WO2007019870A1 - Processing system for the treatment of a bone of a living body - Google Patents

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WO2007019870A1
WO2007019870A1 PCT/EP2005/008775 EP2005008775W WO2007019870A1 WO 2007019870 A1 WO2007019870 A1 WO 2007019870A1 EP 2005008775 W EP2005008775 W EP 2005008775W WO 2007019870 A1 WO2007019870 A1 WO 2007019870A1
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WO
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sonotrode
processing system
implant
bone
tool
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/008775
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German (de)
French (fr)
Inventor
Diethard Fohr
Achim Hess
Original Assignee
A & M Electric Tools Gmbh
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Publication date
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    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/16Bone cutting, breaking or removal means other than saws, e.g. Osteoclasts; Drills or chisels for bones; Trepans
    • A61B17/1662Bone cutting, breaking or removal means other than saws, e.g. Osteoclasts; Drills or chisels for bones; Trepans for particular parts of the body
    • A61B17/1664Bone cutting, breaking or removal means other than saws, e.g. Osteoclasts; Drills or chisels for bones; Trepans for particular parts of the body for the hip
    • A61B17/1668Bone cutting, breaking or removal means other than saws, e.g. Osteoclasts; Drills or chisels for bones; Trepans for particular parts of the body for the hip for the upper femur
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    • A61B2017/320072Working tips with special features, e.g. extending parts
    • A61B2017/320078Tissue manipulating surface

Definitions

  • the invention relates to a processing system for treating a bone of a living body with the features according to the preamble of claim 1, a use of this processing system and a use of an implant.
  • implants are inserted into the bones of the body.
  • Such implants may be, for example, parts of artificial hip joints, anchors for artificial teeth, nails for fixing complicated fractures or the like.
  • drilling holes are introduced into the exposed and prepared bone, which are provided for receiving a mounting portion of the implant.
  • Drills of known construction generate a rotational movement of the drill, which cuts or cuts the receiving bore with a circular cross-section in the bone material.
  • the implant is inserted with its Befest Trentsabs ⁇ hnitt in the prepared receiving bore. After a process of wound healing, the bone injured by the receiving bore grows around the implant.
  • the execution of the receiving bore and the associated injury of the bone material can u. U. cause significant impairment of the living organism.
  • the required size of the circular bore cross section can weaken the bone excessively and lead to impairments in resilience.
  • the resulting frictional heat must be observed, which must not exceed a limit of, for example, 50 ° C in view of the risk of protein clotting. Compliance with the required hygienic conditions is difficult.
  • the invention has for its object to provide a processing system with which a targeted treatment of a bone can be done while minimizing the inevitable injury to the bone material.
  • the invention is further based on the object to solve a bone-fixed implant simplified.
  • the invention is still based on the object of specifying a suitable drilling tool for drilling the receiving bore in the bone. This object is achieved by using the implant as a drilling tool having the features of claim 16.
  • the tool is designed as in at least one natural frequency resonating sonotrode.
  • the machine tool has a vibration exciter acting on the sonotrode.
  • the natural vibration frequency of the sonotrode held on the machine tool and the excitation frequency of the vibration exciter are coordinated with one another to produce a resonant oscillation of the sonotrode.
  • the excitation frequency and the natural vibration frequency are preferably above 10 kHz and in particular in the ultrasonic range.
  • the vibration generator is expediently designed as a piezoelectric exciter.
  • a boring section of the sonotrode has the form of a fastening section of the implant accommodated in the bone by the receiving bore.
  • a targeted treatment of a bone can be carried out with minimal damage to the bone material.
  • the sonotrode clamped in the machine tool is vibrated by the vibration exciter in natural vibration or in resonance, wherein at least one natural vibration of the sonotrode is preferably excited in the axial direction.
  • several eigenmodes can be stimulated simultaneously, whereby, for example, longitudinal, bending and / or torsional vibrations can be set in any suitable combination.
  • the sonotrode which is so naturally vibrated, is brought to the bone.
  • the sonotrode acts as a processing tool due to its high-frequency vibration and contributes as a result their vibratory interaction with the bone from the bone material.
  • the bone material is accurately copied precisely in the form of a negative image of the fastening section, without requiring any shaping intervention by the operator.
  • the receiving bore is formed as a negative image of the drill section and thus of the attachment portion into which the implant is then inserted.
  • the same shape of sonotrode and implant can here mean identity of the outer dimensions, according to which the implant is received without play in the receiving bore.
  • the implant is driven into the receiving bore and clamped under bias held in the bone.
  • the implant is driven into the receiving bore and clamped under bias held in the bone.
  • the sonotrode as an implant or when using the implant as a sonogram.
  • the bone removal takes place precisely in the contour of the attachment section of the implant to be received by the bone.
  • a receiving bore in the bone forms, which encloses the attachment section of the implant contour-accurate and backlash-free. It is exactly the amount of bone removed, which is required to receive the implant.
  • the removal of the bone material and thus the injury of the bone is reduced to the minimum required.
  • the contour-accurate execution of the receiving bore also avoids the formation of areas with too narrow a cross-section, which can otherwise lead to a tension of the bone relative to the implant used.
  • the bone is weakened as little as possible by the introduced bore and receives after implanting the implant a maximum load capacity.
  • the implant After the preparation of the receiving bore, the implant can remain directly in the receiving bore without further removal, whereby the risk of wound contamination is reduced.
  • additional, cavity-filling cement can be dispensed with.
  • For the healing process and a safe, resilient ingrowth of the implant only an extremely small amount of bone material must be replicated, whereby the burden on the living organism is minimized.
  • the processing system according to the invention can also be used for releasing the inserted or ingrown implant.
  • the machine tool is for example to a Prosthesis implant or an inserted bone nail attached, wherein the implant is set in resonance vibration. As a result, this dissolves from the surrounding bone material without the receiving hole increases. The implant can be removed without additional damage to the bone.
  • the machine tool comprises a device for statically fixed and in particular rotationally fixed, releasable clamping of the sonotrode.
  • the attachment portion of the implant which is provided for insertion into the receiving bore of the bone, and also the bore portion of the sonotrode provided with an at least partially non-circular cross-section.
  • the receiving bore is produced solely by their natural vibration, which also receives a non-circular cross-section.
  • the non-circular cross-section of attachment portion and receiving bore causes a positive rotation.
  • the sonotrode and also the attachment portion of the implant is provided with at least one projection, which protrudes radially relative to a longitudinal axis of the attachment portion for generating an undercut.
  • the sonotrode with the radially projecting projection in the axial direction is introduced into the bone material.
  • a common rotation of the machine tool and the sonotrode can take place, as a result of which the projection excited to vibrate is received in the receptacle. Mebohrung an undercut training.
  • an undercut between the projection of the implant and the receiving bore forms, which secures the implant in the axial direction in a form-fitting manner.
  • the implant is securely held in place and secured against an unintentional reli-displacement.
  • the sonotrode is provided with a suction / irrigation channel.
  • a cooling liquid can be rinsed during the drilling process, which keeps the temperature of the sonotrode and the surrounding bone material within limits and thus avoids protein coagulation. It may be provided a closed cooling circuit without wound contact.
  • the cooling liquid or cooling air is expediently pumped into the receiving bore through a section of the suction / irrigation channel extending on the inside of the sonotrode, which allows a suitable irrigation pressure without excessive leakage losses.
  • a position-independent supply of the flushing medium is possible, which is safe even when lying patient or horizontally mounted holes.
  • a further section of the suction / flushing channel is designed as an externally open channel.
  • the channel expediently extends obliquely to the longitudinal axis of the sonotrode and in particular helically around the sonotrode.
  • the cooling and rinsing effect adjusts to the entire processing surface.
  • the oblique, in particular helical course prevents the contour of the channel-shaped suction / irrigation channel during axial feed of the sonotrode on the working surface or the bore wall is formed. It may also be advantageous to provide a reverse flow direction. watch sucked off at the cooling liquid or air. In both cases, in addition to the cooling also a rinsing occurs, which eliminates worn bone material.
  • the clamping device preferably has a plurality of holding means for receiving different sonotrodes. Especially in the execution of mounting holes with complex geometry or multi-part implants are different sonotrodes without major retooling the drill for the surgeon directly available. The work progress when applying the sonotrode (s) is increased, which helps to relieve the patient.
  • the tensioning device is revolver-like designed with respect to a housing of the machine tool rotatable. If a change between different sonotrodes should be necessary, this can be manufactured with a simple handle.
  • the rotatability of the clamping device also allows a relative orientation of the currently active sonotrode with respect to the machine tool according to any choice of the user. In difficult-to-reach places, the clarity and, consequently, the accuracy of the bore or other machining execution can be increased.
  • the sonotrode is expediently arranged with its drilling section eccentrically to a central axis of the machine tool.
  • the machine tool need not be kept in alignment with the bore to be executed. The space requirement or the size of the exposed surgical wound opening is reduced.
  • FIG. 1 is a perspective view of a first embodiment of a processing system according to the invention with a piezoelectric machine tool and a sonotrode clamped thereto for producing a receiving bore for an implant using the example of a hip joint prosthesis,
  • FIG. 3 shows a perspective view of an implant which is inserted into a receiving bore made in a bone with the sonotrode according to FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a perspective schematic representation of a further exemplary embodiment of the implant in the region of its attachment section with two projections projecting radially from it;
  • Fig. 5 is a schematic representation of the bone to be treated with a cross-sectional view of the implant of FIG. 4 in use as a drilling tool after carrying out the receiving bore to form an undercut.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a first embodiment of a packsssys- invention 3, which is provided for producing a receiving bore 20 shown schematically in FIG. 3 in a bone 19 of a living body for an implant 23 (FIG. 3).
  • the processing system comprises a processing tool 1, a hand-held machine tool 2 and the implant 23.
  • the machine tool 2 has a housing 8, in which a not shown in detail, executed in the form of a piezoelectric vibrator 4 is arranged.
  • a control electronics and an electrical power supply (not shown) for the vibration generator 4 are arranged in a separate housing, also not shown, and connected via supply cable.
  • a mains voltage supply or a battery can be provided.
  • a rear handle 14 is formed at the end of the housing 8 facing away from the machining tool 1, a rear handle 14 is formed.
  • a second, front handle 15 is fastened by means of a quick-clamping device 16 and can be pivoted about a longitudinal axis 13 of the housing 8 after loosening the Sehne11Spann worn 16 to achieve an ergonomic handle assembly.
  • a clamping device 5 is provided, on which the machining tool 1 is releasably secured.
  • the clamping device 5 carries a total of four indicated holding means 17 for receiving various tools 1, in which case the better overview sake of half only a machining tool 1 is shown clamped.
  • the clamping device 5 is revolver-like with respect to the housing 8 of the machine tool 2 rotatable about a longitudinal axis 13 of the machine tool 2 and locked in a desired angular position, so that the user can set the machining tool 1 in a desired relative angular position relative to the housing 8 before starting work.
  • this selected rotational position is fixed - the tensioning device 5 does not rotate rotationally about the longitudinal axis 13.
  • a drilling section 24 of the machining tool 1 lies with its longitudinal axis eccentrically parallel to the longitudinal axis 13 of the machine tool 2.
  • the machining tool 1 is statically fixed to the associated holding means 7 of the clamping device 5 and in particular rotationally fixed, but releasably clamped.
  • the machining tool 1 is embodied as a sonotrode 3 oscillating elastically in at least one natural frequency.
  • the vibration exciter 4 and the sonotrode 3 are matched to one another such that the exciter frequency of the vibration exciter 4 corresponds at least approximately to a natural vibration frequency of the sonotrode 3 held on the tensioning device 5.
  • the vibration generator 4 generates an excitation oscillation, which is preferably a translatory oscillation in the direction of the longitudinal axis 13.
