Zur Herstellung von Vertiefungen in Knochenmaterial sind die unterschiedlichsten rotierenden Werkzeuge be- kannt, beispielsweise Bohrer, Fräser, Reibahlen, etc.

All diesen Werkzeugen ist gemeinsam, daß mit ihnen Ver- tiefungen in verschiedenster Form in das Knochenmateri- al eingebracht werden, beispielsweise Aufnahmebohrungen für Knochenschrauben. Es ist dabei von größter Wichtig- keit, daß diese Bohrungen und Vertiefungen in der ge- wünschten Weise im Knochen plaziert werden, da in vie- len Fällen nur wenig Knochenmaterial zur Fixierung von Knochenschrauben und anderen Implantatteilen zur Verfü- gung steht. Beispielsweise ist es äußerst schwierig, im Wirbelsäulenbereich Pedikelschrauben so im Wirbelkörper zu plazieren, daß sie einerseits in der gewünschten Weise im Wirbelkörper festgelegt werden und anderer- seits keine Verletzungen hervorrufen.

Bisher war dies im wesentlichen unter Sicht des Opera- teurs durchzuführen oder allenfalls unter Röntgenkon- trolle, und dies war unter Umständen mit einer erhöhten Strahlenbelastung für Patient und Operateur verbunden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Werk- zeug so auszubilden, daß mit ihm Vertiefungen in Kno- chenmaterial kontrolliert in der gewünschten Position und Richtung erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem rotierenden chirurgischen Werkzeug der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in ihm ein Ultraschallwandler ange- ordnet ist, der Ultraschallwellen aussenden und empfan- gen kann, und daß der Ultraschallwandler mit einem Ul- traschallgenerator und einer Empfangseinrichtung ver- bindbar ist, die abhängig von der Stärke der vom Ultra- schallwandler empfangenen Ultraschallstrahlung und der Zeitdauer zwischen Aussendung der Ultraschallstrahlung und dem Empfang reflektierter Ultraschallstrahlung Si- gnale erzeugt, die ein Maß für die Beschaffenheit des Knochenmaterials in Ausstrahlungsrichtung sind.

Die vom Wandler im rotierenden Werkzeug ausgesandte U1- traschallstrahlung dringt in die umgebenden Knochen- strukturen ein und wird dort reflektiert, insbesondere an den Oberflächen des Knochenmaterials und an Inhomo- genitäten im Knochenmaterial, beispielsweise an Flä- chen, an denen sich die Struktur des Knochenmaterials verändert. Die reflektierte Ultraschallstrahlung wird vom Wandler aufgefangen, und aus der Stärke des aufge- fangenen Signals und der Zeit, die seit der Aussendung der Ultraschallstrahlung vergangen ist, lassen sich An- gaben über die Beschaffenheit des an das Werkzeug an- grenzenden Knochenmaterials machen, insbesondere über die Schichtdicke des Knochenmaterials und gegebenen- falls auch über Strukturänderungen des Knochenmateri- als. Diese Information kann der Operateur nutzen, um die Position des Werkzeugs im Knochen zu überprüfen und damit die Lage der vom Werkzeug erzeugten Vertiefung.

Dabei können getrennte Wandler für das Aussenden und für das Empfangen der Ultraschallstrahlung vorgesehen sein, es ist aber auch möglich, die Ultraschallstrah- lung mit demselben Wandler auszusenden und die reflek- tierte Strahlung anschließend wieder aufzunehmen. Dies läßt sich beispielsweise mit einem sogenannten Impuls- Echo-Verfahren durchführen.

Günstig ist es, wenn der Ultraschallwandler im Bereich des distalen Endes des Werkzeuges angeordnet ist, so daß von der vom Werkzeug ausgesandten Ultraschallstrah- lung der Bereich vor dem distalen Ende des Werkzeugs "gesehen"wird. Dem Operateur wird somit eine Informa- tion darüber geliefert, wie das Knochenmaterial in Be- arbeitungsrichtung beschaffen ist, und es wird ihm da- her die Möglichkeit gegeben, die Vorschubrichtung des Werkzeugs entsprechend zu steuern.

Eine besonders günstige Ausgestaltung ergibt sich, wenn der Ultraschallwandler im Werkzeug derart angeordnet ist, daß seine Aussende-und Empfangsrichtung für die Ultraschallwellen gegenüber der Drehachse geneigt ist, beispielsweise mit einem Neigungswinkel zwischen 30 und 60°, insbesondere in der Größenordnung von etwa 45°.

