DE69319587T2 - Chirurgischer schneideblock - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Das Gebiet der Erfindung bezieht sich auf chirurgische Vorrichtungen und insbesondere auf chirurgische Schneidblöcke, die zum Führen von Sägen und ähnlichen Schneidvorrichtungen beim Formen von Knochen, Knorpel und anderem mittelharten bis harten Gewebe verwendet werden.
Referenz
• Sunderman et al. 1989, Journal of Orthopaedic Research 7: 307- 315.
Hintergrund der Erfindung
• Künstliche Gelenke, wie Ersatz für das Knie oder die Hüftgelenkpfanne, werden häufig in den Körper implantiert, um beschädigte oder krankhafte Gelenke zu reparieren oder zu ersetzen. Um ein erfolgreiches Implantat zu erreichen, muß der dem Gelenk benachbarte Knochen zuerst geschnitten und in eine geeignete Form gebracht werden, die geometrisch reziprok zu der Form des Implantats ist. Typischerweise wird der Hauptteil des Schneidens mit einem Sägeblatt durchgeführt, das an einem motorisierten chirurgischen Handstück angebracht ist, das das Blatt in einer Vielfalt von gerichteten oder in zwei Richtungen führenden Bewegungen antreibt.
• Meist ist in der Gelenkersatzchirurgie die Passung zwischen der Knochenoberfläche und dem Ersatz sehr präzise, oft mit Toleranzen von wenigen Tausendstel von 25,4 mm (eines Zolls). Praktisch alle Chirurgen benutzen einen Schneidblock, um ein Blatt entlang einer Referenzoberfläche entlang von einer oder mehreren Seiten des Schneidblocks zu drücken, festzuhalten oder zu führen. Die Referenzoberfläche stellt sicher, daß die Schneidebene in Rich tung auf den Knochen und durch den Knochen verlängert wird, indem die Führung des Blatts auf seinem Weg durch den Knochen unterstützt wird. Ein typischer Schneidblock ist in US-A- 4 926 847 beschrieben.
• Obwohl sie weit verwendet werden, leiden bekannte Schneidblöcke und chirurgische Verfahren, die auf der Verwendung bekannter Schneidblöcke basieren, an verschiedenen ernsthaften Problemen. Ein allgemein angetroffenes Problem ist eine auf die Behandlung folgende Körpertoxizität. Standardmäßige chirurgische Schneidblöcke sind aus verschiedenartigen Sorten von rostfreiem Stahl hergestellt, die bei den hohen Geschwindigkeiten, bei denen die meisten chirurgischen Blätter arbeiten, schnell verschleißen. Das Ergebnis eines solchen Verschleißes ist die Erzeugung einer Aufschlämmung, auf die in dem Gebiet allgemein als "Schlamm" Bezug genommen wird, in und nahe der Operationsstelle. Der Schlamm enthält die verschiedenen Elemente, die innerhalb der Legierung vorliegen, aus denen sowohl der Schneidblock als auch die chirurgischen Blätter bestehen. Eine Anzahl von Metallen, die oft in rostfreien Stahllegierungen gefunden werden, einschließlich sowohl Nickel als auch Chrom, werden in dem Gelenk zurückgelassen und gelangen schließlich auf ihren Weg durch den Körper des Patienten. Insbesondere Nickel ist als Karzinogen bekannt. In einer neueren Studie berichten Sunderman et al. (1989), daß Nickelkonzentrationen in Patienten mit einer Gelenkersatzchirurgie in den 1-2 Tagen nach dem Eingriff im Vergleich zu Pegeln vor der Operation um das 11-fache anstiegen.
• Außer dem Problem des toxischen Schlammes bewirkt ein Verschleiß von Schneidblöcken aus rostfreiem Stahl schnell das Abnutzen der Referenzoberfläche, wodurch die Fähigkeit des Schneidblocks zerstört wird, während des chirurgischen Eingriffs eine präzise Referenzkante bereitzustellen. Bei den meisten Anwendungen werden Toleranzen von wenigen Tausendstel von 25,4 mm (eines Zolls) nach 5-10 Minuten Schneiden verloren, wodurch der Chirurg gezwungen wird, den Schneidblock zu ersetzen (was während des Eingriffs oft nicht praktikabel ist) oder einen weniger präzisen Schnitt zu akzeptieren. Unglücklicherweise kann die fehlende Bereitstellung einer präzisen Ausrichtung entlang der Kontaktoberfläche zwischen der Prothese und dem restlichen Knochen zu einer postoperativen Knochenverschlechterung, zu Infektionen und zu einem Gelenkversagen führen.
• Ein weiteres ernsthaftes Problem, das bei der Verwendung bekannter Schneidblöcke angetroffen wird, ist die während des chirurgischen Eingriffs erzeugte Reibungswärme. Obwohl viel Wärme von der Reibungswechselwirkung der Sägezähne und dem Knochen herrührt, wird ein wesentlicher Betrag an Wärme durch Reibung zwischen dem Blatt und dem Schneidblock erzeugt und somit auf das Blatt übertragen. Es ist wohlbekannt, daß eine Schädigung von Knochengewebe anfängt, nachdem die Knochentemperatur 50ºC übersteigt, und daß irreparable Schäden eintreten, nachdem die Temperaturen 70ºC für 3 oder mehr Minuten übersteigen. Existierende Schneidvorrichtungen und Benutzungsverfahren können Wärme oberhalb von 50ºC und sogar 70ºC erzeugen.
• Angesichts des Vorhergehenden besteht ein klarer Bedarf an einem Schneidblock, der keine toxischen Elemente als Nebenprodukt von Verschleiß des Schneidblocks und/oder des Blattes an den Patienten liefert. Es besteht auch ein Bedarf für einen Schneidblock mit einer überlegenen Härte, der in der Lage ist, seine ursprüngliche Konfiguration ohne eine unakzeptable Abnutzung während des chirurgischen Eingriffs beizubehalten. Ein weiterer Bedarf besteht an einer Kombination aus Schneidblock und Blatt, die während der Operation einen relativ niedrigen Reibungskoeffizienten hat, wodurch eine Erwärmung des Blattes und eine Verschlechterung des Knochengewebes vermindert werden.
