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Gebiet der
Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf das
Anfertigen einer Bohrung in einem lebenden Knochen. Insbesondere
stellt das Gerät
eine Bohrung in einem Knochen mittels eines Osteotoms oder mittels
Verdichtungstechniken her, wobei Knochen in die Seitenwände und
die Bodenwand, die die Bohrung begrenzen, hinein verdichtet wird,
anstatt aus dem Knochen extrahiert zu werden, wie es für andere
Bohrungstechniken typisch ist.
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In dem deutschen Dokument
DE 296 06 335 , auf dem
die Präambel
des Anspruchs 1 basiert, wird ein chirurgisches Osteotom-Instrument
zum Erzeugen eines Bohrlochs in Kieferknochen zum Einbringen von
Implantaten offen gelegt. Darin wird ein Längsinstrument zur Bereitstellung
einer Bohrung benutzt. Der Operateur benötigt viel Kraft, um fähig zu sein,
dieses Werkzeug zu benutzen. Der Operateur wird aus diesem Grund
sehr schnell ermüden. Die
diese Art von Werkzeug verwendende Technik wird in „Ein neues
Konzept in der Kieferimplantat-Chirurgie: Die Osteotom-Technik", R. B. Summers,
Kompendium Corin, Ausgabe Deutschland, Band 15, Nr. 2, 1994, S.
152–160
beschrieben.
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In dem U. S.-Dokument 4,651,833 wird
ein pneumatisches Presswerkzeug, bei dem ein zweistufiger Kolben
in einer zweistufigen Kammer eines Zylinders hin- und hergeht, offen
gelegt. Das Werkzeug, das in den Knochen eindringen soll, ist an
dem vorderen Abschnitt des Zylinders befestigt und der Kolben schlägt als Reaktion
auf die Beaufschlagung von Pressluft auf seine hintere Endfläche gegen
einen solchen Vorderabschnitt. Eine relativ kleine ringförmige Schulter
des Kolbens, auf die kontinuierlich durch die Pressluft eingewirkt
wird, ist nach vorne gerichtet. Wenn der Kolben das Ende seines
Vorwärtshubs
erreicht und von dem Vorderendabschnitt des Zylinders zurückprallt,
schließt
er die Pressluftquelle vor seiner hinteren Endfläche ab, so dass die Wirkung
der Pressluft auf die Schulter ausreicht, um den Kolben nach hinten,
gegen den hinteren Endabschnitt des Zylinders, anzutreiben, an dem
zu diesem Zeitpunkt der Kolben wieder einen Durchlass für den Pressluftfluss
gegen seine hintere Endfläche
einrichtet, so dass er auf diese Weise vorwärts gegen den vorderen Endabschnitt
des Zylinders angetrieben wird.
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In dem U. S.-Patent 3,678,934 wird
ein Bohrgerät
mit einem verlängerten
röhrenförmigen Gehäuse, das
an einem Ende entweder mit einem Druckluftmotor oder mit einer Ummantelung
für ein
motorgetriebenes Seil verbunden werden kann und das am anderen Ende
zum Tragen eines Werkzeugs, wie zum Beispiel eines Osteotoms oder
eines Sägeblatts geeignet
ist, offen gelegt. Zwischen diesen beiden sind ein Eingangsantriebsmechanismus
und ein Ausgangsantriebsmechanismus angeordnet, wodurch die Drehkraft
des Motors oder des Seils in eine Hin- und Herbewegung zum Antrieb
des Osteotoms oder der Säge
umgewandelt wird.
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In dem U. S.-Patent
US 2,984,241 wird ein motorbetriebenes
Osteotome offen gelegt. Dieses Instrument ist sehr komplex und für einen
Operateur nicht leicht zu benutzen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In einer Ausführung enthält eine Kombination eine Vielzahl
von Werkzeugen zur Einführung
in den Knochen, um eine Bohrung an einer Stelle herzustellen, an
der ein Implantat einzusetzen ist, und einen Mechanismus zum Antreiben
dieser Werkzeuge. Die Vielzahl der Werkzeuge weist Abschnitte mit der
gleichen Grundform, jedoch stufenweise größeren Durchmessern auf. Ein
Werkzeug-Set kann auch Werkzeuge enthalten, die auch variable Formen
aufweisen. Jedes Werkzeug hat Flächen,
die den verdrängten
Knochen radial nach außen
drücken
und den verdrängten
Knochen in die Wand, die die Bohrung begrenzt, hinein verdichten.
Als Antriebsmechanismus kann eine Vielzahl von Typen in Frage kommen,
einschließlich
elektromagnetisch angetriebener Vorrichtungen, hydraulisch angetriebener
Vorrichtungen, motorbetriebener Vorrichtungen, pneumatisch angetriebener
Vorrichtungen und piezoelektrisch angetriebener Vorrichtungen.
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Die Werkzeuge werden mit dem Antriebsmechanismus
in Reihenfolge gekoppelt, wobei die kleinsten zuerst gekoppelt werden.
Der Antriebsmechanismus wendet die notwendige Kraft an, um das Werkzeug
in den Knochen einzuführen.
Der Antriebsmechanismus kann auf verschiedenste Arten und Weisen
betrieben werden. In einer Ausführung
bewegt der Operateur den Antriebsmechanismus kontinuierlich in Richtung
auf den Knochen, um mit dem Werkzeug Kontakt herzustellen und das
Werkzeug in Eingriff zu brin gen und es tiefer in die Bohrung zu
treiben. Solch ein Antriebsmechanismus hat einen Abschnitt zum Eingreifen
des Werkzeugs, das einer Hin- und Herbewegung unterliegt, um das
Werkzeug in die Bohrung zu „schneiden". Das Werkzeug ist
in dieser Anordnung nicht an dem Antriebsmechanismus befestigt,
sondern wird ständig
wieder mit dem Antriebsmechanismus in Eingriff gebracht.
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Alternativ enthält der Antriebsmechanismus eine
Welle, die an dem Werkzeug befestigt ist. Die Welle des Antriebsmechanismus
verursacht kraftschlüssige
gleichförmige
Bewegungen des Werkzeugs, während
es in den Knochen eingeführt
wird. Anstelle dieser kraftschlüssigen
Bewegung kann die auf das Werkzeug übertragene Bewegung inkrementell
oder abgestuft sein und die gleichförmige Bewegung kann durch Hochfrequenzschwingungen
ergänzt
werden, um die Einführung
des Werkzeugs noch weiter zu unterstützen.
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Um das System noch weiter zu verbessern, kann
ein Controller verwendet werden, um eine genauere Einführung des
Werkzeugs bereitzustellen. Beispielsweise kann der Controller die
Einführungstiefe,
die Frequenz der Hin- und Herbewegung oder die Kraftgröße der Einführung steuern.
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Der Antriebsmechanismus kann ebenso
insofern modular sein, dass er verwendet werden könnte, um
das Zahnimplantat in die Bohrung einzuführen, nachdem die Werkzeuge
die adäquat
große Bohrung
bereitgestellt haben. Folglich weist die Welle des Antriebsmechanismus
Einrichtungen auf, um in den obersten Abschnitt eines selbstschneidenden Implantats
einzugreifen und das Implantat in die Bohrung zu schrauben. Diese
Einrichtung zum Eingreifen kann ebenso mit einem Gewindebohrer verbunden sein,
der vor der Einführung
eines nicht selbstschneidenden Implantats verwendet wird. Schließlich kann die
Einrichtung zum Eingreifen an den obersten Abschnitt eines Implantats
ohne Gewinde gekoppelt werden, das in die Bohrung gedrückt wird.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1A–1D stellen eine Reihe von
Osteotom-Werkzeugen mit nach innen konkaven Enden dar.
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2A–2D stellen eine Reihe von
Osteotom-Werkzeugen mit nach außen
konkaven Enden dar.
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3A-3B stellen ein Osteotom-Werkzeug mit
einem internen Flüssigkeitskanal
entlang seiner Achse dar.
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4A,4D stellen vier stufenweise
Einführungen
von vier stufenweise größeren Osteotom-Werkzeugen
dar.
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5A-5C stellen
den Befestigungsmechanismus zum Koppeln des Osteotom-Werkzeugs an den
Antriebsmechanismus dar.
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6A und 6B stellen einen Antriebsmechanismus
der Hin- und Herbewegung erzeugt, die benutzt wird, um das Werkzeug
in den Knochen einzuführen,
dar.
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7 stellt
eine Magnetspule als den Antriebsmechanismus dar.
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8 stellt
einen Elektromotor, der durch eine Zahnradanordnung Translationsbewegung
erzeugt, als den Antriebsmechanismus dar.
