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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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BEREICH DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf flexible Schäfte und Anschlussstücke, genauer
gesagt, auf einen verbesserten flexiblen Schaft für die Übertragung
von Drehbewegungen und Kraft an, über oder unter Hindernissen
vorbei. Die Erfindung umfasst einen verbesserten flexiblen Schaft
zum Zwecke der Markraumbohrung an Knochen.
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Kurze Beschreibung des
Stands der Technik
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Flexible
Schäfte
und Anschlussstücke
werden verwendet, um eine rotierende Kraft zwischen einer Kraftquelle
und einer angetriebenen Komponente zu übertragen, wenn kein direkter,
ungehinderter weg vorhanden ist. Wie in 3 von U.S.
Patent 4,646,738, dem Suhner Katalog auf Seite 6 und dem S. S. White
Technologies Inc. Katalog, Seite 4 (1994) abgebildet, besteht ein
flexibler Schaft im Allgemeinen aus einem rotierenden Schaft mit
Endstücken zur
Anbringung von Passteilennormalerweise einer Kraftquelle und dem
angetriebenen Teil. Eine schützende
Außenhülle kann
verwendet werden, um den Schaft nötigenfalls zu schützen. Wie
in dem Katalog der S. S. White Technologies Inc., Seite 5 und in
Suhner auf Seite 6 abgebildet, werden flexible Schäfte in zahlreichen
Anwendungen eingesetzt, überall
dort, wo es nötig
ist, rotierende Kraft zu übertragen
und kein direkter ungehinderter Weg zur Verfügung steht. Flexible Schäfte finden
in allen Bereichen, vom Kinderspielzeug bis hin zur Raumfahrttechnik,
eine Anwendung. Anwendungsbeispiele flexibler Schäfte wurden
in dem Artikel „New
Twists for Flexible Shafts" (Machine
Design, 9/7/89) aufgeführt,
vor allem wird dies auf den Seiten 145 und 146 illustriert, weitere
Beispiele finden sich in „Flexible
Shafts Make Obstacles Disappear" (Power
Transmission Design, Juli 1993), insbesondere 1.
Bei einem der genannten Beispiele handelt es sich um ein Sicherheitsventil,
das sich in einer Höhe
von 9,144 m (30 ft.) über Grund
befand und nicht einfach zugänglich
war, welches aber, um betriebsfähig
zu bleiben, täglich
betätigt
werden musste. Diese Betätigung
erfolgte jedoch auf Grund der schlechten Zugänglichkeit nicht regelmäßig. Durch
die Installation eines flexiblen Schafts von dem Ventil bis zum
Boden wurde das Personal in die Lage versetzt, das Ventil regelmäßig zu betätigen und
dessen ordnungsgemäße Funktion
zu überprüfen. Flexible
Schäfte
werden in Flugzeugen verwendet, um Landeklappen, Slats, Profilvorder-
und -hinterkanten zu heben und zu senken. Flexible Schäfte aus
Edelstahl ermöglichen
Chirurgen eine höhere Manövrierfähigkeit
mit Knochenschneide- und -fräswerkzeugen.
Des Weiteren werden flexible Schäfte häufig verwendet,
um eine unvollkommene Anordnung zwischen antreibender und angetriebener
Komponente zu kompensieren. Die Anwendungsbereiche von flexiblen
Schäften
sind unbegrenzt, eingeschränkt
nur durch die Leistungsfähigkeit
des Schafts in Bezug auf das Drehmoment.
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Der
grundlegende Zweck eines flexiblen Schafts ist die Übertragung
von Rotation und Kraft auf krummlinige Weise. Flexible Schäfte werden
verwendet, wenn es kaum oder keine akkurate Anordnung zwischen der
Kraftquelle und der angetriebenen Komponente gibt, wenn der Weg
zwischen der Kraftquelle und der angetriebenen Komponente blockiert
ist oder sie sich in einem Umfeld oder einer Position befindet,
welche der Kraftquelle keinen Zugang erlaubt; Sie werden zur Verbindung
oder zum Antrieb von Komponenten, die sich relativ zueinander bewegen,
und zur Dämpfung
und Absorption von Vibrationen der Antriebseinheit sowie des angetriebenen Werkzeugs
verwendet.
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Wie
in U.S. Patent 5,108,41 1, 2 illustriert,
und in der Suhner Publikation auf den Seiten 15 und 16 zu sehen,
bestanden flexible Schäfte
und Anschlussstücke,
die zur Kraftübertragung
erhältlich waren,
bisher aus einzelnen oder multiplen Drähten, die um einen Zentralen
Antriebskern oder einen hohlen Kern gewickelt waren. Die Anzahl
der Drähte
pro Schicht und die Anzahl der Schichten variiert gemäß der Anwendung
und der Anforderungen für
unidirektionale oder bi direktionale Drehmoment-Übertragung. Normalerweise werden
drahtumwickelte flexible Schäfte
für den
Betrieb in nur eine Rotationsrichtung entworfen und gebaut; vom
Antriebsende aus gesehen entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn.
Sie werden mit dem Ziel entworfen, die Leistungsfähigkeit
bezüglich
der Drehmoment-Übertragung
in der Rotationsrichtung, für
die sie entwickelt wurden, zu maximieren. Die Leistung eines unidirektionalen
Schafts, der in die entgegengesetzte Richtung betrieben wird, liegt
deutlich unter den beabsichtigten Leistungsniveaus.
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Eine
spezifische Anwendung finden flexible Schäfte in flexiblen Markraumbohrern.
Markraumbohrer werden verwendet, um den Markkanal von Knochen zu
vergrößern. Dies
geschieht zur Vorbereitung eines Einsatzes von prothetischen Komponenten,
wie totalen Hüftgelenksprothesen,
der Vorbereitung eines Einsatzes von Bruchreduktions- und Fixierungssystemen,
wie Markraumnägeln,
der Durchführung
einer intramedullären
Osteotomie, dem Einsatz eines Propfs, der verhindert, dass Knochenzement wandert,
während
er sich noch in einem zähflüssigen Zustand
befindet, zur Stimulierung von Knochenwachstum und zu anderen Zwecken.
