WO2002007631A1 - Chirurgisches instrument zum bearbeiten einer knöchernen struktur - Google Patents

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WO2002007631A1
WO2002007631A1 PCT/DE2001/002649 DE0102649W WO0207631A1 WO 2002007631 A1 WO2002007631 A1 WO 2002007631A1 DE 0102649 W DE0102649 W DE 0102649W WO 0207631 A1 WO0207631 A1 WO 0207631A1
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WO
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linear drive
surgical instrument
robot
unit
instrument
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Application number
PCT/DE2001/002649
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Szepannek
Matthias Wapler
Thomas Weisener
Knut Andersen
Mathias Mertens
Original Assignee
U.R.S. Universal Robot Systems Gmbh & Co. Kg
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Filing date
Publication date
Application filed by U.R.S. Universal Robot Systems Gmbh & Co. Kg filed Critical U.R.S. Universal Robot Systems Gmbh & Co. Kg
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    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/16—Bone cutting, breaking or removal means other than saws, e.g. Osteoclasts; Drills or chisels for bones; Trepans
    • A61B17/1659—Surgical rasps, files, planes, or scrapers
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
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    • A61B2017/00544—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets pneumatically or hydraulically operated pneumatically
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    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/06—Measuring instruments not otherwise provided for
    • A61B2090/064—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring force, pressure or mechanical tension

Definitions

  • the invention relates to a surgical instrument according to the preamble of
  • Contours used in bony structures on humans or animals are used for the preparation of the femur in hip arthroplasty.
  • a prosthesis In the event of a pathological change or if, for example, a hip joint is damaged, a prosthesis must be used as an artificial hip joint in many cases.
  • a prosthesis consists of an articulated foot with a rigid joint head and a joint socket matching the joint head.
  • the socket is fitted in the seat leg and the base is fitted in the femur.
  • appropriate cavities in the respective bone parts must be worked out, which must have a high accuracy of fit, in order for the prosthesis to grow quickly into the bone and thus for rapid rehabilitation of the patient and high stability of the artificial hip joint in all load directions to ensure.
  • a contact area of at least 85% should be created between the implant and the bone part if possible.
  • the articulated foot in particular has such a complicated contour that the required accuracy of fit of the cavity to be created in the femur is difficult to achieve.
  • This contour is essentially determined by a cross-sectional shape which deviates from a rotational symmetry because of the required rotational stability and which is characterized by oval or otherwise rounded or angular shapes.
  • No. 5,299,288 describes, for example, a robot-guided milling instrument with which a defined cavity in the femur can be produced.
  • An idealized form of the cavity, which is stored in the process computer, is realized, in which the milling instrument follows the ideal shape specified by the computer and works at a high speed of approximately 65,000 revolutions. With this milling instrument, such desired cavities can be worked in quickly and with precise precision.
  • the only disadvantage is that with this robot-guided milling instrument only cavities are to be produced with such a rounded cross-section, the smallest radius of which is at least as large as the smallest possible cutter radius.
  • cavities with narrower radii or even with an angular cross section cannot be produced with it. This means that the milling process can only be used to a limited extent, especially since the majority of the joint prostheses used have an angular cross-sectional shape due to the greater stability of the rotalion.
  • the invention is therefore based on the object of developing a surgical instrument of the present type which can be used universally and which enables the production of internal and external contours of a bony contour of the most varied cross-sectional contours with the greatest accuracy.
  • the invention eliminates the disadvantages of the prior art mentioned.
  • the particular advantage of the invention lies in the possibility of producing contours and, in particular, cavities in bony structures with a high degree of shape and position accuracy. This enables the prosthesis to grow in faster, causes less postoperative pain and prevents the geometry from changing compared to the pre-operative condition, which in its entirety affects the prolongation of the service life of the prosthesis in the patient.
  • This surgical instrument which can be used for both internal and external contours on bony structures, is very advantageous.
  • This surgical instrument can also be used to produce contours with extremely complicated cross-sectional shapes, which is particularly important for hip arthroplasty, since prostheses with the rotational sy Different cross-sectional shapes can be used to improve the stability of the roll.
  • the force-controlled feed movement of the oscillating linear drive which enables gentle and uniform processing of the bony structure, is particularly advantageous.
  • Another advantage results from the sensor-controlled spatial position control between the linear drive and the bony structure, which constantly compensates for a change in the position of the bony structure during the operation by adapting the position of the linear drive. This increases the precision of the operation.