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9 stellt
einen Elektromotor, der Translationsbewegung durch eine Kurvenanordnung
erzeugt, als den Antriebsmechanismus dar.
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10 stellt
einen Elektromotor, der abgestufte Translationsbewegung durch eine
weitere Kurvenanordnung erzeugt, als den Antriebsmechanismus dar.
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11 stellt
einen piezoelektrischen Translator-Antriebsmechanismus dar. 12 stellt einen hydraulisch
betriebenen Antriebsmechanismus dar.
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13 stellt
einen dentalen Handbohrer, der das Osteotom-Werkzeug antreibt, dar
und
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14 stellt
ein motorgetriebenes Osteotom-System mit einem Controller dar.
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Ausführliche
Beschreibungen der Figuren
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Bezug nehmend auf die 1A–1 D
wird ein Set von Osteotom-Werkzeugen 10a–10d dargestellt. Das
Werkzeug 10a ist das kleinste und ist das erste Werkzeug,
das in den Knochen einzuführen
ist. Oft geht der Verwendung des Werkzeugs 10a die Benutzung
eines kleinen Bohrers voraus, der ein Pilotbohrloch erzeugt. Das
Werkzeug 10a enthält
eine nach innen konkave Fläche 12a und
einen verjüngten,
an die konkave Fläche 12a angrenzenden
ersten Abschnitt 14a. Der erste Abschnitt 14a und
die konkave Fläche 12a stoßen an einer
Kante 16a aufeinander. Der erste Abschnitt 14a kann
einen konstanten Durchmesser aufweisen, wie gezeigt, oder kann sich
nach außen,
in einer Richtung weg von der konkaven Fläche 12a, verjüngen. In
einer bevorzugten Ausführung
ist der Durchmesser des ersten Abschnitts 14a geringfügig größer (z.
B. ungefähr
0,2–1,0
mm größer) als das
Pilotbohrloch der Bohrung.
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Weil der kortikale Knochen sehr dicht
ist, gibt es die Möglichkeit,
dass er während
der Einführung der
Werkzeuge brechen könnte.
Deshalb kann es, um eine solche Fraktur zu verhindern, von Vorteil sein,
das Pilotloch an dem kortikalen Knochen zu erweitern. Diese Erweiterung
kann durch den Einsatz eines Schneidwerkzeugs, wie zum Beispiel
eines Grats, erreicht werden, der an dem Pilotbohrloch vor der Einführung der
Osteotom-Werkzeuge
positioniert wird.
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Jegliches Knochengewebe an den Wänden, die
das Pilotloch begrenzen, das in Eingriff mit der Kante 16a ist,
wird in den konkaven Abschnitt 12a gedrückt, wo es sich sammelt. Im
Wesentlichen „schabt" die Kante 16a einen
Teil des Knochengewebes entlang der Wand, die das Pilotloch begrenzt,
ab. Wenn das Werkzeug 10a seine Maximaltiefe in der Bohrung
erreicht hat und aus der Bohrung gezogen wird, verbleibt das gesammelte
Material üblicherweise
auf dem Boden der Bohrung. Da die Kanten 16b einen Teil
des Knochengewebes entfernen und die konkave Fläche 12b dieses Gewebe
sammelt und es nach unten verdrängt,
stellt das Osteotom-Werkzeug auf diese Art und Weise eine lokale
Knochentransplantation bereit. Wenn das Osteotom-Werkzeug in dem
Kieferknochen benutzt wird, ist das Verdrängen des entfernten Knochengewebes
an den Boden der Bohrung innerhalb des Kieferknochens vorteilhaft, um
die Menge von Knochengewebe angrenzend an die Sinuskavität zu erhöhen, wie
unten beschrieben.
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Die Übergangsfläche 18a dient dazu,
das Knochengewebe schnell nach außen, entlang der Wand, die
die Bohrung begrenzt, zu drücken.
Auf dieses Art und Weise wirkt die Übergangsfläche 18a auf die Wand,
um sie im Wesentlichen zu weiten und eine Bohrung mit einem größeren Durchmesser
zu bilden. Da die Übergangsfläche 18a von
der Kante 16a des Werkzeugs 10a beabstandet angeordnet
ist, betrifft die schnelle Erweiterung nur einen Abschnitt der Bohrung.
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Der Zwischenabschnitt 20a ist
angrenzend an den Übergangsabschnitt 18a angeordnet.
Der Zwischenabschnitt 20a kann einen konstanten Durchmesser
aufweisen, wie gezeigt, oder kann sich nach außen, in einer Richtung weg
von der konkaven Fläche 12a,
verjüngen.
Der Zwischenabschnitt 20a stützt die Wand der Bohrung ab,
wenn das Werkzeug 10a in die Bohrung eingeführt wird.
Wie der Übergangsabschnitt 18a,
greift der Zwischenabschnitt 20a nur in einen axialen Abschnitt
der Bohrung ein.
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Ein weiterer Übergangsabschnitt 22a wird
in die Bohrung eingeführt,
um die Wände
nahe der Öffnung
der Bohrung noch weiter nach außen
zu drücken.
Dies dient dazu, die Bohrung an der Oberfläche des Knochens noch weiter
zu öffnen,
so dass die Flächen 12b-12d der
nächsten
Werkzeuge 10b–10d leicht
eingeführt
werden können.
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Ein Basisabschnitt 24a wird
im Allgemeinen nicht in die Bohrung eingeführt. Stattdessen ist es der Abschnitt
des Werkzeugs 10a, an den der Antriebsmechanismus gekoppelt
wird, wie unten ausführlich beschrieben
wird.
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Unter Umständen, bei denen es erwünscht ist,
den Kieferknochenkamm zu weiten, können der Basisabschnitt 24a und
infolgedessen der zweite Übergangsabschnitt 22a in
den oberen Abschnitt der Bohrung eingeführt werden, um den Weitungsprozess
des Kamms einzuleiten. Dieser Weitungsprozess des Kamms wird durch
die Einführung
der Werkzeuge 10b–10d,
die größere Durchmesser
aufweisen, verstärkt.
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Durch Verdrängen des Knochens, der zuvor in
dem Mittelabschnitt der Bohrung war, wirken die Übergangsflächen 18a und 22a und
der Mittelabschnitt 20a ebenso als lokale Knochenverpflanzungswerkzeuge.
Dieser lokale Knochenverpflanzungsprozess stellt eine Bohrung mit
einer Wand aus hochdichtem Knochenmaterial bereit.
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Die 1 B
stellt ein weiteres Werkzeug 10b mit einem etwas größerem Durchmesser
als das Werkzeug 10a in 1A dar.
Die nach innen konkave Fläche 12b stößt an der
Kante 16b auf den ersten Abschnitt 14b, wobei
die Kante 16b dazu dient, einen zusätzlichen Abschnitt der Wand,
der die Bohrung begrenzt, „abzuschaben".
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Der Übergangsabschnitt 18b drückt das Knochengewebe
zum Verdichten und zum Bilden einer Wand mit einem großen Durchmesser
nach außen.
Wieder versieht der Übergangsabschnitt 18b die
Bohrung mit einer wesentlichen Weitung, wie es die Übergangsabschnitte 18a und 22a des
Werkzeugs 10a getan haben. Der Zwischenabschnitt 20b verdichtet
die Wand, während
er sich in Längsrichtung
der Bohrung nach unten vorschiebt. Obwohl er vorhanden sein könnte, weist
das Werkzeug 10b einen zweiten Übergangsabschnitt, wie er mit
der Referenzzahl 22a in dem Werkzeug 10a der 1A vorhanden ist, nicht
auf. Der Basisabschnitt 24b ist der Abschnitt, an den der
Antriebsmechanismus gekoppelt wird.
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Das Werkzeug 10b enthält ebenso
eine Tiefenmarkierung 26b, die die adäquate Tiefe anzeigt, in die
das Werkzeug 10b eingeführt
werden sollte. Die Tiefenmarkierung 26b ist mit dem gleichen
Abstand von der Kante 16b des Werkzeugs 10b positioniert, wie
der Übergangsabschnitt 22a von
der Kante 16a des Werkzeugs 10a beabstandet ist.
Normalerweise entspricht die Tiefenmarkierung 26b der Länge des einzuführenden
Implantats. Wie in den 1 C
und 1 D zu sehen, enthalten die Werkzeuge 10c und 10d Tiefenmarkierungen
an entsprechenden Höhen,
um den Kliniker bei der Ermittlung der korrekten Tiefe der Einführung zu
unterstützen.
