DE102004035001A1

DE102004035001A1 - Vorrichtung zur spanenden Materialbearbeitung, insbesondere für medizinische Anwendungen

Info

Publication number: DE102004035001A1
Application number: DE200410035001
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr.-Ing. Stieglitz; Hagen Dr.-Ing. Thielecke; Philipp Dr.med. Federspil
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-07-20
Filing date: 2004-07-20
Publication date: 2006-03-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spanenden Materialbearbeitung, insbesondere für medizinische Anwendungen, die ein spanabhebendes Werkzeug mit einem Antrieb umfasst, die in einem Führungsgehäuse gelagert sind, wobei eine Impedanzmesseinrichtung zur Messung einer elektrischen Impedanz in einem Bereich um die Werkzeugspitze während der spanenden Materialbearbeitung vorgesehen ist. Mit der vorliegenden Vorrichtung kann die Restdicke des verbleibenden Materials erfasst werden, um rechtzeitig einen Durchbruch zu verhindern.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spanenden Materialbearbeitung, insbesondere für medizinische Anwendungen, die ein spanabhebendes Werkzeug mit einem Antrieb umfasst, die in einem Führungsgehäuse gelagert sind.
Das Anwendungsgebiet der vorliegenden Vorrichtung betrifft vor allem medizinische Eingriffe, bei denen Teile von Knochen, insbesondere des Schädelknochens, durch spanende Bearbeitung entfernt werden müssen. Derartige Operationen zur Öffnung des Schädels können indiziert sein, um Tumore zu entfernen oder Implantate, bspw. Tiefenhirnstimulatoren oder Cochlea- und Hirnstammimplantate, einsetzen zu können. Weiterhin ist eine Öffnung des Schädels erforderlich, wenn Blutungen epi- oder subdural gestoppt werden müssen.

Bei den bisher für diesen Anwendungszweck bekannten Vorrichtungen, bei denen ein Bohr- oder Fräswerkzeug als spanabhebendes Werkzeug zur Abtragung des Knochens eingesetzt wird, lassen sich lediglich die Drehzahl fest oder variabel bis zu einer Höchstdrehzahl sowie das Drehmoment bis zu einem maximalen Wert einstellen. Gerade bei Arbeiten am Schädelknochen muss der Abtragungsvorgang mit sehr großer Sorgfalt erfolgen, um ein Abrutschen oder Durchbrechen des Werkzeugs zu verhindern. Ist die jeweils verbleibende Materialdicke unbekannt und der Bediener ungeübt, so kann der Schädelknochen durchbrechen und eine irreversible Schädigung des darunter liegenden Gehirns resultieren. Aus diesem Grunde werden diese Operationen nur von erfahrenen Medizinern durchgeführt, die aufgrund ihrer Erfahrung an der Beschaffenheit der Knochenoberfläche, am Durchscheinen darunter liegender Schichten sowie aufgrund einer Änderung der mechanischen Materialeigenschaften kurz vor dem Durchbruch den Vorschub bzw. Druckkraft auf das Werkzeug rechtzeitig verringern.

Eine Roboter-geführte Bearbeitung ist aus den genannten Gründen kaum möglich. Auch beim manuellen Betrieb ist die Gefahr von Schädigungen durch Fehleinschätzung der verbleibenden Restdicke der Materialschicht noch groß.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur spanenden Materialbearbeitung anzugeben, die die Gefahr eines Durchbrechens gerade bei Arbeiten am Schädelknochen verringert und auch die Möglichkeit einer Robotergeführten Bearbeitung eröffnet.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Die vorliegende Vorrichtung zur spanenden Materialbearbeitung, insbesondere bei medizinischen Eingriffen, weist ein spanabhebendes Werkzeug mit einem Antrieb auf, die in einem Führungsgehäuse gelagert sind. Die Vorrichtung umfasst eine Impedanzmesseinrichtung zur Messung einer elektrischen Impedanz in einem Bereich um die Werkzeugspitze während der spanenden Materialbearbeitung.