  • the excitation vibration generated by the vibration generator 4 is transmitted to the sonotrode 3 by means of the tensioning device 5.
  • gene which begins due to their tuned natural frequency in at least one eigenform to swing and thereby gets into resonance.
  • a vote is made such that either the horn 3 is uniformly excited to a natural vibration, or that sets a natural mode, in particular in a drilling section 24 at a free end of the sonotrode 3 areas with pronounced Form vibration amplitude.
  • the drilling section 24 at the free end of the sonotrode 3 is provided in the bone 19 for producing a receiving bore 20 indicated schematically in FIG. 3.
  • the excitation frequency of the vibration generator 4 and the thus excited natural frequency of the sonotrode 3 are both above 10 kHz and are in the illustrated embodiment in the ultrasonic range, here preferably at about 20 KHz.
  • the control electronics described above has a control circuit which continuously adapts the exciter frequency to the inherent oscillation frequency which changes within certain limits. Wear on the sonotrode 3, temperature-related changes in length or a clamping effect of the sonotrode 3 resting on the bone material, which have an effect on the natural frequency, are compensated.
  • a basic tuning of the sonotrode 3 to the exciter frequency of the vibration exciter 4 takes place by introducing a tuning recess 25 at the free end of the sonotrode 3.
  • the sonotrode 3 in particular in its drill section 6 has a non-round, in the embodiment shown approximately rectangular cross-section. It can also be any other cross-sectional shapes in preferably non-circular, but possibly also be round or conical or cylindrical configuration advantageous.
  • the sonotrode 3 is still provided with a suction / irrigation channel, which is not shown here in detail for the sake of clarity, and in its embodiment corresponds to the suction / irrigation channel 12 according to FIG.
  • FIG. 1 Another embodiment of a sonotrode 3 is shown in a perspective view in FIG.
  • a circular disk-shaped retaining flange 26 of the sonotrode 3 is provided for attachment to one of the retaining means 7 according to FIG.
  • the circular-section-shaped flange 26 is adjoined by the drill section 24, the cross-section of which continuously tapers in the vertical direction and in the direction of the free end. In the width direction, the cross section remains substantially constant.
  • the sonotrode 3 is provided with a suction / irrigation channel 12, which is guided on the inside by the sonotrode 3 with a channel portion 30 according to the representation indicated by dashed lines and opens into the free end of the sonotrode 3.
  • a further channel section 31 of the suction / flushing channel 12 extends on the outside of the drilling section 24 of the sonotrode 3 and is open towards the free end and also to the peripheral side of the sonotrode 3.
  • the open area of the suction / flushing channel 12 is bounded on the outside by the receiving bore 20 in the bone 19 (FIG. 3).
  • the direction of flow may, if necessary, be selected by the machine tool 2 in the direction of the free end of the sonotrode 3 or in the opposite direction, whereby in the first case, a blowing and in the second case, a sucking flushing flow.
  • the flushing medium is preferably pumped in the direction of arrows 32 centrally through the inner channel section 30 into the receiving bore 20 (FIG. 3) and from there back through the outer channel section 31.
  • the flushing pressure is suitably smaller than '10OkPa, in order to prevent absorption of the flushing medium through the bone 19 and the blood vessels located therein.
  • trough-shaped suction / flushing channel 12 may also be a closed execution appropriate, which is open only at the free end of the sonotrode 3. It may also be advantageous to provide an internally closed channel in which a coolant circulates.
  • the running in the form of an outwardly open channel suction / flushing channel 12 extends helically around the sonotrode 3 around and extends over the entire length of the drill section 24.
  • the helical circulation causes the suction / irrigation channel 12 not to the machined surfaces at axial feed.
  • the cross-sectional contour of the receiving bore 20 (FIG. 3) to be machined is formed during axial feed by the likewise helical sections of the drill section 24 lying between the helices of the suction / irrigation channel 12. In place of a helical circulation even a slight inclination of the channel portion 31 may be appropriate. Also, a design with a plurality of fluidically parallel channel sections 31 may possibly be advantageous.
  • Width and depth of the suction / flushing channel 12 can be adjusted within certain limits, thereby also effecting a tuning of the resonance frequency of the sonotrode 3 to the excitation frequency of the vibration generator 4 (FIG. 1).
  • the suction / irrigation channel 12 also acts as a tuning recess 25.
  • a coupling between two vibrational degrees of freedom can also be effected.
  • the helical shape of the suction / irrigation channel leads to a coupled torsional vibration of the drilling section 24, which, with suitable tuning, can also resonate.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of an implant 23, which is designed as part of a hip joint prosthesis.
  • the implant 23 comprises a fastening section 6, which is held in a receiving bore 20 in the bone 19.
  • the length of the attachment portion 6 is about 100 mm. From a sawed for example with the machine tool 2 of FIG. 1 end face 28 of the bone 19 protrudes only a retaining pin 27 for a ball joint, not shown.
  • the attachment portion 6 corresponds in its enveloping shape at least approximately exactly to the bore portion 24 of the sonotrode 3 of FIG. 1. It lacks only the formation of the suction / flushing channel 12th
  • FIGS. 1 to 3 a method for inserting the implant 23 into the bone 19 of a living body will be described below.
  • the free end of the bone to be drilled 19 (Fig. 3) introduced.
  • the drilling section 24 (FIG. 2) oscillates in at least one natural frequency and thus carries material out of the bone 19 (FIG. 3) in accordance with the transverse and longitudinal contour of the bore section 24.
  • a feed is carried out by hand in the axial direction. Further movements of the sonotrode 3 are not provided. In particular, the sonotrode 3 does not spin. Also forming tilting or pivoting movements or a lateral guide are not provided.
  • the sonotrode 3 according to FIG. 2 is designed as a pre-machining tool, with which the receiving bore 20 (FIG. 3) is prepared. In a step-like machining is then carried out a further drilling with the sonotrode 3 shown in Fig. 1 in the same manner previously described.
  • the sonotrode 3 shown in FIG. 1 is in the region of its drill section 24 with respect to. the outer contour geometrically performed almost identical to the attachment portion 6 of the implant 23 shown here in Fig. 3.
  • the receiving bore executed by the drilling section 24 (FIG. 1) thus corresponds in its contour to the shape of the fastening section 6 held therein almost identically.
  • the bone material in the bone 19 (FIG. 3) is exactly removed in the shape that corresponds to the contour of the attachment section 6 (FIG. 3) in the longitudinal and transverse directions, with the receiving bore 20 (FIG. 3) being guided solely by the axial advance the sonotrode 3 forms a negative image of the fixing portion 6. Meanwhile, a coolant is conveyed through the suction / flushing channel 12 as shown in FIG. 2, whose flow adjacent to the channel-shaped, radially outwardly open suction / flushing channel 12 is also guided by the enclosing peripheral wall of the receiving bore 20 (FIG. The resulting coolant flow leads to a cooling of the implant 1 and the surrounding bone 19 and also exerts a rinsing effect on the ablated bone material.
  • the receiving bore 20 (FIG. 3) can be drilled with a suitable sonotrode 3, for example according to FIG. 2, and then the sonotrode 3 can be removed.
  • the machining process can be continued by utilizing the high-frequency natural oscillation with another sonotrode 3 clamped to one of the holding means 7 (FIG.
  • the receiving bore 20 (FIG. 3) is bored using the sonotrode 3 shown in FIG. 1, the implant 23 (FIG. 3) then being fastened with its fastening section 6 in the receiving bore 20 of the bone 19 (FIG ) can be used with an exact fit.
  • the receiving bore 20 encloses the fastening portion S at least approximately free of play. Only a free end 29 of the implant 23 can lie in a hollow or soft region of the bone 19.
  • Fig. 1 also shows that the drill portion 24 tapers in the direction of its free end.
  • the tapered peripheral walls serve as a drilling tool with increasing drill feed by successively expanding the drilled receiving bore 20 in the radial direction.
  • the radial widening of the receiving bore 20 can be reduced to a minimum.
  • ges undersize regarding. the cross-section of the mounting portion 6 are adjusted, so that the driven implant 23 is clamped under bias.
  • a radial undersize of the receiving bore 20 of about 0.15 mm is desired.
  • the illustration according to FIG. 3 also shows that the inserted implant 23 can thereby be removed from the bone 19, in which it is used as the sonotrode 3.
  • its protruding portion can be connected to the machine tool, wherein the implant 23 acts as a sonotrode 3. Excited to resonant vibrations, the implant 23 vibrates off the bone material and can be removed from the receiving bore 20.
  • FIG. 4 An alternative design of the sonotrode 3 or of the implant 23 is shown in FIG. 4 as a detail in the region of the attachment section 6. Accordingly, adjoining an approximately cylindrical shaft 17 of the attachment portion 6 at the free end of a hammer-shaped head through which two projections 9 are formed, which are diametrically opposite relative to a longitudinal axis 10 of the mounting portion 6 and radially to the longitudinal axis 10 on the peripheral contour of Mounting portion 6 protrude.
  • the schematic representation according to FIG. 4 shows, by way of example only, the arrangement of two radially protruding projections 9. It is at least one such radial projection 9 for the production to provide an undercut 11 shown in Fig. 5. However, it is also possible for any other number of protrusions 9 to be suitable, which can be varied in an application-specific manner in terms of their geometric configuration and also relative position to the fastening section 6.
  • FIG. 4 the method for introducing the receiving bore 20 initially in the same manner as described in connection with FIGS. 1 to 3.
  • a further method step results from the combination of FIGS. 4 and 5.
  • the embodiment of the implant 23 according to FIG. 4 is used in accordance with the representation of FIG. 5 in the manner described above as a sonotrode 3 or as a drilling tool.
  • the implant 23 clamped on the machine tool 2 (FIG. 1) forms the sonotrode 3, or finds use as a sonotrode 3 for drilling the receiving bore 20 indicated in FIG. 5 into the bone 19.
  • a cross section of the receiving bore 20 is formed, which is formed not only by the shaft 17 shown in cross-section, but by the peripheral contour of the shaft 17 together with the radially protruding projections 9.
  • the running machine tool 2 (FIG. 1) is pivoted together with the clamped implant 23 in a direction of rotation arranged by an arrow 22 about the longitudinal axis 10 of the fastening section 6, wherein the projections 9 excited to vibrate, depending on the size of the rotation angle form in the direction of rotation 22 indicated by a dashed line extended portion 21 of the receiving bore 20, in the corresponding drilling depth of the drilling tool 3 and the attachment portion. 6 lies.
  • the radially protruding projections 9 lie in this extended region 21 until they have reached the position 9 ', which is shown here only by way of example in a 90 ° rotation angle and may also have a different angle of rotation.
  • the implant 23 is secured in a form-fitting manner in the axial direction with respect to the longitudinal axis 10 and can thus remain in the receiving bore 20.
  • the sonotrode 3 and the implant 23 may also be expedient to design the sonotrode 3 and the implant 23 separately with comparable geometry, wherein the implant 23 is inserted in a bayonet-like manner after removal of the sonotrode 3 into the receiving bore 20 and is held in a form-fitting manner with the projections 9.
  • the arrangement shown can also be used for drilling simple holes, for cosmetic or surgical shaping of the bone.
  • the implant 23 other parts, special fasteners or the like. be used in the bones. It can also milling and sawing work and a separation of muscle, tendon, connective tissue or the like. be made.