• US-A-4 960 735 offenbart eine auf Aluminiumoxid basierende keramische Zusammensetzung mit Carbidwhiskern, Zirkonoxid, einem Rest von Magnesiumoxid und Aluminiumoxid, wobei eine derartige Zusammensetzung für die Benutzung in Schneidwerkzeugen ist, die bei Temperaturen zwischen 600ºC und 1200ºC angewandt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
• Es ist ein allgemeines Ziel der Erfindung, einen verbesserten Schneidblock mit einer Referenzoberfläche bereitzustellen, die aus einer Zusammensetzung besteht, die minimale Mengen an toxischen und karzinogenen Elementen wie Nickel und Chrom hat.
• Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Schneidblock bereitzustellen, der eine Schneidführungs-Oberfläche mit einer überlegenen Härte hat, so daß die Konfiguration und Toleranzen der Schneidoberfläche im wesentlichen über die gesamte Verwendung während einer Operation beibehalten werden.
• Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Schneidblock bereitzustellen, der eine Schneidführungs-Oberfläche hat, die bei Verwendung in der Chirurgie mit einem gegebenen Blatt einen relativ niedrigen Reibungskoeffizienten hat, wodurch in dem Blatt durch Reibungskontakt mit der Schneidführungs-Oberfläche aufgebaute Wärme minimiert wird.
• Die Erfindung erfüllt diese Ziele durch Schaffen eines verbesserten Schneidblocks mit einer oder mehreren Schneidführungsflächen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine Zusammensetzung mit einer Knoop-Härte von 466 oder mehr (unter einer Last von 500 gm oder mehr), einen Chromgehalt von weniger als 10 Gew.-% und einen Nickelgehalt, der wesentlich geringer als 4 Gew.-% ist, aufweist oder aufweisen.
• Der Schneidblock der Erfindung kann vollständig aus der gewünschten Zusammensetzung bestehen oder kann von zusammengesetzter Konstruktion sein, die eine aus rostfreiem Stahl oder einem anderen für chirurgische Anwendungen geeigneten Material bestehende Kerneinheit hat, die mit einer oder mehreren Einheiten versehen und damit gekoppelt ist, die aus der oben beschriebenen Zusammensetzung bestehen und mit einer gewünschten Schneidführungsfläche ausgebildet sind. Solche Einheiten können diskrete Blöcke oder Schichten sein, die physisch an einer gewünschten Oberfläche der Kerneinheit befestigt oder darin eingelegt sind oder können alternativ Beschichtungen oder Ablagerungen bilden, die mit einer gewünschten Oberfläche der Kerneinheit unter Verwendung bekannter Techniken verbunden sind.
• Die chirurgische Vorrichtung der Erfindung ist gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft, indem toxische Ablagerungen innerhalb des Gelenks als Ergebnis eines chirurgischen Eingriffs minimiert werden, indem die Toleranzen der Referenzschneidfläche während des chirurgischen Eingriffs bewahrt werden und indem eine Blatterwärmung infolge von Reibung zwischen dem Blatt und der Schneidführungsfläche reduziert wird.
• Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden noch klarer, wenn die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1A & 1B sind perspektivische Ansichten von zwei Ausführungsformen des Schneidblocks der Erfindung.
• Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten sägehaltenden Ausführungsform des Schneiders der Erfindung.
• Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten sägehaltenden Ausführungsform des Schneiders der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
• Unter Hinwendung auf die Figuren wird nun der Schneidblock der Erfindung beschrieben. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Schneidblock 10 aus einem einzigen Material oder einer Zusammensetzung bestehen, das oder die geformt worden ist, um eine oder mehrere Schneidführungsflächen 12 bereitzustellen. Alternativ, wie in den Fig. 1A und 1B gezeigt, kann der Schneidblock 10 eine Kerneinheit 14 aufweisen, die mit einer oder mehreren Schneidführungseinheiten 16 gekoppelt ist. Zusätzlich kann der Block 10 mit Positionierstiften (nicht gezeigt) versehen sein, die entweder integral mit dem Schneidblock sind oder die an dem Schneidblock über Schraublöcher 20 angebracht werden können.
• Obwohl die Zusammensetzung des inneren Bereichs des Blocks und der Positionierstifte von fast jedem dauerhaften, harten Materials sein kann, das nicht leicht bricht, wie rostfreier Stahl, sollte die Schneidführungsfläche 12 des Schneidblocks aus einem Material mit einem hohen Grad an Härte verbunden mit niedrigem Chrom- und Nickelgehalt sein. Befriedigende Parameter für solch ein Material schließen eine Knoop-Härte von 466 oder mehr (unter einer Last von 500 gm oder mehr), einen Chromgehalt von weniger als 10% und einen Nickelgehalt von weniger als 4% ein. Ein bevorzugtes Material würde eine Knoop-Härte von 800 oder mehr (unter einer Last von 500 gm oder mehr), einen Chromgehalt von weniger als 8% und einen Nickelgehalt von weniger als 3% haben. Ein am meisten bevorzugtes Material würde eine Knoop-Härte von 1000 oder mehr (unter einer Last von 500 gm oder mehr), einen Chromgehalt von weniger als 6% und einen Nickelgehalt von weniger als 2% haben.
