WO1997048353A1 - Chirurgisches instrument zum mechanischen entfernen von knochenzement, sowie verfahren zum erzeugen von stosswellen - Google Patents

Chirurgisches instrument zum mechanischen entfernen von knochenzement, sowie verfahren zum erzeugen von stosswellen Download PDF

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WO1997048353A1
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shock wave
projectile
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wave transmission
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Joachim Schmidt
Wolfgang Merkle
Andreas Menne
Bernard Simon
Denis Klopfenstein
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    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/32—Joints for the hip
    • A61F2/36—Femoral heads ; Femoral endoprostheses
    • A61F2/3662—Femoral shafts

Definitions

  • the invention relates to a surgical instrument for mechanical removal of bone cement according to the preamble of claim 1, and to a method for generating shock waves which are suitable for removing bone cement according to the preamble of claim 16.
  • Surgical instruments of this type are required in orthopedic operations, e.g. after removing a hip prosthesis, the remaining bone cement, e.g. to remove from PMMA, and to allow the newly inserted hip joint prosthesis to fit properly.
  • the remaining bone cement e.g. to remove from PMMA
  • chisel tools are driven into the cement with the aid of a hammer in order to split it off from the bone in the bone marrow cavity.
  • Pneumatic hammers are also known (EP 0 144 005, W095 / 22934), in which a piston element is moved back and forth pneumatically in a cylinder, the piston element striking axially at the distal end of the cylinder in the housing stored chisel tool.
  • the chisel tool is accelerated to speeds of just over 3 m / s, the stroke of the chisel tool being approximately 8 mm. Due to the large stroke there is a risk that the chisel tool will inadvertently penetrate into the bone substance.
  • Surgical instruments are also known which can be used to melt and remove thermoplastic bone cement using ultrasonic vibrations (US 5,221,282).
  • the bone cement becomes ductile from approximately 100 ° C. and can then be removed. This results in temperatures of up to 200 ° C at the tool tip, which can damage the bone.
  • the smoke generated during the removal of bone cement produces released monomers which have a toxic effect.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a surgical instrument for removing bone cement of the type mentioned at the outset and a method for generating shock waves with which the removal of bone cement can be carried out with considerably increased effectiveness.
  • the invention advantageously provides that the piston element consists of a projectile that can be accelerated to a high top speed and induces a shock wave into the chisel tool consisting of a shock wave transmission probe, the probe tip of which transmits the shock wave to the bone cement.
  • cement removal is possible without significant damage to the bone.
  • the shock wave transmission is therefore not carried out by a stroke of the entire chisel tool, but essentially due to the change in length of the shock wave transmission probe at the probe tip induced by the shock wave.
  • high accelerations and speeds can be generated at the tip of the probe, thanks to the transmittable impact energy many times higher is than in conventional pneumatically operated chisels, since the speed is quadratic in the laws of impact energy transmission.
  • the final speed of the projectile striking the shock wave transmission probe is approximately 5 to 20 m / s, preferably approximately 10 to 15 m / s. With such a speed of impact of the projectile, a corresponding maximum speed at the probe tip of up to 20 m / s can also be determined.
  • the movement amplitude of the probe tip is less than 1.5 mm, preferably less than 1 mm.
  • the change in length is partly due to the elastic deformation of the shock wave transmission probe and is usually between 0.5 and 1 mm in total.
  • the shock wave energy introduced by the projectile is in the range up to approximately 0.3 J and 2 J, preferably between approximately 0.5 J and 1.0 J.
  • the shock waves are generated with an impact frequency of the projectile of approximately 6 to 20 Hz, preferably approximately 8 to 10 Hz.
  • the diameter of the shock wave transmission probe is in the range between approximately 1 and 6 mm, preferably between 2 and 4 mm.
  • the shock wave transmission probe is guided axially in the housing and a spring damping element acting in the axial direction is arranged between the shock wave transmission probe and the housing. In this way, the shock wave transmission probe is decoupled from the housing in the axial direction. It can also be provided that the projectile transmits the shock pulse to an intermediate element which lies flush against the shock wave transmission probe.
  • the shock wave transmission probe can be hollow and the intermediate element can consist of a sleeve which is closed towards the proximal end and has at least one radial outlet opening.
  • a suction device can be connected in connection with a hollow shock wave transmission probe, with which the detached bone cement can be suctioned off.
  • the acceleration path of the projectile is preferably approximately 100 to 200 mm.
  • the acceleration path is therefore a multiple of the diameter of the projectile.
  • the shock wave transmission probe can be flexible so that the shock wave cannot be transmitted in a straight line.
  • a magnet holder for the projectile can be arranged at the proximal end of the cylinder.
  • the magnet holder holds the projectile in the proximal end position until it is accelerated again against the shock wave transmission probe.
  • the projectile is preferably accelerated by pneumatic drive means.
  • the shock wave transmission probe can be guided in a working channel of an endoscope.
  • the optically controlled local use of the probe tip on the cement, even in the otherwise invisible area in the depth of the medullary cavity, on the one hand increases the effectiveness of the cement removal, and on the other hand reduces the risk of undesirable damage to the bone and soft tissue. Additional operative measures, such as the creation of bone windows, are superfluous.
  • the endoscope has a lens cleaning device at the distal end.
  • the optical lens of the endoscope is preferably flushed with C0 2 at the distal end of the endoscope for cleaning.