Da der Knochenmarkkanal einen unregelmäßigen Innendurchmesser und
von einem Ende zum anderen einen ungleichmäßigen Aufbau hat, bevorzugen
es Chirurgen, den Knochenmarkkanal zu vergrößern, um so einen einheitlichen
Durchmesser zu erhalten oder einen Durchmesser, der es ihnen ermöglicht die
vorgesehene Vorrichtung ein- oder durchzuführen. Da die Schäfte langer
Knochen entlang ihrer Längsachse gebogen
oder gekrümmt
sind, sind flexible Schäfte nötig, die
sich biegen, so dass sie diesem natürlich gekrümmten Verlauf folgen können, während sie
das für
die Knochenbohrung notwendige Drehmoment übertragen.
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Wird
im Bohrprozess zur Vergrößerung des Kanals
ein gerader, starrer oder unflexibler Schaft verwendet, besteht
eine beträchtliche
Wahrscheinlichkeit, dass die Reibahle der natürlichen Krümmung des Knochens nicht folgt,
die gewünschte
Knochenmenge nicht entfernt und keinen einheitlichen Innendurchmesser
hervorbringt. Des weiteren besteht bei der Verwendung einer geraden,
starren Reibahle eine große
Wahrscheinlichkeit, dass sich die Reibahle verklemmt, übermäßig viel
Knochen entfernt oder die äußere Struktur
des Knochens beschädigt.
Aus diesem Grund werden Knochenmarkkanäle fast immer mit Reibahlen
vorbereitet, die über
einen flexiblen Schaft verfügen.
Flexible Markraumbohrer haben ein Design, das eine zentrale Bohrung
verwendet, die eine lange Führungsstange
oder einen Führungsdraht
mit kleinem Durchmesser aufnehmen kann, die bzw. der anfangs in
den Knochenmarkkanal eingeführt
wird. Der Führungsdraht
oder die Führungsstange
legt den Verlauf der vorrückenden
Reibahle fest. Der Einsatz einer flexiblen Reibahle verhindert jedoch
das Problem eines Verklemmens oder Anhaltens der Reibahle nicht,
wenn sich der Schneidekopf der Reibahle in der Knochenstruktur verfängt und sich
nicht dreht. Das Herausnehmen oder Entfernen eines verklemmten Schneidekopfes
kann sich extrem schwierig, wenn nicht unmöglich gestalten, ohne den betroffenen
Knochen oder das Bohrgerät weiter
zu beschädigen.
Die bevorzugte Methode zur Entfernung der Reibahle, wäre eine
entgegengesetzte Betätigung
der Reibahle. Der Bau der gängigen Geräte jedoch
ermöglicht
es nicht, die Reibahle rückwärts zu betätigen, ohne
den flexiblen Schaft zu zerstören.
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Bisher
stehen orthopädischen
Chirurgen drei Arten flexibler Markraumboherer zur Verfügung:
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(I)
Ein Schaft mit einer Vielzahl paralleler flexibler Elemente oder
Stäbe,
die an gegenüberliegenden
Seiten durch eine verschweißte
oder verlötete Verbindung
zusammengefügt
sind; (II) ein Schaft, bestehend aus einer Spirale oder einem helixförmig gewundenem
Draht oder Band/helixförmig
gewundenen Drähten
oder Bändern;
(III) ein Schaft bestehend aus einer Reihe von ineinander greifenden
Gliedern, die über
einer Führungsstange
angebracht sind.
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Der
erste Typ flexibler Markraumbohrer (I) besteht aus einer Vielzahl
paralleler, flexibler Elemente, die an gegenüberliegenden Enden miteinander
verbunden sind. Ein Nachteil dieses Schafts entsteht bei der Verwendung,
da die Reibahle rotiert und die Elemente dadurch verdreht werden,
wodurch sie wiederum steifer werden und die Flexibilität des Schafts
reduziert wird. Ein weiterer Nachteil der besagten Reibahle ist
die Tendenz des Schafts, wenn er rotiert, sich aber noch nicht ganz
im Knochenmarkkanal befindet, Gewebe aus umliegenden Strukturen
zu reißen,
da die einzelnen Elemente mit Torsionskraft geladen und entladen
werden, wodurch die Zwischenräume
zwischen den einzelnen Drähten
vergrößert und
verkleinert werden, sich das betroffene Gewebe darin verfängt und
herausgerissen wird. Ein weiterer Nachteil der besagten flexiblen
Reibahle tritt während
des Einsetzens der Reibahle über
die Führungsstange
auf. Die zentrale Bohrung soll eine Führungsstange mit kleinem Durchmesser
aufnehmen. Außer
an den jeweiligen Enden hat diese Reibahle keine gut definierte
und abgegrenzte zentrale Bohrung. Daher ist es schwer zu verhindern,
dass die Führungsstange
den Bohrer während
der Einführung des
Führungsdrahtes
im Bereich der freistehenden Elemente verlässt. Ein weiterer Nachteil
dieses flexiblen Schafts ist der ineffiziente Energietransfer von der
Kraftquelle hin zum Schneidekopf, der daraus resultiert, dass die
einzelnen Elemente beim Rotieren der Reibahle verdreht und verwickelt
werden. Ein weiterer Nachteil dieser Art Bohrer ist, dass er während der
Operation extrem laut ist, da die verschiedenen Elemente während der
Rotation aufeinander schlagen.
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Die
zweite Art flexibler Markraumbohrer (II) besteht aus spiral- oder
aus helixförmig
gewundenen Metalldrähten
oder -bändern.
Hierbei handelt es sich um den flexiblen Schaft, der für Markraumbohrungen am
häufigsten
verwendet wird. Der Hauptnachteil dieses Reibahlenmodells ist, dass
es nur im Vorwärtsgang
betrieben werden kann. Wenn sich der Schneidekopf verklemmt und
der Chirurg den die Reibahle rückwärts betätigt, um
den Schneidekopf zu lösen
oder das Entfernen zu ermöglichen,
entwickelt sich der Schaft, und die Reibahle wird dauerhaft deformiert
und kann nicht mehr verwendet oder repariert werden. Ein weiterer
Nachteil dieses Markraumbohrers ist, dass die Torsionsladung, der
er bei Gebrauch ausgesetzt ist, zu einer schlechten Kraftübertragung
und zu unterschiedlich starken Verzerrungen des besagten Schafts
führt.
