DE102005058107A1

DE102005058107A1 - Chirurgisches Bearbeitungswerkzeug

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Publication number: DE102005058107A1
Application number: DE102005058107A
Authority: DE
Original assignee: Mueller Erich Johann Dr Med
Current assignee: Mueller Erich Johann Dr Med
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2007-07-26
Also published as: DE112006003730A5; EP1968458B1; WO2007065419A1; US8709012B2; EP1968458A1; US20080306482A1

Abstract

Chirurgisches Bearbeitungswerkzeug zum Herstellen einer Ausnehmung in einem festen Körpergewebe, insbesondere einem Knochen und/oder einem Knorpel, mit einem Fräsbereich, der um eine zentrale Drehachse drehbar ist, mit einer äußeren Mantelfläche des Fräsbereichs und einem durch die Mantelfläche im Wesentlichen abgegrenzten, dem zu bearbeitenden Körpergewebe abgewandten Innenbereich, wobei die Mantelfläche im Sinne eines Fräskopfes mit zumindest zwei spanabhebenden Schneidkanten ausgebildet ist, die an der Mantelfläche von einem Drehzentrum zu einem Drehrand des Fräsbereichs verlaufen und insbesondere spiralförmig gekrümmt sind, und zu den Schneidkanten benachbart angeordneten Öffnungen zum Abtansport der Schneidspäne in den Innenbereich, wobei die Schneidkanten mittels Vertiefungen so unterbrochen sind, dass die Schneidkanten aus einzeln schneidend wirkenden Schneidelementen aufgebaut sind.

Description

Die Erfindung betrifft chirurgisches Bearbeitungswerkzeug zum Herstellen einer Ausnehmung in einem festen Körpergewebe, insbesondere einem Knochen und/oder einem Knorpel nach dem Oberbegriff eines der Ansprüche 1 bis 3.

Bekannt sind chirurgische Bearbeitungswerkzeuge, wie beispielsweise in der EP 1 227 762 B1 beschrieben.

Nachteilig ist es, dass die erzeugten ausgearbeiteten Vertiefungen in einigen Fällen im Randbereich einen schnelleren und höheren Abtrag aufweisen als im zentralen Drehzentrum, dem sogenannten Polbereich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein chrirurgisches Bearbeitungswerkzeug bereitzustellen, dass es ermöglicht, schnell und sicher zu arbeiten und eine vorbestimmte Ausfräsform einzuhalten.

Die Aufgabe wird zu einen gelöst durch ein chirurgisches Bearbeitungswerkzeug zum Herstellen einer Ausnehmung in einem festen Körpergewebe, insbesondere einem Knochen und/oder einem Knorpel, mit einem Fräsbereich, der um eine zentrale Drehachse drehbar ist, mit einer äußeren Mantelfläche des Fräsbereichs und einem durch die Mantelfläche im wesentlichen abgegrenzten, dem zu bearbeitenden Körpergewebe abgewandten Innenbereich, wobei die Mantelfläche im Sinne eines Fräskopfes mit zumindest zwei spanabhebenden Schneidkanten ausgebildet ist, die an der Mantelfläche von einem Drehzentrum zu einem Drehrand des Fräsbereichs verlaufen und insbesondere spiralförmig gekrümmt sind, und zu den Schneidkanten benachbart angeordneten Öffnungen zum Abtransport der Schneidspäne in den Innenbereich, wobei die Schneidkanten mittels Vertiefungen so unterbrochen sind, dass die Schneidkanten aus einzeln schneidend wirkenden Schneidelementen aufgebaut sind, und mit zumindest zwei, im wesentlichen in Flächenlängsrichtung parallel verlaufenden, benachbart angeordneten, an der Mantelfläche im wesentlichen parallel zu den Schneidkanten verlaufenden Stopflächen, die das Eindringen der Schneidkanten in das Körpergewebe in einer quer zur Flächenlängsrichtung angeordneten Schneidrichtung bezüglich der Eindringtiefe in das Gewebe begrenzen, wobei eine erste Stopfläche, die ein erstes Eindringen der Schneidkante in das Gewebe begrenzt, in Bezug zu einer Schneidkantenspitze eine Differenzhöhe aufweist, die ausgehend von dem Bereich im Drehzentrum zu dem Bereich am Drehrand im wesentlichen konstant bleibt oder in geringem Maße abnimmt und eine zweite Stopfläche, die das an das erste Eindringen anschließende Eindringen der Schneidkante in das Gewebe begrenzt, in Bezug zu der Schneidkantenspitze eine Differenzhöhe aufweist, die ausgehend von dem Bereich im Drehzentrum zu dem Bereich am Drehrand abnimmt.

Die Stopflächen verhindern, dass die Schneidkante zu tief in das Gewebe eindringt. Durch die erste Stopfläche wird die in die Tiefe eindringende Schneidkante abgebremst. Ein weiteres Abbremse erfolgt dann durch die zweite Stopfläche. Die Höhe der Stopflächen nimmt von dem zentralen Drehzentrum des Fräskopfes bis zum Rand des Fräskopfes ab. Somit wird die Angriffsstärke der Schneidkante zum Rand hin verringert. Der stärkste Asngriff erfolgt somit zunächst im Drehzentrum und die gewünschte Fräsform wird nicht verfänscht.