  • Fig. 2 shows the use of the surgical instrument in connection with an endoscope
  • FIG 3 shows the endoscope probe inserted into the bone cement cavity.
  • the handpiece 1 shown in Fig. 1 consists of a housing 4, which receives a pneumatic cylinder 6, in which a projectile 10 by means of pneumatic drive means 14 in connection with a dynamic pressure chamber 12 which surrounds the cylinder 6 in a coaxial ring between two end positions - and is moved here.
  • a pneumatic cylinder 6 in which a projectile 10 by means of pneumatic drive means 14 in connection with a dynamic pressure chamber 12 which surrounds the cylinder 6 in a coaxial ring between two end positions - and is moved here.
  • a magnet holder 52 is arranged at the proximal end of the cylinder 6, which can hold the metallic projectile 10 in its proximal end position until a pneumatic pressure applied via the connection 52 again projects the projectile 10 in the direction of the distal end 18 of the cylinder 6 accelerated.
  • the air located in front of the projectile 10 in the direction of movement of the projectile 10 is conducted into the dynamic pressure chamber 12 via at least one opening 16 arranged at the distal end of the cylinder 6.
  • the chisel tool consists of a metallic shock wave transmission probe 22, which transmits the shock wave induced by the projectile 10 and the intermediate piece 34 to the bone cement 2 to be removed in a bone marrow cavity.
  • the intermediate piece 34 serves to hermetically seal the housing 4 at the distal end 18, so that only the shock wave transmission probe 22 and a head part 28 which can be screwed onto the housing 4 have to be sterilized.
  • the pressure build-up in the dynamic pressure chamber 12 is sufficient, when the pressure applied to the pneumatic connection 52 is lost, to move the projectile 10 back from the distal end position on the intermediate piece 34 into the proximal end position to the magnet holder 50.
  • the pneumatic pressure at connection 52 can be up to 5 bar.
  • the projectile 10 can be selected differently in order to adapt it to certain lengths of the shock wave transmission probe 22 or to generate a certain characteristic of the shock wave with regard to length, mass and maximum impact speed.
  • the shock energy transmitted to the shock wave transmission probe is approx. 0.3 to 2 J, a value of approx. 1 J already leading to a high effectiveness in bone cement removal.
  • the metallic shock wave transmission probe 22 preferably, but not necessarily, runs coaxially with the cylinder 6 and the projectile 10.
  • the proximal end 24 of the shock wave transmission probe 22 preferably has a diameter which corresponds to the diameter of the intermediate piece 34 and the diameter of the projectile 10.
  • the length of the projectile 10 is always greater than its diameter. This leads to better guidance properties in the cylinder 6.
  • the mass of the projectile can be varied in a simple manner without the diameter of the intermediate piece 34 or the proximal end 24 of the shock wave transmission probe 22 having to be changed.
  • the ratio of length to diameter of projectile 10 is approximately 2.5: 1 to 5: 1.
  • the proximal end 24 of the shock wave transmission probe 22 is mounted axially in a guide opening 29 of a connecting element 32, which at the same time receives the intermediate piece 34 and the distal end 18 of the cylinder 6 and can be screwed into the housing 4 coaxially with the cylinder 6.
  • the intermediate piece 34 is movably arranged in the distal end 18 of the cylinder 6 and sealed against the cylinder 6 with an O-ring 36.
  • the intermediate piece 34 When the intermediate piece 34 is impacted by the projectile 10, the intermediate piece can move forward in the distal direction in accordance with the deformation of the spring / damping element 30, the intermediate piece 34 being pushed back into its proximal end position by the restoring force of the spring / damping element 30 in which an annular collar 37 bears against the distal end face of the cylinder 6.
  • the connection element 32 is sealed with an O-ring 35 against the outer surface of the cylinder 6.
  • an anti-rotation device for the shock wave transmission probe 22 can be provided.
  • a projection 21 is provided on the collar 23, which engages as a rotation lock in a corresponding groove 19 of the connecting element 32.
  • the head part 28 is screwed flush with the housing 4 and is sealed with a 0-ring 25 seated on the connecting element 32.
  • the connecting element 32 axially guides the shaft of the shock wave transmission probe 22 in a bore 33 and takes a sleeve-shaped, e.g. silicone spring / damping element 30.
  • the spring / damping element 30 acts in the axial direction and decouples the shock wave transmission probe 22 in the axial direction from the head part 28 or the housing 4.
  • an annular collar 23 is formed on the proximal end 24 of the shock wave transmission probe 22, against which the spring / Damping element 30 can support.
  • the spring / damping element 30 is seated in a cylindrical recess 27 of the head part 28.
  • the diameter of the shock wave transmission probe 22 is reduced to a shaft diameter of approximately 2 to 4 mm, e.g. 3.2 mm.
  • the ratio between the projectile diameter and the shaft diameter is approximately 2: 1 to 3: 1. With such a ratio, the movement stroke at the probe tip 26 can be limited to a small value.
  • the probe tip 26 is designed in the form of a chisel tool.
  • the shock wave transmission probe 22 can also be designed as a hollow tool to suction the to allow dissolved bone cement 2.
  • the intermediate piece 34 can also be designed as a sleeve open in the distal direction with a radial outlet opening to which a suction connection can be connected.
  • the shock waves are generated with an impact frequency between 6 and 20 Hz, an impact frequency of 10 Hz being particularly suitable for the removal of bone cement.
