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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Werkzeuge und Instrumente
für eine
Knieoperation und insbesondere für
eine Knieoperation, die sich auf das Einbringen eines prothetischen
Kniegelenks bezieht.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Eine
Kniegelenkplastik und insbesondere die chirurgische Durchführung eines
Knietotalersatzes ist typischerweise ein komplexes Verfahren, bei
dem die normale oder natürliche
Geometrie der Gelenkoberflächen
durch prothetische Strukturen ersetzt wird und das häufig einen
vorherigen Schaden an einem oder mehreren Ligamenten, Knochen- oder
Gewebestrukturen des Gelenks und biologische Veränderungen oder Deformationen,
die sich aus diesen ergeben haben, berücksichtigen muss. Im Allgemeinen
ist es notwendig, das Weichgewebe auszubalancieren und zahlreiche
besonders ausgerichtete Schnitte an den Knochenenden auszuführen, um
die prothetischen Komponenten mit dem richtigen Abstand, der richtigen
Ausrichtung und Spannung einzubringen, um das Auftreten von falschen
Bewegungsabläufen zu
verhindern, wenn sich das Gelenk während der Verwendung beugt,
und um das Auftreten von beschleunigten Abnutzungsmustern oder einer
möglichen
Gelenkdislozierung zu vermeiden. Typischerweise erfordert dies eine
Anzahl von Messschritten und Schneide- oder Einpassungsschritten,
die häufig mit
weiteren kleinen Anpassungsschnitten verbunden sind, um eine endgültige Knochenpräparation
zu erreichen, um die metallischen und weitere Komponenten des prothetischen
Gelenks anzuordnen. Ein vorheriges Ausbalancieren des Weichgewebes
kann durchgeführt
werden, wenn die Abstände
an den Knochenenden bei einer Streckung und einer Beugung zur Aufnahme
der prothetischen Enden gebildet werden. Danach können verschiedene
weitere Einpassungsschritte notwendig sein, um eine geeignete Patellaführung zu
erreichen, und ein weiteres Ausbalancieren oder Anpassen von Weichgewebe für die Patellasehne,
das heißt
die Quadrizepssehne und das Patellaligament, die gemeinsam die Patella umgeben
und jeweils von dem oberen und unteren Ende der Patella ausgehen,
kann notwendig sein.
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Die
Einstellung der Weichgewebespannung, beispielsweise die chirurgische
Entlastung der medialen und lateralen und colateralen Ligamente
und der Patellasehne, wird im allgemeinen nach Gefühl durchgeführt, wobei
der Chirurg die Spannung fühlt, die
von der relevanten Weichgewebestruktur ausgeübt wird, wenn die großen Knochen
durch verschiedene relative Lagen zueinander bewegt werden. Eine derartige
Einstellung der Spannung ist notwenig, weil die Sehnen und Ligamente
nur wenig dehnbar sind, und das Bereitstellen einer neuen Gelenkgeometrie, die
durch die prothetischen Komponenten gebildet ist, zu einem Aufbauen
von extremen Zugkräften oder
einer übermäßigen Lockerung
in einer oder mehrerer Positionen wie auch zu lateralen Kräften aufgrund
des Versatzes von einer oder mehreren Oberflächen oder Achsen der Prothese
von denen des natürlichen
Gelenks oder der vorherigen Prothese, die ersetzt wird, führen kann.
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Es
wäre daher
wünschenswert,
ein Werkzeug bereitzustellen, um die Zugkräfte des relevanten Gewebes
genauer zu bestimmen und auf einfache Weise die Spannung in verschiedenen
Stadien des Verfahrens zu messen, um sowohl die Anfangswerte zu
bestimmen wie auch folgend Änderungen
in der Zuglast zu korrigieren, die durch die neue Gelenkgeometrie
der Prothese auftreten.
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In
der
US 4,294,015 ist
ein Werkzeug für
das Messen einer Verlängerung
von Ligamenten offenbart. Das Werkzeug umfaßt ein Paar von parallelen Elementen
zum Zusammenwirken mit dem Ligament. Die Elemente umfassen Dehnungsmesser,
um eine Auslenkung der Elemente und damit eine Verlängerung
des Ligaments zu messen.