Die Aufgabe wir ebenfalls gelöst durch ein chirurgisches Bearbeitungswerkzeug zum Herstellen einer Ausnehmung in einem festen Körpergewebe, insbesondere einem Knochen und/oder einem Knorpel, insbesondere nach Anspruch 1, mit einem Fräsbereich, der um eine zentrale Drehachse drehbar ist, mit einer äußeren Mantelfläche des Fräsbereichs und einem durch die Mantelfläche im wesentlichen abgegrenzten, dem zu bearbeitenden Körpergewebe abgewandten Innenbereich, wobei die Mantelfläche im Sinne eines Fräskopfes mit zumindest zwei spanabhebenden Schneidkanten ausgebildet ist, die an der Mantelfläche von einem Drehzentrum zu einem Drehrand des Fräsbereichs verlaufen und insbesondere spiralförmig gekrümmt sind, und zu den Schneidkanten benachbart angeordneten Öffnungen zum Abtransport der Schneidspäne in den Innenbereich, wobei die Schneidkanten mittels Vertiefungen so unterbrochen sind, dass die Schneidkanten aus einzeln schneidend wirkenden Schneidelementen aufgebaut sind, mit einer spiralförmig an der Mantelfläche verlaufenden rillenförmigen Vertiefung, die die Schneidkanten an der Mantelfläche im Bereich der Vertiefungen in den Schneidkanten so durchbricht, dass die rillenförmige Vertiefung eine praktisch kontinuierlich fluchtende Fortsetzung der Vertiefungen in den Schneidkanten bildet und eine dadurch spanbrechende Aufteilung der Schneidkanten in Schneidelemente entsteht, wobei die Länge der Schneidelemente ausgehend vom Drehzentrum zum Drehrand abnimmt.

Die rillenförmige Vertiefung stützt den Fräskopf bei dem Vortrieb in das Gewebe und bietet eine Art Führung. Zugleich wird durch die Vertiefung abgespantes Gewebematerial bis zur nächstfolgenden Öffnung transportiert und gelangt von dort durch die Öffnung an die Innenseite des Fräskopfes. Zugleich haben die Vertiefungen in den Schnittkanten eine spanbrechende Wirkung. Die Länge der durch die Vertiefungen gebildeten Schneidelemente nimmt von dem Drehzentrum zum Drehrand ab. Hierdurch wird wiederum eine Verlangsamung des Abtrags vom Drehzentrum zum Drehrand erreicht und die Formsicherheit beim Fräsen erhöht.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein chirurgisches Bearbeitungswerkzeug zum Herstellen einer Ausnehmung in einem festen Körpergewebe, insbesondere einem Knochen und/oder einem Knorpel, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Fräsbereich, der um eine zentrale Drehachse drehbar ist, mit einer äußeren Mantelfläche des Fräsbereichs und einem durch die Mantelfläche im wesentlichen abgegrenzten, dem zu bearbeitenden Körpergewebe abgewandten Innenbereich, wobei die Mantelfläche im Sinne eines Fräskopfes mit zumindest zwei spanabhebenden Schneidkanten ausgebildet ist, die an der Mantelfläche von einem Drehzentrum zu einem Drehrand des Fräsbereichs verlaufen und insbesondere spiralförmig gekrümmt sind, und zu den Schneidkanten benachbart angeordneten Öffnungen zum Abtransport der Schneidspäne in den Innenbereich, wobei die Scheidkanten mittels Vertiefungen so unterbrochen sind, dass die Schneidkanten aus einzeln schneidend wirkenden Schneidelementen aufgebaut sind, wobei die Öffnungen im wesentlichen parallel zu den Schneidkanten durchgehend offen ausgebildet sind und im Bereich des Drehzentrums und im Bereich des Drehrandes enden.

Die großen Öffnungen ermöglichen einen schnellen und zuverlässigen Abtransport der Späne. Die Stabilität des Fräskopfes ist zudem durch die Halterung am Drehzentrum und am Drehrand gegeben.

Vorteilhaft ist es, wenn die Schneidkanten im Querschnitt betrachtet jeweils einen Spanwinkel alpha aufweisen, der zwischen der Mantelfläche und einer dem Werkstück abgewandten Schneidenfläche gebildet ist, und der von der Schneidkante im Bereich des Drehzentrums zu der Schneidkante im Bereich am Drehrandes zunimmt.

Vorteilhaft ist es, wenn die Schneidkanten im Querschnitt betrachtet einen Freiwinkel gamma aufweisen, der zwischen der Mantelfläche und der dem Werkstück zugewandten Schneidfläche ausgebildet ist, und der von der Schneidkante im Bereich des Drehzentrums zu der Schneidkante im Bereich am Drehrandes abnimmt.

