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Diese
Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug zum Herstellen einer Kavität in einem
Knochen zur Aufnahme einer Komponente einer orthopädischen
Gelenkprothese.
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Eine
rotationssymmetrische Kavität
in einem Knochen kann zwecks Aufnahme einer Komponente einer orthopädischen
Gelenkprothese durch Verwenden eines rotationssymmetrischen Schneidwerkzeuges
hergestellt werden. Das Schneidwerkzeug ist üblicherweise eine annähernd halbkugelförmige Schale,
welche hohl ausgebildet ist. Es enthält in seinem Inneren eine solche
Ausbildung, daß es
mit einem Instrument in Eingriff gebracht werden kann, durch welches
der Schale eine Rotationsbewegung erteilt werden kann. Die Ausbildung
kann beispielsweise einen Stab aufweisen, welcher sich über die
Schale erstreckt. Die Drehachse der Schale fällt üblicherweise mit der polaren
Achse der Schale zusammen. Der Umfangsrand der Schale liegt üblicherweise
in einer Ebene, welche rechtwinklig zu der polaren Achse verläuft. Der
Winkel im Zentrum der Kugelfläche,
von welcher die Oberfläche
der Schale einen Teil bildet, zwischen zwei einander diametral gegenüberliegenden
Punkten am Umfangsrand liegt im allgemeinen nahe bei 180°, beispielsweise
bei wenigstens etwa 170°.
Das Schneidwerkzeug hat an seiner äußeren sphärischen Fläche Schneidzähne, so
daß es
den Knochen schneidet, um die Kavität durch Drehung zu bilden,
wenn es in Kontakt mit dem Knochen ist. Die Schneidzähne können in
Form länglicher
Schlitze oder als im wesentlichen runde Perforationen ausgebildet sein.
Solche Schneidwerkzeuge sind bekannt und beispielsweise in den US-5203653
und US-5709688 offenbart.
Bevorzugt ist die Anordnung der Schneidzähne an der Oberfläche des
Werkzeuges so, daß die
Achse, um welche ein Drehmoment auf das Werkzeug ausgeübt wird,
welches aus dem Gesamtwiderstand gegen eine Rotation des Werkzeuges
entsteht, wenn dieses gegen das Knochengewebe gedreht wird, annähernd mit der
polaren Achse des Werkzeuges zusammenfällt.
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Schneidwerkzeuge
dieser Art werden nach vorbereitenden Schritten verwendet, welche
die Bildung eines Einschnittes und das Entfernen oder Verschieben
jeglichen im Wege stehenden Gewebes einschließen. Ein Werkzeug wird an einem
geeigneten Antriebsinstrument montiert, welches dazu verwendet werden
kann, dem Werkzeug eine Rotationsbewegung zu erteilen und durch
den Einschnitt eingeführt
zu werden, um mit der relevanten Oberfläche des Knochens in Eingriff
zu kommen.
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Es
kann wünschenswert
sein, die Größe eines
Einschnittes zu minimieren, durch welchen Zugang zu einem Knochen
eines Patienten erzielt wird, um eine Operation an diesem vorzunehmen,
insbesondere um die für
die Genesung des Patienten von der Operation erforderliche Zeit
zu reduzieren. Die Größe eines Schneidwerkzeuges,
wenn dieses auf dem Antriebsinstrument montiert ist, kann die minimale
Größe des Einschnittes
bei einer solchen Prozedur bestimmen. Es kann daher wünschenswert
sein, die Größe eines
Schalen-Schneidwerkzeuges
zu reduzieren, wobei nach wie vor sichergestellt ist, daß das Werkzeug
Knochenmaterial schneiden kann, um eine Kavität gewünschter Form und Größe zu bilden.
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Die
US 2,785,673 offenbart ein
halbkugelförmiges
Schalen-Schneidwerkzeug gemäß dem Oberbegriff des
Anspruches 1.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein halbkugelförmiges Schalen-Schneidwerkzeug,
bei dem die Schale wenigstens drei aus ihr ausgeschnittene Abschnitte
aufweist, so daß der
Umfangsrand der Schale an zwei einander diametral gegenüberliegenden
Punkten erhalten ist und der Massenschwerpunkt der Schale auf der
polaren Achse liegt.