Bei der vorliegenden Vorrichtung wird ausgenutzt, dass eine Materialgrenze zwischen zwei aneinander grenzenden Materialien, wie es bspw. beim Übergang vom Schädelknochen zum angrenzenden Gewebe der Fall ist, aufgrund der unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften zu einem Sprung in der elektrischen Impedanz führt, der schon vor dem Durchbruch eine messbare Impedanzänderung verursacht. Aus der mit der vorliegenden Vorrichtung während der Materialbearbeitung gemessenen Impedanz lässt sich damit die verbleibende Restdicke des bearbeiteten Materials oder ein unmittelbar bevorstehender Materialwechsel ableiten. Auf diese Weise kann dem Benutzer über geeignete Mittel, bspw. über ein akustisches, haptisches und/oder optisches Signal, ein unmittelbar bevorstehender Materialdurchbruch angezeigt werden, so dass er die Bearbeitung rechtzeitig stoppen kann. Die Vorrichtung ermöglicht aufgrund dieser Informationen auch die Roboter-geführte Materialbearbeitung, da auf Basis der aus der Impedanzmessung gewonnenen Messdaten eine automatische Drehzahlreduzierung oder ein automatisches Stoppen der Bearbeitung über eine entsprechende Steuereinrichtung realisiert werden kann.

In der bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung umfasst diese eine mit der Impedanzmesseinrichtung verbundene Signalverarbeitungseinheit, die aus Messdaten der Impedanzmesseinrichtung und Materialdaten des bearbeiteten Materials eine Restdicke des Materials vor der Werkzeugspitze und/oder einen bevorstehenden Materialübergang ermittelt und in geeigneter Weise darstellt. Vorzugsweise ist auch eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Antriebs des Werkzeugs vorgesehen, die von der Signalverarbeitungseinrichtung ein Steuersignal zur Reduzierung des Vorschubs, des Drehmoments und/oder der Drehzahl des Werkzeugs erhält, sobald eine vorgebbare minimale Restdicke erreicht ist.

Die vorliegende Vorrichtung eignet sich vorwiegend für den Einsatz im medizinischen Bereich, um bspw. Knochen zu entfernen und die Dicke des der visuellen Inspektion entzogenen Restmaterials abzuschätzen. Insbesondere soll die Vorrichtung eingesetzt werden, um bei Entfernung von Teilen des Schädelknochens die verbleibende Dicke des Schädelknochens abzuschätzen und bei Öffnungen eine Verletzung der unter den Knochen liegenden Blutgefäße und des Gehirns selbst zu verhindern. Mit dieser Vorrichtung lässt sich somit bspw. ein Zugang zum Gehirn herstellen oder es lassen sich Kavitäten erzeugen, in denen Gehäuse von Implantaten abgelegt und fixiert werden können.

Die Vorrichtung lässt sich hierbei nicht nur im medizinischen Bereich sondern in allen technischen Bereichen einsetzen, in denen die Abschätzung der verbleibenden Materialdicke oder ein Wechsel von einem Material zu einem anderen, die sich ihren dielektrischen Eigenschaften unterscheiden, bei der spanenden Materialbearbeitung notwendig oder erwünscht ist. Insbesondere kann die vorliegende Vorrichtung auch zur Messung der Materialdicke in einem Materialverbundsystem eingesetzt werden.

In einer Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung ist das Werkzeug selbst aus einem elektrisch leitenden Material gebildet und mit der Impedanzmesseinrichtung elektrisch leitend verbunden. Das Werkzeug dient hierbei als erste Elektrode der Impedanzmesseinrichtung. Die zweite Elektrode ist eine gegenüber der ersten Elektrode großflächig ausgebildete Komponente, die frei relativ zum bearbeiteten Objekt positionierbar ist. Hierbei kann es sich bspw. um eine Metallplatte handeln, auf der der Kopf des behandelten Patienten liegt. Durch Beaufschlagen der beiden Elektroden mit einer vorzugsweise sinusförmigen Wechselspannung bzw. mit einem vorzugsweise sinusförmigen Wechselstrom und Messung des korrespondierenden Wechselstroms bzw. der korrespondierenden Wechselspannung lässt sich auf diese Weise die Impedanz im unmittelbaren Bereich um die Werkzeugspitze messen.