Vorteilhaft ist es, wenn der Freiwinkel gamma in Abhängigkeit vom Abstand zum Drehzentrum stufenweise und/oder kontinuierlich abnimmt.

Vorteilhaft ist es, wenn die Stopflächen einen konkaver Querschnitt aufweisen.

Vorteilhaft ist es, wenn die dem Werkstück zugewandte Schneidfläche des Werkstücks über die gesamte Schneidkante verlaufend im wesentlichen konstant bleibt.

Vorteilhaft istes, wenn der Querschnitt der rillenförmigen Ausnehmung ausgerundet oder eckig ist.

Vorteilhaft ist es, wenn die Schneidkante durch Ausnehmungen in etwa 5 bis 8 Schneidelemente unterteilt ist.

Vorteilhaft ist es, wenn der Fräsbereich halbkugelförmig oder dreieckförmig oder plan oder kegelförmig oder konisch oder pilzförmig ausgebildet ist.

Vorteilhaft ist es, wenn der Fräsbereich Ausnehmungen in der Seite der Mantelfläche aufweist, um den Fräsbereich an schwer zugängliche Gewebebereiche einzubringen, wobei die Einhüllende des Fräsbereichs praktisch unverändert gegenüber dem Vollwerkzeug bleibt.

Vorteilhaft ist es, wenn der Fräsbereich etwa 2 bis 8, vorzugsweise 6, vorzugsweise mit einem gleichem Abstand über die Mantelfläche angeordnete Schneidkanten aufweist.

Vorteilhaft ist es, wenn der Fräsbereich aus einem hochwarmfesten Metall, insbesondere einer Cr-Co Legierung gebildet ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele des Gegenstands der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert sind.