Abstract

The invention relates to a processing system for treating a bone (19) of a living body. Said processing system comprises a tool (1) acting upon the bone (19) of the body, a manually guided machine tool (2) driving the tool (1), and an implant (23). The tool (1) is designed for creating a supporting bore (20) for the implant (23) in the bone (19). The tool (1) is configured as a sonotrode (3) which performs sympathetic oscillations at least at one natural frequency. The machine tool (2) is provided with a vibration generator (4) that acts upon the sonotrode (3). The natural oscillation frequency of the sonotrode (3) mounted on the machine tool (2) and the excitation frequency of the vibration generator (4) are synchronized in order to generate a sympathetic oscillation of the sonotrode (3). A boring section (24) of the sonotrode (3) has the shape of a fastening section (6) of the implant (6), which is accommodated in the bone (19) by means of the supporting bore (20).

Description

Bearbeitungssystem zur Behandlung eines Knochens eines lebenden Körpers Processing system for treating a bone of a living body
Die Erfindung betrifft ein Bearbeitungssystem zur Behandlung eines Knochens eines lebenden Körpers mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Verwendung dieses Bearbeitungssystems sowie eine Verwendung eines Implantats.The invention relates to a processing system for treating a bone of a living body with the features according to the preamble of claim 1, a use of this processing system and a use of an implant.
In der Chirurgie an lebenden menschlichen oder tierischen Körpern werden Implantate in den Knochen des Körpers eingesetzt. Solche Implantate können beispielsweise Teile von künstlichen Hüftgelenken, Anker für künstliche Zähne, Nägel zur Fixierung komplizierter Knochenbrüche oder dergleichen sein.In surgery on living human or animal bodies, implants are inserted into the bones of the body. Such implants may be, for example, parts of artificial hip joints, anchors for artificial teeth, nails for fixing complicated fractures or the like.
Mit einer geeigneten Bohrmaschine werden Aufnahmebohrungen in den freigelegten und vorbereiteten Knochen eingebracht, die zur Aufnahme eines Befestigungsabschnittes des Implantats vorgesehen sind. Bohrmaschinen bekannter Bauweise erzeugen eine Drehbewegung des Bohrers, der die Aufnahmebohrung mit einem kreisförmigen Querschnitt in das Knochenmaterial schneidet bzw. fräst. Anschließend wird das Implantat mit seinem Befestigungsabsσhnitt in die vorbereitete Aufnahmebohrung eingesetzt. Nach einem Prozeß der Wundheilung umwächst der durch die Aufnahmebohrung verletzte Knochen das Implantat.With a suitable drill mounting holes are introduced into the exposed and prepared bone, which are provided for receiving a mounting portion of the implant. Drills of known construction generate a rotational movement of the drill, which cuts or cuts the receiving bore with a circular cross-section in the bone material. Subsequently, the implant is inserted with its Befestigungsabsσhnitt in the prepared receiving bore. After a process of wound healing, the bone injured by the receiving bore grows around the implant.
Die Ausführung der Aufnahmebohrung und die damit verbundene Verletzung des Knochenmaterials kann eine u. U. erhebliche Beeinträchtigung des lebenden Organismus bewirken. Die erforderliche Größe des kreisförmigen Bohrungsguerschnittes kann den Knochen übermäßig schwächen und zu Beeinträchtigungen bei der Belastbarkeit führen. Bei der Ausführung der Bohrung ist die entstehende Reibungswärme zu beachten, die im Hinblick auf die Gefahr einer Einweißgerinnung ein Grenzmaß von beispielsweise 50° C nicht überschreiten darf. Die Einhaltung der erforderlichen hygienischen Bedingungen ist schwierig.The execution of the receiving bore and the associated injury of the bone material can u. U. cause significant impairment of the living organism. The required size of the circular bore cross section can weaken the bone excessively and lead to impairments in resilience. When carrying out the drilling, the resulting frictional heat must be observed, which must not exceed a limit of, for example, 50 ° C in view of the risk of protein clotting. Compliance with the required hygienic conditions is difficult.
Es kann auch erforderlich sein, eingesetzte bzw. eingewachsene Implantate wie verschlissene Hüftgelenksprothesen oder Nägel zur Fixierung eines komplizierten Knochenbruchs wieder zu entfernen. Auch eine solche Entfernung schädigt den Knochen und belastet den Patienten.It may also be necessary to remove inserted or ingrown implants such as worn hip joint prostheses or nails to fix a complicated bone fracture. Such removal also damages the bone and puts strain on the patient.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bearbeitungs- system anzugeben, mit dem eine zielgerichtete Behandlung eines Knochens unter Minimierung der unvermeidlichen Verletzung des Knochenmaterials erfolgen kann.The invention has for its object to provide a processing system with which a targeted treatment of a bone can be done while minimizing the inevitable injury to the bone material.
Diese Aufgabe wird durch ein Bearbeitungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .This object is achieved by a processing system having the features of claim 1.
Der Erfindung liegt des weiteren die Aufgabe zugrunde, ein im Knochen festsitzendes Implantat vereinfacht zu lösen.The invention is further based on the object to solve a bone-fixed implant simplified.
Diese Aufgabe wird durch eine Verwendung eines Bearbeitungs- systems mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.This object is achieved by using a processing system having the features of claim 15.
Der Erfindung liegt noch die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Bohrwerkzeug zum Bohren der Aufnahmebohrung in den Knochen anzugeben. Diese Aufgabe wird durch eine Verwendung des Implantats als Bohrwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.The invention is still based on the object of specifying a suitable drilling tool for drilling the receiving bore in the bone. This object is achieved by using the implant as a drilling tool having the features of claim 16.
Nach der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, daß das Werkzeug als in mindestens einer Eigenfrequenz in Resonanz schwingende Sonotrode ausgebildet ist . Die Werkzeugmaschine weist einen auf die Sonotrode wirkenden Schwingungserreger auf. Die Eigenschwingungsfrequenz der an der Werkzeugmaschine gehaltenen Sonotrode und die Erregerfrequenz des Schwingungs- erregers sind zur Erzeugung einer ResonanzSchwingung der Sonotrode aufeinander abgestimmt. Die Erregerfrequenz und die Eigenschwingungsfrequenz liegen bevorzugt oberhalb von 10 KHz und insbesondere im Ultraschallbereich. Der Schwingungserreger ist zweckmäßig als Piezoerreger ausgebildet. Ein Bohrabschnitt der Sonotrode weist die Form eines von der Aufnahme- bohrung im Knochen aufgenommenen Befestigungsabschnittes des Implantats auf.According to the arrangement according to the invention it is provided that the tool is designed as in at least one natural frequency resonating sonotrode. The machine tool has a vibration exciter acting on the sonotrode. The natural vibration frequency of the sonotrode held on the machine tool and the excitation frequency of the vibration exciter are coordinated with one another to produce a resonant oscillation of the sonotrode. The excitation frequency and the natural vibration frequency are preferably above 10 kHz and in particular in the ultrasonic range. The vibration generator is expediently designed as a piezoelectric exciter. A boring section of the sonotrode has the form of a fastening section of the implant accommodated in the bone by the receiving bore.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann eine zielgerichtete Behandlung eines Knochens unter minimaler Schädigung des Knochenmaterials erfolgen. Die in der Werkzeugmaschine eingespannte Sonotrode wird durch den Schwingungserreger in Eigenschwingung bzw. in Resonanz versetzt, wobei mindestens eine Eigenschwingung der Sonotrode bevorzugt in Axialrichtung angeregt wird. Bei einer geeigneten Form der Sonotrode und einer geeigneten Schwingungsanregung können auch mehrere Eigenformen gleichzeitig angeregt werden, wobei sich beispielsweise Längs-, Biege- und/oder Torsionsschwingungen in beliebiger geeigneter Kombination einstellen können. Die derart in Eigenschwingung versetzte Sonotrode wird an den Knochen herangeführt. Die Sonotrode wirkt durch ihre hochfrequente Schwingung als Bearbeitungswerkzeug und trägt infolge ihrer schwingenden Wechselwirkung mit dem Knochen das Knochenmaterial ab.With the arrangement according to the invention, a targeted treatment of a bone can be carried out with minimal damage to the bone material. The sonotrode clamped in the machine tool is vibrated by the vibration exciter in natural vibration or in resonance, wherein at least one natural vibration of the sonotrode is preferably excited in the axial direction. With a suitable form of the sonotrode and a suitable vibration excitation, several eigenmodes can be stimulated simultaneously, whereby, for example, longitudinal, bending and / or torsional vibrations can be set in any suitable combination. The sonotrode, which is so naturally vibrated, is brought to the bone. The sonotrode acts as a processing tool due to its high-frequency vibration and contributes as a result their vibratory interaction with the bone from the bone material.
Bei der geometrischer Ausbildung des Bohrabschnittes der So- notrode in Form des Implantat-Befestigungsabschnittes wird das Knochenmaterial exakt formgenau als Negativabbild des Befestigungsabschnittes abgetragen, ohne daß ein formgebendes Zutun des Bedieners erforderlich ist. Unter den räumlich beengten Verhältnissen beispielsweise beim Einsetzen einer Hüftgelenksprothese wird deutlich, daß der Operateur die Aufnahmebohrung nicht modellieren muß, sondern allein durch Ansetzen und Hineinführen der Sonotrode die Aufnahmebohrung formgenau erzeugt, ohne aufwändige Anpassungsarbeiten vornehmen zu müssen. Die Aufnahmebohrung bildet sich als Negativabbild des Bohrabschnittes und damit des Befestigungsabschnittes aus, in die das Implantat anschließend eingesetzt wird. Die gleiche Form von Sonotrode und Implantat kann hier Identität der äußeren Maße bedeuten, demnach das Implantat spielfrei in der Aufnahmebohrung aufgenommen wird. Es kann auch ein geringes Untermaß der Sonotrode gegenüber dem Implantat zweckmäßig sein. In diesem Falle wird das Implantat in die Aufnahmebohrung eingetrieben und klemmend unter Vorspannung im Knochen gehalten. In allen Fällen der erfindungsgemäßen Ausführung wird nur exakt diejenige Knochenmenge abgetragen, die zur Aufnahme des Implantats erforderlich ist. Die zur Heilung bzw. zum Festwachsen des Implantats erforderliche Menge an neu vom Organismus nachzubildendem Knochenmaterial ist minimiert. Die Belastung des lebenden Organismus ist auf ein Minimum reduziert.In the case of the geometrical design of the drilling section of the sootrode in the form of the implant fastening section, the bone material is accurately copied precisely in the form of a negative image of the fastening section, without requiring any shaping intervention by the operator. Under the cramped conditions, for example, when inserting a hip joint prosthesis it becomes clear that the surgeon does not need to model the receiving bore, but solely by attaching and inserting the sonotrode generates the receiving hole accurately, without having to make elaborate adjustment work. The receiving bore is formed as a negative image of the drill section and thus of the attachment portion into which the implant is then inserted. The same shape of sonotrode and implant can here mean identity of the outer dimensions, according to which the implant is received without play in the receiving bore. It may also be appropriate to a small undersize of the sonotrode relative to the implant. In this case, the implant is driven into the receiving bore and clamped under bias held in the bone. In all cases of the embodiment according to the invention only exactly that amount of bone is removed, which is required to receive the implant. The amount of new bone to be replanted by the organism to heal or grow the implant is minimized. The burden on the living organism is reduced to a minimum.