Wenn die Kraftquelle, welche die Rotationsenergie für die Reibahle
liefert, groß genug
ist, können
sich besagte Spiralen so sehr zusammenziehen, dass es negative Auswirkungen auf
die strukturelle Integrität
des Schafts hat und zu einer dauerhaften helixförmigen Deformation des Schafts
führt.
Ein weiterer Nachteil dieses Reibahlentyps ist, dass es unmöglich ist,
den Schaft und die Zwischenräume
in den helixförmig
gewundenen Bändern
nach der Operation von chirurgischen Überresten zu reinigen, um eine
Kontamination zwischen den Patienten zu verhindern. Wenn infiziertes
Blut oder Körperflüssigkeiten
in den Mechanismus des Geräts eindringen,
ist es extrem schwierig diese zu entfernen und das Gerät zu säubern.
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Die
dritte Art flexibler Schäfte
(III) besteht aus einer Reihe ineinander greifender Glieder, die über einem
Führungsdraht
angebracht sind. Ein spezieller Nachteil dieses Modells ist beim
Betrieb und beim Austausch des Schneidekopfes zu finden. Die derzeitige
Anwendung dieses Modells macht es erforderlich, dass die Glieder
von einem längsgerichteten
Führungsdraht
zusammengehalten werden, über dem
die Glieder angebracht sind. Um den Schneidekopf auszutauschen,
muss eine flexible Röhre
durch die zentrale Bohrung der Kette eingeführt werden und die angebrachten
Glieder müssen
von dem zentralen Führungsdraht
abgenommen werden. Bei diesem Vorgang fallen die Ketten oft auseinander
und müssen
vom Chirurgen wieder zusammengesetzt werden. U.S. Patent 5,488,761
nach Leone zeigt spiralförmig
gewundene flexible Schäfte
noch dem bisherigen Stand der Technik, die einen einzelnen Schaft
und ein Paar rückwärts gewundene
Schäfte verwenden.
Das Patent beinhaltet auch Baumaterialien für den Schaft und einen Mechanismus
zur die Reinigung des Schlitzes nach dem Schneiden. Es werden auch
wechselnde Schneidetechnologien angeführt.
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Der
bisherige Stand der Technik ist in Matthews, U.S. Patent Nr. 4,706,659,
abgebildet, wo in den 1 und 2 zwei Modifizierungen
von Geräten
nach dem Stand der Technik zu sehen sind. Das Gerät von Matthews
steht in einem gewissen Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung,
da es sich um einen Mechanismus zur Bereitstellung eines flexiblen
Verbindungsschafts für
einen Markraumbohrer handelt. Während
sich die vorgeschlagene Lösung
von der dieser Erfindungen unterscheidet, zeigt das Patent, wie
wichtig eine flexible Verbindung ist und führt Reibahlenstrukturen an.
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U.S.
Patent Nr. 4,751,922 (DiPietropolo) zeigt auch, wie wichtig flexible
Markraumbohrer sind und erläutert
einige Probleme des bisherigen Stands der Technik. Das Patent verweist
des Weiteren auf die Verwendung eines Hohlkerns 2 zur Aufnahme
eines Führungsstifts.
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U.S.
Patent Nr. 5,122,134 (Borzone et al) weist in 5 die
Verwendung eines Führungsstiftes
55 aus. 1 von Zublin 2,515,365 illustriert
ein flexibles Bohrrohr für
das Bohren von Brunnenlöchern.
Weitere Zublin Patente sind U.S. Patent Nr. 2,515,366, 2,382,933,
2,336,338 und 2,344,277. Bei dem Bohrrohr handelt es sich um ein
helixförmig
geschlitztes flexibles Bohrrohr mit einem Schlitz zwischen 2,38
mm (3/32 inch (0,0938'')) und 14,3 mm (5/32
inch (0,1563'')) Breite und einem
Abstand der Spirale von ungefähr
22,86 cm (9 inch) für
ein Bohrrohr mit einem Durchmesser von 11,43 cm (4½ inch) (Helixwinkel
von 32,48 Grad). Zublin gibt an, dass das beschriebene flexible
elastische Bohrrohr die Fähigkeit
hat, sich in einer Krümmung
mit einem Durchmesser von 5,4864 m (18 Fuß) zu biegen, wobei es ein
sich wiederholendes "Schwalbenschwanz"-Muster von mehr
als sechs Zyklen pro Umdrehung verwendet, zur Verwendung mit einem
Bohrrohr mit 11,43 cm (4½ inches)
Durchmesser. Bei der vorliegenden Erfindung stellte sich heraus,
dass Schäfte mit
2,54 cm (1 inch) oder weniger einen Helixwinkel von ungefähr der Hälfte dessen,
was Zublin beschrieben hat, benötigen
und dass die Zahl der sich wiederholenden Zyklen des verflochtenen
Musters geringer ist als die gezeigten 6 Zyklen pro Umdrehung. Für den kleinsten
der beschriebenen flexiblen Schäfte
ist die Verwendung von ungefähr
zwei Musterwiederholungen (Zyklen) pro Spiralumdrehung geeigneter.
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Dementsprechend
ist ein Ziel dieser Erfindung, einen flexiblen Schaft zur Verfügung zu
stellen, der so flexibel, biegsam oder krümmbar ist, dass er dem natürlichen
Knochenmarkkanal folgen kann, während
er das Drehmoment der Reibahle überträgt.
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Ein
weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, einen flexiblen Schaft herzustellen,
der sowohl im Vorwärts- als auch im Rückwärtsgang
betrieben werden kann und daher in beide Richtungen gleich effektiv ist.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, einen Schaft zur Verfügung zu
stellen, der über
eine deutliche Rotations- oder
Torsionssteifigkeit verfügt,
so dass er Rotationsenergie nicht speichert und dann ungleichmäßig wieder
abgibt.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen flexiblen Schaft zur Verfügung zu
stellen, der aus einer einzigen Einheit besteht, die nicht aus verschiedenen
Einheiten zusammengesetzt werden muss. Darüber hinaus ist es Ziel dieser
Erfindung, einen flexiblen Schaft zur Verfügung zu stellen, der flexibel
ist, sich biegt oder krümmt,
während
er Drehmoment überträgt.
