.. mit praktisch ungeschäumten Grenzschichten (l_h) und einer mikrozellulär strukturierten Zwischenschicht seiner Wandung (1) ausgebildet ist.

3. Kunststoffknochen nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass sein Innenhohlraum (10) im Bereich (10 ) des mittleren Schaftteiles einen gleichmassig engsten und profilierten Querschnitt hat, der zwischen nach innen vorstehenden Rippen und oder Zapfen (11) Ausnehmungen (12) aufweist.

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Kunststoffknochen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterungen (10 , 10^) des Innenraumes (10)
im Bereich der Kopfenden mit einem besonderen Stützmaterial ausgefüllt sind.

5. Kunststoffknochen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus zwei miteinander verbundenen Längsschnitt-Hälften besteht.

6. Kunststoffknochen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Bildung des Innenraumes dienender Kerneinsatz im Fertigprodukt enthalten bleibt.

7. Kunststoffknochen nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet, dass die Umfassungswandung (11) im Bereich mindestens
einer der proximalen und/oder distalen Erweiterungen eines leeren Innenraumes (10) durch nach innen gerichtete Rippen und/oder Zapfen (110) verstärkt sind.

8. Kunststoffknochen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfassungswandung (1) innen-seitig mindestens
eine eingeformte Schwächungsnut (14) längs einer vorbestimmten Bruchlinie enthält.

9. Kunststoffknochen nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung der proximalen Erweiterung (10 ) des Innenraumes im Bereich unter der Tuberositas

geschwächt ist.

Der Patentanwalt

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