  • Fig. 3 the surgical instrument in a snapped view
  • Fig. 4 an assembly of the surgical instrument in a view.
  • a precision robot as is generally used in medical technology, essentially consists of a robot unit, a control computer and an operating unit, which are designed as a device unit. The structure of such a robot is so well known that a graphic representation has been omitted here.
  • the centerpiece of the robot unit is an instrument carrier unit 1, which is equipped, for example according to FIG. 1, as a hexapod with parallel kinematics and six degrees of freedom.
  • This instrument carrier unit 1 symbolizes the entire robot in the description below.
  • the instrument panel 1 consists of a frame plate 2 with a guide carriage (not shown) for connection to the robot device unit and a work plan 3.
  • the frame plate 2 and the work plans 3 are articulated to one another via six linear drives 4, which are aligned and attached in such a manner the frame plate 2 and the worktop 3 are attached so that they form a closed link chain.
  • the individual linear drives.4 of a precision robot used in medical technology are usually operated electrically and therefore have a threaded spindle with a defined length, which is articulated on the one hand, and a threaded neck, which is articulated on the other hand, and a controlled electric motor. With this electrical drive and control system, a controlled sequence of movements of each individual linear drive 4 can be generated. In interaction with all six linear actuators 4, a movement of the worktop 3 signaled by the operating unit of the robot is possible with the greatest accuracy.
  • This movement of the worktop 3 is controlled by an additional monitoring system, which is formed from at least three length-variable measuring sections which are not specifically identified and which are articulated independently of the linear drives 4 and in a special way on the frame plate 2 and the work plans 3.
  • the changes in length of the individual measuring sections are sensed, evaluated and compared with the desired movement sequence of the work plans 3.
  • the work plans 3 are equipped with an instrument receiving unit 5 for a surgical instrument 6.
  • This instrument holder unit 5 is rigidly connected to the worktop 3.
  • This instrument slide 7 is equipped with a force-moment sensor, which on the one hand is oriented to the force or moment absorption on the surgical instrument 6 and on the other hand is connected to the robot unit via a control circuit.
  • the feed rate of the surgical instrument 6 is thus regulated as a function of the forces occurring on the surgical instrument 6.
  • the surgical instrument 6 comprises an oscillating linear drive 8 and a machining tool 9, both of which are connected to one another via a quick-release coupling 10.
  • the oscillating linear drive 8 is equipped with a recoil damping.
  • the oscillating linear drive 8 is equipped on the one hand with the quick release coupling 10 and on the other hand has a handle 11 and an operating lever 12.
  • the operating lever 12 can of course also be connected to a remote control.
  • a connection 13 for the compressed air supply and an outlet opening 14 for the used compressed air In a special way, this outlet opening 14 is directed away from the patient to be operated on.
  • the cutting machining tool 9 is preferably designed as a rasp and has machining teeth distributed over the entire circumference.
  • the processing tool 9 is externally in the form of the tooth to be inserted later in the femur 15. steered foot and assembled as a set of several individual, staggered in size processing tools 9.
  • a position sensor 16 is aligned on the instrument slide 7 or the linear drive 8, which detects the position of this structural unit in all its degrees of freedom.
  • Another position sensor 17 is assigned to the femur 15, which registers the position of the femur 15 in the same way. Both position sensors 16, 17 are coupled to an evaluation unit 18, which is connected to the robot unit within a control loop.
  • the oscillating Lincarantricb 8 has a housing 19 which is only shown symbolically, in which a chamber piston 20 and a chamber cover 21 are arranged.
  • the chamber piston 20 is supported on the robot side by a compression spring 22 from the housing 19 and the chamber cover 21 is loaded by a compression spring 23 which is supported by the housing 19 on the tool side.
  • the chamber cover 21 carries the machining tool 9 outside the housing 19.
  • the masses of the moving individual parts and the characteristic values of the two compression springs 22, 23 are coordinated with one another such that the spring-mass ratio of the chamber piston 20 and the compression spring 22 on the one hand and the Processing tool 9, the chamber cover 21 and the compression spring 23 on the other hand are the same size.
  • the chamber piston 20 and the chamber cover 21 are slidably guided on a common axis and form between them a volume-variable chamber 24 which has a connection to a compressed air source (not shown) via a central air supply duct 25 and which has radial air outlet openings 26 and an air return system (not shown) with the Atmosphere.