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Ein
weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, einen flexiblen Schaft herzustellen,
der sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn betrieben
werden kann und daher in beide Richtungen gleich effektiv ist.
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Ein
weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, einen flexiblen Schaft zur
Verfügung
zu stellen, der über
eine deutliche Rotations- und Torsionssteifigkeit verfügt, so dass
er keine Rotationsenergie speichert und dann unregelmäßig wieder
abgibt.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen flexiblen Schaft zur Verfügung zu
stellen, der aus einer einzigen Einheit besteht, die nicht aus verschiedenen
Einheiten zusammengesetzt werden muss.
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Ein
weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, ein flexibles Anschlussstück zur Verfügung zu
stellen, das flexibel ist, sich biegt oder krümmt, während es Drehmoment überträgt.
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Diese
und andere Ziele, Eigenschaften, Vorteile und Aspekte der vorliegenden
Erfindung werden in der folgenden ausführlichen Erklärung der
bevorzugten Ausführung
genauer erläutert,
welche besser zu verstehen ist, wenn sie in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen
gelesen wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung löst
die Mängel und
Probleme, die im derzeitigen Stand der Technik, wie oben beschrieben
deutlich sind, indem sie die folgenden Merkmale in einem integralen,
in Längsrichtung
flexiblem und torsional unflexiblem Schaft vereint.
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Der
flexible Schaft gemäß Anspruch
1 ist für die Übertragung
von Rotationskraft von einer Antriebskraft an eine angetriebene
Einheit vorgesehen. Bei der angetriebenen Einheit kann es sich um
ein Bohrstück,
eine chirurgische Reibahle, eine Pumpe oder ein ähnliches Gerät handeln.
Der flexible Schaft ist ein langes und dünnes, rohrförmiges Bauteil mit beträchtlicher
Wandstärke.
Der Durchmesser des Schafts liegt vorzugsweise im Bereich zwischen
ca. 0,381 cm (0,15 inch) und ca. 10,16 cm (4,00 inch). Das Verhältnis des
Durchmessers zwischen dem Innendurchmesser des Schafts und dem Außendurchmesser
des Schafts ist im Bereich von ca. 1 : 1,2 bis ca. 1 : 3 vorteilhaft
und liegt vorzugsweise im Bereich von ca. 1 : 1,3 bis ca. 1 : 4.
Je dünner
die Wand des Schachtes, desto entscheidender ist die Konfiguration
des Schlitzes.
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Günstig ist
es, wenn der Schlitz mithilfe einer Computergesteuerten Schneidetechnik,
wie z. B. Laser- oder
Wasserstrahlschneidesystemen, Fräsen oder ähnlichem,
in einem senkrechten Winkel zum Schaft geschnitten wird. Darüber hinaus
kann dieser Schlitz in einem Winkel zur Senkrechten geschnitten werden,
wodurch ein unterschnittener Schlitz entsteht, vorzugsweise befinden
sich die Winkel in einem Bereich von ca. 30 bis ca. 45 Grad von
der Senkrechten.
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Ein
Schlitz von bedeutender Länge
und Breite erstreckt sich auf einem generell helixförmigen Pfad,
entweder durchgehend oder mit Unterbrechungen, um und entlang des
rohrförmigen
Bauteils. Der Schlitz folgt einem serpentinenförmigen Verlauf entlang des
helixförmigen
Pfades um und entlang des rohrförmigen
Bauteils, dieser Schlitz hat im Allgemeinen die Form einer Signalwelle
auf einer Trägerwelle, d.
h. einer amplitudenmodulierten Trägerwellen.
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Es
kann eine Vielzahl an Schlitzen eingesetzt werden, wodurch die Flexibilität des Schafts
im Vergleich zu einem Schaft mit nur einem einzigen, identischen
Muster vergrößert wird.
Der serpentinenförmige
Verlauf bildet eine Vielzahl an Zähnen und komplementären Einbuchtungen
auf den gegenüberliegenden
Seiten des Schlitzes. Der Schlitz verfügt über eine ausreichende Breite,
um ein ungebundenes Gelenk zu bilden, wodurch eine limitierte Bewegung
in alle Richtungen zwischen den Zähnen und den Einbuchtungen
ermöglicht
wird, so entsteht eine begrenzte Flexibilität in alle Richtungen bei der
Anwendung von Zug-, Kompressions- und/oder Drehkraft auf besagten
Schaft.
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Der
flexible Schaft kann entlang der Länge des besagten Schafts verschiedene
Flexibilitätsgrade
aufweisen. Die unterschiedliche Flexibilität kann dadurch erreicht werden,
dass der Abstand des helixförmigen
Schlitzes entlang der Länge
des Schafts variiert wird. Die unterschiedliche Flexibilität entspricht
den Variationen in den Abständen
des helixförmigen
Schlitzes. Der helixförmige
Pfad kann einen Helixwinkel im Bereich von ca. 10 Grad bis ca. 45 Grad
haben, und der Helixwinkel kann entlang der Länge des Schafts variiert werden,
um eine entsprechend unterschiedliche Flexibilität zu erzeugen. Als Alternative
dazu kann die Breite des helixförmigen Schlitzes
entlang des Schafts variiert werden, um eine unterschiedliche Flexibilität zu gewährleisten. Es
ist vorteilhaft, wenn die Breite des Schlitzes im bevorzugten Bereich
zwischen ca. 0,0127 cm (0,005 Inch) und 0,19 cm (0,075 Inch) liegt.
Die bevorzugte Breite des Schlitzes liegt im Bereich zwischen ca. 0,0254
cm (0,01 Inch) und 0,127 cm (0,05 Inch). Die Stabilität des flexiblen
Schafts kann durch das Design der Schlitzmuster erreicht werden,
wodurch die Verwendung dünnerer
Wände möglich wird,
als dies andernfalls zur Erzeugung einer entsprechenden Stabilität nötig wäre. In der
bevorzugten Ausführung, ist
das Verhältnis
zwischen der Amplitude des serpentinenförmigen Pfades und dem Abstand
der Schlitze im Bereich über
0,1 : 0,5.