Auch bei einer bevorzugten Ausführung der Sonotrode als Implantat bzw. bei einer Verwendung des Implantats als Sono- trode erfolgt der Knochenabtrag exakt in der Kontur des vom Knochen aufzunehmenden Befestigungsabschnittes des Implantats. Mit zunehmendem Bohrfortschritt bildet sich eine Aufnahmebohrung im Knochen aus, die den Befestigungsabschnitt des Implantats konturgenau und spielfrei umschließt. Es wird exakt diejenige Knochenmenge abgetragen, die zur Aufnahme des Implantats erforderlich ist. Es entstehen keine Hohlräume zwischen dem Befestigungsabschnitt und der konturgenau sich darum herausbildenden Aufnahmebohrung. Der Abtrag des Knochenmaterials und damit die Verletzung des Knochens ist auf das erforderliche Mindestmaß reduziert. Die konturgenaue Ausführung der Aufnahmebohrung vermeidet darüber hinaus die Ausbildung von Bereichen mit zu engem Querschnitt, die ansonsten zu einer Verspannung des Knochens gegenüber dem eingesetzten Implantat führen können. Der Knochen ist durch die eingebrachte Bohrung geringstmöglich geschwächt und erhält nach dem Einwachsen des Implantats eine höchstmögliche Belastbarkeit.Also in a preferred embodiment of the sonotrode as an implant or when using the implant as a sonogram. The bone removal takes place precisely in the contour of the attachment section of the implant to be received by the bone. With increasing drilling progress, a receiving bore in the bone forms, which encloses the attachment section of the implant contour-accurate and backlash-free. It is exactly the amount of bone removed, which is required to receive the implant. There are no cavities between the mounting portion and the contour precisely around it emerging receiving bore. The removal of the bone material and thus the injury of the bone is reduced to the minimum required. The contour-accurate execution of the receiving bore also avoids the formation of areas with too narrow a cross-section, which can otherwise lead to a tension of the bone relative to the implant used. The bone is weakened as little as possible by the introduced bore and receives after implanting the implant a maximum load capacity.
Nach der Herstellung der Aufnahmebohrung kann das Implantat ohne ein weiteres Herausnehmen direkt in der Aufnahmebohrung verbleiben, wodurch die Gefahr einer Wundkontamination verringert ist. Auf die Zugabe von zusätzlichem, Hohlräume ausfüllendem Zement kann verzichtet werden. Für den Heilungsprozeß und ein sicheres, belastbares Einwachsen des Implantats muß nur eine äußerst geringe Menge an Knochenmaterial nachgebildet werden, wodurch die Belastung des lebenden Organismus minimiert ist.After the preparation of the receiving bore, the implant can remain directly in the receiving bore without further removal, whereby the risk of wound contamination is reduced. The addition of additional, cavity-filling cement can be dispensed with. For the healing process and a safe, resilient ingrowth of the implant only an extremely small amount of bone material must be replicated, whereby the burden on the living organism is minimized.
Das erfindungsgemäße Bearbeitungssystem kann auch für ein Lösen des eingesetzten bzw. eingewachsenen Implantats verwendet werden. Die Werkzeugmaschine wird dazu beispielsweise an ein Prothese-Implantat oder einen eingesetzten Knochennagel angesetzt, wobei das Implantat in ResonanzSchwingung versetzt wird. Dadurch löst sich dieses aus dem umgebenden Knochenmaterial, ohne daß sich das Aufnahmeloch vergrößert. Das Implantat kann ohne zusätzliche Schädigung des Knochens entfernt werden .The processing system according to the invention can also be used for releasing the inserted or ingrown implant. The machine tool is for example to a Prosthesis implant or an inserted bone nail attached, wherein the implant is set in resonance vibration. As a result, this dissolves from the surrounding bone material without the receiving hole increases. The implant can be removed without additional damage to the bone.
In bevorzugter Weiterbildung umfaßt die Werkzeugmaschine eine Vorrichtung zur statisch festen und insbesondere drehfesten, lösbaren Einspannung der Sonotrode. Zweckmäßig ist der Befestigungsabschnitt des Implantats, der zum Einsetzen in die Aufnahmebohrung des Knochens vorgesehen ist, und auch der Bohrabschnitt der Sonotrode mit einem zumindest abschnittsweise unrunden Querschnitt versehen. Ohne Eigendrehung der Sonotrode wird allein durch deren Eigenschwingung die Aufnahmebohrung hergestellt, die ebenfalls einen unrunden Querschnitt erhält . Zur Steigerung der Belastbarkeit wird der Befestigungsabschnitt des Implantats formschlüssig in der Aufnahmebohrung gehalten, wobei der unrunde Querschnitt von Befestigungsabschnitt und Aufnahmebohrung eine formschlüssige Verdrehsicherung bewirkt.In a preferred embodiment, the machine tool comprises a device for statically fixed and in particular rotationally fixed, releasable clamping of the sonotrode. Suitably, the attachment portion of the implant, which is provided for insertion into the receiving bore of the bone, and also the bore portion of the sonotrode provided with an at least partially non-circular cross-section. Without self-rotation of the sonotrode the receiving bore is produced solely by their natural vibration, which also receives a non-circular cross-section. To increase the load capacity of the attachment portion of the implant is positively held in the receiving bore, the non-circular cross-section of attachment portion and receiving bore causes a positive rotation.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Sonotrode und auch der Befestigungsabschnitt des Implantats mit mindestens einem Vorsprung versehen, der bezogen auf eine Längsachse des Befestigungsabschnitts zur Erzeugung eines Hinterschnitts radial hervorsteht. In einem ersten Arbeitsgang wird die Sonotrode mit dem radial hervorstehenden Vorsprung in axialer Richtung in das Knochenmaterial eingebracht. Anschließend kann in einem zweiten Arbeitsschritt eine gemeinsame Verdrehung von Werkzeugmaschine und Sonotrode erfolgen, infolge dessen der zur Schwingung angeregte Vorsprung in der Aufnah- mebohrung eine Hinterschneidung ausbildet . In dieser verdrehten Position bildet sich ein Hinterschnitt zwischen dem Vorsprung des Implantats und der Aufnahmebohrung aus, die das Implantat in axialer Richtung formschlüssig sichert. Insbesondere während der Heilungsphase ist das Implantat sicher an Ort und Stelle gehalten und gegen eine unbeabsichtigte ReIa- tiwerschiebung gesichert.In a preferred embodiment, the sonotrode and also the attachment portion of the implant is provided with at least one projection, which protrudes radially relative to a longitudinal axis of the attachment portion for generating an undercut. In a first operation, the sonotrode with the radially projecting projection in the axial direction is introduced into the bone material. Subsequently, in a second step, a common rotation of the machine tool and the sonotrode can take place, as a result of which the projection excited to vibrate is received in the receptacle. Mebohrung an undercut training. In this twisted position, an undercut between the projection of the implant and the receiving bore forms, which secures the implant in the axial direction in a form-fitting manner. In particular, during the healing phase, the implant is securely held in place and secured against an unintentional reli-displacement.
In einer zweckmäßigen Ausführung ist die Sonotrode mit einem Saug-/Spülkanal versehen. Durch diesen kann während des Bohrvorganges eine Kühlflüssigkeit gespült werden, die die Temperatur der Sonotrode und des umgebenden Knochenmaterials in Grenzen hält und so eine Eiweißgerinnung vermeidet . Es kann ein geschlossener Kühlkreislauf ohne Wundkontakt vorgesehen sein. Zweckmäßig wird die Kühlflüssigkeit oder auch Kühlluft durch einen innenseitig der Sonotrode verlaufenden Abschnitt des Saug-/Spülkanals in die Aufnahmebohrung hineingepumpt, was einen geeigneten Spüldruck ohne übermäßige Leckageverluste ermöglicht. Insbesondere ist eine lageunabhängige Zufuhr des Spülmediums möglich, die auch bei liegendem Patienten bzw. horizontal anzubringenden Bohrungen sicher erfolgt.In an expedient embodiment, the sonotrode is provided with a suction / irrigation channel. Through this, a cooling liquid can be rinsed during the drilling process, which keeps the temperature of the sonotrode and the surrounding bone material within limits and thus avoids protein coagulation. It may be provided a closed cooling circuit without wound contact. The cooling liquid or cooling air is expediently pumped into the receiving bore through a section of the suction / irrigation channel extending on the inside of the sonotrode, which allows a suitable irrigation pressure without excessive leakage losses. In particular, a position-independent supply of the flushing medium is possible, which is safe even when lying patient or horizontally mounted holes.
In bevorzugter Weiterbildung ist ein weiterer Abschnitt des Saug-/Spülkanals als außenseitig offene Rinne ausgeführt ist. Die Rinne verläuft zweckmäßig schräg zur Längsachse der Sonotrode und insbesondere wendeiförmig um die Sonotrode herum. Die Kühl- und Spülwirkung stellt sich an der gesamten Bearbeitungsfläche ein. Der schräge, insbesondere wendeiförmige Verlauf verhindert, daß sich die Kontur des rinnenförmigen Saug-/Spülkanales beim axialen Vorschub der Sonotrode auf der Bearbeitungsfläche bzw. der Bohrungswand abbildet. Es kann auch vorteilhaft sein, eine umgekehrte Strömungsrichtung vor- zusehen, bei der Kühlflüssigkeit oder Luft abgesaugt wird. In beiden Fällen tritt neben der Kühlung auch eine Spülwirkung ein, die abgetragenes Knochenmaterial beseitigt.In a preferred embodiment, a further section of the suction / flushing channel is designed as an externally open channel. The channel expediently extends obliquely to the longitudinal axis of the sonotrode and in particular helically around the sonotrode. The cooling and rinsing effect adjusts to the entire processing surface. The oblique, in particular helical course prevents the contour of the channel-shaped suction / irrigation channel during axial feed of the sonotrode on the working surface or the bore wall is formed. It may also be advantageous to provide a reverse flow direction. watch sucked off at the cooling liquid or air. In both cases, in addition to the cooling also a rinsing occurs, which eliminates worn bone material.
Die Spannvorrichtung weist bevorzugt mehrere Haltemittel zur Aufnahme verschiedener Sonotroden auf . Insbesondere bei der Ausführung von Aufnahmebohrungen mit komplexer Geometrie oder bei mehrteiligen Implantaten sind verschiedene Sonotroden ohne großen Umrüstaufwand der Bohrmaschine für den Operateur direkt verfügbar. Der Arbeitsfortschritt beim Ansetzen der Sonotrode (n) ist gesteigert, was zur Entlastung des Patienten beiträgt .The clamping device preferably has a plurality of holding means for receiving different sonotrodes. Especially in the execution of mounting holes with complex geometry or multi-part implants are different sonotrodes without major retooling the drill for the surgeon directly available. The work progress when applying the sonotrode (s) is increased, which helps to relieve the patient.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Spannvorrichtung revolverartig bezüglich eines Gehäuses der Werkzeugmaschine drehbar ausgeführt. Sofern ein Wechsel zwischen verschiedenen Sonotroden erforderlich sein sollte, kann dieser mit einem einfachen Handgriff hergestellt werden. Die Drehbarkeit der Spannvorrichtung erlaubt außerdem eine Relativausrichtung der gerade aktiven Sonotrode bezogen auf die Werkzeugmaschine nach beliebiger Wahl des Benutzers. An schwierig zugänglichen Stellen kann damit die Übersichtlichkeit und in der Folge die Genauigkeit der Bohrungs- oder sonstigen Bearbeitungsausführung gesteigert werden.In a preferred embodiment, the tensioning device is revolver-like designed with respect to a housing of the machine tool rotatable. If a change between different sonotrodes should be necessary, this can be manufactured with a simple handle. The rotatability of the clamping device also allows a relative orientation of the currently active sonotrode with respect to the machine tool according to any choice of the user. In difficult-to-reach places, the clarity and, consequently, the accuracy of the bore or other machining execution can be increased.