Da verschiedene Knochenbereiche Implantate verschiedener Längen erfordern,
kann ein anderer Satz Osteotom-Werkzeuge verwendet werden, der andere
Längen
und entsprechende Tiefenmarkierungen aufweist. Alternativ kann ein
Osteotom-Werkzeug Markierungen an verschiedenen Tiefen haben, so
dass es für
Implantate mit unterschiedlichen Längen verwendet werden kann.
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Die Osteotom-Werkzeuge 10c und 10d der 1 C und 1 D gleichen den
Werkzeugen 10a und 10b darin, dass sie nach innen
konkave Flächen 12c und 12d und
Kanten 16c und 16d aufweisen. Jedoch enthalten
die Werkzeuge 10c und 10d keinen Übergangsabschnitt.
Deshalb ist der Übergangsabschnitt 18b des
Werkzeugs 10b die letzte Fläche zum schnellen Erweitern
des Durchmessers der Bohrung.
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Die ersten Abschnitte 14c und 14d dieser Werkzeuge 10c und 10d verjüngen sich
nach außen, um
den Durchmesser der Bohrung graduell zu vergrößern, während sie darin eingeführt werden.
Der Antriebsmechanismus ist an die Basisabschnitte 24c und 24d der
Werkzeuge 14c und 14d gekoppelt.
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Das Werkzeug 10c weist ein
Paar Tiefenmarkierungen 26c und 28c auf. Die Tiefenmarkierung 26c weist
den gleichen Abstand von der Kante 16c auf, wie die Tiefenmarkierung 26b von
der Kante 16b in 1 B.
Die Tiefenmarkierung 28c ist ungefähr so weit von der Kante 16c beabstandet,
wie der Übergangsabschnitt 18b von
der Kante 16b in 2.
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Das Werkzeug 10d enthält die Tiefenmarkierungen 26d und 28d,
die jeweils den Tiefemarkierungen 26c und 28c des
Werkzeugs 10c in 1 C
entsprechen. Eine zusätzliche
Tiefenmarkierung 30d ist nahe des Basisabschnitts 26d an
einer vorbestimmten Beabstandung von der Tiefenmarkierung 26d positioniert.
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Die konkaven Flächen 12a–12d werden
mit einer glatten, nach innen konkaven Fläche gezeigt. Alternativ können die
Flächen 12a–12d scharte
Mittelpunkte haben, so dass die Oberfläche nicht glatt ist oder können eine
Innenseite haben, die in einer Ebene, die ungefähr parallel zu der durch die
jeweils in den Werkzeugen 10a–10d durch die Kanten 16a–16d begrenzten
Ebene ist.
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Die Osteotom-Werkzeuge 10a–10d werden normalerweise
aus Metallen wie Titan oder Edelstahl (d. h. 400er-Serie-Edelstahl)
gefertigt. Dadurch können
sie sterilisiert und wiederverwendet werden. Alternativ können die
Werkzeuge 10a–10d aus
einem Kunststoffmaterial gefertigt werden, das nach der Verwendung
entsorgt werden kann. Das Kunststoffmaterial muss unter dem Aspekt
ausgewählt
werden, die erforderliche Festigkeit bereitzustellen, um das Schneiden
an der Kante nahe der konkaven Fläche zu ermöglichen.
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Die Osteotom-Werkzeuge erhalten nahezu das
gesamte verdrängte
Knochengewebe innerhalb der Bohrung, so dass nur eine unwesentliche
Menge daraus entfernt wird. Dies wird vorrangig durch die konkaven
Flächen
an den Enden der Werkzeuge erreicht, die das von den Wänden, die
die Bohrung begrenzen, geschabte Knochengewebe sammeln und dieses
Knochengewebe tiefer in die Bohrung bewegen. Zusätzlich drücken die Osteotom-Werkzeuge das
Knochengewebe radial nach außen,
um eine dichtere Wand zu erzeugen. Auf diese Art und Weise wird
einiges des Knochengewebes in dem Bereich, der nachfolgend die Bohrung
wird, radial nach außen gedrängt, während einiges
in eine andere Tiefe in der Bohrung gedrängt wird. Weiterhin hat das
Herausziehen des Werkzeugs einen minimalen Effekt auf die Bohrungswand.
Infolgedessen ist die Wand, die die Bohrung begrenzt, dichter, was
die Stabilisierung des Implantats innerhalb der Bohrung unterstützt, die
Osseointegration fördert
und eine gleichmäßigere Verteilung
der Spannungen auf die Wände
der Bohrung, die durch die Belastung durch dentale Komponenten, die
dem Implantat beigefügt
sind, verursacht werden, bereitstellt.
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Jedoch wird die Dichte des Knochens
nicht so groß erzeugt,
dass der Blutfluss zu dem Knochengewebe im Wesentlichen verhindert
wird, was den Heilungsprozess möglicherweise
verzögern
oder möglicherweise
ausschließen
würde.
Stattdessen ist die Knochendichte derartig, dass das Blut mit einer Rate
zu dem Gewebe fließt,
die die Heilung des Gewebes und die Osseointegration mit dem Implantat fördert.
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Diese Osteotom-Technik ist ebenso
in Bereichen nützlich,
in denen die Knochendichte geringer als durchschnittlich ist. Diese
Technik erhöht
die Dichte des Knochengewebes in jenen Bereichen mit geringer Dichte,
die unmittelbar neben der Bohrung an einer Stelle liegen, die nahe
der durchschnittlichen Dichte oder über der durchschnittlichen
Dichte ist. Folglich ist in Bereichen geringer Dichte ein Implantat,
das in eine mit dieser Osteotomie-Technik hergestellte Bohrung eingesetzt
wird, stabiler als ein Implantat, das in eine Bohrung, die mit herkömmlichen Bohrtechniken
hergestellt wird, eingesetzt wird.
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In einer bevorzugten Ausführung, die
die motorbetriebene Osteotom-Technik bei Kieferknochen verwendet,
kann der weniger dichte Knochen, üblicherweise als Typ-III- und
Typ-IV-Knochengewebe bezeichnet, so verdichtet werden, dass die
Dichte vergleichbar mit dem Typ-I- oder Typ-II-Knochengewebe wird,
das normalerweise den dichteren kortikalen Platten zugerechnet wird.
Jedoch sollte das verdichtete Knochengewebe nicht die Dichte des
Knochens des Typs I überschreiten.
Dichtewerte die über die
des Knochens vom Typ I hinausgehen, könnten die Gefäßbildung
und das Modellieren des neu komprimierten Knochengewebes gefährden, was
zu einer Gefäßnekrose,
verursacht durch inadäquaten Flüssigkeitstransport
durch den neu komprimierten Bereich, führen kann.
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Die Verwendung der Osteotom-Werkzeuge 10a–10d ermöglicht ebenso
eine Elevation des Sinusbodens. Während der Knochen von den inneren Wänden geschabt
wird, wird der verdrängte
Knochen durch die konkaven Flächen 12a–12d nach
oben in Richtung auf die Sinuskavität bewegt. Dieses Aufbauen der
Knochenmasse nahe der Grenze des Sinus erhöht den Sinusboden, das Periosteum
und die Membranschicht.
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Wegen des Knochenvolumens, das an
dem Boden der Werkzeuge angrenzend an die konkaven Flächen 12a–12d angeordnet
ist, berührt
das Werkzeug normalerweise die Sinusmembran nicht. Stattdessen greift
das verdrängte
Knochengewebe in diese Membran ein. Oft dringt das Ende des Werkzeugs nicht über die
ursprüngliche
Sinusgrenze hinaus ein. Ob jedoch das Werkzeug in die Membran eingreift, hängt von
der Geometrie der konkaven Flächen 12a–12d ab
(d. h. von dem Knochenvolumen, das in dieser Fläche enthalten sein kann). Wenn
zusätzlicher
Knochen gebraucht wird, um den Sinusboden anzuheben, kann der Bohrung
ein zubereitetes Knochengemisch hinzugefügt werden und mit den geschabten
Knochen durch die konkaven Flächen 12a–12d nach
oben geschoben werden, um zusätzliche
Elevation bereitzustellen.
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Die Verwendung der Osteotom-Werkzeuge erzeugt
im Vergleich zu herkömmlichen
Bohrtechniken, die die lokale Knochengewebetemperatur, wegen der
hohen Reibung an den schneidenden Flächen der Spannuten, erhöhen, minimale
Wärme.
Erhöhte
Temperaturen können
das Knochengewebe schädigen
und die Osseointegration verzögern.
Somit verbessert die Verwendung der Osteotom-Werkzeuge ebenfalls
die Qualität
des an das Implantat angrenzenden Knochengewebes.