Die Ultraschallstrahlung wird bei einer solchen Ausge- staltung auf einem Kegelmantel ausgesandt, der sich in distaler Richtung öffnet, und auf diese Weise erhält der Operateur Informationen nicht nur genau in Vor- schubrichtung des rotierenden Werkzeugs, sondern über den gesamten Drehwinkel des Werkzeugs in einem Bereich, der in distaler Richtung vor dem Werkzeug liegt. Da- durch ergibt sich eine optimale Orientierung über die noch zu bearbeitenden Knochenbereiche.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Werkzeug einen inneren Aufnahmeraum für den Ultraschallwandler aufweist, der mit einem im Werkzeug bis zu dessen proximalem Ende verlaufenden Ka- nal in Verbindung steht. Durch diesen Kanal können An- schlußleitungen für den Ultraschallwandler verlaufen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Werkzeug ein Bohrwerkzeug mit einer kegeligen Schneidfläche und der Ultraschallwandler ist im Bereich der kegeligen Schneidfläche angeordnet. Mit einem solchen Bohrer kann der Operateur während des Bohrvorgangs genau sehen, ob er beim weiteren Vortritt des Bohrers von allen Begren- zungen des Knochens einen ausreichenden Abstand hat, so daß die Bohrung mit Sicherheit im Knochenmaterial ver- läuft und nicht unerwünscht in Hohlräume oder anderes Gewebe eindringt.

Besonders günstig ist es, wenn das Werkzeug einen Sen- sor für seine Winkelstellung umfaßt und wenn der Sensor ein der Winkelstellung entsprechendes Signal der Emp- fangseinrichtung zuführt, die damit die Signale für die Knochenbeschaffenheit in Abhängigkeit von der Winkel- stellung des Werkzeugs erzeugt. Damit erhält der Opera- teur ein umfassendes Bild der Beschaffenheit des Kno- chenmaterials vor dem Werkzeug, und zwar in allen Win- kelrichtungen. Der Ultraschallwandler bildet gleichsam eine auf einem drehbaren Träger angeordnete Kamera, die den gesamten vor dem Werkzeug liegenden Bereich in al- len Richtungen überstreicht.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß die Empfangsein- richtung ein optisches Anzeigegerät zugeordnet ist, welches die von der Empfangseinrichtung erzeugten Si- gnale für die Knochenbeschaffenheit anzeigt. Auf einem solchen Anzeigegerät ist also direkt ablesbar, wie der Knochen in Ausstrahlungsrichtung der Ultraschallstrah- lung beschaffen ist, welche Knochenwandstärke hier zur Verfügung steht und welche Strukturänderungen gegebe- nenfalls auftreten.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn auf dem opti- schen Anzeigegerät Querschnitte durch das Werkzeug und das angrenzende Knochenmaterial darstellbar sind, wobei die Beschaffenheit des Knochenmaterials durch die von der Empfangseinrichtung erzeugten Signale bestimmt wird. Diese Querschnitte zeigen gleichzeitig die von der Empfangseinrichtung erzeugten Signale an, die sich bei unterschiedlicher Winkelstellung des Werkzeugs er- geben, so daß man über den gesamten Winkelbereich gleichzeitig eine Information über die Knochenbeschaf- fenheit erhält.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, daß die darge- stellte Querschnittsfläche eine Kegelfläche ist, deren Achse mit der Drehachse des Werkzeugs zusammenfällt und die sich in distaler Richtung öffnet. Damit wird ein Anzeigebereich dargestellt, der den Bereich vor dem Werkzeug abtastet und somit die Knochenbeschaffenheit in dem Bereich anzeigt, in dem das Werkzeug erst in Zu- kunft eindringen wird.

Auf dem optischen Anzeigegerät können auch Querschnitte von Implantaten eingeblendet werden, die zeigen, in welcher Weise bestimmte Implantate nach der Implanta- tion im Knochen angeordnet werden sollen. Der Operateur hat damit die Möglichkeit, bei Kenntnis der Implantat- form und der gewünschten Lage des Implantats Vertiefun- gen, beispielsweise Bohrlöcher, so zu setzen, daß deren Lage mit der Form und der Position des Implantats kor- respondiert. Die Abbildung des Implantats kann dabei aus einem Datenspeicher erzeugt werden, in denen die Darstellungsdaten für dieses Implantat gespeichert sind. Aus diesen Daten kann die Abbildung der Abbildung überlagert werden, die sich aus den Ultraschallsignalen ergibt.

Der Empfangseinrichtung kann auch eine beispielsweise optisch oder akustisch arbeitende Warneinrichtung zuge- ordnet sein, die den Operateur davor warnt, daß die Wandstärke des Knochenmaterials in dem zu bearbeitenden Bereich einen bestimmten Wert unterschreitet, daß also die Gefahr eines Durchbruchs besteht.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausfüh- rungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen : Figur 1 : eine schematische Ansicht eines an einem Wirbelkörper angesetzten Bohrwerkzeugs mit einer Ultraschallüberwachungseinrich- tung mit optischer Anzeige und Figur 2 : eine vergrößerte Schnittansicht im Be- reich A in Figur 1 mit einem mit einem Ultraschallwandler ausgerüsteten Bohr- werkzeug.

Die Erfindung wird nachstehend am Beispiel eines Bohr- werkzeugs erörtert, grundsätzlich kann die Erfindung aber auch bei anderen drehenden Bearbeitungswerkzeugen verwendet werden, beispielsweise bei Fräsern, Reib- ahlen, Trephinen, etc., mit deren Hilfe durch Drehbewe- gung eine spanabhebende Bearbeitung des Knochenmateri- als erfolgt, insbesondere zur Herstellung von Bohrungen und anderen Vertiefungen.