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Der
Schlitz kann entlang des Verlaufs des Schlitzes teilweise oder ganz
mit elastischem Material gefüllt
werden. Das elastische Material kann aus einer Elastomerverbindung
bestehen, die über
eine ausreichende Dicke verfügt,
um den Schlitz zu füllen und
den gesamten Schaft einzuhüllen,
wodurch man ein elastomerumhülltes
Bauteil erhält.
Bei dem Elastomer kann es sich um elastisches Material, wie zum Beispiel
eine Urethan- oder
Silikonverbindung handeln. In der bevorzugten Ausführung ist
die angetriebene Einheit ein Markraumbohrer für den Gebrauch bei der Ausbohrung
des Knochenmarkkanals. Bei dieser Anwendung sind die vorigen Schlitzmuster und
die Schaftdimensionen besonders entscheidend.
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Der
flexible Schaft wird vorzugsweise per Laserschnittsystem aus einem
eines langen und dünnen,
rohrförmigen
Bauteils mit deutlicher Wandstärke hergestellt,
wodurch die Schlitze um und entlang des röhrenförmigen Bauteils geformt werden.
Der serpentinenförmige
Pfad kann die form einer im Allgemeinen sinusförmigen Welle haben, die auf
eine helixförmige
Welle aufgesetzt ist.
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Bevorzugterweise
bildet die Sinuswelle Schwalbenschwanzähnliche Zähne, die über einen engen Basisbereich
und einen Vorderbereich verfügen,
der breiter ist, als der Basisbereich. Dadurch verzahnen sich benachbarte
Zähne.
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Die
Zähne können eine
Konfiguration wie in U.S. Patent Nr. 4,329,839 aufweisen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Ziele, Eigenschaften, Vorteile und Aspekte der vorliegenden
Erfindung werden in der folgenden ausführliche Erklärung der
bevorzugten Ausführung
genauer erläutert,
welche besser zu verstehen ist, wenn sie in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen
gelesen wird.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines flexiblen Schafts der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine schematische Darstellung des spiralförmigen Schlitzes von 1,
und zeigt ummantelte sowie unummantelte Bereiche;
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3 und 4 sind
schematische Illustrationen, die den Winkel des Schlitzes zeigen;
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5 ist
eine schematische Darstellung eines flexiblen Kabels mit elastischer
Füllung
in einem Teil des Schlitzes;
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6 zeigt eine schematische Darstellung zusätzlicher
spiralenförmiger
Schlitzmuster;
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7 ist eine schematische Seitenansicht, die
spiralförmige
Schlitze mit unterschiedlicher Zyklenanzahl pro Umdrehung, d. h.
unterschiedlichen Abständen,
zeigt.
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8 ist
eine fragmentarische Seitenansicht der Ausführung von 7,
sie zeigt die Lücke, die
von dem Schlitz gebildet wird;
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9 ist
eine fragmentarische Seitenansicht der Ausführung von 8,
sie zeigt einen Abschnitt des Gerätes der vorliegenden Erfindung,
der im Uhrzeigersinn gedreht wird;
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10 ist
eine fragmentarische Seitenansicht der Ausführung von 8,
sie zeigt einen Abschnitt des Gerätes der vorliegenden Erfindung,
der gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird;
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11 ist
eine perspektivische Ansicht eines flexiblen Anschlussstücks, das
die spiralförmigen Schlitze
der vorliegenden Erfindung verwendet, und zeigt eine Vielzahl an
spiralförmigen
Schlitzen;
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und 12 ist
eine schematische Ausschnittsdarstellung des Schafts beim Einsatz
zur Markraumbohrung eines Oberschenkelknochens.
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DEFINITIONEN UND BEGRIFFE
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Der
Begriff Schlitz, wie er hier verwendet wird, entspricht folgender,
an das American Heritage Dictionary, 3. Auflage, Copyright 1994
angelehnten, Definition:
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Schlitz, m
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- 1. Eine enge Öffnung; eine Rinne oder ein
Spalt: Ein Schlitz für
Münzen
an einem Verkaufsautomaten; ein Briefkastenschlitz.
- 2. Eine Spalte zwischen einer Haupt- und einer Hilfstragfläche, welche
Raum für
den Luftstrom bietet und eine gleichmäßige Luftströmung über den
Flügel
ermöglicht.
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Der
Begriff Abstand, wie er hier verwendet wird, entspricht folgender,
an das American Heritage Dictionary, 3. Auflage, Copyright 1994
angelehnten, Definition:
-
Abstand, m
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- 1. Die Distanz, die die Schraube einer Maschine in
einer Umdrehung zurücklegt.
- 2. Die Distanz zwischen zwei korrespondierenden Punkten auf
nebeneinander liegenden Schraubenwindungen oder Getriebezahnrädern.
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Der
Begriff Helixwinkel, Winkel in 5, wie er
hier verwendet wird, definiert den Winkel zwischen der senkrechten
Ebene zur Längsachse
des Schafts und dem helixförmigen
Pfad der Spirale entlang des Schafts. Der Begriff Helixwinkel kann
auch mathematisch definiert werden, als die inverse Tangente des Abstands
der Helix geteilt durch den Umfang des Schafts.
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Die
hier verwendeten Begriffe haben ihre übliche Bedeutung. Diese entsprechen
folgenden, an das American Heritage Dictionary, 3. Auflage, Copyright
1994 angelehnten, Definitionen:
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Zyklus
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- 1. Ein Zeitinterval währen dessen ein Merkmal, oft ein
sich regelmäßig wiederholendes
Ereignis oder eine Ereignisfolge, stattfindet: Die Intensität von Sonnenflecken
nimmt in einem 1-jährigen
Zyklus zu und ab.
- 2.a. Eine einzige vollständige
Ausführung
eines periodisch wiederkehrenden Phänomens: Ein Jahr stellt den
Zyklus der Jahreszeiten dar.
- 2.b. Eine periodisch wiederkehrende Ereignisfolge: ein Zyklus
umfasst zwei Hälften
der sinusförmigen
Wellenbewegung des Schlitzverlaufs.