Die Sonotrode ist zweckmäßig mit ihrem Bohrabschnitt exzentrisch zu einer Mittelachse der Werkzeugmaschine angeordnet. In schwer zugänglichen Bereichen der Knochenoperation braucht die Werkzeugmaschine nicht in Flucht zu der auszuführenden Bohrung gehalten zu werden. Der Platzbedarf bzw. die Größe der freigelegten Operations-Wundöffnung ist verringert. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The sonotrode is expediently arranged with its drilling section eccentrically to a central axis of the machine tool. In hard to reach areas of bone surgery, the machine tool need not be kept in alignment with the bore to be executed. The space requirement or the size of the exposed surgical wound opening is reduced. Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 in perspektivischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bearbeitungs- systems mit einer piezoelektrischen Werkzeugmaschine und einer daran eingespannten Sonotrode zur Herstellung einer Aufnahmebohrung für ein Implantat am Beispiel einer Hüftgelenksprothese,1 is a perspective view of a first embodiment of a processing system according to the invention with a piezoelectric machine tool and a sonotrode clamped thereto for producing a receiving bore for an implant using the example of a hip joint prosthesis,
Fig. 2 in einer perspektivischen Ansicht ein weiteresFig. 2 in a perspective view another
Ausführungsbeispiel einer Sonotrode mit Einzelheiten eines wendeiförmig umlaufenden Saug-/Spülkanals;Embodiment of a sonotrode with details of a helically circulating suction / irrigation channel;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Implantats, welches in eine mit der Sonotrode nach Fig. 1 hergestellte Aufnahmebohrung in einem Knochen eingesetzt ist;3 shows a perspective view of an implant which is inserted into a receiving bore made in a bone with the sonotrode according to FIG. 1;
Fig. 4 eine perspektivische Schemadarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Implantats im Bereich seines Befestigungsabschnittes mit zwei davon radial hervorstehenden VorSprüngen;4 shows a perspective schematic representation of a further exemplary embodiment of the implant in the region of its attachment section with two projections projecting radially from it;
Fig. 5 eine schematische Darstellung des zu behandelnden Knochens mit einer Querschnittsansicht des Implantats nach Fig. 4 in Verwendung als Bohrwerkzeug nach dem Ausführen der Aufnahmebohrung unter Bildung eines Hinterschnitts.Fig. 5 is a schematic representation of the bone to be treated with a cross-sectional view of the implant of FIG. 4 in use as a drilling tool after carrying out the receiving bore to form an undercut.
Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bearbeitungssys- tems, das zur Herstellung einer in Fig. 3 schematisch dargestellten Aufnahmebohrung 20 in einem Knochen 19 eines lebenden Körpers für ein Implantat 23 (Fig. 3) vorgesehen ist. Das Bearbeitungssystem umfaßt ein Bearbeitungswerkzeug 1, eine handgeführte Werkzeugmaschine 2 und das Implantat 23.1 shows a perspective view of a first embodiment of a Bearbeitungssys- invention 3, which is provided for producing a receiving bore 20 shown schematically in FIG. 3 in a bone 19 of a living body for an implant 23 (FIG. 3). The processing system comprises a processing tool 1, a hand-held machine tool 2 and the implant 23.
Die Werkzeugmaschine 2 weist ein Gehäuse 8 auf, in dem ein nicht näher dargestellter, in Form eines Piezoerregers ausgeführter Schwingungserreger 4 angeordnet ist . Eine Steuerelektronik und eine elektrische Stromversorgung (nicht dargestellt) für den Schwingungserreger 4 sind in einem ebenfalls nicht dargestellten, separaten Gehäuse angeordnet und über Zuleitungskabel verbunden. Zum Betrieb des Schwingungserregers 4 kann eine NetzSpannungsversorgung oder ein Akku vorgesehen sein. An dem dem Bearbeitungswerkzeug 1 abgewandten Ende des Gehäuses 8 ist ein hinterer Handgriff 14 angeformt. Am gegenüberliegenden werkzeugseitigen Ende 18 des Gehäuses 8 ist ein zweiter, vorderer Handgriff 15 mittels einer Schnell- spanneinrichtung 16 befestigt und kann nach Lösen der Sehne11Spanneinrichtung 16 um eine Längsachse 13 des Gehäuses 8 zur Erzielung einer ergonomisch günstigen Griffanordnung verschwenkt werden.The machine tool 2 has a housing 8, in which a not shown in detail, executed in the form of a piezoelectric vibrator 4 is arranged. A control electronics and an electrical power supply (not shown) for the vibration generator 4 are arranged in a separate housing, also not shown, and connected via supply cable. For operation of the vibration generator 4, a mains voltage supply or a battery can be provided. At the end of the housing 8 facing away from the machining tool 1, a rear handle 14 is formed. At the opposite tool-side end 18 of the housing 8, a second, front handle 15 is fastened by means of a quick-clamping device 16 and can be pivoted about a longitudinal axis 13 of the housing 8 after loosening the Sehne11Spanneinrichtung 16 to achieve an ergonomic handle assembly.
Es kann auch zweckmäßig sein, die Stromversorgung und/oder die Steuerelektronik des Schwingungserregers 4 in das Gehäuse 8 zu integrieren.It may also be expedient to integrate the power supply and / or the control electronics of the vibration generator 4 in the housing 8.
Am werkzeugseitigen Ende 18 ist eine Spannvorrichtung 5 vorgesehen, an der das Bearbeitungswerkzeug 1 lösbar befestigt ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel trägt die Spannvorrichtung 5 insgesamt vier angedeutete Haltemittel 17 zur Aufnahme verschiedener Werkzeuge 1, wobei hier der besseren Übersicht- lichkeit halber nur ein Bearbeitungswerkzeug 1 eingespannt gezeigt ist. Die Spannvorrichtung 5 ist revolverartig bezüglich des Gehäuses 8 der Werkzeugmaschine 2 um eine Längsachse 13 der Werkzeugmaschine 2 drehbar und in einer gewünschten Drehwinkelstellung verrastbar, so daß der Benutzer vor Arbeitsbeginn das Bearbeitungswerkzeug 1 in eine gewünschte relative Winkelstellung bezogen auf das Gehäuse 8 einstellen kann. Während des Betriebs des Bearbeitungssystems ist diese gewählte DrehwinkelStellung fest - die Spannvorrichtung 5 führt keine drehende Rotationsbewegung um die Längsachse 13 aus. Ein Bohrabschnitt 24 des Bearbeitungswerkzeuges 1 liegt dabei mit seiner Längsachse exzentrisch parallel zur Längsachse 13 der Werkzeugmaschine 2.At the tool-side end 18, a clamping device 5 is provided, on which the machining tool 1 is releasably secured. In the illustrated embodiment, the clamping device 5 carries a total of four indicated holding means 17 for receiving various tools 1, in which case the better overview sake of half only a machining tool 1 is shown clamped. The clamping device 5 is revolver-like with respect to the housing 8 of the machine tool 2 rotatable about a longitudinal axis 13 of the machine tool 2 and locked in a desired angular position, so that the user can set the machining tool 1 in a desired relative angular position relative to the housing 8 before starting work. During operation of the machining system, this selected rotational position is fixed - the tensioning device 5 does not rotate rotationally about the longitudinal axis 13. A drilling section 24 of the machining tool 1 lies with its longitudinal axis eccentrically parallel to the longitudinal axis 13 of the machine tool 2.
Das Bearbeitungswerkzeug 1 ist an dem zugeordneten Haltemittel 7 der Spannvorrichtung 5 statisch fest und insbesondere drehfest, jedoch lösbar eingespannt. Das Bearbeitungswerkzeug 1 ist als elastisch in mindestens einer Eigenfrequenz in Resonanz schwingende Sonotrode 3 ausgeführt . Der Schwingungserreger 4 und die Sonotrode 3 sind unter Berücksichtigung der elastischen Eigenschaften der zwischenliegenden Spannvorrichtung 5 derart aufeinander abgestimmt, daß die Erregerfrequenz des Schwingungserregers 4 zumindest näherungsweise mindestens einer Eigenschwingungsfrequenz der an der Spannvorrichtung 5 gehaltenen Sonotrode 3 entspricht. Im Betrieb erzeugt der Schwingungserreger 4 eine Erregerschwingung, die bevorzugt eine translatorische Schwingung in Richtung der Längsachse 13 ist. Sie kann auch quer dazu schwingen oder auch eine rotatorische Schwingung um die Längsachse 13 ausführen. Es ist auch eine Kombination mehrerer Erregerschwingungsformen möglich. Die vom Schwingungserreger 4 erzeugte Erregerschwingung wird mittels der Spannvorrichtung 5 auf die Sonotrode 3 übertra- gen, welche infolge ihrer abgestimmten Eigenfrequenz in zumindest einer Eigenform anfängt zu schwingen und dabei in Resonanz gerät. Bei einer entsprechenden geometrischen und elastischen Auslegung der Sonotrode 3 kann auch die gleichzeitige Anregung mehrerer Eigenformen der Sonotrode 3 in translatorischer oder rotatorischer Form erzielt werden. Es kann zweckmäßig sein, daß eine Abstimmung derart vorgenommen wird, daß entweder die Sonotrode 3 insgesamt gleichmäßig zu einer Eigenschwingung angeregt wird, oder daß sich eine Eigenschwingungsform einstellt, bei der sich insbesondere in einem Bohrabschnitt 24 an einem freien Ende der Sonotrode 3 Bereiche mit ausgeprägter Schwingungsamplitude ausbilden. Der Bohrabschnitt 24 am freien Ende der Sonotrode 3 ist zur Erzeugung einer in Fig. 3 schematisch angedeutete Aufnahmebohrung 20 im Knochen 19 vorgesehen.The machining tool 1 is statically fixed to the associated holding means 7 of the clamping device 5 and in particular rotationally fixed, but releasably clamped. The machining tool 1 is embodied as a sonotrode 3 oscillating elastically in at least one natural frequency. Taking into account the elastic properties of the intermediate tensioning device 5, the vibration exciter 4 and the sonotrode 3 are matched to one another such that the exciter frequency of the vibration exciter 4 corresponds at least approximately to a natural vibration frequency of the sonotrode 3 held on the tensioning device 5. During operation, the vibration generator 4 generates an excitation oscillation, which is preferably a translatory oscillation in the direction of the longitudinal axis 13. It can also vibrate transversely thereto or also perform a rotary oscillation about the longitudinal axis 13. It is also possible to combine several exciter vibration modes. The excitation vibration generated by the vibration generator 4 is transmitted to the sonotrode 3 by means of the tensioning device 5. gene, which begins due to their tuned natural frequency in at least one eigenform to swing and thereby gets into resonance. With a corresponding geometrical and elastic design of the sonotrode 3, it is also possible to achieve the simultaneous excitation of a plurality of eigenmodes of the sonotrode 3 in translatory or rotational form. It may be appropriate that a vote is made such that either the horn 3 is uniformly excited to a natural vibration, or that sets a natural mode, in particular in a drilling section 24 at a free end of the sonotrode 3 areas with pronounced Form vibration amplitude. The drilling section 24 at the free end of the sonotrode 3 is provided in the bone 19 for producing a receiving bore 20 indicated schematically in FIG. 3.
