DE69727816T2

DE69727816T2 - Motorisch angetriebene osteotomiewerkzeuge zum verdichten von knochengewebe

Info

Publication number: DE69727816T2
Application number: DE69727816T
Authority: DE
Inventors: D. Keith BEATY
Original assignee: Implant Innovations Inc
Current assignee: Biomet 3I LLC
Priority date: 1996-07-18
Filing date: 1997-07-17
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2017-07-18
Also published as: US6899715B1; WO1998003119A1; EP0925033A4; AU3669497A; ES2216160T3; EP0925033A1; ATE260072T1; US6171312B1; EP0925033B1; DE69727816D1

Description

Gebiet der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
Zusammenfassung der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
Kurzbeschreibung der Figuren
1A–1D stellen eine Reihe von Osteotom-Werkzeugen mit nach innen konkaven Enden dar.
2A–2D stellen eine Reihe von Osteotom-Werkzeugen mit nach außen konkaven Enden dar.
3A-3B stellen ein Osteotom-Werkzeug mit einem internen Flüssigkeitskanal entlang seiner Achse dar.
4A,4D stellen vier stufenweise Einführungen von vier stufenweise größeren Osteotom-Werkzeugen dar.
5A-5C stellen den Befestigungsmechanismus zum Koppeln des Osteotom-Werkzeugs an den Antriebsmechanismus dar.
6A und 6B stellen einen Antriebsmechanismus der Hin- und Herbewegung erzeugt, die benutzt wird, um das Werkzeug in den Knochen einzuführen, dar.
7 stellt eine Magnetspule als den Antriebsmechanismus dar.
8 stellt einen Elektromotor, der durch eine Zahnradanordnung Translationsbewegung erzeugt, als den Antriebsmechanismus dar.
9 stellt einen Elektromotor, der Translationsbewegung durch eine Kurvenanordnung erzeugt, als den Antriebsmechanismus dar.
10 stellt einen Elektromotor, der abgestufte Translationsbewegung durch eine weitere Kurvenanordnung erzeugt, als den Antriebsmechanismus dar.
11 stellt einen piezoelektrischen Translator-Antriebsmechanismus dar. 12 stellt einen hydraulisch betriebenen Antriebsmechanismus dar.
13 stellt einen dentalen Handbohrer, der das Osteotom-Werkzeug antreibt, dar und
14 stellt ein motorgetriebenes Osteotom-System mit einem Controller dar.
Ausführliche Beschreibungen der Figuren
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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".
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Kombination aus einer Knochenverdichtungsvorrichtung (10a; 10b; 10c, 40a–40d) und einem Antriebsmechanismus (80; 180) zum Erzeugen einer Bohrung in einem lebenden Knochen, die durch eine Bohrungswand mit hochdichtem Knochengewebe (70) begrenzt wird, wobei die Vorrichtung eine Mittelachse, ein unteres Ende, ein oberes Ende, eine Eingriffsfläche zwischen dem unteren und dem oberen Ende sowie senkrecht zu der Mittelachse einen im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt hat, wobei der Querschnitt eine Fläche hat, die vom oberen Ende zum unteren Ende hin abnimmt, und die Eingriffsfläche so ausgeführt ist, dass sie das hochdichte Knochengewebe erzeugt und im Wesentlichen Knochengewebe in der Bohrung hält, wenn die Vorrichtung aus ihr herausgezogen wird; und dadurch gekennzeichnet, dass: der Antriebsmechanismus eine Einrichtung zum auswechselbaren Koppeln des Antriebsmechanismus mit der Vorrichtung enthält und der Antriebsmechanismus des Weiteren eine Einrichtung enthält, mit der die Vorrichtung in Schwingungsbewegung versetzt wird, wobei: die Schwingungsbewegung durch ein piezoelektrisches Element (300) erzeugt wird.
Kombination nach Anspruch 1, die des Weiteren wenigstens eine weitere Knochenverdichtungsvorrichtung enthält, um eine Gruppe von Vorrichtungen zu schaffen, wobei die weitere Knochenverdichtungsvorrichtung an das untere Ende angrenzend eine größere Querschnittsfläche hat als die Vorrichtung.
Kombination nach Anspruch 1, wobei die Koppelungsvorrichtung (308) eine Einrichtung zum schnellen Lösen und Anbringen der Vorrichtung an/von dem Antriebsmechanismus enthält.
Kombination nach Anspruch 1, wobei die Koppelungsvorrichtung wenigstens eines der folgenden Elemente enthält: ein Federelement (104; 126; 290; 264), ein Stiftelement (100), das sich in die Vorrichtung hineinerstreckt, oder ein Kurvenelement (250).
Kombination nach Anspruch 1, wobei die Bewegung eine nichtdrehende Bewegung ist.
Kombination nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Einrichtung zum Erfassen einer Eigenschaft der Vorrichtung, wobei die Erfassungseinrichtung (366) Signale erzeugt, sowie eine Steuereinrichtung (360) enthält, die mit dem Antriebsmechanismus und der Erfassungseinrichtung gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung die Funktion des Antriebsmechanismus in Reaktion auf die von der Erfassungseinrichtung empfangenen Signale steuert.
Kombination nach Anspruch 6, wobei die Eigenschaft eine Bewegungseigenschaft der Vorrichtung ist und die Erfassungseinrichtung ein Bewegungssensor oder ein Positionssensor ist.
Kombination nach Anspruch 6, wobei die Erfassungseinrichtung entweder an dem Werkzeug oder an dem Antriebsmechanismus angebracht ist.
Kombination nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Einrichtung zum Eingeben einer Betriebseigenschaft der Vorrichtung durch den Kliniker enthält, wobei die Eingabeeinrichtung mit einer Steuereinrichtung gekoppelt ist.
Kombination nach Anspruch 9, wobei die Betriebseigenschaft die Betriebsfrequenz oder die Betriebsamplitude ist.
Kombination nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Einrichtung zum Abgeben eines Materials in einen Bereich der Bohrung enthält, wobei das Material entweder ein osseointegrationsverbesserndes Material oder ein schmierendes Material ist.
Kombination nach Anspruch 11, wobei die Abgabeeinrichtung einen inneren Kanal (54; 64) in der Vorrichtung und eine Öffnung an einer Außenfläche der Vorrichtung enthält.
Kombination nach einem der Ansprüche 1–12, wobei sich die Vorrichtung in einem Übergangsbereich (18a; 18b; 22a) zwischen dem oberen und dem unteren Ende schnell ausdehnt und der Übergangsbereich die Bohrungswand radial nach außen drückt.
Kombination nach einem der Ansprüche 1–12, wobei sich der Querschnitt der Vorrichtung zwischen dem unteren und dem oberen Ende allmählich ausdehnt.
Kombination nach einem der Ansprüche 1–12, wobei die Vorrichtung ein nach innen konkaves unteres Ende (12a–d) enthält.
Kombination nach einem der Ansprüche 1–12, wobei die Vorrichtung ein nach außen konvexes unteres Ende (42a–d) enthält.
Kombination nach einem der Ansprüche 1–12, wobei die Vorrichtung eine Schneidkante (16a–d) ausschließlich an dem unteren Ende hat.
Kombination nach Anspruch 17, wobei die Schneidkante durch die Grenzfläche einer konkaven Fläche und der Eingriffsfläche an dem unteren Ende gebildet wird.