DE69722455T2

DE69722455T2 - Chirurgisches instrument mit anzeige des drehmoments und des torsionswinkels

Info

Publication number: DE69722455T2
Application number: DE69722455T
Authority: DE
Inventors: Lennart Carlsson; Anders Petersson
Original assignee: Nobel Biocare AB
Current assignee: Nobel Biocare AB
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1997-12-15
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2017-12-16
Also published as: WO1998027886A1; DE69722455D1; SE9604717D0; CA2275426A1; SE9604717L; JP2001507587A; EP0961588A1; EP0961588B1; ATE241321T1; US6591698B1; AU7870498A; JP4160125B2; AU740287B2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein chirurgisches Instrument, das ein Werkzeug zum Einschrauben eines chirurgischen Implantats oder zum Schneiden eines Gewindes in Knochengewebe mit einem Gewindebohrer umfasst. Ferner ist eine Einheit zur Stromversorgung und Geschwindigkeitssteuerung eines Elektromotors in dem Werkzeug enthalten, die mit einer Stromversorgungsschaltung und Erfassungs- und Anzeigeelementen versehen ist. Das Erfassungselement weist einen Verstärker und diesem nachgeschaltet einen A/D-Wandler auf, der die Signale von dem Erfassungselement in entsprechende Datensignale umwandelt. Das Anzeigeelement kann in diesem Fall von dem Typ sein, der einen Computerbildschirm, ein Datensichtgerät (VDU), etc. aufweist.
STAND DER TECHNIK
Elektrowerkzeuge zum Überwachen des Festziehens von Gewindeverbindungen sind bereits bekannt, siehe zum Beispiel GB-A-2098740. Es ist ferner bekannt, zum Beispiel aus der PCT-Veröffentlichung WO 95/20146, die GB-A-2286127 entspricht, im Dentalgebiet in Schraubwerkzeugen eine Einheit für Stromzufuhr zu einem Elektromotor zu verwenden. Ein Verstärker ist an die Stromversorgungsschaltung des Elektromotors angeschlossen, und auf diesen Verstärker folgt ein Analog/Digital-Wandler. Der letztere ist seinerseits an eine Computereinheit mit VDU angeschlossen. Es ist ferner bereits an sich bekannt, verschiedene Knochenqualitäten des menschlichen Körpers zu untersuchen und Statistiken über diese Knochenqualitäten aufzustellen. In diesem Fall ist es möglich, die Fähigkeit eines bestimmten Werkzeuges zu erfassen, in den jeweiligen Knochen/das Knochengewebe einzudringen, und die Eindringungsfähigkeit auf die Knochenqualität zu beziehen. Es ist ferner bekannt, drehmomentgesteuerte Werkzeuge zum Einschrauben und Gewindeschneiden in Verbindung mit Implantaten, Zahnbrückenstruktwen, etc. verwendenden Dentalarbeiten zu verwenden. Verschiedene Bewertungen der Knochenqualität für verschiedene Personen verschiedenen Alters sind an sich bekannt.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG TECHNISCHES PROBLEM
Es besteht ein Bedarf an wirksamen Mitteln zum Unterstützen von Chirurgen, Zahnärzten und äquivalentem Personal, das fortschrittliche Zahnarbeiten durchführt. Zum Beispiel muss der Chirurg oder eine äquivalente Person beim Schneiden eines Gewindes und Einsetzen einer Schraube vollständige Kontrolle über die Arbeit haben, die durchgeführt wird. Die betreffende Implantat- und Zahnstruktur muss optimal eingesetzt werden. Dieser optimale Einsatz hängt in großem Ausmaß von der Qualität des Knochengewebes in jedem einzelnen Fall ab, welche Qualität nicht immer durch externe Inspektion völlig offensichtlich ist. Bisher ist ein gutes Ergebnis mit professionellem Können und Erfahrung verknüpft. Die vorliegende Erfindung löst das Problem durch Anzeigen zum Beispiel der Knochenqualität, Stabilität des Schraubenmaterials, etc. mit großer Präzision.
Beim Aufstellen von Statistiken und anderen Informationen ist es wichtig, in der Lage zu sein, in einfacher Weise die jeweilige durchgeführte Arbeit in bezug zur Knochenqualität, zum Patiententyp, Alter, Strukturtyp, Implantateinsatz, etc. zu dokumentieren. Die Erfindung löst auch dieses Problem.
Es ist ferner wichtig, dass der Arbeitsfunktion des betreffenden Werkzeugs eine einfache und gut erprobte Funktion und Komponentenauslegung gegeben werden kann. Die Endung löst auch diese Probleme. Die Erfindung nutzt die Tatsache, dass der Drehwinkel bekannt ist.