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Die 2A–2D stellen einen anderen
Typ der Osteotom-Werkzeuge 40a–40d dar. Die Werkzeuge 40a–40d sind
im Wesentlichen die gleichen wie jene, die in den 1A–1D gezeigt werden, mit der
Ausnahme, dass die Flächen 42a–42d nach
außen
konvex sind. Diese Form ist nicht förderlich, um von den Seitenwänden abgeschabtes
Knochengewebe zu tragen. Stattdessen drücken die nach außen konvexen
Flächen 42a–42d den
Knochen nach außen
in die die Bohrung begrenzende Wand. Weil kein Knochengewebe von
den Wänden
abgeschabt und weiter in die Bohrung hinein transportiert wird,
kann der Durchmesser der Fläche 42a auf
dem Werkzeug 40a annähernd
der gleiche sein, wie der Durchmesser des Pilotbohrlochs oder größer als
dieses sein, wenn ein Pilotbohrloch verwendet wird. Das Werkzeug 40a kann
sich dann hinter der Fläche 42a auf
einen Durchmesser größer als
der Durchmesser des Pilotbohrlochs verjüngen, um das Knochengewebe radial
nach außen
zu drücken.
Obwohl die Form nicht als nach außen konvex mit einer glatten
Spitze gezeigt wird, kann sie ebenfalls gebogen mit einer scharfen
Spitze sein.
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Alternativ können die konvexen Flächen 42a–42d lediglich
abgeschrägt
sein, damit sie zu einem scharten Punkt zusammenlaufen. Bei einer
weiteren Alternative können
die nach außen
konvexen Flächen
auch kleine Vertiefungen an ihren Enden haben, um eine kleine Menge
von Knochengewebe nach innen zu drängen.
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Die 3A und 3B zeigen noch einen weiteren
Typ des Osteotom-Werkzeugs. In 3A enthält das in
dem Knochengewebe 52 gezeigte Osteotom-Werkzeug 50 einen
internen Kanal 54, in dem eine Flüssigkeit (Flüssigkeit
oder Gas) zu der Fläche 56 des
Werkzeugs 50 getragen wird. Die Flüssigkeit dient dazu, die Bohrung
vor dem Schneidprozess, der an der Kante eintritt, oder gleichzeitig
damit zu schmieren. Die Flüssigkeit
kann ein Wirkstoff sein, der das Wachstum von Knochengewebe unterstützt, um
die Osseointegration des Implantats um die Bohrung herum zu verbessern.
Der Kanal 54 unterstützt ebenso
beim Entfernen von in der Fläche
56 erfasstem Knochengewebe, indem auf den Kanal 54 ausgeübter Druck
das erfasste Knochengewebe von der Fläche 56 stößt.
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Das Osteotom-Werkzeug 60 in 3B ist ähnlich dem Werkzeug 50 der 3A, ausgenommen, dass der
interne Kanal 64 die Flüssigkeit
nicht nur zu der Fläche 66,
sondern zu Seitenausgängen 68a und 68b trägt. Auf
diese Art und Weise kann die Schmierung ebenso dem Knochengewebe 52 an
den Seiten des Werkzeugs 60 bereitgestellt werden.
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Die 4A–4D stellen den Prozess dar,
bei dem die Osteotom-Werkzeuge 10a–10d der 1A–1D in
das Knochengewebe 70 eingeführt werden. In der 4A wird das Werkzeug 10a in
das Knochengewebe 70 bis an einen Punkt eingeführt, an dem
der zweite Übergang 22a mit
der oberen Fläche 72 des
Knochengewebes 70 zusammentrifft. Wie zuvor dargelegt wird
das Werkzeug 10a, das einen kleineren Durchmesser als die
restlichen Werkzeuge 10b–10d aufweist, üblicherweise
in ein Pilotbohrloch kleineren Durchmessers eingeführt. Das
Werkzeug 10b, das in 4B gezeigt
wird, wird dann eingeführt,
bis die Tiefenmarkierung 26b die obere Fläche 72 erreicht.
Das in 4C gezeigte Werkzeug 10c wird
eingeführt,
bis die Tiefenmarkierung 26c die obere Fläche 72 erreicht,
um die Bohrung weiter zu erweitern und mehr Verdichtung der Wand,
die das Bohrloch begrenzt, bereitzustellen.
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Zuletzt wird das Werkzeug 10d in
die Bohrung eingeführt,
bis die Tiefenmarkierung 26 die obere Fläche 72 erreicht.
Das in 4D gezeigte Werkzeug
stellt die letzte Verdichtung für
die Wand, die die Bohrung begrenzt, vor der Einführung des Implantats bereit.
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Obwohl die Abläufe in den 4A-4D als vier Osteotom-Werkzeuge verwendend
beschrieben wurden, kann der Prozess, abhängig von der Größe der erwünschten
Bohrung, mehr oder weniger Werkzeuge erfordern. Wenn zusätzlich der
Durchmesserunterschied zwischen aufeinander folgenden Osteotom-Werkzeugen
auf einer Mindestgröße gehalten wird
(z. B. weniger als 0,5 mm Durchmesserunterschied), dann verringert
sich die zur Einführung
des Werkzeugs erforderliche Kraftgröße, da jedes Werkzeug nur eine
geringe Menge von Knochen ablösen wird.
Dies erhöht
jedoch gleichzeitig die Anzahl von Werkzeugen, die erforderlich
sind, und kann die erforderliche Gesamtzeit zum Herstellen der Bohrung erhöhen.
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Soweit weisen die Osteotom-Werkzeuge
die Vorteile auf, die beschrieben wurden. Die 5-14 beziehen
sich auf die Wechselwirkung zwischen dem Antriebsmechanismus und
den Osteotom-Werkzeugen. Es gibt zwei Grundverfahren, um die Aktivität des Antriebsmechanismus
mit den Osteotom-Werkzeugen zu koppeln. Erstens kann das Osteotom-Werkzeug
direkt mit dem Antriebsmechanismus gekoppelt werden, so dass jede
durch den Antriebsmechanismus erzeugte Bewegung, wie zum Beispiel eine
Vibrationsbewegung oder eine Längsbewegung,
in die gleiche Bewegung des Osteotom-Werkzeugs translatiert wird. Zweitens
kann das Osteotom-Werkzeug durch die durch den Antriebsmechanismus
erzeugte Hin- und Herbewegung stetig wiederholt in Eingriff gebracht
werden, so dass das Werkzeug in den Knochen hinein geschnitten oder gehämmert wird.
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Die 5A-5C stellen drei Verfahren
dar, bei denen das Osteotom-Werkzeug an einen Antriebsmechanismus 80 gekoppelt
ist. Jedes dieser Verfahren stellt die direkte Befestigung des Osteotom-Werkzeugs
an dem Antriebsmechanismus bereit, so dass jede Bewegung des Antriebsmechanismus
die gleiche Bewegung des Werkzeugs bewirkt. Die verschiedenen Arten
von Antriebsmechanismen werden ausführlich unter Bezugnahme auf
die 7-14 beschrieben.
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Bei der 5A wird das in der 3A gezeigte Osteotom-Werkzeug 50,
das den internen Kanal aufweist, an einen Befestigungsmechanismus 90 gekoppelt.
Der Befestigungsmechanismus 90 wird über eine Welle 92 an
einen Antriebsmechanismus gekoppelt. Der Befestigungsmechanismus 90 enthält einen
Zylinder 94 mit einer Innenwand
96, die eine Öffnung begrenzt,
in der der Basisabschnitt 98 des Werkzeugs 50 befestigt
wird. Ein Stift 100 erstreckt sich durch eine Wand des
Zylinders 94 und wird von einem Bohrloch 102 in
dem Werkzeug 50 aufgenommen. Auf diese Art und Weise wird,
wenn der Basisabschnitt 98 des Werkzeugs 50 in
den Zylinder 94 eingeführt
wird, dieser durch den Stift 100 festgehalten. Üblicherweise
wird der Stift 100 durch eine Feder 104 vorgespannt.
Auf diese Art und Weise arbeitet der Kliniker gegen die Kraft der
Feder 104, wenn er den Stift 100 radial nach außen zieht,
um so das Werkzeug 50 zu entfernen oder einzuführen.
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Obwohl der Stift 100 als
sich in den Basisabschnitt 98 des Werkzeugs 50 erstreckend
gezeigt wird, könnte
ein Stift, der sich durch den gesamten Basisabschnitt 98 erstreckt,
verwendet werden. Beispielsweise könnte ein Splint, der den Bedarf
für die Feder 104 überflüssig macht,
verwendet werden. Bei einer weiteren Alternative wird der Stift 100 durch eine
Schraube ersetzt, die von Hand verstellt werden kann. Die Bohrung 102 ist
dann innen mit einem Gewinde versehen, um die Schraube aufzunehmen. Das
Drehen der Schraube verursacht den Eingriff des Basisabschnitts 98 und
befestigt das Werkzeug innerhalb des Zylinders 94.