  • the probe tip 26 executes a movement stroke which is a maximum of approximately 1.5 mm and preferably less than 1 mm. A part of this movement of the probe tip 26 approx. 0.3 mm is due to an elongation of the shock wave transmission probe 22 due to the shock wave, while the remaining part of the movement stroke is due to a deformation of the spring / damping element 30.
  • the proportion attributable to the shock wave is approximately 30% of the total movement stroke, which reaches its maximum value after approximately 1 ms.
  • the shock wave reflecting at the ends of the shock wave transmission probe 22 generates vibrations superimposed on the movement stroke of the probe tip 26 with steep rising edges which are steeper than the rising edges of the movement stroke and thus contribute to a considerable increase in the probe tip speed. In this way, an impact energy which is about 30 to 50 times higher than that of conventional pneumatic chisels can be transferred to the bone cement 2.
  • the ratio of the projectile mass to the probe mass is approximately 1: 2 to 1:10, preferably approximately 1: 4 to 1: 6.
  • the mass of the projectile 10 is accordingly smaller than the mass of the shock wave transmission probe 22.
  • the length of the projectile 10 determines the length of the impact wave.
  • the ratio of the projectile length to the probe length is approximately 1:10 to 1:30, preferably approximately 1:15. Accordingly, the length of the induced shock wave is small in relation to the length dimension of the probe.
  • the ratio of the probe shaft diameter to the probe length is in the range between about 1:50 and 1: 200, preferably in the range between 1: 100 and 1: 150. As already mentioned, a probe shaft diameter of approximately 2 to 4 mm is preferred. Such a probe can be inserted into the working channel of an endoscope and enables the chisel tool to be used in endoscopic operations.
  • shock wave transmission probe 22 When using the shock wave transmission probe 22 in connection with an endoscope, it is possible to work continuously or intermittently in a liquid medium. This has the advantage that a lens cleaning device can possibly be omitted. In this case, however, it is necessary to seal the bone marrow cavity in its open position with a suitable elastic stopper.
  • the shock wave transmission probe 22 is inserted in a first working channel 62 of the endoscope 54.
  • the working field of the chisel tool can be observed with the aid of an eyepiece 56 and illumination by optical fibers via an optical fiber connection 58.
  • Liquids for example, can be supplied or drawn off via a second working channel 64 entering the endoscope probe 60 in a curved manner.
  • the housing 4 is coupled to the endoscope 54 with the aid of an adapter 55.
  • the endoscope probe 60 enables the cement to be removed in areas of the depth of the medullary cavity that are otherwise not visible. By endoscopic observation of the Working area, the risk of undesirable bone and soft tissue damage is reduced. Additional surgical measures, such as the creation of bone windows, are not necessary when the surgical instrument is used endoscopically.

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Abstract

Bei einem chirurgischen Instrument zum mechanischen Entfernen von Knochenzement (2), mit einem länglichen Gehäuse (4), mit einem Zylinder (6), in dem ein Kolbenelement mit Hilfe eines Antriebsmittels (14) hin- und herbewegbar ist, wobei das Kolbenelement an dem distalen Ende (18) des Zylinders (6) einen Schlag auf ein in dem Gehäuse (4) axial gelagertes Meißelwerkzeug ausübt, ist vorgesehen, daß das Kolbenelement (10) aus einem Projektil (10) besteht, das auf eine hohe Endgeschwindigkeit beschleunigbar ist und eine Stoßwelle in das aus einer metallischen Stoßwellenübertragungssonde (22) bestehende Meißelwerkzeug induziert, dessen Sondenspitze (26) die Stoßwelle bei geringer Bewegungsamplitude der Sondenspitze (26) auf den Knochenzement (2) überträgt.

Description

Chirurgisches Instrument zum mechanischen Entfernen von Knochenzement, sowie Verfahren zum Erzeugen von Stoßwellen
Die Erfindung betrifft ein chirurgisches Instrument zum mechanischen Entfernen von Knochenzement nach dem Oberbe¬ griff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Erzeugen von Stoßwellen, die zum Entfernen von Knochenzement ge¬ eignet sind, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
Derartige chirurgische Instrumente werden bei orthophädi- schen Operationen benötigt, um z.B. nach dem Entfernen einer Hüftgelenkprothese den verbliebenen Knochenzement, z.B. aus PMMA zu entfernen, und einen einwandfreien Sitz der neu einzusetzenden Hüftgelenkprothese zu ermöglichen. Zum Entfernen des Zementes werden beispielsweise Meißel- Werkzeuge mit Hilfe eines Hammers in den Zement hineinge¬ trieben, um diesen von dem Knochen in der Knochenmarkhöhle abzuspalten.
Die Entfernung von Knochenzement ist vorzugseise in der orthopädischen Chirurgie beim Wechsel oder Ausbau von O 97/48353 PC17EP97/03143
- 2 - gelockerten oder infizierten Endoprothesen notwendig. Andere Anwendungen sind zusätzlich möglich.
Die Zahl der Prothesenwechsel nimmt insbesondere in der Hüftendoprothetik stetig zu. Die Entfernung des Knochenze¬ mentes bei zementfixierten Prothesen ist mühsam und zeit¬ aufwendig. Bisher wird die Zemententfernung in der Regel mit verschieden geformten Meißeln durchgeführt, deren sichere Anwendung z.B. in der schlecht einsehbaren Tiefe der Markhöhle problematisch ist. Es können neben dem hohen Zeitaufwand Knochenschädigungen resultieren, die die Neu¬ implantation einer Prothese unmöglich machen oder aber zu einem übergroßen Knochenverlust führen.