LÖSUNG
Die Merkmale, die prinzipiell als ein chirurgisches Instrument gemäß der Erfindung kennzeichnend angesehen werden können, sind, dass die Einheit für Stromversorgung und die Stromversorgungsschaltung miteinander über einen Widerstand verbunden sind, der einen Spannungsabfall proportional zu dem Motorstrom in den Schraub- und Schneidvorgängen bewirkt, dass der Motorstrom seinerseits proportional zu dem übertragenen Drehmoment des Motors ist, dass das Erfassungselement über den Widerstand angeschlossen ist und dafür eingerichtet ist, die Datensignale in Abhängigkeit von dem Drehmoment und Winkelpositionen) des Werkzeugs zu bewirken, dass das Anzeigeelement dann dafür eingerichtet ist, in Realzeit eine Drehmoment/Drehwinkelkurve anzuzeigen, die die Basis für die Beurteilung der Qualität des Knochengewebes ist, und die Anzeigeelemente dafür eingerichtet sind, die Kurve als ein Histogramm auf einem Bildschirm darzustellen, wobei in dieser letzteren Kurve jede Säule einer Anzahl von Mittelwerten des Drehmoments in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung entspricht, derart, dass rasche Schwankungen oder Fluktuationen nicht sichtbar sind.
In einer Ausführungsform ist die Einheit für die Stromversorgung und die Geschwindigkeitssteuerung dafür eingerichtet, dem Elektromotor eine im wesentlichen konstante Drehgeschwindigkeit oder eine bekannte veränderliche Drehgeschwindigkeit zu geben.
Mit der Drehmoment/Drehwinkelkurve ist es ferner möglich, zu prüfen, ob das Schraubenmaterial gute Qualität hat und dass die betreffenden Elastizitätsgrenzen nicht überschritten werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Speicherelement vorgesehen, um eine oder mehrere Drehmoment/Drehwinkelkurven zu speichern, die verschiedenen Einschraub- und/oder Gewindeschneidfällen zugeordnet werden können. Das Speicherelement kann hier die Form einer Karte aufweisen, die mit Daten geladen werden kann (vergl. Kreditkarte, elektronische Geldkarte, etc.). Die jeweilige Kurvenausbildung für einen oder mehrere Patienten wird in die betreffende Karte eingegeben. Nachdem die Dateninformationen geladen wurden, kann die Karte zum Gebrauch, d. h. Einführung in das Bewertungssystem entfernt werden.
VORTEILE
Bei Einbau der obigen Funktionen in ein chirurgisches Instrument, das zusätzlich Einrichtungen für Kühlung, Geschwindigkeitssteuerung, Drehrichtungssteuerung, Drehmomentsteuerung, etc. aufweist, wird ein sehr attraktive technisches Unterstützungsinstrument für den Chirurgen oder eine äquivalente Person erhalten.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Eine derzeit vorgeschlagene Ausführungsform eines chirurgischen Instruments und einer solchen Anordnung gemäß der Erfindung soll im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
1 in einem Grundschaltbild die Funktionen des Elektromotors des Werkzeugs, seine Leistungs- und Geschwindigkeitssteuerung, Erfassungselemente für die Drehmoment/Drehwinkelkurve des Elektromotors, und Anzeigeelemente und Speicherelemente für die betreffende Kurve oder betreffenden Kurven zeigt,
2 ein Beispiel eines chirurgischen Instruments von vorne zeigt,
3 in einem Grundschaltbild die Eingabefunktionen für eine Karte zeigt, die mit Daten über Drehmoment/Drehwinkelkurven geladen werden kann,
4 in einer horizontalen Ansicht ein Bewertungssystem zeigt,
5 in einem Grundschaltbild eine Geschwindigkeitssteuerung für den betreffenden Elektromotor in dem Werkzeug zeigt, und
5a in einem Grundschaltbild Geschwindigkeitssteuerung und Informationen über die Drehwinkel des Rotors mittels Magnet- und Hallelementen und eines an den Computer gekoppelten Rechners zeigt.