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In
der
US 4,599,800 ist
ein Werkzeug zum Messen der Dicke von z. B. Tumorgewebe beschrieben.
Das Werkzeug umfaßt
ein Paar von relativ zueinander beweglichen Kontaktplatten zur Anlage
an das Gewebe. Das Paar von Kontaktplatten ist mit einer Messanordnung
verbunden, um den Abstand der Kontaktplatten und damit die Dicke
des Gewebes zu messen.
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In
einer Ausführungsform
ist ferner eine Anordnung bereitgestellt, um den Druck anzuzeigen, der
auf das Gewebe von den Kontaktplatten ausgeübt wird. Diese druckanzeigende
Anordnung ist bereitgestellt, damit ein Bediener konsistente Messablesungen
sicherstellen kann (das heißt
durch Sicherstellen, daß alle
Ablesungen bei einem festgelegten Kontaktdruck erfolgen).
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In
weiteren Ausführungsformen
ist ein Verriegelungsmechanismus bereitgestellt, der betätigt wird,
um eine weitere nach innen gerichtete Bewegung der Kontaktplatten
zu verhindern, wenn ein festgelegter Kontaktdruck erreicht ist.
Dies stellt ebenfalls sicher, daß alle Messungen bei einem
festgelegten Kontaktdruck erfolgen.
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Diese
und weitere Ziele werden von einem Werkzeug entsprechend der vorliegenden
Erfindung erreicht, bei dem gegenüberliegende Greifer an Gewebe
gedrückt
werden und ein Kraftmessmechanismus die Kraft bestimmt, die von
dem Gewebe ausgeübt
wird, wenn das Knie durch einen Bewegungsbereich geführt wird.
Gemäß der Erfindung
ist ein Werkzeug für
die Messung von Gewebespannung während
einer Gelenkoperation der Art bereitgestellt, die in dem angefügten Anspruch
1 beschrieben ist. Weitere Ausführungen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
ausgeführt.
Ein Ratschenmechanismus, der entlang des Handgriffs angeordnet ist,
hält die
Greifer in einer neutralen Gewebegreifposition und ein Kraftmessmechanismus,
der eine gleitende Stange und eine Federanordnung umfassen kann,
liest die Gegenkraft ab, die von dem Gewebe auf die Greifer ausgeübt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind
die Greifer als eine Zangenanordnung mit einem scherenähnlichen
Paar von sich kreuzenden Handgriffen mit gebogenen Armen, die jeweils
zu punktförmigen
Abschlussenden werden, in der Gesamtform im wesentlichen einem Eiszangenpaar
entsprechend, gebildet. Ein ringförmiges oder scheibenähnliches
Anschlagelement, das nahe an jedem Punkt angeordnet ist, legt eine
Tiefe des Eindringens fest und bildet einen definierten Oberflächenbereich,
auf den das Gewebe seine Gegenkraft ausübt, während der Federmessmechanismus,
der zwischen den beiden Armen an dem Handgriffende befestigt ist,
diese Kraft misst. In einer Prototypausführung umfasst die Messanordnung
eine innere und eine äußere Stange,
die teleskopierbar sind und sich kreuzen und die an dem entsprechenden
Handgriff befestigt sind, wobei eine Feder um die innere Stange
gelegt ist, um einen begrenzten gegenseitigen Bewegungsbereich zu
schaffen, und die Lage der inneren Stange von einem Kreuzzapfen
angezeigt ist, der sich benachbart zu Skaleneinteilungen auf dem äußeren Element
bewegt. Das äußere Element
ist an einem der Handgriffe mittels eines Ratschenfreigabemechanismus
befestigt, wodurch es möglich
ist, die anfängliche
Gesamtlänge
der sich kreuzenden Stangenanordnung, und damit den Greiferabstand,
bequem und automatisch festzulegen, während die Greifer auf eine
Sehne geschlossen werden und dabei die Stange in eine Richtung auf
den Punkt mit einem anfänglichen
Gewebewiderstand gleitet.