Die Erregerfrequenz des Schwingungserregers 4 und die dadurch angeregte Eigenschwingungsfrequenz der Sonotrode 3 liegen beide oberhalb von 10 KHz und liegen im gezeigten Ausführungsbeispiel im Ultraschallbereich, hier bevorzugt bei etwa 20 KHz. Die zuvor beschriebene Steuerelektronik verfügt über einen Regelkreis, der die Erregerfrequenz laufend an die sich innerhalb gewisser Grenzen ändernde Eigenschwingungsfrequenz anpaßt. Verschleiß an der Sonotrode 3, temperaturbedingte Längenänderungen oder eine Einspannungswirkung der am Knochenmaterial anliegenden Sonotrode 3, die sich auf die Eigenfrequenz auswirken, werden kompensiert. Eine Grundabstimmung der Sonotrode 3 auf die Erregerfrequenz des Schwingungserregers 4 erfolgt durch Einbringung einer Abstimmaussparung 25 am freien Ende der Sonotrode 3. Der perspektivischen Darstellung nach Fig. 1 ist noch zu entnehmen, daß die Sonotrode 3 insbesondere in ihrem Bohrabschnitt 6 einen unrunden, im gezeigten Ausführungsbeispiel etwa rechteckigen Querschnitt aufweist. Es können auch beliebige andere Querschnittsformen in bevorzugt unrunder, ggf. aber auch runder bzw. konischer oder zylindrischer Ausgestaltung vorteilhaft sein. Im Bereich des Bohrabschnittes 24 ist die Sonotrode 3 noch mit einem Saug-/Spülkanal versehen, der hier der besseren Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt ist, und der in seiner Ausgestaltung dem Saug-/Spül- kanal 12 nach Fig. 2 entspricht.The excitation frequency of the vibration generator 4 and the thus excited natural frequency of the sonotrode 3 are both above 10 kHz and are in the illustrated embodiment in the ultrasonic range, here preferably at about 20 KHz. The control electronics described above has a control circuit which continuously adapts the exciter frequency to the inherent oscillation frequency which changes within certain limits. Wear on the sonotrode 3, temperature-related changes in length or a clamping effect of the sonotrode 3 resting on the bone material, which have an effect on the natural frequency, are compensated. A basic tuning of the sonotrode 3 to the exciter frequency of the vibration exciter 4 takes place by introducing a tuning recess 25 at the free end of the sonotrode 3. The perspective view of FIG. 1 can still be seen that the sonotrode 3 in particular in its drill section 6 has a non-round, in the embodiment shown approximately rectangular cross-section. It can also be any other cross-sectional shapes in preferably non-circular, but possibly also be round or conical or cylindrical configuration advantageous. In the region of the drill section 24, the sonotrode 3 is still provided with a suction / irrigation channel, which is not shown here in detail for the sake of clarity, and in its embodiment corresponds to the suction / irrigation channel 12 according to FIG.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Sonotrode 3 ist in perspektivischer Ansicht in Fig. 2 gezeigt. Ein kreisscheibenförmiger Halteflansch 26 der Sonotrode 3 ist zur Befestigung an einem der Haltemittel 7 nach Fig. 1 vorgesehen. An den kreisscheibenförmigen Flansch 26 schließt sich der Bohrabschnitt 24 an, dessen Querschnitt sich in Höhenrichtung und in Richtung des freien Endes hin kontinuierlich verjüngt. In Breitenrichtung bleibt der Querschnitt im wesentlichen konstant.Another embodiment of a sonotrode 3 is shown in a perspective view in FIG. A circular disk-shaped retaining flange 26 of the sonotrode 3 is provided for attachment to one of the retaining means 7 according to FIG. The circular-section-shaped flange 26 is adjoined by the drill section 24, the cross-section of which continuously tapers in the vertical direction and in the direction of the free end. In the width direction, the cross section remains substantially constant.
Die Sonotrode 3 ist mit einem Saug-/Spülkanal 12 versehen, der mit einem Kanalabschnitt 30 entsprechend der gestrichelt angedeuteten Darstellung innenseitig durch die Sonotrode 3 hindurchgeführt ist und ins freie Ende der Sonotrode 3 mündet. Ein weiterer Kanalabschnitt 31 des Saug-/Spülkanals 12 verläuft außenseitig des Bohrabschnittes 24 der Sonotrode 3 und ist zum freien Ende und auch zur Umfangsseite der Sonotrode 3 hin offen. Der offene Bereich des Saug-/Spülkanals 12 ist im Betrieb außenseitig durch die Aufnahmebohrung 20 im Knochen 19 (Fig. 3) begrenzt. Durch den Saug-/Spülkanal 12 kann im Betrieb eine Spülflüssigkeit, Luft, ein Inertgas oder dgl . geführt werden. Die Strömungsrichtung kann bedarfsweise von der Werkzeugmaschine 2 aus in Richtung des freien Endes der Sonotrode 3 hin oder auch in umgekehrter Richtung gewählt werden, wodurch im ersten Falle ein blasender und im zweiten Falle ein saugender Spülstrom entsteht. Bevorzugt wird das Spülmedium in Richtung von Pfeilen 32 mittig durch den inneren Kanalabschnitt 30 in die Aufnahmebohrung 20 (Fig. 3) gepumpt und von dort zurück durch den äußeren Kanalabschnitt 31 zurückgeleitet. Der Spüldruck ist zweckmäßig kleiner als' 10OkPa, um eine Resorption des Spülmediums durch den Knochen 19 bzw. darin befindliche Blutgefäße zu verhindern. Anstelle des umfangseitig offenen, rinnenfδrmigen Saug-/Spülkanals 12 kann auch eine geschlossene Ausführung zweckmäßig sein, die lediglich am freien Ende der Sonotrode 3 offen ist. Ebenso kann es vorteilhaft sein, einen intern geschlossenen Kanal vorzusehen, in dem ein Kühlmittel zirkuliert.The sonotrode 3 is provided with a suction / irrigation channel 12, which is guided on the inside by the sonotrode 3 with a channel portion 30 according to the representation indicated by dashed lines and opens into the free end of the sonotrode 3. A further channel section 31 of the suction / flushing channel 12 extends on the outside of the drilling section 24 of the sonotrode 3 and is open towards the free end and also to the peripheral side of the sonotrode 3. In operation, the open area of the suction / flushing channel 12 is bounded on the outside by the receiving bore 20 in the bone 19 (FIG. 3). Through the suction / flushing channel 12th In operation, a rinsing liquid, air, an inert gas or the like. be guided. The direction of flow may, if necessary, be selected by the machine tool 2 in the direction of the free end of the sonotrode 3 or in the opposite direction, whereby in the first case, a blowing and in the second case, a sucking flushing flow. The flushing medium is preferably pumped in the direction of arrows 32 centrally through the inner channel section 30 into the receiving bore 20 (FIG. 3) and from there back through the outer channel section 31. The flushing pressure is suitably smaller than '10OkPa, in order to prevent absorption of the flushing medium through the bone 19 and the blood vessels located therein. Instead of the circumferentially open, trough-shaped suction / flushing channel 12 may also be a closed execution appropriate, which is open only at the free end of the sonotrode 3. It may also be advantageous to provide an internally closed channel in which a coolant circulates.
Der in Form einer nach außen offenen Rinne ausgeführte Saug- /Spülkanal 12 verläuft wendeiförmig um die Sonotrode 3 herum und erstreckt sich dabei über die gesamte Länge des Bohrabschnittes 24. Der wendeiförmige Umlauf bewirkt, daß sich der Saug-/Spülkanal 12 nicht an den zu bearbeitenden Oberflächen bei axialem Vorschub abbildet. Die Querschnittskontur der zu bearbeitenden Aufnahmebohrung 20 (Fig. 3) wird bei axialem Vorschub durch die zwischen den Wendeln des Saug-/SpülkanaIs 12 liegenden, ebenfalls wendeiförmigen Abschnitte des Bohrabschnittes 24 geformt. An Stelle eines wendeiförmigen Umlaufs kann auch eine nur geringfügige Schrägstellung des Kanalabschnitts 31 zweckmäßig sein. Auch eine Ausführung mit mehreren, strömungstechnisch parallel geschalteten Kanalabschnitten 31 kann ggf. vorteilhaft sein. Breite und Tiefe des Saug-/Spülkanals 12 können innerhalb gewisser Grenzen angepaßt werden, um dadurch auch eine Abstimmung der Resonanzfrequenz der Sonotrode 3 auf die Erregerfrequenz des Schwingungserregers 4 (Fig. 1) zu bewirken. Der Saug-/Spülkanal 12 wirkt hierbei auch als Abstimmaussparung 25. Bei einer geeigneten Ausbildung der Schrägstellung bzw. der Wendelform des Saug-/Spülkanals 12 kann auch eine Kopplung zwischen zwei Schwingungsfreiheitsgraden bewirkt werden. Bei axialer Anregung mit einer Longitudinalschwingung führt die Wendelform des Saug-/Spülkanals zu einer gekoppelten Drehschwingung des Bohrabschnittes 24, die bei geeigneter Abstimmung ebenfalls in Resonanz schwingen kann.The running in the form of an outwardly open channel suction / flushing channel 12 extends helically around the sonotrode 3 around and extends over the entire length of the drill section 24. The helical circulation causes the suction / irrigation channel 12 not to the machined surfaces at axial feed. The cross-sectional contour of the receiving bore 20 (FIG. 3) to be machined is formed during axial feed by the likewise helical sections of the drill section 24 lying between the helices of the suction / irrigation channel 12. In place of a helical circulation even a slight inclination of the channel portion 31 may be appropriate. Also, a design with a plurality of fluidically parallel channel sections 31 may possibly be advantageous. Width and depth of the suction / flushing channel 12 can be adjusted within certain limits, thereby also effecting a tuning of the resonance frequency of the sonotrode 3 to the excitation frequency of the vibration generator 4 (FIG. 1). In this case, the suction / irrigation channel 12 also acts as a tuning recess 25. With a suitable design of the inclined position or the helical shape of the suction / irrigation channel 12, a coupling between two vibrational degrees of freedom can also be effected. In the case of axial excitation with a longitudinal vibration, the helical shape of the suction / irrigation channel leads to a coupled torsional vibration of the drilling section 24, which, with suitable tuning, can also resonate.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Implantats 23, welches als Teil einer Hüftgelenksprothese ausgebildet ist . Das Implantat 23 umfaßt einen Befestigungsabschnitt 6, der in einer Aufnahmebohrung 20 im Knochen 19 gehalten ist. Die Länge des Befestigungsabschnittes 6 beträgt etwa 100 mm. Aus einer beispielsweise mit der Werkzeugmaschine 2 nach Fig. 1 gesägten Stirnfläche 28 des Knochens 19 ragt lediglich ein Haltezapfen 27 für ein nicht dargestelltes Kugelgelenk hervor. Der Befestigungsabschnitt 6 entspricht in seiner einhüllenden Form zumindest näherungsweise exakt dem Bohrabschnitt 24 der Sonotrode 3 nach Fig. 1. Es fehlt lediglich die Ausbildung des Saug-/Spülkanals 12.FIG. 3 shows an exemplary embodiment of an implant 23, which is designed as part of a hip joint prosthesis. The implant 23 comprises a fastening section 6, which is held in a receiving bore 20 in the bone 19. The length of the attachment portion 6 is about 100 mm. From a sawed for example with the machine tool 2 of FIG. 1 end face 28 of the bone 19 protrudes only a retaining pin 27 for a ball joint, not shown. The attachment portion 6 corresponds in its enveloping shape at least approximately exactly to the bore portion 24 of the sonotrode 3 of FIG. 1. It lacks only the formation of the suction / flushing channel 12th
Unter gleichzeitigem Bezug auf die Fig. 1 bis 3 wird im folgenden ein Verfahren zum Einsetzen des Implantats 23 in den Knochen 19 eines lebenden Körpers beschrieben. Beim Ausführungsbeispiel des Werkzeuges 1 in Form der Sonotrode 3 nach Fig. 2 wird dessen freies Ende an den zu bohrenden Knochen 19 (Fig. 3) herangeführt. Durch Anregung mittels des Schwingungserregers 4 schwingt der Bohrabschnitt 24 (Fig. 2) in mindestens einer Eigenfrequenz und trägt dadurch entsprechend der Quer- und Längskontur des Bohrabschnitts 24 Material aus dem Knochen 19 (Fig. 3) ab. Mittels der Werkzeugmaschine 2 wird von Hand ein Vorschub in axialer Richtung ausgeführt . Weitere Bewegungen der Sonotrode 3 sind nicht vorgesehen. Insbesondere führt die Sonotrode 3 keine Eigendrehung aus . Auch formende Kipp- oder Schwenkbewegungen oder eine seitliche Führung sind nicht vorgesehen.Referring now to FIGS. 1 to 3, a method for inserting the implant 23 into the bone 19 of a living body will be described below. In the embodiment of the tool 1 in the form of the sonotrode 3 of FIG. 2, the free end of the bone to be drilled 19 (Fig. 3) introduced. By excitation by means of the vibration exciter 4, the drilling section 24 (FIG. 2) oscillates in at least one natural frequency and thus carries material out of the bone 19 (FIG. 3) in accordance with the transverse and longitudinal contour of the bore section 24. By means of the machine tool 2, a feed is carried out by hand in the axial direction. Further movements of the sonotrode 3 are not provided. In particular, the sonotrode 3 does not spin. Also forming tilting or pivoting movements or a lateral guide are not provided.