• Es ist einzusehen, daß die Schneidführungseinheiten 16 an einer Kerneinheit, die diese Eigenschaften haben kann oder nicht haben kann, in gewünschten Positionen und Winkeln auflaminiert oder anders befestigt werden können. Alternativ kann eine derartige Schneidoberfläche erreicht werden, indem ein Material mit diesen Eigenschaften direkt auf einer vorgeformten Schneidführungsfläche abgelagert wird, sofern die Dicke des abgelagerten Materials ausreichend groß ist, um unter normalen chirurgischen Bedingungen wirksam zu sein. Natürlich wird es einem Fachmann auf dem Gebiet auch klar sein, daß der Gesamtblock aus einer Zusammensetzung mit der gewünschten Härte und chemischen Zusammensetzung, wie oben ausgeführt, hergestellt werden kann, sofern dies Zeit- und kosteneffektiv ist.
• Materialien mit den gewünschten Eigenschaften, die für diese Arbeit geeignet sein würden, schließen Keramiken wie Zirkonoxid, Aluminiumoxide, bestimmte Boride wie Titandiborid und Borcarbid, stickstoffgehärtetes Titan und ähnliche Materialien ein. Solche Materialien sind auf dem Gebiet bekannt und können von der Coors Ceramic Company (Golden, Colorado) erhalten werden. Obwohl alle die soeben aufgelisteten Materialien die gewünschten Eigenschaften für ein Schneidflächenmaterial, wie oben beschrieben, haben, werden Keramiken wie Zirkonoxid mit sehr hoher Knoop-Härte, hoher Bruchzähigkeit und niedriger thermischer Leitfähigkeit bevorzugt. Solche Verbindungen sind zusätzlich vorteilhaft, weil sie niedrige Reibungskoeffizienten haben, wenn sie mit standardmäßigen metallischen Schneidblättern benutzt werden, womit die Wärmeerzeugung vermindert wird, und im wesentlichen nickel- und chromfrei sind.
• Obwohl Schneidblöcke mit Schneidführungsflächen, die an einer oder mehreren Außenseiten positioniert sind, für alle Typen der orthopädischen Chirurgie geeignet sind, werden sägehaltende Blöcke von einigen Chirurgen bevorzugt. Sägehaltende Ausführungsformen des Schneidblocks der Erfindung sind in den Fig. 2 und 3 abgebildet. Der Schneidblock 10 kann so konfiguriert sein, daß er offene Kanäle bereitstellt, die sich seitlich von jedem Ende erstrecken, wie in Fig. 2 gezeigt, oder kann mit inneren Kanälen versehen sein, wie in Fig. 3 gezeigt. In jedem Fall kann der Block aus einem massiven Stück Material mit der gewünschten Härte und den gewünschten Metallzusammensetzungs eigenschaften bestehen, oder er kann ein Komposit sein, das eine Kerneinheit 14 aufweist, die mit Schneideinheiten 16 gekoppelt ist, so daß die Schneidführungsflächen 12 aus dem gewünschten Material bestehen.
• Bei einer typischen Verwendung legt ein Chirurg zunächst das zu ersetzende Gelenk oder den zu ersetzenden Gelenkbereich frei. In den Knochen werden Löcher mit einer Tiefe und an einer Stelle gebohrt, die auf die Anordnung der Ausrichtungsstifte des Schneidblocks abgestimmt sind, so daß die Schneidführungsfläche des Schneidblocks geeignet ausgerichtet ist, um den Knochen unter einem gewünschten Winkel und in einer gewünschten Tiefe unter Verwendung einer Standardsäge zu schneiden. Ein Schneidblock mit einer Schneidführungsfläche, die aus einem Material mit der Härte und den chemischen Eigenschaften wie oben erläutert besteht, wird dann in das Gelenk durch Einsetzen der Ausrichtstifte in die Knochenbohrlöcher eingebracht. Der Chirurg verwendet dann die Schneidführungsfläche, um das Blatt auszurichten und zu führen, wenn ein Schnitt in das Knorpel- und Knochengewebe gemacht wird. Bei Schneidblöcken, die die Schneidführungsfläche auf der äußeren Oberfläche des Blocks haben, kann der Chirurg während des Eingriffs Druck auf das Blatt ausüben, um ein Verbiegen des Blatts zu bewirken, wodurch der Winkel des Schnitts eingestellt wird, wenn der chirurgische Eingriff fortschreitet. Nachdem der Knochen geschnitten und entfernt worden ist, wird die Gelenkprothese eingesetzt, und das Gelenk wird geschlossen. Der Schneidblock der Erfindung kann auch verwendet werden, um weiche Gewebe zu schneiden, entweder unter Benutzung von benachbartem Knochen als Referenzanker oder durch Verwendung einer von dem Patienten getrennten einstellbaren Montierung.
• Aus dem Vorhergehenden kann abgeschätzt werden, wie die Ziele und Merkmale der Erfindung erfüllt werden. Die Härte der Schneidführungsfläche hilft dabei, eine ebene Referenzschneidfläche zu bewahren, die keiner Abnutzung unterliegt. Die bevorzugten Materialien sind auch niedrig in toxischen Metallionen, die während des chirurgischen Eingriffs als Rest abgestoßen werden könnten. Ferner stellt die Härte des Materials, insbesondere von Keramiken wie Zirkonoxid, sicher, daß eine Abnutzung minimiert wird, was Reibung und somit Wärmeerzeugung während der Operation reduziert und eine Schlammproduktion reduziert, die während der Operation in dem Behandlungsgebiet abgestoßen werden kann.
• Obwohl die Erfindung in bezug auf einen besonderen chirurgischen Schneidblock beschrieben worden ist, ist einzusehen, daß verschiedene Modifikationen der Vorrichtung und des Verfahrens möglich sind, ohne von der Erfindung abzuweichen, die durch die unten aufgeführten Ansprüche definiert ist.