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Während der
Verwendung werden die Greifer in einen festen Greifkontakt um die
Kapsel und die Sehne gebracht, während
das Knie gestreckt ist, und die Handgriffe werden so zusammengedrückt, daß die nominelle
Federspannung Null ist. Das Bein wird dann durch einen Bewegungsbereich
gebeugt, während
die anliegende Widerstandkraft, die die ansteigende Gewebespannung
anzeigt und damit das Widerstandsausmaß gegenüber einer Gewebetrennung bei
der Gelenkbeugung, auf der Zapfenskaleneinteilung des Kreuzelements
betrachtet wird. Der Chirurg kann dann die Enden der Sehne oder
der Ligamente freilegen, um eine übermäßige Verformung zu verringern,
oder kann anderenfalls die Prothesenpassung anpassen, um eine geeignete
Patellaführung
zu erreichen, bevor die chirurgische Inzision geschlossen wird.
Das Werkzeug kann ferner verwendet werden, um eine oder mehrere
Gewebegrundspannungsmessungen festzulegen und aufzuzeichnen, wodurch
es dem Chirurgen an dem Ende der Operation möglich ist, die Spannung an
die aufgezeichnete Höhe
anzupassen, die von dem Gewebe vor der Ersetzung natürlicherweise
angenommen wurde.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Die
Erfindung wird vollständiger
anhand der folgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen
in Zusammenhang mit den Figuren verstanden, von denen:
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1 eine
Ausführungsform
eines Werkzeugs entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine
perspektivische Ansicht ist, die das Werkzeug während der Verwendung zeigt;
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3 die
Kraftmessanordnung der Prototypausführung der 1 zeigt;
und
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4 Details
der Messanordnung zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 zeigt
eine Prototypausführung 20 einer
Zugmesseinrichtung bei einem Knieeinschnitt entsprechend der vorliegenden
Erfindung. Die Zugmesseinrichtung 20 ist als Zange mit
einem Armpaar 10, 12 gebildet, wobei jeder Arm
an einem Ende einen Greiferarm 10b oder 12b aufweist,
der jeweils einen entsprechenden Greiferpunkt 11 oder 13 aufweist,
und an seinem anderen Ende einen Schaft 10a, 12a aufweist,
wobei eine Kraftmessanordnung 30 die Schafte 10a, 12a verbindet.
Die Greiferarme 10b, 12b, sind jeweils gebogen,
um ein hohes Ausmaß an
Entlastung zu ermöglichen,
so daß deren punktförmige Abschlussenden
jeweils die relevanten Gewebestrukturen, beispielsweise die Sehnen
und Ligamente des Gelenks, erreichen können. Jeder Arm umfasst bevorzugt
jeweils ein Anschlagelement 10c, 12c, um die Tiefe
des Eindringens der Greiferpunkte 11, 13 zu begrenzen
und eine definierte Oberfläche
zu bilden, gegen die das Gewebe drückt, wenn es gespannt ist.
Wie im wesentlichen in 1 gezeigt, verbindet eine Kraftmessanordnung 30 die
beiden Arme und umfaßt
einen Federkraftmechanismus 32, einen Zeigermechanismus 34,
der den Federversatz oder einen relativen Abstand der beiden Arme von
einer festgelegten Position anzeigt, und einen Ratschenmechanismus 36,
um die anfängliche Handgriffposition
oder den Gewebegreifabstand festzulegen. Der Zeigermechanismus ist
federbelastet, so daß seine
Position von der Kraft zwischen den Armen 10, 12 abhängt. Die
Arme 10, 12 sind mit einem scherenähnlichen
Handgriff (nicht nummeriert) gebildet, wodurch es möglich ist,
das Werkzeug bequem zu halten und zu betätigen, indem die Finger durch die
Handgrifföffnungen
geschoben werden.