  • the air outlet openings 26 are designed to be changeable in their opening cross-section in the alt, so that the air outlet openings 26 close in the direction of a shrinking chamber 24 and open in the opposite direction.
  • the depth of the cavity to be introduced is then determined and also recorded and stored.
  • the surgical instrument 6 is then positioned into its optimal starting position with the aid of the instrument carrier unit 1 of the precision robot and the adjustable instrument slide 7 and aligned with the preprogrammed processing line.
  • the instrument slide 7 is then located on a center line with the femur and at such a distance from the femur that it is possible to easily equip or change the processing tool 9.
  • the oscillating linear drive 8 of the surgical instrument 6 is first equipped with the smallest version of the processing tool 9.
  • compressed air is supplied to the oscillating linear drive 8, which reaches the volume-changing chamber 24 via the air supply channel 25.
  • a corresponding pressure builds up in the chamber 24, which drives the chamber piston 20 and the chamber cover 21 apart over an equally large path.
  • the radial air outlet openings 26 open, so that the enclosed compressed air is released into the atmosphere via the air recirculation system and the pressure in the chamber 24 relaxes.
  • the chamber piston 20 and the chamber cover 21 move towards each other again until the air outlet openings close again and a pressure in the chamber 24 is restored. This process is repeated as long as compressed air is present.
  • the machining tool 9 is driven into the bone marrow of the femur 15 in a first working gear.
  • the feed movement is monitored and controlled by the robot computer using the force sensor in the instrument slide 7 and, if necessary, corrected in such a way that the feed speed is increased by increasing strength decreases. If there is no power, the rapid feed is activated.
  • This first work step is followed in the same way by further work steps, each with larger machining tools 9, until the desired size and length of the required cavity is produced with the largest machining tool 9.
  • the spatial relative position of the linear drive 8 and the femur 15 with respect to one another is monitored via the position sensor 16 and via the position sensor 17 and, if necessary, if the position of the femur 15 changes for undesired reasons, the position of the linear drive 8 is corrected until the relative position according to the program is again established. This is followed in a known manner by the further operations required for hip endoprolhetics.

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Abstract

Die Herstellung von Konturen in knöchernen Strukturen, insbesondere einer Kavitation für ein künstliches Hüftgelenk, ist immer dann kompliziert, wenn die Kontur einen unrunden Querschnitt aufweisen muss. Es wird daher ein chirurgisches Instrument mit einem Linearantrieb (8) und einem linear beweglichen Bearbeitungswerkzeug (9) vorgeschlagen, wobei der Linearantrieb (8) für eine oszillier ende und rückstossgedämpfte Bewegung ausgelegt ist und dazu einerseits eine Schnellverschlusskupplung (10) zur Aufnahme des Bearbeitungswerkzeuges (9) und andererseits eine Instrumentenaufnahmeeinheit (5) zur Verbindung mit einer Instrumententrägereinheit (1) eines Roboters besitzt. Dabei die Instrumentenaufnahmeeinheit (5) mit einem die Vorschubbewegung regelnden Kraft-Momenten-Sensor ausgerüstet.

Description

Beschreibung
Chirurgisches Instrument zum Bearbeiten einer knöchernen Struktur
Die Erfindung bezieht sich auf ein chirurgisches Instrument nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Derartige Instrumente werden in chirurgischen Kliniken zur Herstellung definierter
Konturen in knöchernen Strukturen am Mensch oder Tier verwendet. Insbesondere werden solche Instrumente für die Vorbereitung des Femurs bei der Hüftendoprothetik eingesetzt.
Bei einer krankhaften Veränderung oder bei einer Beschädigung beispielsweise eines Hüftgelenkes muss in vielen Fällen eine Prothese als künstliches Hüftgelenk eingesetzt werden. Eine solche Prothese besteht aus einem Gelenkfuß mit einem starren Gelenkkopf und einer zum Gelenkkopf passenden Gelenkpfanne. Dabei sind die Gelenkpfanne passgerecht im Sitzbein und der Gelenkfuß passgerecht im Femur eingesetzt. Für das Einsetzen der Gelenkpfanne und des Gelenkfußes sind entsprechende Kavitäten in den jeweiligen Knochenteilen auszuarbeiten, die eine hohe Passgenauigkeit besitzen müssen, um ein schnelles Einwachsen der Prothese in den Knochen und damit eine schnelle Rehabilitation des Patienten und eine hohe Stabilität des künstlichen Hüftgelenkes in allen Belastungsrichtungen zu gewährleisten. Dabei soll möglichst eine Kon- taktfläche von mindestens 85% zwischen dem Implantat und dem Knochenteil geschaffen werden.