Es sind auch pneumatische Hämmer bekannt (EP 0 144 005, W095/22934) , bei denen ein Kolbenelement pneumatisch in einem Zylinder hin- und herbewegt wird, wobei das Kolben¬ element an dem distalen Ende des Zylinders einen Schlag auf ein in dem Gehäuse axial gelagertes Meißelwerkzeug ausübt. Bei einem solchen System wird das Meißelwerkzeug auf Geschwindigkeiten von knapp über 3 m/s beschleunigt, wobei der Hub des Meißelwerkzeuges ca. 8 mm beträgt. Auf¬ grund des großen Hubes besteht die Gefahr, daß das Meißel- Werkzeug unbeabsichtigt in die Knochensubstanz eindringt.
Mit einem solchen chirurgischen Instrument läßt sich dem¬ zufolge lediglich der bisher manuell ausgeführte Hammer¬ schlag imitieren. Dabei hat sich allerdings herausge¬ stellt, daß die Effizienz eines solchen pneumatisch betä¬ tigten Meißels für die Anforderungen bei der Knochenze¬ mententfernung aus der Markhöhle nicht ausreichend ist, und daß die Gefahr einer Knochenschädigung besteht.
Es sind ferner chirurgische Instrumente bekannt, mit denen mit Hilfe von Ultraschallschwingungen thermoplastischer Knochenzement aufgeschmolzen und entfernt werden kann (US 5,221,282) . Bei einem derartigen Instrument wird der Kno¬ chenzement ab ca. 100 °C duktil und kann dann entfernt werden. Dabei entstehen an der Werkzeugspitze Temperaturen von bis zu 200 °C, die eine Knochenschädigung hervorrufen können. Die bei der Knochenzemententfernung entstehende Rauchentwicklung erzeugt freiwerdende Monomere, die to¬ xisch wirken.
Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein chirurgisches Instrument zum Entfernen von Knochenzement der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Erzeu¬ gung von Stoßwellen anzugeben, mit dem die Entfernung von Knochenzement mit erheblich erhöhter Effektivität erfolgen kann.
Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, daß das Kolbenelement aus einem Projektil besteht, das auf eine hohe Endgeschwindigkeit beschleunigbar ist und eine Sto߬ welle in das aus einer Stoßwellenübertragungssonde beste¬ hende Meißelwerkzeug induziert, dessen Sondenspitze die Stoßwelle auf den Knochenzement überträgt.
Bei der ballistischen Energiegewinnung sind dabei uner¬ wünschte Hitzeentwicklungen nicht zu erwarten und die Zemententfernung ist gut steuerbar. Der Zeitaufwand zur Zemententfernung, vorzugsweise am Beispiel des Prothesen- wechselε, wird deutlich reduziert. Eine Zemententfernung ist ohne wesentliche Schädigung des Knochens möglich.
Die Stoßwellenübertragung erfolgt demzufolge nicht durch einen Hub des gesamten Meißelwerkzeugs, sondern im wesent¬ lichen aufgrund der durch die Stoßwelle induzierten Län¬ genänderung der Stoßwellenübertragungssonde an der Sonden¬ spitze. Auf diese Weise lassen sich an der Sondenspitze hohe Beschleunigungen und Geschwindigkeiten erzeugen, durch die übertragbare Stoßenergie um ein Vielfaches höher ist als bei herkömmlichen pneumatisch betätigen Meißeln, da die Geschwindigkeit quadratisch in die Gesetzmäßigkei¬ ten der Stoßenergieübertragung eingehen.
Die Endgeschwindkeit des auf die Stoßwellenübertragungs¬ sonde auftreffenden Projektils beträgt ca. 5 bis 20 m/s, vorzugsweise ca. 10 bis 15 m/s. Bei einer derartigen Auf- treffgeschwindigkeit des Projektils läßt sich auch eine entsprechende Maximalgeschwindigkeit an der Sondenspitze bis zu 20 m/s feststellen.
Die Bewegungsamplitude der Sondenspitze beträgt weniger als 1,5 mm, vorzugweise weniger als 1 mm. Die Längenände¬ rung ist teilweise auf die elastische Verformung der Sto߬ wellenübertragungssonde zurückzuführen und beträgt übli¬ cherweise insgesamt zwischen 0,5 und 1 mm.
Die von dem Projektil eingebrachte Stoßwellenenergie liegt im Bereich bis zwischen ca. 0,3 J und 2 J, vorzugsweise zwischen ca. 0,5 J und 1,0 J.
Die Stoßwellen werden mit einer Schlagfrequenz des Projek¬ tils von ca. 6 bis 20 Hz, vorzugsweise ca. 8 bis 10 Hz, erzeugt.
Der Durchmesser der Stoßwellenübertragungssonde liegt im Bereich zwischen ca. 1 und 6 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 4 mm.
Die Stoßwellenübertragungssonde ist axial in dem Gehäuse geführt und ein in Axialrichtung wirkendes Feder-Dämp¬ fungselement ist zwischen Stoßwellenübertragungssonde und dem Gehäuse angeordnet. Auf diese Weise wird eine Entkopp¬ lung der Stoßwellenübertragungssonde von dem Gehäuse in Axialrichtung realisiert. Es kann auch vorgesehen sein, daß das Projektil den Sto߬ impuls auf ein Zwischenelement überträgt, das bündig an der Stoßwellenübertragungssonde anliegt.