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2 zeigt
das Werkzeug 20 während
der Verwendung. Wie dargestellt, werden die Greiferpunkte 11, 13 und
die Messeinrichtung 30 für die Messung in dem vertikalen
Einschnitt oder der Gewebeöffnung 41 während der
Knieoperation verwendet. Die Messeinrichtung kann insbesondere an
die Quadrizepssehne 42 geklemmt werden, so daß ein Greiferpunkt 11 in
der Sehne steckt, während
der gegenüberliegende
Greiferpunkt 13 mit der Kapsel von der gegenüberliegenden
Seite zusammenwirkt. Bei einem derartigen Eingriff wird die Messanordnung 30 anfangs
in einer Ruheposition festgelegt, und zeigt danach das Ausmaß der Widerstandskraft
des Gewebes an, das gegen die beiden Greiferpunkte 11, 13 drückt, wenn
das Gewebe durch eine Trennbewegung des Gelenks gedehnt wird. Die
Messanordnung 30, die durch die Einheit M dargestellt ist,
kann eine elektrische Anzeige oder eine mechanische Anzeige aufweisen.
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Wie
oben beschrieben, wird die Anordnung anfangs durch das Ratschenstellelement 36 (1) so
eingestellt, daß die
Spannungsablesung Null ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die Zange
manuell auf ein relevantes Gewebe geschlossen wird, wodurch es der
Ratschenstange möglich
ist, in die Klemmposition zu gleiten. Das Knie wird dann zwischen
einer gestreckten und einer gebeugten Lage bewegt, während die
Messeinrichtung 30 beobachtet wird. Während das Knie bewegt wird,
führt eine Trennkraft,
die von dem Gelenk auf das verbindende Gewebe ausgeübt wird,
zu einem Auseinanderschieben der Greifer, so daß sich die Feder dehnt und
die Zapfen- und Skalenanordnung ein Maß für die Höhe der Gewebespannung angibt.
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Weitere
relevante Gewebestrukturen, die in 2 gezeigt
sind, sind das Patellaligament 46, die Patella 44 und
der oberflächliche
Knieschleimbeutel (insgesamt mit 45 bezeichnet), der die
Patella trägt. Die
Messeinrichtung kann allgemein in einer Position A an die Quadrizepssehne,
einer Position B an den oberflächlichen
Knieschleimbeutel oder den oberflächlichen Kniefascikel oder
einer Position C an das Patellaligament 46 geklemmt werden.
Die Position B ist für
die allgemeine Beurteilung des Ausmaßes der Spannung über der
Patella, wenn das Knie gebeugt ist, bevorzugt. Die Messeinrichtung 20 bietet
die Möglichkeit
des Durchführens
von quantitativen Messungen der Gewebespannung unter normalen Umständen und
Umständen
nach der Operation. Als ein normaler Bereich einer Gewebespannung
wurde in einer Reihe von vorausgehenden Messungen der Bereich von
etwas unter 44 bis 89 N (10 bis ca. 20 Pfund) ermittelt. Der Anmelder
glaubt, daß es
wünschenswert
ist, daß die
Prothese so eingepasst wird, daß die
Zugkräfte,
die auf die Sehnen und Ligamente wirken, nicht erheblich über die
Anfangswerte derselben erhöht
werden.
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Wie
oben beschrieben, wird die Widerstandskraft des Gewebes, die die
Trenndehnung angibt, die durch die Bewegung der Gelenkkomponenten
des Gelenks hervorgerufen wird, durch die Kraft gemessen, die auf
die Greiferpunkte 11, 13 über den Hebelpunkt 14 und
die Greiferarme 10b, 12b und die Arme 10, 12 auf
die Messanordnung 30 wirkt. 3 zeigt
die Prototypanordnung 30 detaillierter. Wie dargestellt,
verläuft
die Messanordnung 30 zwischen einem Ende 12a des
Arms 12 und dem entsprechenden Ende 10a des Arms 10 und
weist eine erste Komponente 31, die von dem Ende 12a getragen
ist, und eine zweite Komponente, nämlich die Ratschenanordnung 36,
die mit den Ende 10a in Eingriff steht, auf. Die Ratschenanordnung 36 besteht
aus einem länglichen
zylindrischen oder rohrähnlichen
Kreuzungselement 37 mit einer Reihe von Ratscheneinkerbungen 37a,
die entlang dessen Länge
gebildet sind, und einer Führungs-
und Greifstruktur 38, in der das Kreuzungselement 37 gleitet.