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Es sollte ebenso beachtet werden,
dass der Zylinder 94 einfach eine Vielzahl von Fingern
sein kann, die sich nach unten erstrecken. Einer der Finger müsste eine
Breite haben, die ein Aufnehmen der Stift- oder Schraubenanordnung
ermöglichen
würde.
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Um den Durchlass von Flüssigkeit
durch den Kanal 54 aufzunehmen, enthält die Welle 92 einen Durchgang 106,
der mit dem Kanal 54 an dem Oberteil des Basisabschnitts 98 des
Werkzeugs 50 verbunden ist. Weiterhin dient ein O-Ring 108 dazu,
die Schnittstelle zwischen dem Kanal 54 und dem Durchgang 106 zu
schließen.
Eine Vorrichtung zum Zuführen
von Flüssigkeit
(nicht gezeigt), beispielsweise eine Handbalgpumpe oder eine automatische
Pumpe, ist mit dem Durchgang 106 in der Welle 92 verbunden,
um den Flüssigkeitsfluss
durch das Werkzeug 50 bereitzustellen.
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Der Antriebsmechanismus 80 wirkt,
um die Welle 92 in eine Richtung im Wesentlichen parallel
zu der Achse des Werkzeugs 50 zu bewegen, so dass das Werkzeug 50 nach
innen in die Bohrung gedrückt wird.
Wie zuvor dargelegt, bestimmt die Stärke der Bewegung der Welle 92 die
Bewegung des Werkzeugs 50. Die Bewegung der Welle 92 kann
eine gleichförmige
sein, so dass das Werkzeugs 50 mit einer konstanten Geschwindigkeit
eingeführt
wird. Alternativ kann die Welle 92 durch inkrementelle
oder abgestufte Bewegungen nach unten bewegt werden, wobei die Bewegung
der Welle 92, wegen der durch den Antriebsmechanismus 80 erzeugten
Vibrationsenergie, eine vibrierende ist. Nachdem das Werkzeug 50 bis
auf eine adäquate
Tiefe eingeführt
ist, wird der Antriebsmechanismus 80 umgekehrt und das
Werkzeug 50 wird aus dem Knochengewebe gezogen oder der
Kliniker kann einfach die gesamte Anordnung aus der Bohrung ziehen.
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Die Welle 92 erstreckt sich
in den Antriebsmechanismus 80 und bewegt sich aus diesem
heraus, wenn der Antriebsmechanismus 80 in Betrieb ist.
Die Welle 92 kann ebenso teleskopisch sein, so dass ihr
Abschnitt, der sich in den Antriebsmechanismus 80 erstreckt,
nicht die gleiche Länge
haben muss wie die Tiefe der Bohrung. Infolgedessen kann der Antriebsmechanismus 80 so
ausgelegt werden, dass er weniger Volumen einnimmt.
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Die 5B stellt
einen Kugelarretierungs-Befestigungsmechanismus 120, der üblicherweise
als Yankee-Style-Befestigung bekannt ist, dar, der an das in der 1 D dargestellte Werkzeug 10d gekoppelt
ist. Das Werkzeug 10d wird vollständig in die Bohrung eingeführt, mit
der nach innen konkaven Fläche 12d Knochengewebe
enthaltend gezeigt. Der Kugelarretierungs-Befestigungsmechanismus 120 enthält einen
Zylinder 122, der an der Welle 92 des Antriebsmechanismus 80 befestigt
ist. Eine Platte 124 kragt aus dem Zylinder 122 vor.
Wenigstens eine Feder 126 ist zwischen der Bodenseite der
Platte 124 und einem Gleitring 128, der den Zylinder
einfasst, angeordnet. Die Feder 126 wirkt auf den Ring
128, um ihn in der Richtung nach unten, weg von der Platte 124,
vorzuspannen.
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Der Ring 128 enthält eine
Kugelaufnahme 130 in Form eines kugelförmigen Segments. Ein kleines
Segment 132, möglicherweise
ein Kugellager, ist innerhalb einer Öffnung 134 in dem
Zylinder 122 angeordnet. Die Öffnung 134 ist eine
derartige, dass das Segment 132 nur teilweise in die Kavität des Zylinders 122 eintreten
und sich radial nach außen
in die Kugelaufnahme 130 bewegen kann. Die Form der Kugelaufnahme 130 entspricht
der Form des kleinen kugelförmigen
Segments 130, das an der Innenwand des Rings 128 angeordnet
ist.
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Das Werkzeug 10d wurde in
Bezug darauf, wie es in der 1 D
dargestellt wird, leicht modifiziert, um auch eine zweite Kugelaufnahme 136,
mit einer gleichen Form wie die Kugelaufnahme 130 auf dem
Ring 128, zu enthalten. Ebenso wurde der obere Abschnitt 24d derartig
modifiziert, dass er nur in einer Ausrichtung in den Zylinder 122 eingeführt werden kann,
bei der die erste Kugelaufnahme 130, die zweite Kugelaufnahme 136 und
die Öffnung 134 ausgerichtet
sind. Infolgedessen befindet sich die Kugel 132 entweder
teilweise in der ersten Kugelaufnahme 130 oder teilweise
in der zweiten Kugelaufnahme 136.
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Um das Werkzeug 10d in dem
Kugelarretierungs-Befestigungsmechanismus 120 zu befestigen, wird
der Gleitring 128 aus seiner nach unten vorgespannten Position
nach oben gezogen, um der Kugel 132 zu ermöglichen,
in die Kugelaufnahme 130 in dem Gleitring 128 zu
gleiten. Das Werkzeug 10d wird dann in den Zylinder 122 eingeführt. Der
Gleitring 128 wird gelöst,
so dass die Feder 126 den Gleitring 128 nach unten
zwingt und die Kugel 132 durch die Innenwand des Gleitrings 128 hineingedrückt wird. Die
Kugel 132 wird dann in die zweite Kugelaufnahme 136 gezwungen,
die das Werkzeug 10d in der Position verriegelt. Um das
Werkzeug 10d zu entfernen, wird der Gleitring 128 nach
oben gezogen, so dass die Kugel 132 in die erste Kugelaufnahme 130 eintritt, die
die Kugel 132 aus der zweiten Kugelaufnahme 136 befreit
und dadurch das Werkzeug 10d löst.
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Die 5C stellt
ein gebräuchliches
Dreibackenfutter 150, das das Osteotom-Werkzeug 50 der 2D befestigt, dar. Die drei
Backen 152 greifen den oberen Abschnitt des Werkzeugs 40d und
halten ihn in einer festen Stellung. Die Backen 152 passen in
einen Spannhals 154, der mit einem Futter 156 verbunden
ist. Die Welle 92 des Antriebsmechanismus 80 beginnt
an dem oberen Ende des Futters 156.
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Wenn das Futter 156 relativ
zu dem Spannhals 154 gedreht wird, spreizen sich die drei
Backen 152, abhängig
von der Drehrichtung, entweder auseinander oder gehen zusammen.
Das Futter 156 enthält
an seinem unteren Ende eine Getriebeverzahnung 158, in
die ein Getriebeschlüssel
eingreift, um das Drehen des Futters 156 relativ zu dem
Spannhals 154 zu unterstützen, um die Backen 152 zu öffnen und
zu schließen.
Das Futter 156 enthält
ebenso ein Bohrloch 160, in den der Getriebeschlüssel eingeführt werden
kann, um diese Aufgabe zu unterstützen. Auf diese Art und Weise
kann das Werkzeug 40d durch das manuelle Drehen des Futters 156 relativ
zu dem Spannhals 154 durch den Klinker befestigt werden
oder der Kliniker kann einen Schlüssel benutzen, um diese Aufgabe
durchzuführen.
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Bei den 5A–5C enthält der Antriebsmechanismus 80 eine
Welle 92, die das Werkzeug nach unten in den Knochen antreibt.
Die Bewegung der Welle 92 und daher auch die des Werkzeugs
kann kontinuierlich sein, so dass die Einführung mit einer konstanten
Geschwindigkeit eintritt. Alternativ kann die Einführung abgestuft
sein, indem die Welle 92 das Werkzeug für ein vorgegebenes Zeitintervall
mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit bewegt und dann anhält oder
verzögert
bevor diese vorgegebene Geschwindigkeit wieder aufgenommen wird.
Auf diese Art und Weise wird das Werkzeug inkrementell in den Knochen
eingeführt.
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Zusätzlich kann der Antriebsmechanismus 80 auch
einen Hochfrequenzvibrationsumwandler, wie beispielsweise einen
piezoelektrischen Umwandler oder einen Ultraschallumwandler enthalten.