In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung besteht das Werkzeug aus einem elektrisch nicht leitenden Material, in das ein oder mehrere Paare von äquidistanten Elektroden an der Spitze integriert sind. In diesem Fall werden über die Elektroden ebenfalls eine Wechselspannung bzw. ein Wechselstrom eingeprägt und der korrespondierende Wechselstrom bzw. die korrespondierende Wechselspannung gemessen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Vorrichtung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:

1 ein Beispiel für eine Anwendung der vorliegenden Vorrichtung;

2 ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Vorrichtung; und

3 ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Vorrichtung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine medizinische Anwendung der Vorrichtung beschrieben, bei der eine Ausnehmung im Schädelknochen erzeugt werden muss, um bspw. ein Cochlea-Implantat einsetzen zu können. Hierzu ist in der 1 ein Teil des Schädelknochens 1 mit der darunter liegenden, mit vielen Blutgefäßen durchzogenen Spinnengewebshaut 2 zu erkennen. Unter der Spinnengewebshaut 2 befindet sich das Gehirn 4, das von der harten Hirnhaut 3 bedeckt ist. Für die Erzeugung der erforderlichen Vertiefung 7 im Schädelknochen 1 wird im vorliegenden Beispiel eine Fräsvorrichtung eingesetzt, von der ein Teil des Gehäuses 5 sowie der Fräskopf 6 zu erkennen sind. Bei dem operativen Eingriff wird die Vorrichtung von der Hand des Operateurs geführt, um die Vertiefung 7 geeigneter Größe aus dem Schädelknochen 1 heraus zu arbeiten. Der Eingriff wird bisher in der Regel unter rein visueller Kontrolle durchgeführt, so dass bei einer Fehleinschätzung ein Durchbrechen durch den Schädelknochen in die Spinnengewebshaut auftreten und u. U. durch Verletzung eines dort liegenden Blutgefäßes zu starken Blutungen führen kann. Bei Einsatz einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, kann diese Gefahr durch Erfassung der Restdicke des Schädelknochens 1 während der Bearbeitung verringert werden.

2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung, bei der der Fräskopf 6 aus einem elektrisch leitenden, metallischen Material gebildet ist. Der Fräskopf 6 ist hierbei über eine elektrische Verbindungsleitung mit einer Impedanzmesseinrichtung 14 verbunden, deren zweiter Eingang im vorliegenden Beispiel auf Masse liegt. Auf der dem Eingriff gegenüberliegenden Seite des Kopfes des Patienten ist eine Metallplatte 8 angeordnet, die ebenfalls auf Masse liegt. Der Fräskopf 6 dient bei dieser Ausgestaltung als Messelektrode, die metallische Platte 8 als Gegenelektrode. Alternativ kann die metallische Platte auch direkt mit dem zweiten Eingang der Impedanzmesseinrichtung 14 verbunden sein. Die Positionierung der metallischen Platte ist nicht kritisch. Sie sollte lediglich weit vom Ort des Eingriffes entfernt liegen und dient zum Schluss des Stromkreises für die Impedanzmessung. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Fräskopf 6 und der Impedanzmesseinrichtung 14 kann über eine elektrisch leitend ausgestaltete Lagerung des Fräskopfes 6 erfolgen, die mit der Impedanzmesseinrichtung 14 über eine entsprechende Zuleitung verbunden ist. Der Operateur führt die vorliegende Vorrichtung an dem elektrisch nicht leitenden Gehäuse 5, das im hinteren Bereich einen Handgriff bildet.