Die Stoßwellenübertragungssonde kann hohl ausgebildet sein und das Zwischenelement kann aus einer zum proximalen Ende hin geschlossenen Hülse mit mindestens einer radialen Aus¬ trittsöffnung bestehen. Mit einem derartigen Zwischenele¬ ment kann in Verbindung mit einer hohlen Stoßwellenüber¬ tragungssonde eine Absaugeinrichtung angeschlossen werden, mit der der abgelöste Knochenzement abgesaugt werden kann.
Der Beschleunigungsweg des Projektils beträgt vorzugsweise ca. 100 bis 200 mm. Damit beträgt der Beschleunigungsweg ein Vielfaches des Durchmessers des Projektils.
Die Stoßwellenübertragungssonde kann flexibel sein, so daß die Stoßwelle auch nicht geradlinig übertragen werden kann.
Desweiteren kann an dem proximalen Ende des Zylinders ein Magnethalter für das Projektil angeordnet sein. Der Ma¬ gnethalter hält das Projektil in der proximalen Endlage bis es erneut gegen die Stoßwellenübertragungssonde be¬ schleunigt wird.
Vorzugsweise wird das Projektil von pneumatischen An¬ triebsmitteln beschleunigt.
Die Stoßwellenübertragungssonde kann in einem Arbeitskanal eines Endoskopes geführt sein. Durch den optisch kontrol¬ lierten lokalen Einsatz der Sondenspitze auf dem Zement auch im sonst nicht einsehbaren Bereich in der Tiefe der Markhöhle wird einerseits die Effektivität der Zementent¬ fernung erhöht, andererseits die Gefahr von unerwünschten Knochen- und Weichteilschädigungen reduziert. Zusätzliche operative Maßnahmen, wie z.B. die Anlage von Knochenfen¬ stern, sind überflüssig.
Dabei kann auch vorgesehen sein, daß das Endoskop eine Linsenreinigungseinrichtung an dem distalen Ende aufweist. Die optische Linse des Endoskopes wird zwecks Reinigung an dem distalen Ende des Endoskopes vorzugsweise mit C02 ge¬ spült.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des chirurgischen Instrumentes im Querschnitt,
Fig. 2 den Einsatz des chirurgischen Instrumentes in Verbindung mit einem Endoskop, und
Fig. 3 die in die Knochenzementhöhle eingeführte Endo¬ skopsonde.
Das in Fig. 1 zeigte Handstück 1 besteht aus einem Gehäuse 4, das einen pneumatischen Zylinder 6 aufnimmt, in dem ein Projektil 10 mit Hilfe pneumatischer Antriebsmittel 14 in Verbindung mit einer Staudruckkammer 12, die den Zylinder 6 koaxial ringförmig umgibt, zwischen zwei Endpositionen hin- und herbewegt wird. Alternativ ist es auch möglich, das Projektil 10 hydraulisch, mechanisch, elektromagne¬ tisch oder durch explosive Antriebsmittel zu beschleuni¬ gen. Bei elektromagnetischer Beschleunigung deε Projektils 10 kann der Beschleunigungsweg verkürzt werden, der bei einem pneumatischen Antrieb ca. 100 bis 200 mm Länge auf¬ weist. In der proximalen Endposition ist am proximalen Ende des Zylinders 6 ein Magnethalter 52 angeordnet, der das metal¬ lische Projektil 10 in seiner proximalen Endposition fest¬ halten kann bis erneut ein über den Anschluß 52 aufge¬ brachten pneumatischer Druck das Projektil 10 in Richtung auf das distale Ende 18 des Zylinders 6 bescheunigt. Die sich in Bewegungsrichtung des Projektils 10 vor dem Pro¬ jektil 10 befindliche Luft wird über mindestens eine an dem distalen Ende des Zylinders 6 angeordnete Öffnung 16 in die Staudruckkammer 12 geleitet. Durch die Beschleuni¬ gung des Projektils 10 trifft dieses mit einer hohen End¬ geschwindigkeit von beispielsweise 15 m/s auf ein in dem distalen Ende 18 des Zylinders 6 angeordnetes Zwischen¬ stück 34, das eine Stoßübertragung auf ein bündig an dem Zwischenstück 34 anliegendes Meißelwerkzeug ermöglicht. Das Meißelwerkzeug besteht aus einer metallischen Stoßwel¬ lenübertragungssonde 22, die die über das Projektil 10 und das Zwischenstück 34 induzierte Stoßwelle auf den in einer Knochenmarkhöhle zu entfernenden Knochenzement 2 über¬ trägt. Das Zwischenstück 34 dient dazu, das Gehäuse 4 am distalen Ende 18 hermetisch abzudichten, so daß lediglich die Stoßwellenübertragungssonde 22 und ein auf das Gehäuse 4 aufschraubbares Kopfteil 28 sterilisiert werden müssen.