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Demgemäß schafft
die Erfindung unter einem Aspekt ein Schneidwerkzeug zum Herstellen
einer Kavität
in einem Knochen zur Aufnahme einer Komponente einer orthopädischen
Gelenkprothese, bei welcher die mit dem Knochen in Kontakt kommende
Oberfläche
der Komponente annähernd
halbkugelförmig
ist, wobei die Form des Werkzeuges auf einer halbkugelförmigen Schale
basiert, die Schale wenigstens drei aus ihr ausgeschnittene Abschnitte
aufweist, welche sich vom Umfangsrand der Schale über einen
Teil des Weges zu ihrem Pol erstrecken, und wobei die ausgeschnittenen
Abschnitte so ausgebildet sind, daß (a) der Umfangsrand der Schale
an zwei einander diametral gegenüberliegenden
Punkten erhalten ist, und (b) der Massenschwerpunkt der Schale auf
der polaren Achse liegt.
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Das
erfindungsgemäße Werkzeug
hat den Vorteil, daß seine
effektive Breite verglichen mit einer vollen halbkugelförmigen Schale
aufgrund der ausgeschnittenen Abschnitte reduziert ist. Jedoch wird
die Größe der Ausnehmung,
welche bei Verwendung des Schneidwerkzeuges in einem Knochen ausgebildet
werden kann, durch die Form des Werkzeuges in den Bereichen bestimmt,
in welchen der Umfangsrand unversehrt erhalten ist: Diese kann die
gleiche sein wie bei einer konventionellen halbkugelförmigen Schale,
in welcher keine ausgeschnittenen Abschnitte vorhanden sind. Demgemäß ist es
aufgrund des erfindungsgemäß ausgebildeten Werkzeuges
möglich,
das Werkzeug durch einen kleineren Einschnitt einzuführen als
er bei einer konventionellen vollhalbkugelförmigen Schale notwendig ist,
um eine Ausnehmung zu erhalten, welche die gleiche Form hat wie
diejenige, welche mit der konventionellen Schale zu erhalten ist.
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Die
ausgeschnittenen Abschnitte, welche Merkmale des Werkzeuges gemäß der Erfindung
darstellen, bedingen, daß weniger
Schneidzähne
vorgesehen werden können,
durch welche die Kavität
in dem Knochen zu bilden ist. Es wurde jedoch gemäß der vorliegenden
Erfindung gefunden, daß mit
dem erfindungsgemäßen Werkzeug
ein adäquates
Schneiden möglich
ist trotz des Verlustes eines Teils seiner äußeren Oberfläche, auf welcher
Schneidzähne
angeordnet werden können.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß durch
eine solche Anordnung der ausgeschnittenen Abschnitte, daß der Massenschwerpunkt
der Schale auf der polaren Achse liegt, das Werkzeug während der
Schneidoperation gedreht werden kann, ohne daß es zu einer Erzeugung eines
nicht-akzeptablen transversalen Vibrationsbewegung kommt.
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Es
ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß die volle
Breite der Schale an zwei einander diametral gegenüberliegenden
Punkten erhalten ist. Dieses gestattet der Schale eine Stange aufzunehmen, welche
sich über
das Innere der Schale von einer Seite zur gegenüberliegenden anderen Seite
erstreckt, durch welche die Schale zwecks Betätigung mit einem Instrument
in Eingriff gebracht werden kann. Die Stange kann an der offenen
Seite der Schale vorgesehen sein. Die Stange kann innerhalb der
Schale an einem Punkt zwischen der offenen Seite und der Innenseite
an ihrem Pol versetzt angeordnet sein. Die Verwendung einer Stange
zur Schaffung einer Verbindung zwischen einer Schale eines Schneidwerkzeuges
und einem Instrument mit Rotationsantrieb ist bestens erprobt, und
Merkmale, welche in diesem Zusammenhang zur Bildung einer solchen
Verbindung bekannt sind, können
bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Das
Schneidwerkzeug gemäß der Erfindung
kann wenigstens drei ausgeschnittene Abschnitte aufweisen oder wenigstens
vier ausgeschnittene Abschnitte oder mehr. Die Anzahl der ausgeschnittenen
Abschnitte wird gemäß der Größe des Einschnittes
gewählt,
durch welchen das Werkzeug einzuführen ist, um mit dem Knochen
des Patienten in Eingriff zu kommen, und gemäß dem Schneidbereich, welcher
an der Außenseite der
Schale erhalten werden soll. Es ist vorteilhaft, drei ausgeschnittene
Abschnitte vorzusehen, weil dieses die Handhabung des Werkzeuges
dort vereinfachen kann, wo der Raum beschränkt ist, insbesondere um das Werkzeug
hinter weiches Gewebe zu verbringen, welches den Knochen, an dem
die Prozedur durchzuführen ist,
teilweise umgibt. Es ist für
das erfindungsgemäße Werkzeug
häufig
bevorzugt, drei ausgeschnittene Abschnitte vorzusehen.