Die Impedanzmesseinrichtung 14 wird im vorliegenden Beispiel in sog. Zweielektrodenanordnung betrieben. Bei dieser Technik wird ein Strom oder eine Spannung über die gleichen Elektroden eingeprägt, über die auch die resultierende Spannung bzw. der resultierende Strom gemessen wird. Es wird somit nur eine Zuleitung vom Fräskopf 6 zur Messeinrichtung 14 und eine von der Gegenelektrode benötigt. Durch die relativ kleine Fläche des Fräskopfes 6 gegenüber der relativ großen Fläche der als Gegenelektrode eingesetzten Metallplatte 8 entsteht ein inhomogenes Feld, dessen elektrische Feldlinien an der Spitze des Fräskopfes 6 eine relativ hohe Feldstärke aufweisen. Wird nun die elektrische Impedanz gemessen, so sind Änderungen im elektrischen Feld besonders im Bereich der Spitze des Fräskopfes 6 messbar. Im vorliegend beschriebenen Anwendungsfall tragen somit besonders der Knochen bzw. das angrenzende Gewebe zur gemessenen Impedanz bei. Beim Abtrag des Knochens ist nach gewisser Zeit nur noch eine dünne Knochenschicht übrig, an die sich ein dünner Spalt sowie die Spinnengewebshaut 2 anschließt. Sowohl der Spalt als auch die Spinnengewebshaut 2 besitzen andere dielektrische Eigenschaften als der Knochen. Hierdurch kommt es nahezu zu einem Sprung in der Impedanz. Diese starke Impedanzänderung tritt schon vor Durchbruch durch den Knochen zutage und wird mit der Impedanzmesseinrichtung 14 erfasst.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung. Bei dieser Ausgestaltung, mit der ein kleinerer Tiefenbereich bei der Impedanzmessung erfasst wird wie bei der Vorrichtung gemäß 2, ist der Fräskopf 6 aus einem elektrisch nicht leitfähigen, beispielsweise keramischen, Material gebildet. Auch die Lagerung des Fräskopfes 6 ist elektrisch nicht leitend ausgeführt. Zur Impedanzmessung sind bei dieser Ausgestaltung in den Fräskopf 6 in entsprechend an der Oberfläche ausgebildeten Vertiefungen 9 vier elektrisch leitfähige Elektroden 10 – 13 äquidistant angeordnet. Die elektrischen Anschlüsse dieser Elektroden sind mit der Impedanzmesseinrichtung 14 verbunden.

Die Impedanzmessung wird hierbei in sog. Vierelektrodenanordnung durchgeführt. Hierzu wird über die beiden äußeren Elektroden 10, 13 ein sinusförmiger Strom eingeprägt und über die beiden anderen Elektroden 11, 12 die resultierende sinusförmige Spannung gemessen, um die Impedanz zu bestimmen. Selbstverständlich lässt sich diese Vorrichtung bei Ausbildung von nur zwei Elektroden im Fräskopf 6 auch als Zweielektrodenanordnung betreiben, indem ein sinusförmiger Strom über die beiden Elektroden eingeprägt und die resultierende Spannung gemessen wird. Es versteht sich von selbst, dass in beiden Fällen auch jeweils eine sinusförmige Spannung eingeprägt und ein resultierender Strom gemessen werden kann. Die Amplituden der Spannungen bzw. Ströme werden bei den Messungen, insbesondere bei biologischen und medizinischen Anwendungen, derart gewählt, dass einerseits vorgeschriebene Grenzwerte nicht überschritten werden und andererseits keine Veränderung des Messobjekts durch den Strom bzw. die Spannung auftritt.

Eine Zweielektrodenanordnung hat gegenüber einer Vierelektrodenanordnung den Vorteil, dass jeweils nur zwei Leitungen vom Fräskopf 6 zur Impedanzmesseinrichtung 14 geführt werden müssen, während dies im Falle der Vierelektrodenanordnung vier Leitungen sind.