Es zeigen:
1 ein Bearbeitungswerkzeug
2a eine Seitenansicht eines Bearbeitungswerkzeugs
2b eine Schneidkante mit Vertiefungen und Schneidelementen
3a einen Querschnitt AA durch eine Mantelfläche aus 2a im Polbereich
3b einen Querschnitt AA durch eine Mantelfläche aus 2a im Äquatorbereich,
4 ein Bearbeitungswerkzeug in Seitenansicht
5a ein Bearbeitungswerkzeug in Aufsicht,
6 ein Bearbeitungswerkzeug,
7a ein Bearbeitungswerkzeug mit Seitenausnehmung und
7b ein Bearbeitungswerkzeug mit Seitenausnehmung.
1 zeigt ein chirurgisches Bearbeitungswerkzeug mit einer halbkugelförmigen Mantelfläche 10 und einen dadurch umgrenzten Innenbereich 50, dass mittels eines Lagerschafts 40 um eine zentrale Achse gedreht werden kann. Die Drehung erfolgt dabei von der Lagerschaftrichtung aus gesehen iim Uhrzeigersinn. Vom Drehzentrum, dem Pol 12, aus erstrecken sich Schneidkanten an Schneiden 20, die in einzelne Scheidelemente mittels die Schneidkante durchbrechende Vertiefungen 30 eingeteilt sind. Die Länge der Schneidelemente nimmt vom Pol 12 zum Äquator 14 ab. Die Schneiden weisen eine Schneidfläche 28 auf, die vom Werkstück abgewandt ist und eine Schneidfläche 26, die dem Werkstück zugewandt ist.
Die Vertiefung 30 läuft in Form einer Spirale über die gesamte Mantelfläche vom Pol zum Äquator.
Die neu angebrachte, von Pol zum Äquator spiralförmig verlaufende rillenartige Vertiefung, die eckig oder rund sein kann, führt durch die Schneidkanten. Dies führt zu einzelnen spanbrechenden Schneidelementen, die beim Kreuzen der Rille mit den Schneidekanten entstehen. Die bedeutet eine bessere Schneideigenschaft der Fräse. Weil die Gesamtlänge der Schneidfläche der Schneidkanten durch die Einrichtung der Schneidelemente auf 70% der Schneidkantenlänge reduziert ist, ist die Gefahr des Festfahrens erheblich reduziert. Zugleich ist die Schneideigenschaft nicht vermindert und es wird eine perfekte Knorpel- oder Knochenvertiefung erzeugt.
Die Schneidkante wird insgesamt vorzugsweise ein etwa 5 bis 8 Schneidelemente unterteilt.
Die Spanbrecher werden zum Äquator durch Rillen mit einem kleineren Abstand zueinander erzeugt. Auf diese Weise nimmt die Länge der Schneidelemente von Pol zum Äquator ständig ab. Dies führt wiederum dazu, dass die Schneidkraft zum Äquator abnimmt und die Führungstreue der Fräse zunimmt.
Zusätzlich wirkt die spiralförmig angelegte Rille selbst als Führungselement, weil der Knorpel/Knochen, der nicht im Spanbrecherbereich vom Schneidelement entfernt wird, in die Spirale eindringt. Dies führt zu einer Stabilisierung der Fräse bis das nachfolgende Schneidelement sie entfernt. Die Rille dient zudem als Vorschubhilfsmittel, ähnlich einem Korkenzieher, solange bis Druck auf die Fräse ausgeübt wird.
Die Fräse wird an dem Drehzentrum und dem Drehrand zusammengehalten.
Die Spandicke hängt ab von dem Unterschied zwischen der Schneidkante und der der benachbarten Mantelfläche, wobei zwischen Mantelfläche und Schneidkante die Öffnung zum Durchführen der Schneidspäne angeordnet ist. Die Arbeitshöhe zwischen Spitze der Schneidkante und Ende der zweiten Mantelfläche (10b) nimmt von dem Schneidkantenbereich im Drehzentrum (h1b) zum Schneidkantenbereich am Drehrand (h2b) vorzugsweise kontinuierlich ab. Dies erhöht die Fräsführungstreue stark.
Die Mantelfläche der Fräse ist zwischen jeweils zwei Schneidkanten von zwei unterschiedlichen Flächen gebildet, eine erste, die von der Schneidkante abwendet gebildet ist und eine zweite Fläche, die sich bis an die Öffnung zwischen dieser und der benachbarten Schneidkante erstreckt. Die Flächen wirken als Vorschubsstopper. Durch einen unterschiedlich zunehmenden Abstand gegenüber der absoluten Fräsform ermöglichen die Flächen der Fräse eine höhere Agressivität.
Der Unterschied zwischen der zweiten Fläche und der Fläche der folgenden Schneidkante, durch einen abnehmenden Abstand zum Äquator führt zu mehr Agressivität im Polbereich und so zu einer besseren Richtungstreue.
Die Schneidkantenfläche ist gleich breit auf die gesamte Länge von Pol zum Äquator.
Die Öffnungen in den Mantelflächen, die sich vor jeder Schneidkante befinden, erstrecken sich von einem Abstand von etwa 5 bis 7 mm vom Drehzentrum („Pol") bis zu einem Abstand von etwa 3 mm zum Drehrand („Äquator").
Durch die Erfindung wird eine Vertiefung in ein körpereigenes Hartgewebe, insbesonere Knochen oder Knorpel gearbeitet.