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Bevorzugt
ist der Umfangsrand der Schale über
wenigstens etwa 30% der Länge
des Schalenumfangs an deren Rand erhalten, bevorzugter wenigstens
etwa 35%, insbesondere wenigstens etwa 40%. Bevorzugt ist der Umfangsrand
der Schale über
nicht mehr als etwa 80% der Länge
des Schalenumfangs an dem Rand erhalten, bevorzugter nicht mehr
als etwa 70%, insbesondere nicht mehr als etwa 60%.
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Bevorzugt
erstreckt sich wenigstens einer der ausgeschnittenen Abschnitte über wenigstens
etwa 15% der Länge
des Schalenumfangs an dem Umfangsrand, bevorzugter wenigstens etwa
20%, beispielsweise wenigstens etwa 25%. Dieses kann zu erheblichen
Reduktionen bezüglich
der transversalen Dimension des zu schaffenden Werkzeuges führen.
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Bevorzugt
erstrecken sich die Ränder
der ausgeschnittenen Abschnitte radial zu dem Pol der Schale, wo
die ausgeschnittenen Abschnitte auf die erhaltene periphere Kante
der Schale treffen. Die ausgeschnittenen Abschnitte können jedoch
unterschiedliche Formen aufweisen. Zum Beispiel kann jeder ausgeschnittene Abschnitt
durch eine Sehne begrenzt sein, welche sich direkt von einem Rand
des ausgeschnittenen Abschnittes, wo dieser auf die erhaltene Umfangskante
der Schale trifft, zur gegenüberliegenden
Kante erstreckt. Andere Formen von ausgeschnittenen Abschnitten
sind ebenfalls vorgesehen. Zum Beispiel kann sich eine gekrümmte Kante
von einer Seite eines ausgeschnittenen Abschnittes, wo er auf den
erhaltenen Umfangsrand der Schale trifft, zur gegenüberliegenden
Seite erstrecken.
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Bevorzugt
unterscheidet sich die Größe eines
der ausgeschnittenen Abschnitte von der Größe anderer ausgeschnittener
Abschnitte. Es wird häufig
der Fall sein, daß die
Größe von zwei
ausgeschnittenen Abschnitten annähernd
gleich und unterschiedlich zu der Größe des bzw. eines anderen ausgeschnittenen
Abschnittes ist, um eine Auswuchtung des Werkzeuges mit dem Massenschwerpunkt
auf der polaren Achse zu erhalten.
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Bevorzugt
ist die Größe eines
der Abschnitte der Schale, bei dem der Umfangsrand erhalten ist,
unterschiedlich zu der Größe eines
anderen dieser Abschnitte. Es wird häufig der Fall sein, daß die Größe von zwei
erhaltenen Abschnitten annähernd
gleich groß und
unterschiedlich zu der Größe des bzw.
eines anderen erhaltenen Abschnittes ist, um eine Auswuchtung des
Werkzeuges mit dem Massenschwerpunkt auf der polaren Achse zu erhalten.