Gerade der Gelenkfuß besitzt eine solche komplizierte Kontur, dass die geforderte Passgenauigkeit der zu schaffenden Kavität im Femur nur schwer zu erreichen ist. Diese Kontur ist im wesentlichen durch eine Querschnitlsform bestimmt, die wegen der erforderlichen Rotationsstabilität von einer Rotationssymmetrie abweicht und die durch ovale oder anders gerundete oder eckige Formen gekennzeichnet ist.
Es gehört zur allgemeinen Praxis, solche komplizierten Kavitäten im Femur durch einen mit der Prothese mitgelieferten Salz formgerechter Raspeln mit unterschiedlichen Größen herzustellen, die nacheinander von Hand in den Knochen eingetrieben werden. Diese Arbeitsweise ist körperlich aufwendig. Außerdem ist diese Verfahrensweise sehr ungenau, weil der Eindringverlauf jedes einzelnen Raspelinstrumentes nicht vorbe- slimml und nicht gesichert werden kann. Dadurch kann der Gclenkfuß eine gänzlich falsche Stellung bekommen oder ein oder mehrere Raspelinstrumente brechen aus der Sollform aus, sodass nicht erwünschte Hohlräume entstehen, die die Kontaktfläche zwischen dem Implantat und dem Knochen zusätzlich verringern.
Es ist auch bekannt, bei diesem Verfahren ein als „Specht" bezeichnetes pneumatisches Schlagwerk einzusetzen. Damit wird der körperliche und der zeitliche Aufwand verringert, die Passungenauigkeiten und die Fehlslellungen des Implantates werden damit aber nicht abgestellt. Diese Passungenauigkeiten und die Lageabweichungen werden sogar noch dadurch verstärkt, dass das pneumatische Schlagwerk wegen der ün erheblichen Maße auftretenden Rückstöße gegenüber einem Handhammer noch schwerer und unkontrollierter zu handhaben ist.
Die US 5,299,288 beschreibt nun zum Beispiel ein robotergeführtes Fräsinstrument, mit dem eine definierte Kavität im Femur hergestellt werden kann. Dabei wird eine idealisierte und im Prozessrechner abgelegte Form der Kavität realisiert, in dem das Fräsin- slrument der vom Computer vorgegebenen Idealform folgt und dabei mit einer hohen Drehzahl von etwa 65000 Umdrehungen arbeitet. Mit diesem Fräsinslrument können solche gewünschte Kavitäten schnell und mit genauesler Präzision eingearbeitet werden. Nachteilig ist lediglich, dass mit diesem robolergeführten Fräsinstrument nur Kavitäten mit einem solchen gerundeten Querschnitt herzustellen sind, dessen kleinster Radius mindestens so groß ist wie der kleinstmϋgliche Fräserradius. Kavitäten mit engeren Radien oder gar mit einem eckigen Querschnitt können damit jedoch nicht hergestellt werden. Das macht das Fräsverfahren nur begrenzt einsatzfähig, zumal wegen der größeren Rotalionsstabilität der Großteil der eingesetzten Gelenkprothesen über eine eckige Querschniltsform verfügt.
Auch erfordert dieser Operalionsablauf sehr viel Zeit, was die Operationskosten erhöht und den Patienten in unnötiger Weise belastet.
Der Erfindung hegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein chirurgisches Instrument der vorliegenden Gattung zu entwickeln, das universell einselzbar ist und die Herstellung von innen- und außenliegenden Konturen einer knöchernen Kontur unterschiedlichster Querschnittskonturen mit höchster Genauigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgeslallungsmöglichkeiten ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7.
Die Erfindung beseitigt die genannten Nachteile des Standes der Technik. Dabei liegt der besondere Vorteil der Erfindung in der Möglichkeit, Konturen und dabei insbesondere Kavitäten in knöchernen Strukturen in einer hohen Form- und Lagegenauigkeit herzustellen. Das ermöglicht ein schnelleres Einwachsen der Prothese, bereitet weniger postoperative Schmerzen und verhindert eine Änderung der Geometrie gegenüber dem präoperaliven Zustand, was sich in ihrer Gesamtheit auf die Verlängerung der Standzeit der Prothese beim Patienten auswirkt.