Claims (5)

1. Chirurgischer Schneidblock (10) mit wenigstens einer Schneidführungsfläche (12) zum Führen von Knochensägen und ähnlichen Blättern, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidführungsfläche ein Material mit einer Knoop-Härte von 466 oder mehr unter einer Last von 500 gm oder mehr, einem Chromgehalt von 10% oder weniger und einem Nickelgehalt von weniger als 4% aufweist.

2. Chirurgischer Schneidblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Zirkonoxid, Aluminiumoxid, stickstoffgehärtetem Titan und Boriden besteht.

3. Chirurgischer Schneidblock nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Zirkonoxid ist.

4. Chirurgischer Schneidblock nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner aufweist:

a) eine Kerneinheit (14) und

b) wenigstens eine Schneidführungseinheit (16), die mit der Kerneinheit gekoppelt ist und das genannte Material aufweist.

5. Chirurgischer Schneidblock nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner aufweist:

a) eine Kerneinheit mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende; und

b) eine erste Schneidführungseinheit, die mit dem ersten Ende der Kerneinheit gekoppelt ist und mit einem Durchgangskanal versehen ist, der wenigstens eine der Schneidführungsflächen hat; und

c) eine zweite Schneidführungseinheit, die mit dem zweiten Ende der Kerneinheit gekoppelt ist und mit einem Durchgangskanal versehen ist, der wenigstens eine andere der Schneidführungsflächen hat,

wobei die erste Schneidführungseinheit und die zweite Schneidführungseinheit das genannte Material aufweisen.