Die Sonotrode 3 nach Fig. 2 ist als Vorbearbeitungswerkzeug ausgeführt, mit der die Aufnahmebohrung 20 (Fig. 3) vorbereitet wird. In einer stufenartigen Bearbeitung erfolgt anschließend ein weiteres Aufbohren mit der in Fig. 1 gezeigten Sonotrode 3 in gleicher, zuvor beschriebener Weise. Die in Fig. 1 gezeigte Sonotrode 3 ist im Bereich ihres Bohrabschnittes 24 bzgl . der Außenkontur geometrisch nahezu identisch mit dem hier in Fig. 3 gezeigten Befestigungsabschnitt 6 des Implantats 23 ausgeführt. Die vom Bohrabschnitt 24 (Fig. 1) ausgeführte Aufnahmebohrung entspricht damit in ihrer Kontur nahezu identisch der Form des darin gehaltenen Befestigungsabschnittes 6.The sonotrode 3 according to FIG. 2 is designed as a pre-machining tool, with which the receiving bore 20 (FIG. 3) is prepared. In a step-like machining is then carried out a further drilling with the sonotrode 3 shown in Fig. 1 in the same manner previously described. The sonotrode 3 shown in FIG. 1 is in the region of its drill section 24 with respect to. the outer contour geometrically performed almost identical to the attachment portion 6 of the implant 23 shown here in Fig. 3. The receiving bore executed by the drilling section 24 (FIG. 1) thus corresponds in its contour to the shape of the fastening section 6 held therein almost identically.
Das Knochenmaterial im Knochen 19 (Fig. 3) wird exakt in der Form abgetragen, die der Kontur des Befestigungsabschnittes 6 (Fig. 3) in Längs- und Querrichtung entspricht, wobei sich die Aufnahmebohrung 20 (Fig. 3) allein durch den axialen Vorschub der Sonotrode 3 als Negativabbild des Befestigungsabschnitts 6 ausbildet. Währenddessen wird ein Kühlmittel durch den Saug-/Spülkanal 12 entsprechend der Darstellung nach Fig. 2 gefördert, dessen Strömung neben dem rinnenförmigen, radial nach außen offenen Saug-/Spülkanal 12 auch durch die umschließende Umfangswand der Aufnahmebohrung 20 (Fig. 3) geführt wird. Der entstehende Kühlmittelstrom führt zu einer Kühlung des Implantats 1 und des umgebenden Knochens 19 und übt außerdem eine Spülwirkung auf das abgetragene Knochenmaterial aus.The bone material in the bone 19 (FIG. 3) is exactly removed in the shape that corresponds to the contour of the attachment section 6 (FIG. 3) in the longitudinal and transverse directions, with the receiving bore 20 (FIG. 3) being guided solely by the axial advance the sonotrode 3 forms a negative image of the fixing portion 6. Meanwhile, a coolant is conveyed through the suction / flushing channel 12 as shown in FIG. 2, whose flow adjacent to the channel-shaped, radially outwardly open suction / flushing channel 12 is also guided by the enclosing peripheral wall of the receiving bore 20 (FIG. The resulting coolant flow leads to a cooling of the implant 1 and the surrounding bone 19 and also exerts a rinsing effect on the ablated bone material.
Bei Bohrungen mit komplizierter Geometrie kann die Aufnahmebohrung 20 (Fig. 3) mit einer geeigneten Sonotrode 3 beispielsweise nach Fig. 2 angebohrt und anschließend die Sonotrode 3 abgezogen werden. Nach Umschaltung der revolverartig drehbaren Spannvorrichtung 5 kann mit einer weiteren, an einem der Haltemittel 7 (Fig. 1) eingespannten Sonotrode 3 der Bearbeitungsvorgang unter Ausnutzung der hochfrequenten Eigenschwingung weitergeführt werden. Im letzte Arbeitsgang wird die Aufnahmebohrung 20 (Fig. 3) unter Verwendung der in Fig. 1 gezeigten Sonotrode 3 fertig gebohrt, wobei anschließend das Implantat 23 (Fig. 3) mit seinem Befestigungsabschnitt 6 in der Aufnahmebohrung 20 des Knochens 19 (Fig. 3) paßgenau eingesetzt werden kann. Die Aufnahmebohrung 20 umschließt dabei zumindest näherungsweise spielfrei den Befestigungsabschnitt S. Lediglich ein freies Ende 29 des Implantats 23 kann in einem hohlen oder weichen Bereich des Knochens 19 liegen.For holes with complicated geometry, the receiving bore 20 (FIG. 3) can be drilled with a suitable sonotrode 3, for example according to FIG. 2, and then the sonotrode 3 can be removed. After switching over the revolving-type rotatable clamping device 5, the machining process can be continued by utilizing the high-frequency natural oscillation with another sonotrode 3 clamped to one of the holding means 7 (FIG. In the last operation, the receiving bore 20 (FIG. 3) is bored using the sonotrode 3 shown in FIG. 1, the implant 23 (FIG. 3) then being fastened with its fastening section 6 in the receiving bore 20 of the bone 19 (FIG ) can be used with an exact fit. The receiving bore 20 encloses the fastening portion S at least approximately free of play. Only a free end 29 of the implant 23 can lie in a hollow or soft region of the bone 19.
Fig. 1 zeigt noch, daß sich der Bohrabschnitt 24 in Richtung seines freien Endes hin verjüngt. Dies führt dazu, daß neben dem Stirnende auch die sich verjüngenden Umfangswände mit steigendem Bohrvorschub als Bohrwerkzeug dienen, indem sie die angebohrte Aufnahmebohrung 20 in radialer Richtung sukzessive erweitern. Mit der frei wählbaren Vorschubtiefe kann die radiale Aufweitung der Aufnahmebohrung 20 auf ein gerin- ges Untermaß bzgl . des Querschnitts des Befestigungsabschnitts 6 eingestellt werden, demnach das eingetriebene Implantat 23 klemmen unter Vorspannung gehalten ist. Es kann auch zweckmäßig sein, bei nahezu gleicher Form von Implantat 23 und Sonotrode 3 die Sσnotrode 3 mit geringem Untermaß anzufertigen, um die vorgenannte klemmende Einspannwirkung zu erzielen. Bei der hier gezeigten Hüftgelenksprothese wird ein radiales Untermaß der Aufnahmebohrung 20 von etwa 0,15 mm angestrebt .Fig. 1 also shows that the drill portion 24 tapers in the direction of its free end. As a result, in addition to the front end, the tapered peripheral walls serve as a drilling tool with increasing drill feed by successively expanding the drilled receiving bore 20 in the radial direction. With the freely selectable feed depth, the radial widening of the receiving bore 20 can be reduced to a minimum. ges undersize regarding. the cross-section of the mounting portion 6 are adjusted, so that the driven implant 23 is clamped under bias. It may also be expedient, with almost the same shape of implant 23 and sonotrode 3, to produce the suture noddle 3 with a small undersize in order to achieve the abovementioned clamping clamping effect. In the hip joint prosthesis shown here, a radial undersize of the receiving bore 20 of about 0.15 mm is desired.
Der Darstellung nach Fig. 3 ist noch zu entnehmen, daß das eingesetzte Implantat 23 dadurch aus dem Knochen 19 entnommen werden kann, in dem es als Sonotrode 3 verwendet wird. Beim Austausch oder Entfernen des eingesetzten oder eingewachsenen Implantats 23 kann dessen herausstehender Abschnitt mit der Werkzeugmaschine verbunden werden, wobei das Implantat 23 als Sonotrode 3 wirkt. Zu Resonanzschwingungen angeregt, vibriert sich das Implantat 23 vom Knochenmaterial los und kann aus der Aufnahmebohrung 20 entnommen werden.The illustration according to FIG. 3 also shows that the inserted implant 23 can thereby be removed from the bone 19, in which it is used as the sonotrode 3. When exchanging or removing the inserted or ingrown implant 23, its protruding portion can be connected to the machine tool, wherein the implant 23 acts as a sonotrode 3. Excited to resonant vibrations, the implant 23 vibrates off the bone material and can be removed from the receiving bore 20.
Eine alternative Bauform der Sonotrode 3 bzw. des Implantats 23 ist in Fig, 4 als Ausschnittsdarstellung im Bereich des Befestigungsabschnitts 6 dargestellt. Demnach schließt sich an einen etwa zylindrischen Schaft 17 des Befestigungsabschnittes 6 an dessen freien Ende ein hammerförmiger Kopf an, durch den zwei Vorsprünge 9 gebildet sind, die sich bezogen auf eine Längsachse 10 des Befestigungsabschnitts 6 diametral gegenüberliegen und radial zur Längsachse 10 über die Umfangskontur des Befestigungsabschnitts 6 hervorstehen. Die schematische Darstellung nach Fig. 4 zeigt nur beispielhaft die Anordnung zweier radial hervorstehender Vorsprünge 9. Es ist mindestens ein solcher radialer Vorsprung 9 zur Erzeugung eines in Fig. 5 dargestellten Hinterschnitts 11 vorzusehen. Es kann jedoch auch eine beliebige andere Anzahl von Vor- sprüngen 9 zweckmäßig sein, die in ihrer geometrischen Ausgestaltung und auch Relativlage zum Befestigungsabschnitt 6 anwendungsspezifisch variiert werden können.An alternative design of the sonotrode 3 or of the implant 23 is shown in FIG. 4 as a detail in the region of the attachment section 6. Accordingly, adjoining an approximately cylindrical shaft 17 of the attachment portion 6 at the free end of a hammer-shaped head through which two projections 9 are formed, which are diametrically opposite relative to a longitudinal axis 10 of the mounting portion 6 and radially to the longitudinal axis 10 on the peripheral contour of Mounting portion 6 protrude. The schematic representation according to FIG. 4 shows, by way of example only, the arrangement of two radially protruding projections 9. It is at least one such radial projection 9 for the production to provide an undercut 11 shown in Fig. 5. However, it is also possible for any other number of protrusions 9 to be suitable, which can be varied in an application-specific manner in terms of their geometric configuration and also relative position to the fastening section 6.
Bei der hier vorgesehenen Anwendung erfolgt das Verfahren zum Einbringen der Aufnahmebohrung 20 zunächst in gleicher Weise, wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 3 beschrieben. Ein weiterer Verfahrensschritt ergibt sich aus der Zusammenschau der Fig. 4 und 5. Das Ausführungsbeispiel des Implantats 23 nach Fig. 4 wird entsprechend der Darstellung nach Fig. 5 in der zuvor beschriebenen Weise als Sonotrode 3 bzw. als Bohrwerkzeug verwendet. Das an der Werkzeugmaschine 2 (Fig. 1) eingespannte Implantat 23 bildet dabei die Sonotrode 3, bzw. findet Verwendung als Sonotrode 3 zum Bohren der in Fig. 5 angedeuteten Aufnahmebohrung 20 in den Knochen 19.In the application provided here, the method for introducing the receiving bore 20 initially in the same manner as described in connection with FIGS. 1 to 3. A further method step results from the combination of FIGS. 4 and 5. The embodiment of the implant 23 according to FIG. 4 is used in accordance with the representation of FIG. 5 in the manner described above as a sonotrode 3 or as a drilling tool. The implant 23 clamped on the machine tool 2 (FIG. 1) forms the sonotrode 3, or finds use as a sonotrode 3 for drilling the receiving bore 20 indicated in FIG. 5 into the bone 19.