Sehr vorteilhaft ist das sehr breite Einsalzgebiet dieses chirurgischen Instrumentes, das sowohl für innere als auch für äußere Konturen an knöchernen Strukturen einsetzbar ist. Mit diesem chirurgischen Instrument können auch Konturen mit äußerst komplizierten Querschnittsformen hergestellt werden, was insbesondere bei der Hüftendoprothetik von Bedeutung ist, da hier im verstärkten Maße, Prothesen mit von der Rotationssyra- metrie abweichenden Querschnittsformen eingesetzt werden, um die Rolationsstabililät zu verbessern.
Besonders vorteilhaft ist die kraftgeregelte Vorschubbewegung des oszillierenden Linearantriebes, die eine schonende und gleichmäßige Bearbeitung der knöchernen Struktur ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der sensorgesteuerten räumlichen Positionsregelung zwischen dem Linearanlrieb und der knöchernen Struktur, die eine Veränderung der Position der knöchernen Struktur während der Operation durch eine Anpassung der Position des Linearantriebes immer wieder ausgleicht. Das erhöht die Präzision der Operation.
Sehr vorteilhaft ist es, den Linearantrieb rückstoßgedämpft auszuführen, weil dadurch Schwingungen vermieden werden, die sonst die Robotereinheit in schädlicher Weise belasten würde und die zu einem unruhigen Bewegungsablauf des Bearbeilungswerk- zeuges führen würde. Dabei ist die zweckmäßige Ausführung der Stoßdämpfung des oszillierenden Linearanlriebes äußerst einfach im Aufbau und damit kostengünstig in der Herstellung.
Die Erfindung soll anhand eines Ausfuhrungsbeispieles näher erläutert werden. Dazu zeigen:
Fig. 1: eine vereinfachte Ansicht einer Robotereinheit mit dem erfindungsgemäßen chirurgischen Instrument zum Bearbeiten einer knöchernen Struktur in der Ausgangslage gegenüber einem Femur,
Fig. 2: das chirurgische Instrument zum Bearbeiten einer knöchernen Struktur und der Femur in einer vergrößerten Ansicht,
Fig. 3: das chirurgische Instrument in einer Schnilldarstellung und
Fig. 4: eine Baugruppe des chirurgischen Instrumentes in einer Ansicht. Ein Präzisionsroboler, wie er in der Medizintechnik allgemein zur Anwendung kommt, besteht im wesentlichen aus einer Robotereinheit, einem S teuer ungsrechner und einer Bedieneinheit, die zu einer Geräleeinheit ausgeführt sind. Ein solcher Roboter ist in seinem Aufbau so bekannt, dass an dieser Stelle auf eine zeichnerische Darstellung verzichtet wurde.
Kernstück der Robotereinheit ist eine Instrumentenlrägereinheit 1, die beispielhaft gemäß der Fig. 1 als ein Hexapod mit einer parallelen Kinematik und sechs Freiheitsgraden ausgerüstet ist. Diese Instrumentenlrägereinheit 1 symbolisiert in der nachfolgenden Ausführungsbeschreibung den gesamten Roboter.
Die Inslrumentcnträgcreinhcit 1 besteht bekanntermaßen aus einer Gestellplatte 2 mit einem nicht dargestellten Führungsschlitten für den Anschluss an die Robotergeräteeinheit und aus einer Arbeitspläne 3. Die Gestellplatte 2 und die Arbeitspläne 3 sind über sechs Linearantriebe 4 gelenkig miteinander verbunden, die in einer derartigen Weise ausgerichtet und an der Gestellplatte 2 und der Arbeitsplatte 3 befestigt sind, dass sie eine geschlossene Gelenkkette ausbilden.
Die einzelnen Linearantriebe.4 eines in der Medizintechnik eingesetzten Präzisions- ro boters werden in der Regel elektrisch betrieben und besitzen demnach eine einerseits angelenkle Gewindespindel mit einer definierten Länge und eine andererseits angelenkten Gewindemulter und einen gesteuerten Elektromotor. Mit diesem elektrischen Antriebs- und Steuersystem kann ein kontrollierter Bewegungsablauf jedes einzelnen Line- aranlriebes 4 erzeugt werden. Im Zusammenspiel aller sechs Linearantiϊebe 4 ist so eine von der Bedieneinheit des Roboters signalisierte Bewegung der Arbeitsplatte 3 mit höchster Genauigkeit möglich.