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Spirale
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- 1a. Eine Kurve auf einer Ebene, die sich in
ständig zunehmendem
oder abnehmenden Abstand von dem Punkt um einen festen Mittelpunkt
dreht.
- 1b. Eine dreidimensionale Kurve, die sich mit konstantem oder
ständig
variierendem Abstand um eine Achse dreht, während sie sich parallel zur Achse
bewegt; eine Helix.
- 1c. Etwas mit der Form einer solchen Kurve: eine Spirale aus
schwarzem Rauch.
- 2. Druckerei: Eine Spiralbindung
- 3. Verlauf oder Flugstrecke eines Objekts, das um seine Längsachse
rotiert.
- 4. Eine ständig
schneller werdende Zunahme oder Abnahme: Die Lohn-Preis-Spirale
spiralförmig
(Adj.)
- 1. In oder ähnlich
der Form einer Spirale
- 2. Sich mit ständig
zunehmendem oder abnehmenden Abstand um ein Zentrum drehend.
- 3. Sich auf ständig
wechselnden Ebenen um eine Achse windend; helixförmig.
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Der
Begriff Amplitude, wie er hier verwendet wird, beschreibt den maximalen
absoluten Wert der periodisch variierenden Quantität von Schlitz 30.
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Genauer
gesagt handelt es sich bei der Spirale um eine helixähnliche
Spirale, da es sich um eine 3-dimensionale Kurve handelt, die auf
einem Zylinder liegt, so dass ihr Winkel zur senkrechten Ebene auf die
Achse konstant ist. Entlang der Länge des Schafts kann der Helixwinkel
jedoch variieren, so dass dem gesamten Schaft unterschiedliche Flexibilitäten verleiht
werden. Unter Verwendung einer Analogie aus der Elektronik kann
die Helix als Trägerwelle
betrachtet werden, wobei der Schlitz dem Modulationspfad der Trägerwelle
folgt. Die Zähne
oder die verzahnten Bereiche des Zyklus bilden eine Sperrrad-ähnliche
Struktur, indem ein Satz Zähne
in den anderen Satz schräger
Zähne einrastet,
wodurch nur eine Bewegung in eine Richtung möglich ist.
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Der
Begriff Frequenz bezeichnet die Häufigkeit, mit der ein spezifisches
Phänomen
innerhalb eines spezifischen Intervalls auftritt, gemäß folgender, an
das im American Heritage Dictionary, 3. Auflage, Copyright 1994
angelehnten, Definition:
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Frequenz
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- 1a. Zahl der Wiederholungen einer vollständigen Sequenz
von Werten einer periodischen Funktion pro Variationseinheit einer
unabhängigen
Variablen.
- 1b. Anzahl der vollständigen
Zyklen eines periodischen Prozesses, die sich pro Zeiteinheit ereignen.
- 1c. Anzahl der Wiederholungen einer vollständigen Wellenform eines elektrischen
Stroms pro Zeiteinheit.
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Die
Häufigkeit,
mit der die Zyklen auf einer Längeneinheit
ein sich wiederholendes Muster bilden, ist die Frequenz der Schlitzmuster.
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Die
Anzahl der Zyklen „C" der auf dem helixförmigen Pfad
aufgesetzten Schlitzwellen, welche bei einer Umdrehung um den Schaft
vorhanden sind, wird als Zyklen pro Umdrehung bezeichnet.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
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Der
Schaft des Gerätes
der vorliegenden Erfindung, der allgemein mit 10 gekennzeichnet
ist, umfasst, wie in 1 illustriert, ein Endstück 14,
das zum Anschluss an ein Antriebsmittel, z. B. einen elektrisch
oder durch Gas betriebenen Motor, dient. Am anderen Ende 13 von
Gerät 10 befindet
sich ein Anschlussteil 11, das zum Anschluss an ein angetriebenes
Teil 15, z. B. ein Werkzeug, Getriebe oder einen Anschlussschaft
dient. Das Gerät 10 verfügt über eine
längsgerichtete
Bohrung 20, die sich von Ende 13 bis zu Ende 14 erstreckt
und so einen Kanal für
die Durchführung
von Drähten
und anderen Instrumenten bietet, wie dies nach dem bisherigen Stand
der Technik allgemein bekannt ist und oben erläutert wurde. Das Gerät 10 verfügt über einen
Schlitz 32, der durch die Wand 22 des Schafts 10 geschnitten
ist, um einen serpentinenförmigen
Pfad zu bilden, der sich entlang des Verlaufs einer Spirale um den
Schaft 10 erstreckt, wie bei Zublin, 2,515,363 als gestrichelte Linie 20,
Abbildung 1 gezeigt.
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Wenn
der flexible Schaft 10 zur Kraftübertragung vom angetriebenen
Ende 14 zum angetriebenen Teil 15 eingesetzt wird,
ermöglicht
es der serpentinenförmige
Schlitz 32 entlang des spiralförmigen Verlaufs, dass sich
Gerät 10 entlang
der Längsachse von
Gerät 10 biegt.
Die Schwalbenschwanz-Konfiguration der serpentinenförmigen Schlitze 32 setzen sich
aus den Zähnen 36 und 38 zusammen.
Die Zähne 36 und 38 verzahnen
die Abschnitte des Schwalbenschwanzes 34 über und
unter den Zähnen 36 und 38 effektiv
und übertragen
dadurch das Drehmoment.
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Wenn
das Gerät
als flexibler Schaft zur Kraftübertragung verwendet werden soll, hat der Schaft normalerweise
einen Durchmesser von weniger als 2,54 cm (1 Inch), kann aber je
nach der spezifischen Anwendung auch gröber sein. Die in U.S. Patent
Nr. 2,515,365 gezeigten Merkmale des Schlitzes können für diese Anwendung nicht verwendet
werden. Ein 2,54 cm (1 Inch) oder kleinerer Schaft muss einen Helixpfad
mit geringerem Helixwinkel, eine höhere Spiralfrequenz und weniger
Schlitzwellen-Zyklen um den Helixpfad haben, um die nötige Kombination
aus struktureller Stärke
und Flexibilität
aufzuweisen.