Entsprechend der Draufsicht nach Fig. 5 bildet sich ein Querschnitt der Aufnahmebohrung 20 aus, der nicht allein durch den im Querschnitt dargestellten Schaft 17, sondern durch die Umfangskontur des Schaftes 17 zusammen mit den radial hervorstehenden Vorsprüngen 9 geformt ist. Nach Erreichen der gewünschten Bohrtiefe wird die laufende Werkzeugmaschine 2 (Fig. 1) zusammen mit dem eingespannten Implantat 23 in einer durch einen Pfeil 22 angeordneten Drehrichtung um die Längsachse 10 des Befestigungsabschnittes 6 geschwenkt, wobei die zur Schwingung angeregten Vorsprünge 9 je nach Größe des Drehwinkels in der Drehrichtung 22 einen durch eine gestrichelte Linie angedeuteten erweiterten Bereich 21 der Aufnahmebohrung 20 ausbilden, der in der entsprechenden Bohrtiefe des Bohrwerkzeuges 3 bzw. des Befestigungsabschnittes 6 liegt. Infolge der vorgenannten Drehbewegung legen sich die radial hervorstehenden Vorsprünge 9 in diesen erweiterten Bereich 21, bis sie die Position 9' erreicht haben, die hier nur beispielhaft in einem 90° -Drehwinkel gezeigt ist und auch einen abweichenden Drehwinkel aufweisen kann. In dieser Drehwinkellage ist durch jeden Vorsprung 9 ein Hinterschnitt 11 bezüglich desjenigen Bohrungsabschnittes gebildet, der sich in axialer Richtung zur offenen Seite hin an den erweiterten Bereich 21 anschließt. In der gezeigten Drehwinkelläge ist das Implantat 23 in axialer Richtung bezogen auf die Längsachse 10 formschlüssig gesichert und kann so in der Aufnahme- bohrung 20 verbleiben. Es kann auch zweckmäßig sein, die So- notrode 3 und das Implantat 23 separat mit vergleichbarer Geometrie auszubilden, wobei das Implantat 23 nach dem Entfernen der Sonotrode 3 in die Aufnahmebohrung 20 bajonettartig eingesetzt und mit den Vorsprüngen 9 formschlüssig gehalten wird.According to the plan view of FIG. 5, a cross section of the receiving bore 20 is formed, which is formed not only by the shaft 17 shown in cross-section, but by the peripheral contour of the shaft 17 together with the radially protruding projections 9. After reaching the desired drilling depth, the running machine tool 2 (FIG. 1) is pivoted together with the clamped implant 23 in a direction of rotation arranged by an arrow 22 about the longitudinal axis 10 of the fastening section 6, wherein the projections 9 excited to vibrate, depending on the size of the rotation angle form in the direction of rotation 22 indicated by a dashed line extended portion 21 of the receiving bore 20, in the corresponding drilling depth of the drilling tool 3 and the attachment portion. 6 lies. As a result of the aforementioned rotational movement, the radially protruding projections 9 lie in this extended region 21 until they have reached the position 9 ', which is shown here only by way of example in a 90 ° rotation angle and may also have a different angle of rotation. In this rotational angle position, an undercut 11 is formed by each projection 9 with respect to that bore portion, which adjoins the extended area 21 in the axial direction to the open side. In the rotary angle saw shown, the implant 23 is secured in a form-fitting manner in the axial direction with respect to the longitudinal axis 10 and can thus remain in the receiving bore 20. It may also be expedient to design the sonotrode 3 and the implant 23 separately with comparable geometry, wherein the implant 23 is inserted in a bayonet-like manner after removal of the sonotrode 3 into the receiving bore 20 and is held in a form-fitting manner with the projections 9.
Die gezeigte Anordnung kann auch zum Bohren von einfachen Löchern, zur kosmetischen oder chirurgischen Formgebung des Knochens eingesetzt werden. Anstelle des Implantats 23 können auch andere Teile, Sonderbefestigungsmittel oder dgl . in den Knochen eingesetzt werden. Es können auch Fräs- und Sägearbeiten sowie eine Trennung von Muskel-, Sehnen-, Bindegewebe oder dgl . vorgenommen werden . The arrangement shown can also be used for drilling simple holes, for cosmetic or surgical shaping of the bone. Instead of the implant 23, other parts, special fasteners or the like. be used in the bones. It can also milling and sawing work and a separation of muscle, tendon, connective tissue or the like. be made.

Claims

Ansprüche claims
1. Bearbeitungssystem zur Behandlung eines Knochens (19) eines lebenden Körpers, umfassend ein auf den Knochen (19) des Körpers wirkendes Werkzeug (1) , eine dasA processing system for treating a bone (19) of a living body, comprising a tool (1) acting on the bone (19) of the body, the one
Werkzeug (1) antreibende handgeführte Werkzeugmaschine (2) und ein Implantat (23), wobei das Werkzeug (1) zur Herstellung einer Aufnahmebohrung (20) für das Implantat (23) in den Knochen (19) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (1) als in mindestens einer Eigenfrequenz in Resonanz schwingende Sonotrode (3) ausgebildet ist, daß die Werkzeugmaschine (2) einen auf die Sonotrode (3) wirkenden Schwingungserreger (4) aufweist, daß die Eigenschwingungsfrequenz der an der Werkzeugmaschine (2) gehaltenen Sonotrode (3) und die Erregerfrequenz des Schwingungserregers (4) zur Erzeugung einer Resonanzschwingung der Sonotrode (3) auf einander abgestimmt sind, und daß ein Bohrabschnitt (24) der Sonotrode (3) die Form eines von der Aufnahmebohrung (20) im Knochen (19) aufgenommenen Befestigungsabschnitts (6) des Implantats (23) aufweist.Tool (1) driving handheld machine tool (2) and an implant (23), wherein the tool (1) for producing a receiving bore (20) for the implant (23) in the bone (19) is provided, characterized in that the Tool (1) is formed as in at least one natural frequency in resonance vibrating sonotrode (3) that the machine tool (2) acting on the sonotrode (3) vibration exciter (4), that the natural vibration frequency held on the machine tool (2) Sonotrode (3) and the excitation frequency of the vibration exciter (4) for generating a resonance vibration of the sonotrode (3) are matched to each other, and that a bore portion (24) of the sonotrode (3) takes the form of a receiving bore (20) in the bone ( 19) received fastening portion (6) of the implant (23).
2. Bearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerfrequenz und die Eigenschwingungsfrequenz oberhalb von 10 KHz und insbesondere im Ultraschallbereich liegen.2. Processing system according to claim 1, characterized in that the excitation frequency and the natural vibration frequency are above 10 kHz and in particular in the ultrasonic range.
3. Bearbeitungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (4) als Piezoerreger ausgebildet ist. 3. Processing system according to claim 1 or 2, characterized in that the vibration exciter (4) is designed as a piezoelectric actuator.
4. Bearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsabschnitt4. Processing system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the fastening portion
(6) einen zumindest abschnittsweise unrunden Querschnitt aufweist.(6) has an at least partially non-circular cross-section.
5. Bearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (3) und insbesondere der Befestigungsabschnitt (6) des Implantats5. Processing system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sonotrode (3) and in particular the attachment portion (6) of the implant
(23) mit mindestens einem Vorsprung (9) versehen ist, der bezogen auf eine Längsachse (10) des Befestigungs- abschnitts (6) zur Erzeugung eines Hinterschnitts (11) radial hervorsteht .(23) is provided with at least one projection (9) which, relative to a longitudinal axis (10) of the attachment portion (6) for generating an undercut (11) protrudes radially.
6. Bearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (3) mit einem Saug-/Spülkanal (12) versehen ist.6. Processing system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sonotrode (3) is provided with a suction / irrigation channel (12).
7. Bearbeitungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt (31) des Saug-/Spülkanals (12) als nach außen offene Rinne ausgeführt ist .7. Processing system according to claim 6, characterized in that a portion (31) of the suction / flushing channel (12) is designed as an outwardly open channel.
8. Bearbeitungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (31) des Saug-/Spülkanals (12) schräg zur Längsachse der Sonotrode (3) verläuft und insbesondere wendeiförmig um die Sonotrode (3) herumläuft.8. Processing system according to claim 7, characterized in that the portion (31) of the suction / irrigation channel (12) obliquely to the longitudinal axis of the sonotrode (3) and in particular helically around the sonotrode (3) runs around.
9. Bearbeitungssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt des Saug- /Spülkanals (12) innenseitig der Sonotrode (3) ver- läuft, wobei der Saug-/Spülkanal (12) von innen nach außen durchspült ist.9. Processing system according to claim 7 or 8, characterized in that a portion of the suction / flushing channel (12) on the inside of the sonotrode (3) ver runs, wherein the suction / irrigation channel (12) is flushed from the inside out.
10. Bearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugmaschine (2) eine Spannvorrichtung (5) zur statisch festen und insbesondere drehfesten, lösbaren Einspannung der Sono- trode (3) umfaßt.10. Processing system according to one of claims 1 to 9, characterized in that the machine tool (2) comprises a clamping device (5) for statically fixed and in particular rotationally fixed, releasable clamping of the sono trode (3).
11. Bearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung (5) mehrere Haltemittel (7) zur Aufnahme verschiedener So- notroden (3) aufweist.11. A processing system according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the clamping device (5) has a plurality of holding means (7) for receiving various So- notroden (3).
12. Bearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung (5) revolverartig bzgl . eines Gehäuses (8) der Werkzeugmaschine (2) drehbar ist.12. Processing system according to one of claims 1 to 11, characterized in that the clamping device (5) revolver-like respect. a housing (8) of the machine tool (2) is rotatable.
13. Bearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (3) mit ihrem Bohrabschnitt (24) exzentrisch zu einer Längsachse (13) der Werkzeugmaschine (2) angeordnet ist.13. Processing system according to one of claims 1 to 12, characterized in that the sonotrode (3) with its drilling portion (24) eccentrically to a longitudinal axis (13) of the machine tool (2) is arranged.
14. Bearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrode (3) durch das Implantat (23) gebildet ist.14. Processing system according to one of claims 1 to 13, characterized in that the sonotrode (3) through the implant (23) is formed.
15. Verwendung eines Bearbeitungssystems mit den Merkmalen nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zum Lösen des Implantats (23) aus dem Knochen (19) . 15. Use of a processing system with the features according to one of claims 1 to 14 for releasing the implant (23) from the bone (19).
16. Verwendung eines Implantats (23), welches zum Einsetzen in einen Knochen (19) eines lebenden Körpers vorgesehen ist, als in mindestens einer Eigenfreguenz in Resonanz schwingendes Werkzeug (1) zum Bohren einer Aufnahmebohrung (20) in den Knochen (19) .16. Use of an implant (23), which is intended for insertion into a bone (19) of a living body, in at least one Eigenfreguenz in resonance oscillating tool (1) for drilling a receiving bore (20) in the bone (19).
17. Verwendung eines Implantats (23) nach Anspruch 16 in einem Bearbeitungssystem mit den Merkmalen nach einem der Ansprüche 1 bis 14. 17. Use of an implant (23) according to claim 16 in a processing system with the features according to one of claims 1 to 14.
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