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Der
Winkel am Zentrum der Kugelfläche,
von welcher die Schale einen Teil bildet, zwischen dem Umfangsrand
an den diametral einander gegenüberliegenden
Punkten ist im allgemeinen kleiner als 180°, so daß das Werkzeug keine Kavität erzeugt,
deren Durchmesser an der offenen Fläche kleiner als der maximale Durchmesser
des Werkzeuge ist. Bevorzugt beträgt dieser Winkel wenigstens
etwa 150°,
bevorzugt wenigstens etwa 170°.
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Bevorzugt
ist die Schale in einem kreisförmigen
Bereich um den Pol erhalten bzw. intakt. Dieses hat den Vorteil
eines Optimierens des Bereiches der äußeren Oberfläche der
Schale in dem Bereich, in dem einer maximalen Axialkraft zu widerstehen
ist. Dieses hat den Vorteil eines Optimierens der Fläche, welche
zur Schaffung von Schneidzähnen
verfügbar
ist, und auch des Optimierens der Festigkeit des Werkzeuges, so
daß ihm
ermöglicht
wird, den aufgebrachten Axialkräften
zu widerstehen. Bevorzugt ist das Verhältnis des Abstandes von dem
Rand des kreisförmigen
Bereiches zum Pol zu dem Verhältnis
des Abstandes des Umfangsrandes der Schale zum Pol (beide Abstände entlang
der sphärischen
Oberfläche
der Schale gemessen) nicht mehr als etwa 0,5, bevorzugter nicht
mehr als etwa 0,4, z.B. etwa 0,3. Bevorzugt ist das Verhältnis des
Abstandes von dem Rand des kreisförmigen Bereiches zum Pol zum
Verhältnis
des Abstandes des Umfangsrandes der Schale zum Pol (beide Abstände längs der
sphärischen
Oberfläche
der Schale gemessen) nicht weniger als etwa 0,1, bevorzugter nicht
weniger als etwa 0,2.
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Das
Werkzeug gemäß der Erfindung
hat wenigstens einen Schneidzahn, welcher von der sphärischen Oberfläche der
Schale vorsteht. Dieser kann durch Einschneiden des Schalenmaterials
und Deformation des Materials nach außen ausgeformt werden. Die
freie Kante des ausgeschnittenen Materials sollte scharf sein, um
in der Lage zu sein, das Knochengewebe zu schneiden, entweder als
Ergebnis des Schneidschrittes oder als Ergebnis eines nachfolgenden
Schärfeschrittes.
Der Schneidzahn kann die Form eines länglichen Schlitzes aufweisen.
Bevorzugt hat das erfindungsgemäße Werkzeug
Schneidzähne
in Form von im wesentlichen runden Perforationen, wobei insbesondere
eine Mehrzahl solcher Zähne über die äußere Oberfläche der Schale
verteilt angeordnet ist. Jeder solcher Schneidzähne ist bevorzugt durch Schneiden
des Materials der Schale teilweise um den Rand einer im wesentlichen
runden Öffnung
ausgebildet und Verformen des Materials der Schale durch dessen
Verbiegen an dem Teil des Randes der Öffnung, wo das Material nicht
geschnitten ist. Die Querdimension einer solchen Öffnung (welche
ein Durchmesser ist, wenn die Öffnung
kreisförmig
ausgebildet ist) ist bevorzugt wenigstens etwa 1,5 mm, bevorzugter
wenigstens etwa 2,0 mm, insbesondere wenigstens etwa 2,5 mm.
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Bevorzugt
sind die Schneidzähne
annähernd
gleichmäßig über die
Oberfläche
der Schale verteilt, so daß die
Anzahl von Zähnen
je Flächeneinheit
ihrer Außenseite über die
gesamte Oberfläche
annähernd
konstant ist. Es ist jedoch ersichtlich, daß dieses wegen der relativen
Größen der
Zähne und
der Oberfläche
der Schale nur annähernd
der Fall sein kann.
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Es
ist ein Vorteil, eine Mehrzahl von kreisförmigen Öffnungen für die Schneidzähne zu verwenden,
weil dieses ermöglicht,
daß die
Verteilung der Schneidzähne über die
Oberfläche
des Werkzeuges variiert wird. Zum Beispiel kann es zweckmäßig sein,
eine größere Konzentration
von Schneidzähnen
nahe zu dem Pol des Werkzeuges vorzusehen, und nahe dem Umfangsrand
des Werkzeuges.