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Ein
Schlitz, der senkrecht zu einer Ebene geschnitten wird, die eine
Tangente zur äußeren Oberfläche des
Schafts bildet, wie in 4 zu sehen, ist vorteilhaft.
Alternativ kann der Schlitz entlang eines Winkels zur Längsachse
des Schafts und/oder der Ebene, die eine Tangente zur äußeren Oberfläche bildet,
geschnitten werden, wie in 3 aufgeführt. Der
Winkel kann im Bereich von 0 (senkrecht) und ca. 75 Grad liegen,
wobei er einen Unterschnitt bildet. Der bevorzugte Winkel, wenn
nicht senkrecht, liegt im Bereich von 30 bis 45 Grad zur Senkrechten.
Der Unterschnitt kann gebildet werden indem in einem Winkel zum
Radius geschnitten wird oder in einem Winkel zu der Ebene, die eine
Tangente zur Oberfläche
des Schafts am Schlitz bildet.
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Des
Weiteren verfügt
der Körper
des Schafts in der bevorzugten Ausführung über ein hohes Maß an Flexibilität, um Bewegungen
an, über
oder unter Hindernissen vorbei zu ermöglichen. Die bevorzugte Ausführung kann
so konstruiert werden, dass sie verschiedene gewünschte Flexibilitätsgrade
oder verschiedene Segmente mit unterschiedlicher Flexibilität hat. Variationen
der Flexibilität
können
leicht erreicht werden, indem die Länge des Bereichs, der mit den
spiralenförmigen
Schlitzen versehen wird, sowie die Winkel der Schlitze im Verhältnis zur
Längsachse des
Schafts variiert werden. Daher können,
wenn eine hohe Flexibilität
nötig ist,
längere
spiralenförmige
Schlitze verwendet werden und wenn weniger Flexibilität benötigt wird,
können
kürzere
Schlitze verwendet werden. Durch die Anpassung wird die Fähigkeit
verbessert, den Schaft, wo nötig,
in einer geraden Linie zu betreiben, an, über oder unter Hindernissen
vorbeizumanövrieren
und/oder durch eine rotierende Kraftquelle anzutreiben, deren Achse
nicht in der gleichen Linie wie die Achse des angetriebenen Teils
angeordnet ist.
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Während 1 von
Zublin, 2,515,365, mehr als sechs Zyklen pro Umdrehung für die Verwendung
mit 11,43 cm (4½ Inch)
aufweist, zeigte sich bei der vorliegenden Erfindung, dass Schäfte mit 2,54
cm (1 Inch) oder weniger je nach Durchmesser des Schafts die Verwendung
von einem bis vier Zyklen pro Umdrehung benötigen. Daher resultiert eine Veränderung
des Schaftdurchmessers nicht in einer proportionalen Veränderung
der Größe des Schlitzmusters.
Es hat sich gezeigt, dass eine kleinere Anzahl helixförmiger Zyklen
pro Umdrehung eine größere Bruchfestigkeit
unter dem Drehmoment hervorbringt, während der Schaft dadurch weniger
flexibel wird. Am besten ist es, wenn flexible Schäfte einen Helixwinkel
von weniger als 20 Grad haben, damit die erforderliche Balance zwischen
Flexibilität
und struktureller Stärke
erreicht wird. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen ca. 15 und
20 Grad, woraus sich ein Abstand gleich dem Durchmesser des Schafts
ergibt. Während
die Verwendung eines kleinen Helixwinkels, der zu einer größeren Umdrehungszahl
pro Schaftlängeneinheit
führt,
nicht zu bevorzugen ist, es sei denn, es wird ein sehr flexibler
Schaft gewünscht, können weniger
Umdrehungen pro Längeneinheit verwendet
werden, wo weniger Flexibilität
nötig ist. Zum
Beispiel kann die Zahl der Umdrehungen bei einem flexiblen Schaft
mit variierender Flexibilität
in den relativ starren Bereichen im Vergleich zu den flexibleren
Bereichen reduziert werden Wie in 2 gezeigt,
hat der flexible Schaft, der im Allgemeinen mit 100 gekennzeichnet
ist, den Vorteil, dass er eine Möglichkeit
bietet, an, unter und über
einem Hindernis vorbeizuarbeiten, eine Verbindung mit einem beweglichen
Hindernis herzustellen oder eine Verbindung zu einer nicht geradlinig
angeordneten Komponente oder einem Teil in einem unzugänglichen
Umfeld herzustellen, das Kraft benötigt. Die Verwendung eines
höchst
flexiblen Schafts 86 ermöglicht eine leichte Führung bei
der Übertragung
der benötigten Kraft
an das benötigte
Teil.
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Der
Vorteil eines solchen variablen flexiblen Schafts tritt dann auf,
wenn ein Kontrollschaft um unterschiedlich große Hindernisse geführt werden muss.
In Abschnitten, in denen dies nötig
ist, kann der Schaft mit höchster
Flexibilität
gebaut werden. In Bereichen, in denen ein gerades Stück nötig ist, muss
der Schaft nicht eingeschnitten werden und in Bereichen mit sehr
großem
Krümmungsradius
kann der Schaft weniger flexibel gestaltet werden.
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5 zeigt
den Helixwinkel, ψ,
der Spirale. Je kleiner der Winkel, desto geringer die Anzahl der Umdrehungen „R" des helixförmigen Pfades
pro 2,54 cm (1 Inch) und desto höher
die Flexibilität
des Schafts. In den 6A–K wird
eine Reihe verschiedener Schlitzmuster gezeigt. Bei den Mustern
handelt es sich um repräsentative
Muster, die verwendet werden können,
und es wird nicht beabsichtigt alle möglichen Muster aufzuzeigen.
Wie in 6A zu sehen, hat das Muster
eine Zykluslänge
C, die einen Halsbereich NA einschließt. Je breiter der Halsbereich,
desto größer die
Stärke
des Verbindungsstückes,
d. h. desto größer sind
die Torsionskräfte,
die der flexible Schaft übertragen
kann. Die Fähigkeit des
Gerätes
sich zu verzahnen hängt
zum Teil von der Menge der Überlappungen
oder Schwalbenschwänze
ab, die in 6A als DTA und in 6B als
DTB bezeichnet wurden. Das Muster in 6C sieht
keine Schwalbenschwänze
vor und erfordert einen relativ kleinen Helixwinkel. Bei dem Muster
in 6G handelt es sich um eine unterbrochene Spirale,
in der der Schlitz dem helixförmigen
Pfad folgt, über
eine gewisse Strecke hinweg vom ursprünglichen Winkel abweicht und
dann wieder den ursprünglichen
oder einen anderen Helixwinkel annimmt.