Diese Bewegung der Arbeitsplatte 3 wird durch ein zusätzliches Überwachungssystem kontrolliert, dass aus mindestens drei nicht extra kenntlich gemachten, längenveränderlichen Messstrecken gebildet wird, die unabhängig von den Linearantrieben 4 und in besonderer Weise an der Gestellplatte 2 und der Arbeitspläne 3 angelenkl sind. Die Längenveränderungen der einzelnen Messstrecken werden sensorisch erfasst, ausgewertet und mit dem gewollten Bewegungsablauf der Arbeitspläne 3 verglichen. Die Arbeitspläne 3 ist mit einer Instrumentenaufnahmeeinheit 5 für ein chirurgisches Instrument 6 ausgerüstet. Diese Instrumentenaufnahmeeinheit 5 ist starr mit der Arbeitsplatte 3 verbunden. Auf der Instrumentenaufnahmeeinheit 5 befindet sich ein linear verfahrbarer Inslrumentenschlitlen 7, auf dem das chirurgische Instrument 6 mittels nicht dargestellter Befestigungselemente in gesicherter Weise aufgesetzt ist. Dieser In- slrumentenschlitten 7 ist mit einem Kraft-Momenten-Sensor ausgerüstet, der einerseits auf die Kraft- bzw. Momentenaufnahme am chirurgischen Instrument 6 ausgerichtet ist und der andererseits über einen Regelkreis mit der Robotereinheit verbunden ist. Damit regelt sich die Vorschubgeschwindigkcil des chirurgischen Instrumentes 6 in Abhängigkeit von den am chirurgischen Instrument 6 auftretenden Kräften. Mit der Drehbarkeit und der Schwenkbarkeil der Arbeitspläne 3 und mit der linearen Verfahrbarkeit des Instrumentenschliltens 7 gegenüber der Inslrumentenaufnahmeein- heil 5 kann das chirurgische Instrument 6 in eine optimale Grundposition gebracht werden. Das chirurgische Instrument 6 besieht aus einem oszillierenden Linearantrieb 8 und einem zerspanenden Bearbeitungswerkzeug 9, die beide über eine Schnellverschlusskupplung 10 miteinander verbunden sind. Dabei ist der oszillierende Linearanlrieb 8 mit einer Rückstoßdämpfung ausgerüstet.
Wie insbesondere die Fig. 2 näher zeigt, ist der oszillierende Linearantrieb 8 einerseits mit der Schnellverschlusskupplung 10 ausgerüstet und besitzt andererseits einen Handgriff 11 und einen Bedienhebel 12. Der Bedienhebel 12 kann natürlich auch mit einer Fernbedienung verbunden sein. Im Bereich des Handgriffes 11 befindet sich ein An- schluss 13 für die Druckluftzuführung und eine Auslassöffnung 14 für die verbrauchte Druckluft. In besonderer Weise ist diese Auslassöffnung 14 vom zu operierenden Patienten weggerichtet.
Das zerspanende Bearbeitungswerkzeug 9 ist vorzugsweise als eine Raspel ausgebildet und besitzt auf dem ganzen Umfang verteilte Bearbeilungszähne. Dabei ist das Bearbeitungswerkzeug 9 äußerlich in der Form des später in den Femur 15 einzusetzenden Ge- lenkfußes ausgebildet und als ein Satz von mehreren einzelnen, in ihrer Größe gestaffelten Bearbeitungswerkzeugen 9 zusammengestellt.
Auf dem Inslrumentenschlitten 7 oder dem Linearanlrieb 8 ist ein Positionssensor 16 ausgerichtet, der die Position dieser Baueinheit in allen seinen Freiheitsgraden erfasst. Ein weiterer Positionssensor 17 ist dem Femur 15 zugeordnet, der in gleicher Weise die Position des Femurs 15 registriert. Beide Positionssensoren 16, 17 sind mit einer Auswerteeinheit 18 gekoppelt, die innerhalb eines Regelkreises mit der Robotereinheit verbunden ist.