Eine Sperre greift die Ratscheneinkerbungen und ein federbelasteter Sperrefreigabeknopf 39 verschwenkt
einen Zapfen 39a in dem Gehäuse 38, um mit den
Ratschenrillen 37a zusammenzuwirken oder die Rillen freizugeben und
eine freie Gleitbewegung des Kreuzungselements 37 zu ermöglichen.
An einem Ende des Kreuzungselements 37 ist ein Anschlagzapfen 37b befestigt,
der einen maximalen Verschiebeweg des Kreuzungselements 37 festlegt,
während
an dem anderen Ende eine Kappe 37c befestigt ist, die mit
einem Ende der Feder 32 zusammenwirkt.
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Das
Ende der Stange 31 ist mit dem Ende 12a mittels
eines Kreuzungszapfens 31b verstiftet, und die Stange selbst
verläuft
mittig durch die Feder 32 und gleitet teleskopartig in
dem hohlen Ratschenkreuzungselement 37. Die Stange 31 trägt ferner
einen Anzeigezapfen 31a, der sich durch einen Schlitz 35 in
den Kreuzungselement 37 nach außen erstreckt, so daß die Lage
des Zapfens 31a eine Anzeige des Ausmaßes der Erstreckung der Stange 31 in das
umgebende Kreuzungselement 37 ist. Auf diese Weise gibt
die Lage der Stange 31 in der Anordnung, wie sie durch
den Zapfen 31a und die Einteilungen 35a neben
dem Schlitz 35 angezeigt wird, die Spreizkraft wieder,
die von dem Gewebe auf die Greiferpunkte 11, 13 und
Arme 10, 12 ausgeübt wird, um die Feder 32 zu
dehnen. Die Feder 32 ist von ihrer Länge so gewählt, daß in den Ruhezustandspositionen
der Zapfen 31a an einem Ende der Reihe von Einteilungen
ist, und, wenn die Greiferpunkte 11, 13 auseinander
gedrückt
sind, die Federlänge
sich über
einen Bereich von ca. 2 cm bei einer Zugkraft von ca. 0 bis 89 N
(0 bis 20 Pfund) erstreckt. Wie im wesentlichen in 1 gezeigt,
kann das Verhältnis
der tatsächlichen Gewebespannung
oder Kraft an den Greiferpunkten 11, 13 etwas
geringer oder ein Vielfaches höher
sein als das, was die Feder erfährt,
aufgrund des Hebelverhältnis
der Greiferarme 10b, 12b um die relative Lage
des Drehpunktes 14 in der Zangenanordnung. Jedoch hängt die
Kraft ferner von den Flächen
der ringförmigen
Anschlagelemente 10c, 12c ab. All die voranstehenden
Skalierungsfaktoren oder -werte sind in der Prototypausführung als
willkürlich
zu betrachten, und diese können
in weiteren Ausführungsformen
angepasst oder verfeinert werden, so daß die Messanordnung einen größeren Bereich
oder eine größere Sensitivität aufweist,
durch Verwenden von Federn verschiedener Länge oder mit einer anderen Federkonstanten
oder Anschlagelementen anderer Größe, wobei die Messungen angepasst
sind, um es den Greifern zu ermöglichen,
das Zielgewebe einfacher zu erreichen oder zu greifen, und die Skalierung festgelegt
ist, den allgemein üblichen
Spannungsbereich richtig wieder zu geben.