AUSFÜHRLICHE AUSFÜHRUNGSFORM
In 1 ist ein Elektromotor durch 1 symbolisiert. Der Motor ist von einem an sich bekannten Typ und kann vom bürstenlosen Typ EC 032 sein, von Stork AB vertrieben wird. Eine kombinierte elektrische Strom- und Geschwindigkeitssteuereinheit ist mit 2 bezeichnet. Die Einheit ist unter anderem so eingerichtet, dass sie den Motor 1 mit einer konstanten Drehgeschwindigkeit unabhängig von dem Drehmoment des Motors versorgen kann. Alternativ oder zusätzlich dazu kann sie den Drehwinkel in einer bekannten Weise mit Hilfe von Hallelementen und einem Magneten an dem Rotor messen. In der Stromversorgungsschaltung 3 des Motors ist ein Widerstand 4 angeordnet. Ein Verstärker 7 von bekanntem Typs ist an Kontaktpunkte 5, 6 über dem Widerstand angeschlossen. Der Ausgang 7a des Verstärkers ist an einen Analog/Digitalwandler 8 angeschlossen, dessen Ausgang 8a an eine Computereinheit 9, zum Beispiel einen Mikroprozessor angeschlossen ist, der ein Speicherelement 10 und einen Anzeigebildschirm 11, zum Beispiel in Form einer VDU aufweist.
Der Motor 1 umfasst in einer bekannten Weise ein Getriebe und dreht sich in Übereinstimmung mit dem obigen bei einer konstanten Drehgeschwindigkeit oder mit einer Rotorposition 1, die in jedem Fall bekannt ist. Der Versorgungsstrom durch den Widerstand ist bei i1 gezeigt. Der Verstärker erfasst die Spannung V über dem Widerstand und liefert einen Strom i1/eine Spannung V1 abhängig von den Änderungen zu dem Analog/Digitalwandler, welcher eine Impulsfolge i2 abhängig von der Erfassung erzeugt. Die Computereinheit 9 empfängt diese Impulsfolge.
Auf diese Weise wird beim Einschrauben eines Implantats oder Einschrauben einer Schraube in Zahnkonstruktionen der Spannungsabfall über dem Widerstand in Realzeit auf der Anzeige angezeigt. Da der Motorstrom proportional zu dem Spannungsabfall ist und der Strom seinerseits proportional zu dem übertragenen Drehmoment ist, wird direkte Anzeige des letzteren erhalten. Das Drehmoment wird auf der Anzeige als eine Funktion der Zeit gezeigt. Die Daten (i2) werden als eine analoge Kurve (Drehmoment als Funktion des Drehwinkels) gezeigt. Die Kurve wird Tiefpassfilterung unterzogen, so dass rasche Schwankungen oder elektrische Fluktuationen nicht sichtbar sein werden. Die Fluktuationen, die aus kleinen, die Kurve überlagernden Unregelmäßigkeiten bestehen, werden durch Unregelmäßigkeiten im Getriebe und Motorkommutierungen verursacht.
2 zeigt ein vollständiges chirurgisches Instrument 12. Die Instrumentanzeige (d. h. der Computerbildschirm in Übereinstimmung mit dem obigen) ist bei 13 gezeigt. Das Instrument weist ein Tasten/Anzeigefeld 14 für verschiedene Funktionen auf, s. oben. Das Werkzeug ist bei 15 angezeigt, und eine Verbindung des Werkzeugs ist mit 16 bezeichnet. Das Speicherelement in Übereinstimmung mit dem obigen ist hier als 10' bezeichnet worden. Das Speicherelement ist als eine Kreditkarte (s. elektronische Geldkarte) ausgelegt, die mit Daten geladen werden kann. Die Karte kann in eine Kartenleseeinheit 17 in einer bekannten Weise eingeführt und aus dieser entfernt werden. Die Karte umfasst eine integrierte Schaltung 10a, die in einer bekannten Weise mit Daten versehen werden kann, d. h. in diesem Fall Drehmomentdaten als Funktion der Werkzeugposition (Winkel).
In der Figur sind zwei Drehmomentkurven 18, 19 auf dem Bildschirm 13 gezeigt, wobei diese Kurven jeweils das Gewindeschneiden oder das Einschrauben des Implantats in den Kiefer-/das Knochengewebe darstellen. Die Kurven zeigen das Moment M als eine Funktion der Position des Dreh-/Torsionswinkels an. Je höher die Drehmomentwerte sind, desto höher ist die Scherkraft, was mit der Knochenqualität in Verbindung gebracht werden kann.
Die Karte 10 ist von der Seite in 3 gezeigt, wo die Ladeelemente/Schaltungen durch 20, 21 symbolisiert wurden. Eine Busverbindung ist durch 22 gezeigt, und ein Mikroprozessor (CPU) in Übereinstimmung mit dem obigen, angezeigt durch 9', ist an diese Busverbindung 22 angeschlossen. Ein an die Busverbindung angeschlossener Anschluss 23 kann auch eingeschlossen werden, an welchem Anschluss 23 es möglich ist, die Drehmomentkurven ergänzenden Daten einzugeben, zum Beispiel in Form von Datum, Patiententyp, Alter, etc. Die Impulsfolge i2' wird über eine Adapterschaltung 24 empfangen, die an die Busverbindung angeschlossen ist. Ferner sind ein zugehöriger Festspeicher 25 und ein Adapterelement 26 für den ladbaren Speicher 10', 10a' eingeschlossen. Die Komponenten 25 und 26 sind ebenfalls an die Busverbindung angeschlossen.