Der oszillierende Lincarantricb 8 besitzt gemäß der beiden Fig. 3 und 4 ein nur symbolisch dargestelltes Gehäuse 19, in dem ein Kammerkolben 20 und ein Kammerdeckel 21 angeordnet smd. Der Kammerkolben 20 stützt sich roboterseitig über eine Druckfeder 22 vom Gehäuse 19 ab und der Kammerdeckel 21 wird von einer sich werkzeugseitig vom Gehäuse 19 abstützenden Druckfeder 23 belastet. Der Kammerdeckel 21 trägt außerhalb des Gehäuses 19 das Bearbeitungs wergzeug 9. Dabei sind die Massen der bewegten Einzelteile und die Kennwerte der beiden Druckfedern 22, 23 so aufeinander abgestimmt, dass die Feder- Massen- Verhältnisses des Kammerkolbens 20 und der Druckfeder 22 einerseits sowie des Bearbeilungswerkzeuges 9, des Kammerdeckels 21 und der Druckfeder 23 andererseits gleich groß sind.
Der Kammerkolben 20 und der Kammerdeckel 21 sind auf einer gemeinsamen Achse gleitend geführt und bilden zwischen sich eine volumenveränderliche Kammer 24 aus, die über einen mittigen Luftzufuhrkanal 25 Anschluss an eine nicht dargestellten Druckluftquelle hat und die über radiale Luftauslritlsöffnungen 26 und ein nicht dargestelltes Luftrückführungssystem mit der Atmosphäre verbunden ist. Dabei sind die Luftauslritlsöffnungen 26 in ilirem Offnungsquerschnitt veränderbar in der Alt ausgeführt, dass die Luftaustrittsöffnungen 26 in Richtung einer sich verkleinernden Kammer 24 schließen und in entgegengesetzter Richtung öffnen. Zur Herstellung einer Kavität in einem Femur 15 für die Hüftendoprothetik wird zunächst die vorbereitete Position und Lage des Femurs 15 ausgemessen und vom Rechner des Roboters erfasst und gespeichert. Danach wird die Tiefe der einzubringenden Kavität bestimmt und ebenfalls erfasst und gespeichert. Mit diesen Datenspeicherungen wird anschheßend das chirurgische Instrument 6 mit Hilfe der Instrumententrägereinheit 1 des Präzisionsroboters und dem einstellbaren Inslrumentenschlitten 7 in seine optimale Ausgangsposition positioniert und auf die vorprogrammierte Bearbeitungslinie ausgerichtet. Danach befindet sich der Instrumenlenschlitlen 7 auf einer Mittellinie mit dem Femur und in einem solchen Abstand vom Femur, dass eine problemlose Bestückung bzw. ein Wechsel des Bearbeitungswerkzeuges 9 möglich ist.
Der oszillierende Linearantrieb 8 des chirurgischen Instruments 6 wird zunächst mit der kleinsten Ausführung des Bearbeitungswerkzeuges 9 bestückt. Mit der Inbetriebnahme der Robotereinheit wird Druckluft auf den oszillierenden Linearantrieb 8 gegeben, die über den Luflzufuhrkanal 25 bis zur volumenveränderlichen Kammer 24 gelangt. Dabei baut sich in der Kammer 24 ein entsprechender Druck auf, der den Kammerkolben 20 und den Kammerdeckel 21 über einen gleichgroßen Weg auseinander treibt. Mit dieser gleichen aber entgegengerichteten Bewegung öffnen die radialen Luftaustriltsöffnungen 26, sodass die eingeschlossene Druckluft über das Luft- rUcklührungssyslem in die Atmosphäre freigegeben wird und sich der Druck in der Kammer 24 entspannt. Dadurch bewegen sich der Kammerkolben 20 und der Kammerdeckel 21 wieder aufeinander zu, bis die Luflaustrittsöffnungen wieder schließen und sich wieder ein Druck in der Kammer 24 aulhaut. Diese Vorgang wiederholt sich, solange Druckluft anliegt.
Mit dieser Oszillationsbewegung des Kammerdeckels 21 und damit des Bearbcilungs- werkzeuges 9 und der vom Instrumentenschlitten 7 ausgehenden Vorschubbewegung des Linearantriebes 8 wird das Bearbeitungswerkzeug 9 in einem ersten Arbeilsgang in das Knochenmark des Femurs 15 eingetrieben. Dabei wird die Vorschubbewegung vom Rechner des Roboters mit Hilfe des Kraftsensors im Instrumentenschlitten 7 überwacht und gesteuert und gegebenenfalls so korrigiert, dass die Vorschubgeschwindigkeit mit zunehmender Kraft abnimmt. Bei einer fehlenden Kraft schaltet sich der Eilvorschub ein.
Diesem ersten Arbeitsgang folgen in gleicher Weise weitere Arbeitsgänge mit jeweils größeren Bearbeitungswerkzeugen 9, bis mit dem am Größten ausgeführten Bearbeitungswerkzeug 9 die gewünschte Kavität in der erforderlichen Größe und Länge hergestellt ist.