Während
das Werkzeug eingeführt
wird, wirken Hochfrequenzwellen durch die Welle 92 auf
das Werkzeug, um den Einführungsprozess
zu unterstützen.
Die Frequenz und die Amplitude der Wellen werden ausgewählt, um
ein einfaches Einführen
zu ermöglichen, jedoch
vorzugsweise minimale Wärme
an der Schnittstelle zwischen dem Werkzeug und dem Knochengewebe
zu erzeugen. In einer bevorzugten Ausführung ist die Amplitude niedrig
(weniger als ungefähr
1 mm) und die Frequenz ist hoch (z. B. 500 Hz). Auf diese Art und
Weise wird weniger Axialkraft von dem Antriebsmechanismus 80 gebraucht,
um das Werkzeug in den Knochen einzuführen.
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Die 6A und 6B stellen einen Kolbenantriebsmechanismus
dar, der das in der 1A gezeigte
Werkzeug 10a in Knochengewebe 70 einführt, um
eine Bohrung zu bilden. Der Antriebsmechanismus 180 enthält einen
Schaft 192, der einen Eingriffsmechanismus 194,
der an der Welle 192 befestigt ist, hin- und herbewegt.
Der Eingriffsmechanismus 194 schneidet oder hämmert das
Werkzeug 10a in das Knochengewebe 70. Die 6A zeigt die Welle 192 an
dem unteren Ende ihres Hubs, während
der Eingriffsmechanismus 194 mit dem Werkzeug 10a in Kontakt
ist. Die 6B stellt die
Welle an dem oberen Ende ihres Hubs dar, wenn sie nicht in Kontakt mit
dem Werkzeug 10a ist. Folglich ist der primäre Unterschied
zwischen dem Befestigungsmechanismus der
5A–5C und dem Eingriffsmechanismus 194 der 6A und 6B, dass der Befestigungsmechanismus
während
des gesamten Betriebs an dem Werkzeug befestigt bleibt, während der
Eingriffsmechanismus 194 dies nicht ist. Bei den Anordnungen der 6A und 6B kann es notwendig sein, das Werkzeug 10a aus
der Bohrung zu ziehen, nachdem der Antriebsmechanismus 180 das
Werkzeug 10a vollständig
eingeführt
hat.
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Obwohl der obere Abschnitt des Werkzeugs 10a eine
flache Oberfläche
hat, kann er eine gebogene Fläche
haben, um den Betrag des Gewindeschneidens außerhalb der Achse, der ein
Variieren des Einführungswinkels
des Werkzeugs 10a veranlasst, zu minimieren. Zusätzlich kann
der gesamte Eingriffsmechanismus 194 eine Vielfalt von
Formen aufweisen. Folglich kann er das Werkzeug 10a durch das
Aufweisen einer inneren Kavität
ummanteln, wie gezeigt, oder er kann eine ebene Fläche sein.
Zusätzlich
kann der Basisabschnitt 24a des Werkzeugs 10a einen
polygonalen Querschnitt haben, wobei der Eingriffsmechanismus eine
entsprechende Fassung hat.
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Die 7 stellt
eine Magnetspule 200 dar, die als der Antriebsmechanismus
verwendet wird. Die Magnetspule 200 enthält einen
Anker 202, der sich zwischen zwei Positionen bewegt (eine
davon wird durch die Strichlinien gezeigt), wenn die Drahtspule 204 unter
Spannung steht und wenn sie nicht unter Spannung steht. Üblicherweise
spannt eine Feder den Anker 202 in einer Position, in der
keine Spannung angelegt wird, vor. Der Anker 202 würde als
Welle 92 oder 192 der 5 bis 6 wirken
oder an diese gekoppelt sein, um das Werkzeug in die Bohrung zu
bewegen.
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Üblicherweise
bewegt sich der Anker 202 schnell zwischen den beiden Positionen,
mit Übergangszeiten,
die unter 0,5 s liegen. Auf diese Art und Weise dient er als nützlicher
Antriebsmechanismus für
den in den 6A und 6B gezeigten Kolbentyp-Antriebsmechanismus 180.
Folglich erzeugt ein Anlegen von Spannung an die Drahtspule 204 oder die
Abwesenheit einer solchen Spannung an der Drahtspule 204,
die schnelle Hin- und Herbewegung.
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Ebenso kann die Bewegung des Ankers 202 so
ausgelegt sein, dass sie eine langsame Bewegung zwischen den beiden
Positionen zu erzeugt. Beispielsweise kann der Strom durch die Drahtspule 204
langsam genähert
werden, um diese Langsambewegung zu erzeugen. Alternativ kann der
Anker 202 durch eine Feder oder eine hydraulische Vorrichtung
gedämpft
werden, um zu widerstehen, jedoch langsam der durch die Drahtspule 204 erzeugten elektromagnetischen
Kraft nachzugeben. Somit kann die Magnetspule 200 ebenso
als der in den 5A–5C gezeigte Antriebsmechanismus
dienen.
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Die 8 illustriert
eine von vielen möglichen
Zahnradpaaranordnungen. Bei der 8 treibt ein
Paar von Kegelzahnrädern 230 und 232 ein Schneckengetriebe 234 auf
der Runge 236 an. Eine Welle 238, die an dem ersten
Kegelzahnrad 230 befestigt ist, wird durch einen Elektromotor 240 (Wechsel-
oder Gleichstrom) angetrieben. Während
das erste Kegelzahnrad 230 das zweite Kegelzahnrad 232 dreht,
greift ein Schneckengetriebe 234 in das innere Gewinde
(nicht gezeigt) innerhalb des zweiten Kegelzahnrads 232 ein,
um die Runge 236 zwischen den beiden Positionen (eine davon
wird durch Strichlinien dargestellt) zu bewegen. Die Runge 236 ist
an die Welle 92 in dem Antriebsmechanismus der 1-5 gekoppelt oder wirkt als diese. Eine
andere Zahnradpaaranordnung würde
einfach einen nutartigen Aufbau mit Innengewinden um eine mit Außengewinden
versehene Welle (wie die Runge 236) drehen, um eine Längsbewegung
der Welle zu veranlassen. Ein Vorteil der in der 8 dargestellten Zahnradpaaranordnung,
wie auch der anderer Zahnradpaaranordnungen, ist, dass die Eindringtiefe
genau gesteuert werden könnte,
da sich ein festes Verhältnis
zwischen der Eindringtiefe des Werkzeugs und der Anzahl der Umdrehungen
der an den Elektromotor gekoppelten Welle 238 ergeben würde.
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Um eine schnelle Hin- und Herbewegung herzustellen,
erzeugt der Elektromotor Schwingstrom, um die Welle 238 in
beide Richtungen zu drehen, die wiederum die Runge 236 in
beide Richtungen antreibt. Auf diese Art und Weise kann die Zahnradkonfiguration
der 8 ebenso verwendet
werden, um die unter Bezugnahme auf den Antriebsmechanismus 180 der 6A und 6B beschriebene Kolbenbewegung herzustellen.
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Die 9 stellt
eine von vielen möglichen Kurvenanordnungen
dar, die eine Axialbewegung des Werkzeugs erzeugen. Der Elektromotor 240,
der gleiche, wie der in der 8 gezeigte,
treibt über eine
Welle 241 einen Kurvenzylinder 250 an. Der Kurvenzylinder 250 hat
eine obere Fläche 251 nahe dem
Elektromotor 240 und eine untere Flä che 253. Die untere
Fläche 253 ist
im Wesentlichen eine unregelmäßig geformte
Kurve mit einem Gesenk 254.
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Das Element 260 wird zwar
in einer Explosionsansicht entfernt von dem Kurvenzylinder 250 gezeigt,
ist jedoch im Betrieb unmittelbar an den Kurvenzylinder 250 angrenzend.
Das Element 260 enthält
eine obere Fläche 261,
die der unteren Fläche 253 des
Kurvenzylinders 250 entspricht. Ein Gesenk 262 stimmt
mit dem Gesenk 254 des Kurvenzylinders 250 überein.
Eine an das Element 260 gekoppelte Feder 264 spannt
das Element 260 nach oben vor, um in den Kurvenzylinder 250 einzugreifen.
Das Element 260, das üblicherweise
nicht rotiert, weist ebenfalls eine Runge 268 auf, an die
es gekoppelt ist.