Diese Vertiefung kann insbesondere halbkugelförmig sein und kann dann als Einsatzbereich beispielsweise für Hüftgelenksprothesen dienen.
Die Erfindung betrifft ein chirurgisches Bearbeitungswerkzeug zur Schaffung einer Vertiefung in einem Knorpel- und/oder Knochengewebe für eine Gelenksprothese, insbesondere in einem Hüftgelenksknochen für eine Pannenprothese, welches eine im wesentlichen halbkugelförmige Mantelfläche und einen dadurch umgrenzten hohlen Innenbereich aufweist, wobei an der Mantelfläche zum Äquator der Mantelfläche erstreckende Schneide, welche zumindest ein Schneidelement (20) mit einer dem Werkstück zugewandten Schneidefläche (26) und einer dem Werkstück abgewandten Schneidefläche (28) aufweist, und eine damit kooperierende Öffnung in der Mantelfläche zum Abtransport des Spans in den hohlen Innenbereich ausgebildet sind, wobei zur Drehung um die die Drehachse bildende Symmetrieachse an der Mantelfläche ein sich durch den hohlen Innenbereich vorteilhaft befestigt ist.
Ein derartiges chirurgisches Bearbeitungswerkzeug ist aus der WO 95/13749 bekannt, welche ein Bearbeitungswerkzeug zur Ausbildung einer Vertiefung in einer Hüftgelenkspfanne offenbart, welches einen halbkugelförmigen Bearbeitungskopf aufweist. Dieser Bearbeitungskopf weist mehrere Schneiden und damit zusammenwirkende Öffnungen auf, durch welche das abzutragende Material in einen hohlen Innenbereich abtransportiert wird, so dass der Bearbeitungsvorgang nicht aufgrund von abgetragenem Material unterbrochen werden muss.
Ferner offenbart die EP 0574701 A1 ein Bearbeitungswerkzeug für Knochen, welches einen halbkugelförmigen Kopf aufweist, welcher mitsamt der Schneiden aus Kunststoff hergestellt ist. Dies ermöglicht eine besonderes kostengünstige Herstellung des Werkzeugs, wodurch eine Einmalanwendung möglich ist. Darüber hinaus offenbart diese Druckschrift eine Ausführungsform eines Bearbeitungswerkzeugs, die eine spiralförmig den Schaft umlaufende Schneide aufweist, welche aus einer Vielzahl von Schneideelementen aufgebaut ist.
Des weiteren offenbart die EP 0782840 A1 ein chirurgisches Fräswerkzeug zum Einsetzten von Prothesen, welches einen mittels eines Anschlußstücks zu verbindenden Lagerschaft aufweist, wobei der Bearbeitungskopf ein zentrales Schneidelement zur Führung des Fräswerkzeugs und eine Vielzahl von über dem halbkugelförmigen Bearbeitungskopf verteilten Schneideelement aufweist.
Derartige Bearbeitungswerkzeuge weisen jedoch den Nachteil auf, dass der halbkugelförmige Werkzeugkopf zum Rand bzw. zum Äquator hin aufgrund der größeren Schneidegeschwindigkeit einen immer höher Materialabtrag aufweist. Dadurch weicht die geometrische Form der Vertiefungen von der für die Prothese benötigte Ausgestaltung ab.
Folglich kommt es zu einer Passungenauigkeit zwischen der Vertiefung und der darin aufgenommenen Pfannenprothese, so dass sich der Patient in relativ kurzen Abständen einer Operation unterziehen muss, um eine neue Prothese eingesetzt zu bekommen.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein chirurgisches Bearbeitungswerkzeug zur Ausbildung einer Vertiefung in einem Knorpel und/oder Knochengewebe, insbesondere in einem Hüftgelenksknochen für eine Pfannenprothese, zu schaffen, durch welches eine Vertiefung mit einer möglichst exakten geometrischen Form herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird mittels eines chirurgischen Bearbeitungswerkzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß ein Freiwinkel γ des Schneidelements, welches zwischen der Mantelfläche und der dem Werkstück zugewanden Schneidfläche ausgebildet ist, vom Pol der Mantelfläche in Richtung des Äquators der Mantelfläche abnimmt.
Durch die Abnahme des Freiwinkels γ wird der Materialabtrag zum Rand bzw. Äquator der Halbkugel hin vermindert, so dass die geometrische Form der Vertiefung nahezu exakt der Form des halbkugelförmigen Bearbeitungswerkzeugs entspricht. Aufgrund der exakten Ausbildung der halbkugelförmigen Vertiefung kommt es zu einer besseren Passgenauigkeit zwischen der Pfannenprothese und der Vertiefung, so dass sich die Lebensdauer der eingesetzten Prothese erhöht. Folglich verlängern sich die Intervalle zwischen den Operationen, bei welchen dem Patienten eine neue Prothese eingesetzt werden muss.