4 zufolge kann die Karte/der Speicher 10''' in einen Kartenleser 27 von bekanntem Typ an oder in dem Bewertungssystem eingeführt werden. Statistiken, Bewertung von Knochenqualität, etc. können in dem letzteren durchgeführt und gesammelt werden. Die Informationen hierüber können an den Ausgängen 29, 30 erhalten werden.
In 5 ist eine kombinierte Versorgungs- und Geschwindigkeitssteuereinheit (zum Beispiel in Form von Hallelementen- Magnet-Rechner-Computer, s. 2 oben) für den Motor 1' durch 31 gezeigt. Eine Positionsanzeigerückkopplung ist durch 32 gezeigt, und der Widerstand gemäß dem obigen ist durch 4' gezeigt. Die Drehgeschwindigkeit wird mit Hallelementen gemessen.
Geschwindigkeitssteuerung und Informationen über die Winkelposition des Rotors 1a werden zum Beispiel durch Verwendung eines Magneten 1b an dem Rotor des Motors, und drei Hallelementen 1c erhalten, die die Position des Magneten erfassen. Die Hallelemente sind über eine Rückkopplungsschaltung 33 an eine Rechnerschaltung 34 gekoppelt, welche ihrerseits an einen Computer gekoppelt ist. Zum Beispiel die Steuerschaltung MMC-EC050 (Stork AB), die an eine Rechnerschaltung gekoppelt ist. Der Motor ist zum Beispiel EC032 (Stork AB).
Die Erfindung ist nicht auf die oben als Beispiel gezeigte Ausführungsform begrenzt, sondern kann innerhalb des Umfangs der beigefügten Patentansprüche modifiziert werden.

Claims

Chirurgisches Instrument (12), umfassend ein Werkzeug (15) zum Einschrauben eines chirurgischen Implantats oder zum Schneiden eines Gewindes in Knochengewebe mit einem Gewindebohrer, eine Einheit (2) zur Stromversorgung und Geschwindigkeitskontrolle eines Elektromotors (11) in dem Werkzeug, die mit einer Stromversorgungsschaltung versehen ist, und Erfassungs- und Anzeigeelemente (7, 8 bzw. 9, 11), wobei das Erfassungselement einen Verstärker (7) und diesem nachgeschaltet einen A/D-Wandler (8) aufweist, der die Signale (i1) des Erfassungselementes in entsprechende Datensignale (i2) umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung und Einheit miteinander über einen Widerstand (4) verbunden sind, der einen Spannungsabfall proportional zu dem Motorstrom bei den Schraub- und Schneidvorgängen bewirkt, wobei der Motorstrom seinerseits proportional zu dem übertragenen Drehmoment des Motors ist, dass das Erfassungselement (7, 8) über den Widerstand angeschlossen ist und dafür eingerichtet ist, die Datensignale in Abhängigkeit von dem Drehmoment und Winkelpositionen) zu bewirken, dass das Anzeigeelement dafür eingerichtet ist, in Realzeit eine Drehmoment/Drehwinkelkurve anzuzeigen, die die Basis für die Beurteilung der Qualität des Knochengewebes bildet, und dass das Anzeigeelement dafür eingerichtet ist, die Kurve als ein Histogramm auf einem Bildschirm (11) darzustellen, wobei in dieser Kurve jede Säule einer Anzahl von Mittelwerten des Drehmoments in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung entspricht, derart, dass rasche Schwankungen oder Fluktuationen nicht sichtbar sind.
Chirurgisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit für die Stromversorgung und die Geschwindigkeitskontrolle dafür eingerichtet ist, dem Motor eine im wesentlichen konstante Drehgeschwindigkeit oder eine bekannte veränderliche Drehgeschwindigkeit zu geben.
Chirurgisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicherelement (10) vorgesehen ist, um eine oder mehrere Drehmoment/Drehwinkelkurven (13, 18) zu speichern, die verschiedenen Einschraub- und/oder Gewindeschneidfällen zugeordnet werden können.
Chirurgisches Element (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitssteuerung und die Information über die Position/Drehstellung des Rotors des Elektromotors mittels Magneten, Hallelementen, Rechner und einem Computer ausgeführt wird.