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Das
erfindungsgemäße Werkzeug
kann aus Materialien hergestellt werden, welche für chirurgische Schneidwerkzeuge
geeignet sind. Insbesondere bevorzugte Materialien umfassen bestimmte
rostfreie Stähle. Das
Werkzeug kann durch Gießen
hergestellt werden. Wenn das Werkzeug einen Stab aufweist, welcher
sich über
das Innere der Schale erstreckt, kann dieser integral mit der Schale
in einem Gußvorgang
ausgebildet werden, oder separat und sodann beispielsweise durch
Schweißen
an der Schale befestigt werden. Schneidzähne können auf der Schale in einem
Gußschritt
ausgebildet werden, oder separat zu dem Formen der Schale, beispielsweise
in einer nachfolgenden Operation, welche beispielsweise ein Schneiden
oder spanabhebendes Bearbeiten oder beides einschließt.
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Ausgestaltungen
der Erfindung werden nunmehr beispielhaft unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen
beschrieben. In diesen zeigt:
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1 eine
isometrische Ansicht von unten auf ein Schneidwerkzeug gemäß der Erfindung;
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2 eine
schematische Draufsicht auf das Schneidwerkzeug, welches in 1 gezeigt
ist;
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3 eine
schematische Draufsicht auf eine alternative Ausgestaltung des Schneidwerkzeuges;
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4a und 4b wie
ein Schneidwerkzeug gemäß der Erfindung
entworfen werden kann; und
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5 eine
schematische Draufsicht auf eine weitere Ausgestaltung des Schneidwerkzeuges.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 ein Schneidwerkzeug 2,
welches eine hohle Schale aufweist, die aus einem inerten Metall
wie einem rostfreien Stahl geformt ist. Das Material der Schale ist
etwa 0,5 mm dick. Die Schale weist Schneidzähne 4 auf, welche
sich von ihrer Außenseite
nach außen
erstrecken und jeweils durch Einschneiden von Perforationen in die
Schale sowie Verformung des Schalenmaterials nach außen ausgeformt
sind.
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Die
Schale weist eine Stange 6 auf, welche sich von einer Seite
zu einem diametral gegenüberliegenden
Punkt auf der anderen Seite erstreckt, durch welche die Schale an
einem Antriebsinstrument zu befestigen ist, welche verwendet werden
kann, um der Schale eine angetriebene Drehung zu erteilen. Klemmen,
durch welche die Stange mit dem Instrument in Eingriff gebracht
werden kann, sind in diesem Zusammenhang bekannt.
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Die
Außenseite
der Schale bildet einen Teil einer Halbkugel. Der Winkel am Zentrum
der Kugel (von welcher die Oberfläche der Schale einen Teil bildet)
zwischen dem Umfangsrand an den einander gegenüberliegenden Enden der Stange 6 beträgt 175°. Die Schale
weist aus ihr ausgeschnittene Abschnitte 8, 10, 12 auf, welche
sich vom Umfangsrand der Schale über
einen Teil des Weges zu dem Pol erstrecken. Die ausgeschnittenen
Abschnitte sind so ausgebildet, daß der Umfangsrand der Schale
an den diametral einander gegenüberliegenden
Punkten, an denen die Stange 6 an der Schale befestigt
ist, erhalten sind. Die ausgeschnittenen Abschnitte sind so ausgebildet,
daß der
Massenschwerpunkt der Schale auf der polaren Achse liegt.
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Die
Außenseite
der Schale weist einen intakten bzw. erhaltenen Bereich 14 um
den Pol herum auf, welcher in einer Draufsicht auf die Komponente
kreisförmig
ist, und dessen Fläche
einen Teil einer Kugelfläche bildet.
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Die
Lokalisierung des Massenschwerpunktes auf dem Pol der Schale wird
durch geeignete Anordnung der ausgeschnittenen Abschnitte erzielt.