Ferner wird durch die Abnahme des Freiwinkels zum Rand des Bearbeitungswerkzeuges hin, die Tendenz des Verlaufens des erfindungsgemäßen Bearbeitungswerkzeuges gegenüber herkömmlichen Bearbeitungswerkzeugen vermindert, da die maximale Schneidleistung des erfindungsgemäßen Bearbeitungswerkzeugen näher am Pol der Mantelfläche angeordnet ist. Dies führt dazu, dass das erfindungsgemäße Bearbeitungswerkzeug gegenüber herkömmlichen Bearbeitungswerkzeugen bei entsprechendem Vorschub in Richtung der Drehachse während des Bearbeitungsvorgangs selbstzentrierend ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Durch eine Weiterbildung ist eine Herstellung des Bearbeitungswerkzeuges besonders einfach, insbesondere wenn die Scheide aus einer Vielzahl von Schneideelementen aufgebaut ist.
Mit einer Weiterbildung kann das Schneid-verhalten des Bearbeitungswerkzeuges weiterhin verbessert werden, da der Freiwinkel γ in Abhängigkeit vom Abstand zur Rotationsachse kontinuierlich angepasst wird.
der Schneide berechnet sich aus der Gleichung hc = 2rπ tanγ, woraus ersichtlich ist, dass eine indirekte Proportionalität zwischen dem Abstand der Schneide zur Drehachse und dem tanγ besteht, wobei der Freiwinkel γ zwischen 0° und 90° liegt, d. h. wenn der Abstand der Schneide zur Drehachse zunimmt, wird der Freiwinkel γ kleiner.
Durch eine Weiterbildung kann das Zerspannvolumen des Werkstoffs gemäß dem Radius angepasst werden, wobei der Freiwinkel γ des Schneidelements und der Spannwinkel α des Schneidelements im Hinblick auf das zu bearbeitende Material in vorteilhafter Weise abgestimmt werden.
Darüber hinaus hat die Weiterbildung den Vorteil, dass sich die effektive Schneidlänge der Schneide erhöht, wobei beim Spanabtrag neben der Scherkraft in Drehrichtung noch eine zusätzliche Komponente der Scherkraft nach außen auftritt, so dass der Materialabtrag mit einem geringeren Kraftaufwand möglich ist.
Eine Weiterbildung weist den Vorteil auf, dass das Bearbeitungswerkzeug während des Bearbeitungsvorgangs dadurch stabilisiert wird, dass mehrere Schneiden gleichzeitig im Eingriff sind, so dass das Bearbeitungswerkzeug kaum von der gewünschten Drehachse abweicht. Ferner werden somit die Vibrationen des Bear beitungswerkzeugs vermindert, so dass sich die Oberflächenbeschaffenheit der erzeugten Vertiefung verbessert.
Durch eine Weiterbildung kommt es zu einer vorteilhaften Stabilisierung und Vibrationsdämpfung, wobei die Herstellung des Bearbeitungswerkzeugs kostengünstig ist. Ferner sind zumindest drei Schneiden im gleichen Umfang wirksam, um die Stabilität der Konstruktion zu gewährleisten.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnungen.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Bearbeitungswerkzeug gemäß der Erfindung;
2 eine Seitenansicht der Ausführungsform von 1;
3 Eine Schnittansicht eines Schneideelements im Bereich des Pols der Mantelfläche des Bearbeitungswerkzeug von 1 und 2;
4 eine Schnittansicht des Schneidelements im Bereich des Äquators der Mantelfläche des Bearbeitungswerkzeug von 1 und 2;
5 eine graphische Darstellung von Schneidleistungen in bezug auf den Durchmesser von Bearbeitungswerkzeugen.
In 1 ist eine vorteilhafte Ausführungsform eines chirurgischen Bearbeitungswerkzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, welche einen halbkugelförmigen Werkzeugkopf 10 in Form einer halbkugelförmigen Mantellfläche 10 und einen dadurch umgrenzten hohlen Innenbereich 50 aufweist. An der halbkugelförmigen Mantelfläche 10 sind fünf Schneiden 20 angeordnet, welche sich vom Pol 12 der Mantelfläche 10 zum Äquator 14 der Mantelfläche 10 erstrecken, wobei die Schneiden 20 gleichmäßig über der Mantelfläche 10 verteilt sind und spiralförmig gekrümmt sind, so dass die Schneiden 20 die Form eines Propellers ab
Zum Abtransport des Spans in den hohlen Innenbereich 50 sind Öffnungen 22 in der Mantelfläche 10 zwischen den Schneiden 20 dem Führungselement 30 ausgebildet. Beim Bearbeitungsvorgang dreht sich das dargestellte Bearbeitungs werkzeug entgegen dem Uhrzeigersinn, wobei jede Schneide 20 eine Vielzahl von Kerben 24 aufweist, die als Spanbrecher dienen, so dass die von den Schneiden 20 zerteilten Späne eines nicht dargestellten Werkstücks durch die Öffnungen 22 in den hohlen Innenbereich 50 abtransportiert werden. Ferner ist ein sich durch den hohlen Innenbereich 50 erstreckender Lagerschaft 40 an der Mantelfläche 10, insbesondere am Pol 12, befestigt, welcher sowohl die Drehachse als auch die Symmetrieachse des Bearbeitungswerkzeugs bildet. Der Lagerschaft 40 ist teilweise durch Öffnungen 22 in dem hohlen Innenbereich 50 zu sehen.