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Wenn der Elektromotor 240 den
Kurvenzylinder 250 derartig dreht, dass sich die gegenüberstehenden
Gesenke 262 und 254 voneinander entfernen, greift
die untere Fläche 253 des
Kurvenzylinders 250 in die obere Fläche 261 des Elements 260 ein und
zwingt das Element 260 gegen die Vorspannung der Feder 264 nach
unten. Infolgedessen bewegt sich die Runge 268, die an
die Welle 92 des Antriebsmechanismus der 5A–5C gekoppelt ist oder als diese
wirkt, nach unten. Weil die Größe der Axialbewegung
der Runge 92 die gleiche ist, wie die Länge des Kurvengesenks 254,
kann die Bewegungsgröße genau
gesteuert werden. Zusätzlich
wird, wenn nur ein Teil der maximalen Axialbewegung benötigt wird (z.
B. 75%), die Größe der Drehung
des Kurvenzylinders 250 auf 75% einer Drehung (d. h. 270°) begrenzt.
Wieder kann die Größe der Axialbewegung der
Runge 268 genau gesteuert werden. Die Feder 264,
die die Kraft der Einführung
bestimmt, wird dementsprechend ausgewählt.
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Wenn die Kolbenbewegung der 6A und 6B erwünscht ist, kann der Kurvenzylinder 260 kontinuierlich
gedreht werden. Die Wirkung der Feder 264 erhält die Position
des Stabelements 260 nach einer vollen Umdrehung in der
nach oben vorgespannten Position. Die Frequenz der Hin- und Herbewegung entspricht
der Winkelgeschwindigkeit der Welle 241.
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Die 10 stellt
den Elektromotor 240 dar, der einen Kurvenzylinder 280 mit
einer kleinen Kurve 282 auf seiner unteren Fläche dreht.
Die kleine Kurve 282 greift in eine vorstehende Fläche 284,
die auf einer an dem Stab 288 befestigten Platte 286 angeord net
ist, ein. Die Platte 286 ist in der Position nach oben
durch eine an dem Aufbau 292 angebrachte Feder 290 vorgespannt.
Während
sich der Kurvenzylinder 280 dreht, bewegt sich der Stab 288 zwischen zwei
Positionen hin und her (eine davon wird durch die Strichlinien dargestellt).
Um das Osteotom-Werkzeug anzutreiben, wird der Stab 288 an
die Welle 192 des Antriebsmechanismus 180 der 6A und 6B gekoppelt oder wirkt als diese.
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In der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vermittelt ein piezoelektrischer Vibrator 300 Hin- und Herbewegung
oder Vibrationsbewegung an das Osteomtomie-Werkzeug. Die 11 stellt einen Vibrator 300 dar,
der ein Umwandlungselement 302, an das zwei Elektroden 304,
die an eine Stromquelle 306 gekoppelt sind, angebracht
sind, enthält.
Eine konusförmige
mechanische Kopplungskomponente 308 ist an dem Umwandlungselement 302 angebracht
und hat eine Schalllänge,
die es zu vibrieren veranlasst, wenn das Umwandlungselement 302 betätigt wird.
Wenn elektrische Oszillation durch die Stromquelle 306 erzeugt
werden, oszilliert das Umwandlungselement 302 und veranlasst
die Kopplungskomponente 308 zu vibrieren. Ein an dem Ende der
Kopplungskomponente 308 befestigter Stab 310 geht
dann zwischen den beiden Positionen hin und her (eine davon wird
durch die Strichlinien dargestellt). Abweichungen in der Amplitude
und der Frequenz, die durch eine Stromquelle 306 verursacht werden,
verursachen Abweichungen in der Bewegung des Stabes 310.
Auf diese Art und Weise ist der Stab 310 an die Welle 192 des
Antriebsmechanismus 180 der 6A und 6B gekoppelt oder wirkt als
diese.
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Der piezoelektrische Vibrator 300 kann ebenfalls
verwendet werden, um Hochfrequenzvibrationen bereitzustellen. Folglich
kann er selbst dafür benutzt
werden oder in Tandemanordnung mit einer anderen Art von Antriebsmechanismus,
der eine Axialbewegung des Werkzeugs verursacht. Der piezoelektrische
Vibrator 300 würde
die hochfrequenten Wellen bereitstellen, während der andere Antriebsmechanismus
die Axialbewegung bereitstellen würde. Wie zuvor dargelegt, würden die
hochfrequenten Wellen die Einführung
des Werkzeugs unterstützen.
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Eine weitere Vorrichtung, die Vibrationsbewegung
an das Werkzeug bereitstellen kann, ist ein Oberwellenerzeuger,
der oft verwendet wird, um ein Skalpell anzutreiben. Der Oberwellenerzeuger
stellt Ultraschallenergie bereit, die über einen Ultraschallumwandler mit
einer sehr hohen Frequenz (d. h. über 50 kHz) in der Längsrichtung
des Werkzeugs wirkt. Im Allgemeinen liegt die Amplitude, die auf
das Werkzeug angewendet wird, wenn ein solcher Oberwellenerzeuger
verwendet wird, zwischen 20 und 200 Mikrons. Die Ultraschallbewegung
des Werkzeugs weist eine extrem hohe Beschleunigung auf, die die
mechanische Energie in einer sehr lokalen Region in Thermalenergie
umwandelt. Die mit dieser Thermalenergie verbundene Hitze kann vennrendet werden,
um einiges der Blutung, die während
des Einführungsprozesses
auftritt, zu beseitigen oder zu reduzieren. Die Gerinnung, die aus
dieser Bewegung resultiert, kann in solchen Situationen erwünscht sein,
bei denen übermäßiges Bluten
eintritt, da in den meisten Fällen
minimale Hitze erwünscht
ist, um das Knochengewebe nicht zu beschädigen. Ein Obennrellenerzeuger,
der Ultraschallenergie erzeugt, wird in dem U. S. Patent Nr. 5,026,387
beschrieben.
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Die 12 stellt
einen hydraulisch betriebenen Antriebsmechanismus mit einem Zylinder 322, der
einen Kolben 323, der mit einem Stab verbunden ist, enthält, dar.
Eine Pumpvorrichtung 326 wirkt auf die Flüssigkeit,
um in sie in den Zylinder und aus dem Zylinder 322 zu bewegen.
Ein Flüssigkeitsspeicher kann
innerhalb des hydraulisch betriebenen Antriebsmechanismus 320 ebenso
vorhanden sein. Die Pumpe 326 kann eine Handpumpe oder
eine motorbetriebene Pumpe sein. Während sich die Flüssigkeit in
den unteren Teil des Zylinders 322 bewegt, bewegt sich
der Kolben 323 nach oben und bewegt dabei den Stab 324 aufwärts. Auf
diese Art und Weise ist der Stab 324 an die Welle 92 des
Antriebsmechanismus 80 der oben beschriebenen 5A und 5C gekoppelt oder wirkt als diese. Ein
Aufbau, der dem hydraulisch betriebenen Antriebsmechanismus 320 ähnlich ist
und mit Druck arbeitet, der durch Luft oder Gas erzeugt wird (d.
h. ein pneumatisch betriebenes System), könnte ebenso verwendet werden.
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Die 13 stellt
einen Antriebsmechanismus 330 dar, der einen gewöhnlichen
Dentalbohrkopf 332 verwendet. Der Dentalbohrkopf 332 enthält eine
Antriebskomponente 334, die auf Grund der Drehung einer
Welle 336 zwischen zwei Positionen oszilliert. Wie gezeigt,
ist die Welle 336 mit der Antriebskomponente 334 durch
eine gabelartige Verbindung gekoppelt, obwohl eine Zahnrad- oder
Kurvenkonfiguration ebenso gut wirken könnte. Die Welle 336 wird
innerhalb des Dentalbohrkopfs 332 durch ein Lagerelement 337,
das nahe dem Antriebsmechanismus 334 ist, getragen.
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Die Unterseite des Dentalbohrkopfes 332 enthält eine Öffnung 338,
in die ein Werkzeug 340 eingeführt werden kann. Das Werkzeug 340 ist
ein Osteotom-Werkzeug, wie zuvor beschrieben, das das Knochengewebe
in der Bohrung, die es erzeugt, verdichtet. Das Werkzeug 340 enthält einen
verjüngten
Halsabschnitt 342, über
dem sich ein Kopfabschnitt 343 befindet. Das Werkzeug 340 enthält ebenso
einen Ring 345, der die Einführung des Werkzeugs 340 in
das Knochengewebe über
eine vorgegebene Tiefe hinaus verhindert. Mit anderen Worten, der
Ring 345 ist ein Anschlagmechanismus, der in die äußere Fläche des
Knochengewebes eingreift und dadurch nur dem unteren Segment des Werkzeugs,
unter dem Ring 345, ermöglicht,
in den Knochen eingeführt
zu werden.