Dieses ist in
2 für das in
1 gezeigte
Werkzeug dargestellt. Die folgende Tabelle enthält die am Pol gebildeten Winkel
durch die ausgeschnittenen Abschnitte
8,
10,
12 und die
Abschnitte
16,
18,
20 der Schale, welche
zwischen den ausgeschnittenen Abschnitten verbleiben:
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Die
in den 1 und 2 gezeigte Ausgestaltung weist
einen Abschnitt 22 um den Pol herum auf, dessen Form diejenige
eines Teils einer Kugelfläche
ist. Jeder der ausgeschnittenen Abschnitte 8, 10, 12 wird durch
Kanten bzw. Ränder
begrenzt, welche sich radial von dem kreisförmigen Abschnitt 22 zum
Umfangsrand der Schale erstrecken, sowie durch den Rand des sphärischen
Abschnittes 22.
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Die
in 3 gezeigte Ausgestaltung unterscheidet sich von
der in den 1 und 2 gezeigten
darin, daß die
winklige Anordnung der ausgeschnittenen Abschnitte 24, 26, 28 und
der Abschnitte 30, 32, 34 der Schale,
welche zwischen den ausgeschnittenen Abschnitten verbleiben, umgekehrt
ist.
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Bei
der in 3 gezeigten Ausgestaltung wird jeder der ausgeschnittenen
Abschnitte 24, 26, 28 durch einen Rand
begrenzt, welcher sich von einer Seite des ausgeschnittenen Abschnittes,
wo er auf den erhaltenen Umfangsrand der Schale trifft, zur gegenüberliegenden
Seite erstreckt. Dieser Rand kann sich gerade zwischen den zwei
Seiten erstrecken (wenn die Schale entlang einem Radius betrachtet
wird) oder kann gekrümmt
sein.
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Die 4a und 4b zeigen
das Prinzip, welches verwendet werden kann, um eine geeignete Anordnung
von ausgeschnittenen Abschnitten auf einer halbkugelförmigen Schale
zu entwerfen und dabei die vorliegende Erfindung zu verwirklichen.
Die Verteilung der ausgeschnittenen Abschnitte kann gemäß der Anordnung
von Haltern in einer Zentrifuge für Fluidcontainer entworfen
werden. Damit die Zentrifuge, wenn sie dreht, ausgewuchtet verbleibt,
ist es wichtig, daß der
Massenschwerpunkt der belasteten Halter auf der Drehachse liegt.
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4a zeigt
Anordnungen von Haltern für
2, 3 und 4 Fluidproben in einer Zentrifuge, welche zwölf mit radialem
Abstand angeordnete Haltearme aufweist. Die betreffenden Halter
sind mit „02", „03" und „04" bezeichnet.
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Eine
ausgewuchtete Anordnung für
eine andere Anzahl von Proben als 2, 3 und 4 kann durch Kombination
der Anordnungen für
die kleineren Anzahlen erzeugt werden. 4b zeigt
die Anordnung von Haltern für
5 Fluidproben, und es zeigt sich aus dieser Anordnung, daß die Anordnung
der ausgeschnittenen Abschnitte bei der Ausgestaltung gemäß den 1 und 2 hierauf
basiert.
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5 zeigt
eine weitere Ausgestaltung eines Schneidwerkzeuges, bei dem die
Verteilung der ausgeschnittenen Abschnitte auf der Anordnung von
Haltern in einer Zentrifuge für
Fluidcontainer mit 20 solcher Halter beruht. Es wird ein Muster
für Schneidabschnitte
für das
Schneidwerkzeug gezeigt, welches auf einer Kombination von 5 rotationsmäßig ausgewuchteten
Fluidproben und 2 rotationsmäßig ausgewuchteten
Fluidproben basiert. Demgemäß sind drei
der mit „05" bezeichneten Arme,
welche sich von dem zentralen sphärischen Abschnitt 50 aus
erstrecken, relativ schmal, und zwei der mit „02 + 05" bezeichneten Arme relativ breit.
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Es
ist verständlich,
daß von
den drei in den 2, 3 und 5 gezeigten
Ausgestaltungen die Ausgestaltung gemäß 2 unter
dem besonderen Gesichtspunkt einer Reduzierung der radialen Erstreckung
des Schneidwerkzeuges zu bevorzugen ist, um einen Einsatz durch
einen schmalen Einschnitt zu ermöglichen.