Der in der Staudruckkammer 12 sich aufbauende Staudruck genügt bei Wegfall des an dem pneumatischen Anschluß 52 anliegenden Druckes, um das Projektil 10 von der distalen Endlage an dem Zwischenstück 34 in die proximale Endlage zu dem Magnethalter 50 zurückzubewegen. Der pneumatische Druck an dem Anschluß 52 kann bis zu 5 bar betragen. Das Projektil 10 kann zwecks Anpassung an bestimmte Längen der Stoßwellenübertragungssonde 22 oder zum Erzeugen einer bestimmten Charakteristik der Stoßwelle hinsichtlich Län¬ ge, Masse und maximale AufSchlaggeschwindigkeit unter¬ schiedlich gewählt werden. - 8 -
Die auf die Stoßwellenübertragungssonde übertragene Sto߬ energie beträgt ca. 0,3 bis 2 J, wobei ein Wert um ca. l J schon zu einer hohen Effektivität bei der Knochenzement- entfernung führt.
Die metallische Stoßwellenübertragungssonde 22 verläuft vorzugsweise aber nicht zwingend koaxial zu dem Zylinder 6 und dem Projektil 10. Das proximale Ende 24 der Stoßwel¬ lenübertragungssonde 22 hat vorzugsweise einen Durchmes¬ ser, der dem Durchmesser des Zwischenstücks 34 und dem Durchmesser des Projektil 10 entspricht. Die Länge des Projektils 10 ist stets größer als sein Durchmesser. Damit werden bessere Führungseigenschaften in dem Zylinder 6 erreicht. Außerdem kann mit Hilfe einer unterschiedlichen Länge des Projektils 10 die Masse des Projektils in ein¬ facher Weise variiert werden, ohne daß der Durchmesser des Zwischenstücks 34 oder des proximalen Endes 24 der Sto߬ wellenübertragungssonde 22 verändert werden müssen. Das Verhältnis Länge zu Durchmesser des Projektils 10 beträgt ca. 2,5:1 bis 5:1.
Das proximale Ende 24 der Stoßwellenübertragungssonde 22 ist axial in einer Führungsöffnung 29 eines Verbindungs¬ elementes 32 gelagert, das zugleich das Zwischenstück 34 und das distale Ende 18 des Zylinders 6 aufnimmt und in das Gehäuse 4 koaxial zum Zylinder 6 einschraubbar ist. Das Zwischenstück 34 ist beweglich in dem distalen Ende 18 des Zylinders 6 angeordnet und mit einem O-Ring 36 gegen den Zylinder 6 abgedichtet. Bei Stoßbeaufschlagung des Zwischenstücks 34 durch das Projektil 10 kann sich das Zwischenstück in distaler Richtung entsprechend der Ver¬ formung des Feder/Dämpfungselementes 30 vorwärts bewegen, wobei das Zwischenstück 34 durch die Rückstellkraft des Feder/Dämpfungselementes 30 in seine proximale Endposition zurückgedrückt wird, in der ein Ringbund 37 an der dista¬ len Stirnfläche des Zylinders 6 anliegt. Das Verbindungs- element 32 ist mit einem O-Ring 35 gegen die äußere Man¬ telfläche des Zylinders 6 abgedichtet. Beispielsweise durch Abflachung des proximalen Endes 24 oder eines Ring¬ bundes 23 an dem proximalen Ende 24 und einer dieser Ab¬ flachung angepaßten FührungsÖffnung 29 in dem Verbindungs¬ element 32 kann eine Verdrehsicherung für die Stoßwellen¬ übertragungssonde 22 vorgesehen werden. In Fig. 1 ist an dem Ringbund 23 ein Vorsprung 21 vorgesehen, der als Ver- drehsicherung in eine entsprechende Nut 19 des Verbin¬ dungselementes 32 eingreift.
Auf der distalen Seite des Verbindungselementes 32 ist bündig mit dem Gehäuse 4 das Kopfteil 28 aufgeschraubt, das mit einem auf dem Verbindungselement 32 sitzenden 0- Ring 25 abgedichtet wird. Das Verbindungselement 32 führt den Schaft der Stoßwellenübertragungssonde 22 in einer Bohrung 33 axial und nimmt ein hülsenförmiges, z.B. aus Silikon bestehendes Feder/Dämpfungselement 30 auf. Das Feder/Dämpfungselement 30 wirkt in Axialrichtung und ent¬ koppelt die Stoßwellenübertragungssonde 22 in Axialrich¬ tung von dem Kopfteil 28 bzw. dem Gehäuse 4. Hierzu ist an dem proximalen Ende 24 der Stoßwellenübertragungssonde 22 ein Ringbund 23 angeformt, gegen den sich das Feder/Dämp¬ fungselement 30 abstützen kann. Das Feder/Dämpfungselement 30 sitzt in einer zylindrischen Aussparung 27 des Kopf¬ teils 28. In distaler Richtung hinter dem Ringbund 23 verringert sich der Durchmesser der Stoßwellenübertra¬ gungssonde 22 auf einen Schaftdurchmesser von ca. 2 bis 4 mm, z.B. 3,2 mm. Das Verhältnis zwischen Projektildurch¬ messer und Schaftdurchmesser beträgt ca. 2:1 bis 3:1. Bei einem solchen Verhältnis läßt sich der Bewegungshub an der Sondenspitze 26 auf einen geringen Wert begrenzen.
Die Sondenspitze 26 ist in Form eines Meißelwerkzeugs gestaltet. Die Stoßwellenübertragungssonde 22 kann auch als hohles Werkzeug ausgebildet sein, um ein Absaugen des gelösten Knochenzementes 2 zu ermöglichen.
In diesem Fall kann auch das Zwischenstück 34 als in di- staler Richtung offene Hülse mit einer radialen Auslaßδff- nung gestaltet sein, an die ein Absauganschluß angeschlos¬ sen werden kann.