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Der Oszillationsstärke des
Werkzeugs 340 ist eine Funktion der Amplitude A, bei der
die Antriebskomponente 334 oszilliert. Die Bewegung des Werkzeugs 340 ist
ebenso eine Funktion der Länge
L des verjüngten
Halsabschnitts 342. Weil die Frequenz, mit der die Antriebskomponente 334 betrieben
wird, eine Funktion der Winkelgeschwindigkeit der Welle 336 ist,
kann die Frequenz, mit der das Werkzeug 340 oszilliert,
gesteuert werden. Die Strecke, die das Werkzeug 340 in
einem Halbkreis zurücklegt
(d. h. ein Weg aufwärts
oder abwärts),
ist eine Funktion der Amplitude A, mit der die Antriebskomponente 334 betrieben
wird. Zusätzlich
ist die Strecke, die das Werkzeug 340 in einem Halbkreis zurücklegt,
eine Funktion der Länge
L des verjüngten Halsabschnitts 342 des
Werkzeugs 340. Folglich kann die Strecke, die das Werkzeug
zurücklegt, ebenso
gesteuert werden. Beispielsweise kann die Frequenz in einem Bereich
von 500 kHz bis 1000 kHz liegen und die zurückgelegte Strecke kann in der Größenordnung
eines Millimeters oder kleiner sein.
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Bei der 13 wird die Kraft f, die auf den Antriebsmechanismus 330 angewendet
wird und dann auf das Werkzeug 340 übertragen wird, durch den Kliniker
hergestellt. Auf diese Art und Weise bewegt sich das Werkzeug, während es
mit einer bekannten Geschwindigkeit vibriert, um den Einführungsprozess
zu unterstützen,
unter der Kraft des Klinikers in die Bohrung.
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Die verschiedenen beschriebenen Antriebsmechanismen
können
zwei Bewegungsarten erzeugen. Erstens können diese Mechanismen verwendet werden,
um eine oszillierende oder vibrierende Bewegung zu erzeugen, um
die Einführung
des Werkzeugs zu unterstützen.
Die Primärkraft
zum Einführen
des Werkzeugs würde
die durch den Kliniker auf den Antriebsmechanismus ausgeübte Kraft
sein. Alternativ kann der Antriebsmechanismus Translationsbewegung
zum Einführen
des Werkzeugs auf die adäquate
Position innerhalb der Bohrung bereitstellen. Bei einer weiteren
Alternative kann der Antriebsmechanismus sowohl Translations- als
auch Vibrationskraft bereitstellen.
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Die 7-13 stellen verschiedene Antriebsmechanismen
dar, die verwendet werden können, um
ein Osteotom-Werkzeug in einen Knochen einzuführen und eine Bohrung für ein Implantat
zu erzeugen. Weil die Charakteristika der Bewegung des Werkzeugs
(z. B. Einführungstiefe,
Einführungskraft, Einführungshäufigkeit
usw.) wichtig sind, kann der Betrieb des Antriebsmechanismus durch
einen Controller gesteuert werden. Die 14 stellt in Form eines Blockdiagramms
ein motorbetriebenes Osteotom-System 350 dar.
Das System 350 enthält
einen Controller 360, der an den Antriebsmechanismus 362 gekoppelt
ist. Der Controller 360 legt den Strom an den Antriebsmechanismus 362 an,
der wiederum auf das Werkzeug 364 wirkt, um es in den Knochen zu
zwingen. Der Antriebsmechanismus 362 kann jede Art von
Antriebsmechanismus sein, einschließlich jener, die in den 7-13 beschrieben wurden, und das Werkzeug
kann jeder Typ von Osteotom-Werkzeug sein, einschließlich jener,
die in den 1-4 beschrieben wurden. Das Werkzeug 364 wird,
durch verschiedene Verfahren, einschließlich jener, die in den 5-6 beschrieben wurden, lösbar an
den Antriebsmechanismus 362 gekoppelt.
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Der Controller 360 kann
den Antriebsmechanismus 362 überwachen. Wenn der Antriebsmechanismus 362 beispielsweise
den Elektromotor 240 der 8-10 enthält, kann der Controller 360 einen
Winkelverschiebungssensor, wie zum Beispiel einen Geber, innerhalb
des Motors 240 erfassen, um die Winkelposition der Welle
des Motors 240 zu ermitteln. Dies kann benutzt werden,
um die Winkelgeschwindigkeit zu bestimmen, die der Hin- und Herbewegung des
Werkzeugs 364 entspricht. Ein Winkelverschiebungssensor,
wie zum Beispiel ein Geber, kann ebenso in den Anordnungen der 8-9 nützlich sein,
um den Rotationsbetrag der Welle, wenn nur ein Teil (z. B. 50 %)
einer Umdrehung gebraucht wird, zu ermitteln. Auf diese Art und
Weise kann die Tiefe der Bohrung gesteuert werden.
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Der Controller 360 kann
ebenso an externe Sensoren 366 gekoppelt werden, die Signale
an den Controller 360 weitergeben. Beispielsweise könnte eine
Elektrode unmittelbar angrenzend an die Seite, an der das Implantat
einzuführen
ist, platziert werden. Die Osteotom-Werkzeuge 364 weisen
eine entsprechende Elektrode auf, die an der äußeren Fläche des Werkzeugs an einem
Punkt entlang dessen Länge,
die der adäquaten
Einführungstiefe
entspricht, auskragt. Wenn das Werkzeug in den Knochen gedrückt wird
und sich die beiden Elektroden berühren, wird an den Controller
ein Signal übermittelt,
das den Antriebsmechanismus anhält.
Auf diese Art und Weise wird die Einführungstiefe gesteuert.
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Der Controller 360 könnte die
externen Sensoren 366 lediglich innerhalb des Werkzeugs überwachen.
Beispielswiese könnte
das Werkzeug an bekannten Punkten entlang seiner Länge optische
Sensoren aufweisen. Wenn ein optischer Sensor in den Knochen eintritt,
erfasst der Controller 366 die genaue Tiefe, bis zu der
das Werkzeug eingeführt
wurde. Folglich hält
der Controller 366 den Antriebsmechanismus an, wenn der
mit der erwünschten
Tiefe verbundene Sensor auf den Knochen trifft. Der optische Sensor
könnte
durch einen Drucksensor ersetzt werden, da die Fläche des
Implantats gedrückt
wird, wenn sie in den Knochen eingreift.
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Der Controller 360 ist ebenso
vorzugsweise an ein Eingabegerät
für den
Kliniker 368 gekoppelt, das es dem Kliniker ermöglicht,
verschiedene auf den Betrieb des Antriebsmechanismus 362 bezogene Parameter
einzugeben. Beispielsweise kann der Kliniker die Einführungstiefe,
die Frequenz der Hin- und Herbewegung oder die Amplitude der Hin-
und Herbewegung eingeben. Die Eingabevorrichtung für den Kliniker 368 kann
ebenso einfache Ein- bzw. Ausschalter einschließen, um dem Kliniker zu ermöglichen,
den Antriebsmechanismus 362 an- bzw. auszuschalten.
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Um die Einführung der Werkzeuge weitergehend
zu unterstützen,
kann der Antriebsmechanismus, der an das Werkzeug (der 5A-5C) gekoppelt bleibt,
das Werkzeug mit einer minimalen Drehung versehen. Der Anker 202 der
Magnetspule 200 der 7,
der Stab 310 des piezoelektrischen Umwandlers 300 der 11 oder der Stab 324 des
hydraulischen Antriebsmechanismus der 13 könnten über Zahnräder an einen
Elektromotor gekoppelt sein, um diese Rotation bereitzustellen.
Alternativ kann der Kurvenantriebsmechanismus der 9 in einer Richtung umgekehrt zu der
Richtung des gezeigten Pfeils drehen und die entsprechenden Lenkfinger 254, 262 zum
Eingriff veranlassen und diese einfache Drehung ermöglichen.
Dies kann erforderlich machen, dass das Glied 260 einen
Sperrklinkenmechanismus enthält,
um seine Drehung in nur einer Richtung zu erlauben, so dass das
Glied 260 nichtrational verbleibt, wenn es der Translationsbewegung unterzogen
wird. Die Zahnradanordnung der 8 kann
ebenso benutzt werden, um rationale Bewegung bereitzustellen.
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Obwohl die Werkzeuge und Antriebsmechanismen
primär
in Bezug auf den menschlichen Kieferknochen beschrieben wurden,
kann diese Technik bei nahezu jedem Knochengewebe angewendet werden.
Mit anderen Worten, diese Technik findet in der Chirurgie Verwendung,
wenn eine Verankerungsvorrichtung in dem Knochengewebe installiert
wird, neben der Anwendung, wenn ein Zahnimplantat in dem Kieferknochen
platziert wird.