In 2 ist eine Seitenansicht der Ausführungsform des Bearbeitungswerkzeugs von 1 dargestellt, wobei insbesondere die Form der halbkugelförmigen Mantelfläche 10 ersichtlich ist.
In 3 ist eine Schnittansicht eines Schneideelements 20 im Bereich des Pols der Mantelfläche 10 des erfindungsgemäßen Bearbeitungswerkzeuges von 1 und 2 dargestellt. Zwischen der Mantelfläche 10 und der dem Werkstück zugewandten Schneidfläche 26 des Schneidelements bzw. der Schneide 20 wird ein Freiwinkel γ ausgebildet. Andererseits bildet sich zwischen der Mantelfläche 10 und der dem Werkstück abwandten Schneidefläche 28 des Schneidelements bzw. der Schneide 20 ein Spanwinkel α.
Darüber hinaus ist der Freiwinkel γ und der Spanwinkel α des Schneidelements 20 in 4 im Bereich des Äquators 14 der Mantelfläche 10 der vorteilhaften Ausführungsform des Bearbeitungswerkzeug von 1 und 2 dargestellt. Im Vergleich zu 3 ist der Freiwinkel γ in 4 kleiner, woraus ersichtlich wird, dass sich der Spanabtrag der Schneide 20 vom Pol 12 der Mantelfläche 10 in Richtung des Äquators 14 der Mantelfläche 10 aufgrund der Abnahme des Freiwinkels γ vermindert.
Anderseits ist der Spanwinkel α in 4 im Vergleich zu 3 größer, um das Zerspannvolumen des Werkstoffs gemäß dem Radius anzupassen. Somit nimmt der Spanwinkel α der Schneide 20, welcher zwischen Mantelfläche 10 und der dem Werkstück abgewandten Schneidfläche 28 des Schneidelements bzw. der Schneide 20 ausgebildet ist, vorteilhafterweise vom Pol 12 der Mantelfläche 10 in Richtung des Äquators 14 der Mantelfläche 10 zu.
In 5 ist eine graphische Darstellung von Schneidleistungen in Bezug auf den Durchmesser von Bearbeitungswerkzeugen gezeigt, wobei die x-Achse den Durchmesser von Bearbeitungswerkzeugen und die y-Achse die Schneidleistung von Bearbeitungswerkzeugen angibt. Eine Kurve 70 zeigt den Verlauf der Schneidleistung eines erfindungsgemäßen Bearbeitungswerkzeugs über den Durchmesser, wohingegen eine Kurve 60 den Verlauf der Schneidleistung eines Durchmesser zeigt, wobei die gestrichelte Linie die Schneidleistung von 100% angibt. Der Schnittpunkt der Kurven 60, 70 mit der x-Achse zeigt den Pol 12 der Bearbeitungswerkzeuge an, wobei die Schnittgeschwindigkeit im Pol 12 der Bearbeitungswerkzeuge null beträgt.
Aus der graphischen Darstellung von 5 ist ersichtlich, dass die Schneidleistung des erfindungsgemäßen Bearbeitungswerkzeugs gegenüber dem herkömmlichen Bearbeitungswerkzeugs größer ist, da die Fläche unter der Kurve 70 größer ist. Ferner wird durch die Abnahme des Freiwinkels γ der Schneide 20 zum Rand bzw. Pol 12 des Bearbeitungswerkzeugs hin die Tendenz des Verlaufens des erfindungsgemäßen Bearbeitungswerkzeuges gegenüber herkömmlichen Bearbeitungswerkzeugen näher am Pol 12 der Mantelfläche 10 angeordnet ist. Dies führt dazu, das erfindungsgemäße Bearbeitungswerkzeuge bei entsprechendem Vorschub in Richtung der Drehachse während Bearbeitungsvorgangs selbstzentrierend wirkt.
Gemäß einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform sind drei Schneiden über die Mantelfläche verteilt, wobei die einzelnen Schneiden aus Schneideelementen aufgebaut sind, welche zwischen konzentrischen Kreisen der Mantelfläche angeordnet sind und eine gekrümmte Form aufweisen.
Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, können vielfache Abwandlungen und Abänderungen von der dargestellten Ausgangsform vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So kann beispielsweise die sich vom Pol der Mantelfläche zum Äquator der Mantelfläche erstreckende Schneide auch durch eine Vielzahl von unabhängigen Schneideelementen aufgebaut sein. Ferner kann ein erfindungsgemäßes Bearbeitungswerkzeug fest eingespannt sein, wobei das Werkstück gedreht wird. Darüber hinaus kann die Mantelfläche des Bearbeitungswerkzeugs eine Form aufweisen, die keiner vollkommen Halbkugel entspricht, sondern einer Halbkugel ähnlich ist oder einem Teil einer Halbkugel entspricht, der sich nicht bis zum Äquator erstreckt. Des weiteren kann das Führungselement aus an der Mantelfläche angeordneten Kreiselementen oder einer Vielzahl von einzelnen Segmenten oder einer Vielzahl von einzelnen Segmenten aufgebaut sein.