Bei den beiden vorgenannten Ausgestaltungen der Vorrichtung wird die gemessene Impedanz über eine Signalverarbeitungseinheit 15, die mit der Impedanzmesseinrichtung 14 verbunden ist, ausgewertet. In dieser Signalverarbeitungseinheit 15, die spezifische Materialparameter der jeweiligen Anwendung einbezieht, werden die Messdaten in geeigneter Weise in eine Anzeige 18 umgesetzt. Diese Anzeige vermittelt dem Benutzer entweder akustisch, optisch und/oder haptisch über den Griff, d. h. das Gehäuse 5 der Vorrichtung, oder über einen zusätzlich mit der Vorrichtung verbundenen Aktor die Abschätzung der verbleibenden Materialdicke. Dies kann bspw. über eine Abfolge von Tönen erfolgen, deren Höhe oder auch Abstand ein Maß für die Dicke des verbleibenden Materials ist.

In einer Weiterbildung der Vorrichtung wird die gemessene Impedanz über die Signalverarbeitungseinheit 15 und eine Steuereinheit 16 auf den Antrieb 17 des Werkzeugs als Steuergröße rückgekoppelt. In Abhängigkeit von der verbleibenden Materialdicke werden hierbei die Parameter Drehzahl und/oder Drehmoment bis hin zu einem Stillstand des Werkzeugs je nach Voreinstellung des Benutzers automatisch beeinflusst.

1: Schädelknochen
2: Spinnengewebshaut
3: Hirnhaut
4: Großhirnrinde
5: Gehäuse
6: Fräskopf
7: Vertiefung
8: Metallplatte
9: Vertiefungen im Fräskopf
10: Elektrode
11: Elektrode
12: Elektrode
13: Elektrode
14: Impedanzmesseinrichtung
15: Signalverarbeitungseinheit
16: Steuereinheit
17: Antrieb
18: Anzeige

Claims

Vorrichtung zur spanenden Materialbearbeitung, insbesondere für medizinische Anwendungen, die ein spanabhebendes Werkzeug (6) mit einem Antrieb (17) umfasst, die in einem Führungsgehäuse (5) gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Impedanzmesseinrichtung (14) zur Messung einer elektrischen Impedanz in einem Bereich um eine Werkzeugspitze des Werkzeugs (6) während der spanenden Materialbearbeitung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzmesseinrichtung (14) mit einer Signalverarbeitungseinheit (15) verbunden ist, die aus Messdaten der Impedanzmesseinrichtung (14) und Materialdaten des bearbeiteten Materials eine Restdicke des Materials vor der Werkzeugspitze und/oder einen Materialübergang vor der Werkzeugspitze ermitteln kann.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit (15) mit einer optischen und/oder akustischen und/oder haptischen Einrichtung (18) zur Vermittlung der ermittelten Restdicke verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit (15) mit einer Steuereinheit (16) zur Ansteuerung des Antriebs (17) in Abhängigkeit von der ermittelten Restdicke verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (6) aus elektrisch leitendem Material besteht und als erste Elektrode elektrisch leitend mit der Impedanzmesseinrichtung (14) verbunden ist und dass ein frei positionierbares gegenüber der ersten Elektrode großflächig ausgebildetes Metallelement (8) als zweite Elektrode elektrisch leitend mit der Impedanzmesseinrichtung (14) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (6) aus elektrisch nicht leitendem Material besteht, wobei ein oder mehrere Elektrodenpaare (10 – 13) in die Werkzeugspitze integriert und mit der Impedanzmesseinrichtung (14) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenpaare (10 – 13) in Vertiefungen (9) in der Werkzeugspitze ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzmesseinrichtung (14) so ausgebildet ist, dass sie den Elektroden während der Bearbeitung einen Wechselstrom oder eine Wechselspannung aufprägt und den resultierenden Wechselstrom oder die resultierende Wechselspannung misst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (6) ein Fräs- oder ein Bohrwerkzeug ist.