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Wie
in 7C gezeigt, kann sich die Spirale durch eine Rotation
in Richtung des Pfeils 110 öffnen. Die steileren Winkel
in den 7B und 7C führen, sogar
ohne den Schwalbenschwanz-Effekt, progressiv zu einem größeren Öffnungswiderstand. Es
sollte beachtet werden, dass bei bestimmten Mustern eine ungerade
Zyklenzahl pro Umdrehung, wie in den 7A, 7B und 7C gezeigt,
zu bevorzugen ist. Auf diese Art ist der Gipfelpunkt von Zyklus 41 phasenverschoben
zum Gipfelpunkt 42 der nächsten Umdrehung. Wo die zwei
Punkte phasengleich sind, ist die Materialmenge zwischen den beiden
Punkten zu gering, um eine angemessen strukturelle Stärke zu gewährleisten.
Natürlich
kann ein steiler Helixwinkel, d. h. eine sehr geringe Zyklenzahl pro
Umdrehung verwendet werden, um geeignete Zwischenräume zwischen
den Gipfelpunkten 41 und 42 zu schaffen.
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Der
flexible Schaft kann auf jede verfügbare Weise hergestellt werden.
Um die gewünschten
Muster zu erzeugen werden Computergesteuerte Fräs- oder Schneidesysteme, Draht-Funkenerosionssysteme
(W-EDM), Wasserstrahlschneidesysteme, Funkenerosionssysteme und
am besten Laserschneidesysteme verwendet. Die Vorteile von Computergesteuerten
Laserschneidesystemen bestehen in der unendlichen Vielfalt an Schlitzmustern,
die hergestellt werden können,
der Möglichkeit,
Helixwinkel an jedem beliebigen Punkt entlang des Schafts zu ändern, den
Variationsmöglichkeiten
bezüglich
der Schlitzbreite sowie der allgemeinen Präzision, die im Vergleich zu
konventionellen Schneidemechanismen möglich ist. Durch Kombination
aus einem Laserschneidesystem mit den Schlitzmustern dieser Erfindung
können
maßgeschneiderte
Schäfte
produziert werden, die nicht nur über eine vorherbestimmte Flexibilität, sonder
auch über
vorherbestimmte Variationen bei der Flexibilität verfügen, während sie bei Rotationen im
und gegen den Uhrzeigersinn grundlegend einheitliche Merkmale aufweisen.
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Die
Auswirkung der Rotationskräfte
auf den flexiblen Schaft ist in den 8, 9 und 10 zu
sehen. Eine Rotation in Richtung des Pfeils 62 übt im Halsbereich
eine Kraft in Richtung von Pfeil 62 aus. Umgekehrt übt eine
Rotation in Richtung Pfeil 70 eine Kraft in Richtung Pfeil 70 auf den
Halbereich aus. 11 zeigt das Modell eines flexiblen
Verbindungsstückes 90,
das zum Beispiel zwischen einer rotierenden Kraftquelle und einem unflexiblen
oder mäßig flexiblen
Schaft eingesetzt werden kann. Das flexible Verbindungsstück kann, wie
zuvor beschrieben, verwendet werden, um eine Kraftübertragung
zwischen ungünstig
ausgerichteten Teilen zu gewährleisten.
Bei dieser Ausführung
kann, wie in 11 gezeigt, eine Vielfalt an
Schlitzen 92, 94 und 96 vorteilhaft eingesetzt
werden.
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2 zeigt
das Modell eines flexiblen Schafts oder Verbindungsstücks 100 bei
dem in Schlitz 102 ein Elastomer oder ein anderes flexibles Material
eingearbeitet wurde, um die Flexibilität des Schafts weiter zu erhöhen und
das torsionale Ansprechen oder die Steifigkeit des Bauteils zu verändern. Das
Elastomer kann als Stoßdämpfer oder
Puffer eingesetzt werden. Um die Herstellung zu erleichtern, das
rohrförmige
Bauteil zu schützen,
einen Flüssigkeitskanal
zu bieten oder aus anderen Gründen, kann
das Elastomer den gesamten Schaft oder das gesamte Verbindungsstück umschließen, wodurch es
eine röhrenförmige Konstruktion 104 bildet.
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In
der bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird der flexible Schaft als flexibler Schaft für Markraumbohrungen
an Knochen verwendet, hierfür muss
der Schaft einen geringeren Durchmesser haben als die Reibahle,
die normalerweise einen Schneidedurchmesser von ca. 0,508 cm (2/10
Inch) bis unter 1,905 cm (3/4 Inch) hat. Die in U.S. Patent Nr.
2,515,365 gezeigten Spiralmuster können für diese Anwendung nicht verwendet
werden. Ein 1,905 cm (3/4 Inch) oder kleinerer Schaft muss eine
größere Spiralfrequenz
(einen geringeren Helixwinkel) und weniger aufgesetzte Schlitz-Zyklen haben, um
die nötige
Kombination aus struktureller Stärke
und Flexibilität
aufzuweisen. Wie in 12 gezeigt, ist es bei einer
Markraumbohrung des Oberschenkelknochens gut, wenn der Schaft um
bis zu 45 Grad gebogen werden kann. Der im Allgemeinen mit 80 gekennzeichnete
flexible Schaft hat den Vorteil, dass er die Möglichkeit bietet, den Knochenmarkkanal
des Oberschenkelknochens 82 aufzubohren, während sich
das angetriebene Ende 84 ungefähr im rechten Winkel zur Achse
des Oberschenkelknochens befindet. Die Verwendung eines höchst flexiblen
Reibahlen-Endes 86 gewährleistet
eine einfache Führung der
Reibahle durch die Knochenfragmente 85, 87 und 89.