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In
der vorangehenden Ausführungsform
ermöglicht
es die Ratschenanordnung 36 den Greiferpunkten 11, 13,
sich einander zu nähern,
um eine Sehne, ein Ligament oder eine andere Gewebestruktur beliebiger
Größe zu greifen,
wobei sich typischerweise ein Öffnungsspalt
von ca. 12,7 mm (1/2 Inch) bildet, um das Anordnen um das Gewebe
zu ermöglichen
und ein Schließen
so zu ermöglichen,
daß die Punkte 11, 13 in
das Gewebe eindringen, sich nahezu berühren und das Gewebe zwischen
den gegenüberliegenden
Anschlägen 10c, 12c einklemmen.
Das Ratschenkreuzungselement 37 und die Sperre/Freigabe 39 ermöglichen
eine Nulleinstellung der Zugmesseinrichtung, wenn das Gewebe gegriffen
ist, nach der die Bewegung des Zapfens 31a die Änderungen
in der Kreuzverlängerung
von dem Anfangszustand zeigt, der festgelegt wird, wenn das Knie
gestreckt ist und die Sehne entspannt ist.
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4 zeigt
weitere Details der Zugmessanordnung 30. Wie dargestellt,
gleitet der Markierungszapfen 31a in dem Schlitz 35 benachbart
zu einem Satz von Einteilungen 35a, die linienförmig an
der Außenseite
des Kreuzungselements 37 angeordnet sind. Die Feder 32 ist
eine Druckfeder, deren Länge sich ändert und
die den Zapfen 31b des Arms 12 weg von der Kappe 37c des
Kreuzungselements 37 drückt.
Die Ratscheneinkerbungen 37a sind ausgerichtet ausgeschnitten
und so ausgelegt, daß die
Enden 12a, 10a sich in einer Richtung frei bewegen,
so daß diese
zusammengedrückt
werden können,
um das Gewebe zu greifen, und danach verhindert die Ratsche, daß sich die
Enden 10a, 12a voneinander entfernen, so daß die einzige
mögliche
Bewegung das Gleiten der Stange 31 gegen die Spannung der Feder 32 ist,
wodurch die Kraft angezeigt wird, die von dem von der Zange gegriffenen
Gewebe ausgeübt
wird.
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Während der
Verwendung greift der Chirurg Gewebe, wie. z. B. die Quadrizepssehne
(2, Bereich „A") oder die Patellakapsel
(Bereich „B") oder Ligament (Bereich „C"), und liest dann
die Änderungen
in der Spannung ab, während
das Bein durch einen Bewegungsbereich geführt wird. Er kann dann die
Spannung einstellen oder Gewebe an seinem Befestigungsbereich freigeben,
um die Festigkeit zu verringern oder um sicherzustellen, daß das Gewebe durch
den zu erwartenden Bewegungsbereich des Beins und der Prothese ausbalanciert
bleibt. Vorteilhaft verbleibt die Zugmesseinrichtung im allgemeinen
an ihrem Ort, das Gewebe greifend und die Gewebespannung während der
chirurgischen Einstellung anzeigend.
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Es
ist verständlich,
daß, obwohl
die Zugmesseinrichtung der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf
eine Prototypausführung,
die zur Verwendung bei einer Kniegelenkplastik ausgelegt ist, beschrieben wurde,
sie verwendet werden kann, die Gewebespannung in anderen chirurgischen
Zusammenhängen
zu messen. Ferner können
die besonderen Teilanordnungen, wie z. B. die Federkraftmesseinrichtung
und die Greifzange, in anderen Ausführungsformen andere Formen
annehmen und durch Ersetzen der verschiedenen Teilstrukturen, beispielsweise durch
Dehnungsmessstreifen, Messschieber, Keilklemmen und dergleichen,
gebildet sein.
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Somit
wurde eine grundlegende Ausführungsform
eines Werkzeugs entsprechend der vorliegenden Erfindung zur Verwendung
während
einer Gelenkplastik offenbart und beschrieben, wobei weitere Veränderungen
in Modifikationen Fachleuten ersichtlich sind, und alle derartigen
Veränderungen
und Modifikationen werden so betrachtet, daß sie innerhalb des Bereichs
der in dieser Schrift beschriebenen Erfindung liegen, wie sie durch
die hieran angefügten Ansprüche und
deren Äquivalente
festgelegt sind.