Während des gesamten Bearbeitungsvorganges werden über den Positionssensor 16 und über den Positionssensor 17 die räumhche Relativposilion des Linearantriebes 8 und des Femurs 15 zueinander überwacht und notfalls, wenn sich die Position des Femurs 15 aus ungewollten Gründen verändert, die Position des Linearantriebes 8 so korrigiert, bis wieder die programmgemäße Relativposition hergestellt ist. Anschließend folgen in bekannter Weise die weiteren erforderlichen Operationshandlungen der Hüflendoprolhetik.
Liste der Bezugszeichen
1 Instrumententrägereinheit
2 Gestellplane
3 Arbeitspläne
4 Linearantrieb
5 Instrumentenaufnahmeeinheit
6 chirurgisches Instrument
7 Instrumentenschlilten
8 oszillierender Linearanlrieb
9 Bearbeilungswerkzeug
10 Schnellverschlusskupplung
11 Handgriff
12 Bedieneinheit
13 Anschluss für die Druckluflzuführung
14 Auslassöffnung
15 Femur
16 Positionssensor für den Lineaiantricb
17 Positionssensor für den Femur
18 Auswerleeinheil für die Positionssensoren
19 Gehäuse der Lineareinheit
20 Kammerkolben
21 Kammerdeckel
22 Druckfeder des Kammerkolbens
23 Druckfeder des Kammerdeckels
24 Volumenveränderliche Kammer
25 Luftzufuhrkanal
26 Luftaustritlsöffnung

Claims

Patentansprüche
1. Chirurgisches Instrument zum Bearbeiten einer knöchernen Struktur, bestehend aus einem Linearantrieb (8) und einem vom Linearantrieb (8) antreibbaren und linear beweglichen Bearbeitungswerkzeug (9), dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (8) für eine oszillierende und rück- sloßgedämpfle Bewegung ausgelegt ist und dazu einerseits eine Schnellverschlusskupplung (10) zur Aufnahme des Bearbeitungswerkzeuges (9) und andererseits eine Inslru- menlenaufnahmeeinheit (5) zur Verbindung mit einer Instrumentenlrägereinheit (1) eines Roboters besitzt, wobei die Instrumentenaufnahmeeinheit (5) mit einem, die Vorschubbewegung regelnden Kraft-Momenten-Sensor ausgerüstet ist.
2. Chirurgisches Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oszillierende Linearantrieb (8) mit einem ersten Positionssensor (16) und die knöcherne Struktur mit einem zweiten Positionssensor (17) ausgerüstet sind und beide Positionssensoren (16, 17) mit einer Auswerteeinheit (18) verbunden sind, die im Zusammenwirken mit der Robotereinheit die räumliche Relativposition zwischen dem Linearantrieb (8) und der knöchernen Struktur überwacht und durch Veränderung der Position des Linearantriebes (8) konstant hält.
3. Chirurgisches Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (8) pneumalisch betrieben wird.
4. Chirurgisches Instrument nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der pneumatische Linearantrieb (8) eine vom Patienten weggerichlele Auslassöffnung (14) für die verbrauchte Druckluft besitzt.
5. Chirurgisches Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (8) über einen linear verfahrbaren Instrumentenschlitten (7) mit der Arbeitsplatte (3) der Instrumententrägereinheit (1) verbunden ist.
6. Chirurgisches Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (8) aus einem roboterseitig federnd gelagerten Kammerkolben (20) und einem werkzeugseitig federnd gelagerten Kammerdeckel (21) besteht, die auf einer gemeinsamen Achse gleitend zueinander gelagert sind und die zwischen sich ein volumenveränderliche Kammer (24) ausbilden, wobei in der Kammer (24) wechselweise Druck auf- und abgebaut wird und die Massen der bewegten Einzelteile und die Kennwerte der beiden Druckfedern (22, 23) so aufeinander abgestimmt sind, dass das Feder-Massen- Verhältniss des Kammerkolbens (20) und der Druckfeder (22) einerseits sowie des Bearbeitungswerkzeuges (9), des Kammerdeckels (21) und der Druckfeder (23) andererseits ausgeglichen ist.
7. Chirurgisches Instrument nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Instrumententrägereinheit (1) des Roboters als ein Hexapod mit sechs Freiheitsgraden ausgestattet ist.
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