Claims

Chirurgisches Bearbeitungswerkzeug zum Herstellen einer Ausnehmung in einem festen Körpergewebe, insbesondere einem Knochen und/oder einem Knorpel, mit einem Fräsbereich, der um eine zentrale Drehachse drehbar ist, mit einer äußeren Mantelfläche des Fräsbereichs und einem durch die Mantelfläche im wesentlichen abgegrenzten, dem zu bearbeitenden Körpergewebe abgewandten Innenbereich, wobei die Mantelfläche im Sinne eines Fräskopfes mit zumindest zwei spanabhebenden Schneidkanten ausgebildet ist, die an der Mantelfläche von einem Drehzentrum zu einem Drehrand des Fräsbereichs verlaufen und insbesondere spiralförmig gekrümmt sind, und zu den Schneidkanten benachbart angeordneten Öffnungen zum Abtransport der Schneidspäne in den Innenbereich, wobei die Schneidkanten mittels Vertiefungen so unterbrochen sind, dass die Schneidkanten aus einzeln schneidend wirkenden Schneidelementen aufgebaut sind, und mit zumindest zwei, im wesentlichen in Flächenlängsrichtung parallel verlaufenden, benachbart angeordneten, an der Mantelfläche im wesentlichen parallel zu den Schneidkanten verlaufenden Stopflächen, die das Eindringen der Schneidkanten in das Körpergewebe in einer quer zur Flächenlängsrichtung angeordneten Schneidrichtung bezüglich dfer Eindringtiefe in das Gewebe begrenzen, wobei eine erste Stopfläche, die ein erstes Eindringen der Schneidkante in das Gewebe begrenzt, in Bezug zu einer Schneidkantenspitze eine Differenzhöhe aufweist, die ausgehend von dem Bereich im Drehzentrum zu dem Bereich am Drehrand im wesentlichen konstant bleibt oder in geringem Maße abnimmt und eine zweite Stopfläche, die das an das erste Eindringen anschließende Eindringen der Schneidkante in das Gewebe begrenzt, in Bezug zu der Schneidkantenspitze eine Differenzhöhe aufweist, die ausgehend von dem Bereich im Drehzentrum zu dem Bereich am Drehrand abnimmt.
Chirurgisches Bearbeitungswerkzeug zum Herstellen einer Ausnehmung in einem festen Körpergewebe, insbesondere einem Knochen und/oder einem Knorpel, insbesondere nach Anspruch 1, mit einem Fräsbereich, der um eine zentrale Drehachse drehbar ist, mit einer äußeren Mantelfläche des Fräsbereichs und einem durch die Mantelfläche im wesentlichen abgegrenzten, dem zu bearbeitenden Körpergewebe abgewandten Innenbereich, wobei die Mantelfläche im Sinne eines Fräskopfes mit zumindest zwei spanabhebenden Schneidkanten ausgebildet ist, die an der Mantelfläche von einem Drehzentrum zu einem Drehrand des Fräsbereichs verlaufen und insbesondere spiralförmig gekrümmt sind, und zu den Schneidkanten benachbart angeordneten Öffnungen zum Abtransport der Schneidspäne in den Innenbereich, wobei die Schneidkanten mittels Vertiefungen so unterbrochen sind, dass die Schneidkanten aus einzeln schneidend wirkenden Schneidelementen aufgebaut sind, mit einer spiralförmig an der Mantelfläche verlaufenden rillenförmigen Vertiefung, die die Schneidkanten an der Mantelfläche im Bereich der Vertiefungen in den Schneidkanten so durchbricht, dass die rillenförmige Vertiefung eine praktisch kontinuierlich fluchtende Fortsetzung der Vertiefungen in den Schneidkanten bildet und eine dadurch spanbrechende Aufteilung der Schneidkanten in Schneidelemente entsteht, wobei die Länge der Schneidelemente ausgehend vom Drehzentrum zum Drehrand abnimmt.
Chirurgisches Bearbeitungswerkzeug zum Herstellen einer Ausnehmung in einem festen Körpergewebe, insbesondere einem Knochen und/oder einem Knorpel, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Fräsbereich, der um eine zentrale Drehachse drehbar ist, mit einer äußeren Mantelfläche des Fräsbereichs und einem durch die Mantelfläche im wesentlichen abgegrenzten, dem zu bearbeitenden Körpergewebe abgewandten Innenbereich, wobei die Mantelfläche im Sinne eines Fräskopfes mit zumindest zwei spanabhebenden Schneidkanten ausgebildet ist, die an der Mantelfläche von einem Drehzentrum zu einem Drehrand des Fräsbereichs verlaufen und insbesondere spiralförmig gekrümmt sind, und zu den Schneidkanten benachbart angeordneten Öffnungen zum Abtransport der Schneidspäne in den Innenbereich, wobei die Scheidkanten mittels Vertiefungen so unterbrochen sind, dass die Schneidkanten aus einzeln schneidend wirkenden Schneidelementen aufgebaut sind, wobei die Öffnungen im wesentlichen parallel zu den Schneidkanten durchgehend offen ausgebildet sind und im Bereich des Drehzentrums und im Bereich des Drehrandes enden.
Chirurgisches Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkanten im Querschnitt betrachtet jeweils einen Spanwinkel alpha aufweisen, der zwischen der Mantelfläche und einer dem Werkstück abgewandten Schneidenfläche (28) gebildet ist, und der von der Schneidkante im Bereich des Drehzentrums zu der Schneidkante im Bereich am Drehrandes zunimmt.
Chirurgisches Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkanten im Querschnitt betrachtet einen Freiwinkel gamma aufweisen, der zwischen der Mantelfläche und der dem Werkstück zugewandten Schneidfläche ausgebildet ist, und der von der Schneidkante im Bereich des Drehzentrums zu der Schneidkante im Bereich am Drehrandes abnimmt.
Chirurgisches Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiwinkel gamma in Abhängigkeit vom Abstand zum Drehzentrum stufenweise und/oder kontinuierlich abnimmt.
Chirurgisches Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stopflächen einen konkaner Querschnitt aufweisen.
Chirurgisches Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Werkstück zugewandte Schneidfläche (26) des Werkstücks über die gesamte Schneidkante verlaufend im wesentlichen konstant bleibt.
Chirurgisches Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der rillenförmigen Ausnehmung ausgerundet oder eckig ist.
Chirurgisches Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkante durch Ausnehmungen in etwa 5 bis 8 Schneidelemente unterteilt ist.
Chirurgisches Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fräsbereich halbkugelförmig oder dreieckförmig oder plan oder kegelförmig oder konisch oder pilzförmig ausgebildet ist.
Chirurgisches Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Fräsbereich Ausnehmungen in der Seite der Mantelfläche aufweist, um den Fräsbereich an schwer zugängliche Gewebebereiche einzubringen, wobei die Einhüllende des Fräsbereichs praktisch unverändert gegenüber dem Vollwerkzeug bleibt.
Chirurgisches Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Fräsbereich etwa 2 bis 8, vorzugsweise 6, vorzugsweise mit einem gleichem Abstand über die Mantelfläche angeordnete Schneidkanten aufweist.
Chirurgisches Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Fräsbereich aus einem hochwarmfesten Metall, insbesondere einer Cr-CoLegierung gebildet ist.