Die Stoßwellen werden mit einer Schlagfrequenz zwischen 6 und 20 Hz erzeugt, wobei zur Knochenzemententfernung eine Schlagtrequenz von 10 Hz besonders geeignet erscheint. Die Sondenspitze 26 führt einen Bewegungshub aus, der maximal ca. 1,5 mm und vorzugsweise weniger als 1 mm beträgt. Ein Teil dieser Bewegung der Sondenspitze 26 ca. 0,3 mm ist auf eine Längung der Stoßwellenübertragungssonde 22 auf¬ grund der Stoßwelle zurückzuführen, während der restliche Teil des Bewegungshubes auf eine Deformation des Feder/- Dämpfungselementes 30 zurückzuführen ist. Der auf die Stoßwelle zurückzuführende Anteil beträgt dabei ca. 30 % des gesamten Bewegungshubes, der nach ca. 1 ms seinen Maximalwert erreicht. Die an den Enden der Stoßwellenüber¬ tragungssonde 22 reflektierende Stoßwelle erzeugt dem Bewegungshub der Sondenspitze 26 überlagerte Schwingungen mit steilen Anstiegsflanken, die steiler sind als die Anstiegsflanken des Bewegungshubes und damit zu einer erheblichen Erhöhung der Sondenspitzengeschwindigkeit beitragen. Auf diese Weise kann eine im Vergleich zu her¬ kömmlichen pneumatischen Meißeln um einen Faktor von ca. 30 bis 50 höhere Stoßenergie auf den Knochenzement 2 über¬ tragen werden.
Das Verhältnis von Projektilmasse und Sondenmasse beträgt ca. 1:2 bis 1:10, vorzugsweise ca. 1:4 bis 1:6. Die Masse des Projektils 10 ist demzufolge kleiner als die Masse der Stoßwellenübertragungssonde 22.
Die Länge des Projektils 10 bestimmt die Länge der Stoß- welle. Das Verhältnis der Projektillänge zur Sondenlänge beträgt ca. 1:10 bis 1:30, vorzugsweise ca. 1:15. Demzu¬ folge ist die Länge der induzierten Stoßwelle klein im Verhältnis zu der Längenabmessung der Sonde.
Das Verhältnis des Sondenεchaftdurchmessers zu der Sonden¬ länge liegt im Bereich zwischen ca. 1:50 und 1:200, vor¬ zugsweise im Bereich zwischen 1:100 und 1:150. Dabei ist wie bereits erwähnt ein Sondenschaftdurchmesser von ca. 2 bis 4 mm bevorzugt. Eine derartige Sonde kann in den Ar¬ beitskanal eines Endoskopes eingeführt werden und ermög¬ licht die Anwendung des Meißelwerkzeugs in endoskopischen Operationen.
Bei Verwendung der Stoßwellenübertragungssonde 22 in Ver¬ bindung mit einem Endoskop besteht die Möglichkeit, stän¬ dig oder intermittierend in einem flüssigen Medium zu arbeiten. Dies hat den Vorteil, daß ggf. eine Linsenreini¬ gungseinrichtung entfallen kann. In diesem Fall ist es allerdings notwendig, mit einem geeigneten elastischen Stopfen die Knochenmarkhöhle an ihrer offenen Stelle ab¬ zudichten.
Fig. 2 zeigt den Einsatz des chirurgischen Instrumentes in einem Endoskop. Die Stoßwellenübertragungssonde 22 ist dabei in einem ersten Arbeitskanal 62 des Endoskopε 54 eingesetzt. Mit Hilfe eines Okulars 56 und einer Beleuch¬ tung durch Lichtfasern über einen Lichtfaseranschluß 58 kann das Arbeitsfeld des Meißelwerkzeugs beobachtet wer¬ den. Über einen gekrümmt in die Endoskopsonde 60 eintre¬ tenden zweiten Arbeitskanal 64 können beispielsweise Flüs¬ sigkeiten zugeführt oder abgesaugt werden. Die Ankopplung des Gehäuses 4 an das Endoskop 54 erfolgt mit Hilfe eines Adapters 55. Die Endoskopsonde 60 ermöglicht die Zement¬ entfernung in sonst nicht einsehbaren Bereichen der Tiefe der Markhöhle. Durch die endoskopische Beobachtung des Arbeitsbereiches wird die Gefahr von unerwünschten Kno¬ chen- und Weichteilschädigungen reduziert. Zusätzliche operative Maßnahmen, wie z.B. die Anlage von Knochenfen¬ stern sind bei endoskopischen Einsatz des chirurgischen Instrumentes nicht notwendig.

Claims

Patentansprüche
1. Chirurgisches Instrument zum mechanischen Entfernen von Knochenzement (2) , mit einem länglichen Gehäuse (4) , mit einem Zylinder (6) , in dem ein Kolbenelement mit Hilfe eines Antriebsmittels (14) hin- und herbe¬ wegbar ist, wobei das Kolbenelement an dem distalen Ende (18) des Zylinders (6) einen Schlag auf ein in dem Gehäuse (4) axial gelagertes Meißelwerkzeug aus¬ übt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß daε Kolbenelement (10) aus einem Projektil (10) besteht, daε auf eine hohe Endgeschwindigkeit be¬ schleunigbar ist und eine Stoßwelle in das aus einer metallischen Stoßwellenübertragungssonde (22) beste¬ hende Meißelwerkzeug induziert, dessen Sondenspitze (26) die Stoßwelle bei geringer Bewegungεamplitude der Sondenspitze (26) auf den Knochenzement (2) über¬ trägt.
2. Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endgeschwindigkeit des Projektils (10) ca. 5 bis 20 m/s, vorzugsweise ca. 10 bis 15 m/s, beträgt.
3. Instrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Längenänderungsamplitude der Son¬ denspitze (26) weniger als 1,5 mm, vorzugsweise weni¬ ger als 1 mm, beträgt.
4. Inεtrument nach einem der Anεprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Projektil (10) einge¬ brachte Stoßwellenenergie im Bereich zwischen ca. 0,3 J und ca. 2 J, vorzugsweise zwischen ca. 0,5 und ca. 1,0 J. liegt.
5. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagfrequenz des Projektils (10) ca. 6 bis 20 Hz, vorzugsweise ca. 8 bis 10 Hz, beträgt.
6. Instrument nach einem der Anεprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Sonde ca. 100 mm bis 500 mm, vorzugsweise ca. 150 mm bis 420 mm be¬ trägt.
7. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßwellenübertragungssonde (22) in dem Gehäuse (4) in einer Führung (19,21) gegen Verdrehen gesichert ist.
8. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Stoßwellen¬ übertragungssonde (22) im Bereich zwischen ca. 1 und 6 mm, vorzugsweise zwischen ca. 2 und 4 mm, liegt.
9. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßwellenübertragungssonde (22) axial in dem Gehäuse (4) geführt ist und ein in
Axialrichtung wirkendes Feder-Dämpfungselement (30) zwischen der Stoßwellenübertragungssonde (22) und dem Gehäuse (4) angeordnet ist.
10. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektil (10) den Stoßimpuls auf ein Zwischenelement (34) überträgt, das bündig an der Stoßwellenübertragungssonde (22) anliegt.
11. Instrument nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßwellenübertagungssonde (22) hohl ausge¬ bildet ist, und daß das Zwischenelement (34) aus einer zum proximalen Ende hin geschlossenen Hülse (38) mit mindestens einer radialen Austrittεöffnung (42) besteht.
12. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungsweg des Pro¬ jektils (10) ca. 100 bis 200 mm beträgt.
13. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an dem proximalen Ende (46) des Zylinders (6) ein Magnethalter (50) für das Projektil (10) angeordnet ist.
14. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßwellenübertragungssonde
(22) flexibel ist.
15. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß pneumatische Antriebsmittel (14) das Projektil (10) antreiben.
16. Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßwellenübertragungssonde (22) in einem Arbeitskanal (61) eines Endoskopeε geführt iεt.
17. Instrument nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Endoskop eine Linsenreinigungseinrichtung an dem diεtalen Ende aufweist.
18. Verfahren zum Übertragen eines Stoßimpulεes über ein Meißelwerkzeug auf zu entfernenden Knochenzement (2) unter Verwendung eines in einem Zylinder (6) be¬ schleunigten Kolbenelementes, mit dem ein Stoßimpuls auf das Meißelwerkzeug übertragen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Meißelwerkzeug eine metallische Stoßwellen- übertragungεεonde (2) verwendet wird, daß alε Kolben¬ element ein auf eine hohe Endgeschwindigkeit be- schleunigteε Projektil (10) verwendet wird, und daß die Sondenspitze (26) der Stoßwellenübertragungssonde (22) einen geringen Bewegungshub ausführt, der wenig¬ stens teilweise auf eine Längenänderung der Stoßwel¬ lenübertragungssonde (22) aufgrund der von dem Pro¬ jektil (10) induzierten Stoßwelle beruht.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektil (10) auf eine Endgeschwindigkeit von ca. 5 bis 20 m/s, vorzugsweiεe ca. 10 bis 15 m/s, beschleunigt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, da¬ durch gekennzeichnet, daß eine Stoßwelle mit einer Stoßenergie zwischen ca. 0,3 J und 2 J, vorzugsweise zwischen ca. 0,5 J und 1,0 J, von dem Projektil (10) auf die Stoßwellenübertragungssonde (22) übertragen wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schlagfrequenz deε Projek- tilε (10) zwiεchen ca. 6 Hz und 20 Hz verwendet wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stoßwellenübertragungssonde (22) mit einem Durchmesεer zwischen ca. 1 und 6 mm, vorzugsweise zwischen ca. 2 und 4 mm, verwendet wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß über die Auswahl der Länge deε Projektils (10) die Charakteristik der Stoßwellen¬ schwingung eingestellt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßwellenübertragungssonde (22) relativ zu dem den Zylinder (6) aufnehmenden
Gehäuse (4) mit einem in Axialrichtung wirkenden Feder/Dämpfungselement (30) entkoppelt wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine flexible Stoßwellenübertra¬ gungssonde (22) verwendet wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektil (10) mit einem pneumatiεchen Antriebsmittel (14) beschleunigt wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß ein Beschleunigungsweg für das Projektil (10) verwendet wird, der ein Vielfaches des Projektildurchmessers beträgt.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungsweg des Projektilε mindestens das 10-fache, vorzugsweise mindestens das 15-fache, des Projektildurchmessers beträgt.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßwellenübertragungssonde (22) in einem Arbeitskanal eines Endoskopes geführt wird.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Linse des Endoskopes an dem distalen Ende zur Reinigung mit C02 gespült wird.
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