Eine chirurgische Handbohrmaschine 1 ist mit einem Spi- ralbohrer 2 bestückt, der durch einen Antrieb im Inne- ren der Handbohrmaschine 1 um seine Längsachse verdreht wird und mit seiner Spitze 3 in einem Knochen 4, im dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Wirbelkno- chen im Pedikelbereich, eine Bohrung 5 erzeugt.

Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Spiralbohrer ist dieser Spiralbohrer 2 mit einem vom proximalen Ende bis in den distalen Endbereich durchgehenden Innenkanal 6 versehen, der in einem Aufnahmeraum 7 endet, der sich seinerseits unmittelbar hinter der kegeligen Schneid- fläche 8 des Spiralbohrers 2 befindet. In diesem Auf- nahmeraum 7 ist ein Ultraschallwandler 9 angeordnet, der im wesentlichen senkrecht zur Schneidfläche 8 U1- traschallstrahlung abstrahlen und aus dieser Richtung auf ihn auftreffende Ultraschallstrahlung aufnehmen kann. Es kann sich dabei um einen einzigen Ultraschall- wandler 9 handeln oder zwei getrennte Ultraschallwand- ler, die jeweils für Abstrahlung oder Aufnahme von U1- traschallstrahlung ausgebildet sind.

Der Ultraschallwandler ist über eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Leitung, die durch den Innen- kanal 6 führt mit einer Leitung 10 verbunden, die von der Handbohrmaschine 1 ausgehend an einer Sende-und Empfangseinrichtung 11 endet, die ihrerseits über eine Leitung 12 mit einer Anzeigeeinrichtung 13 verbunden ist. Die Sende-und Empfangseinrichtung 11 kann bei- spielsweise als sogenannte Impuls-Echo-Anlage arbeiten und Ultraschallstrahlung mit Frequenzen in der Größen- ordnung von 15 MHz erzeugen und aufnehmen. Diese Ultra- schallstrahlung wird in Form eines Impulses durch den Ultraschallwandler 9 in den umgebenden Knochen 4 ausge- sandt und dort an Inhomogenitäten und an Grenzflächen reflektiert, beispielsweise an der Grenzfläche 14 zum Markraum 15 des Wirbelknochens.

Die reflektierte Strahlung trifft anschließend wieder auf den Ultraschallwandler 9 auf und wird dort in ein elektrisches Signal umgewandelt, das der Sende-und Empfangseinrichtung 11 zugeführt wird. Die Größe des der reflektierten Strahlung entsprechenden Signals hängt ab von der Stärke der Reflexion an die Inhomoge- nität, die Zeitdauer zwischen Aussendung des Impulses und Aufnahme der reflektierten Strahlung hängt ab von der Dicke des Knochenmaterials bis zu einer Grenzfläche und der Beschaffenheit des Knochenmaterials, da diese Beschaffenheit die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ul- traschallstrahlung beeinflußt.

Auf diese Weise ist es möglich, bei Kenntnis des Auf- baus des Knochens festzustellen, in welchem Abstand Grenzflächen und Inhomogenitäten des Knochens von dem Ultraschallwandler angeordnet sind und zwar jeweils in Richtung der Ausstrahlung und des Empfangs des Ultra- schallwandlers. Dieser Ultraschallwandler dreht sich zusammen mit dem Spiralbohrer 2 und kann daher bei der Aussendung und dem Empfang der Ultraschallstrahlung ei- nen Kegelmantel überstreichen, der durch einen koaxial zu der Drehachse des Spiralbohrers 2 angeordneter und sich in distaler Richtung öffnenden Kegel gebildet wird. Die der Sende-und Empfangseinrichtung 11 zuge- führten Reflexionssignale sind somit ein MaS für die Knochenbeschaffenheit und die Dicke des Knochenmateri- als auf diesem Kegelmantel, also in einem Bereich, der dem Spiralbohrer 2 distal vorgelagert ist und in den der Spiralbohrer 2 bei weiterer Bearbeitung eintreten wird.

Die von der Sende-und Empfangseinrichtung 11 aufgenom- menen Signale können auf der Anzeigeeinrichtung 13 so dargestellt werden, daß ausgehend von der Lage des Spi- ralbohrers 2 das von der Ultraschallstrahlung überstri- chene Gebiet des Knochen um den Spiralbohrer 2 herum dargestellt wird, so daß der Operateur eine optische Anzeige dafür bekommt, wie das Knochenmaterial um den Spiralbohrer 2 herum in einem distal vor dem Spiralboh- rer liegenden Bereich beschaffen ist, beispielsweise wie groß der Abstand ist zum nächsten Hohlraum oder zu einer Grenzfläche des Knochens ist. Dies ermöglicht dem Operateur den Spiralbohrer 2 so zu richten, daß er beim weiteren Eindringen in den Knochen 4 immer möglichst genau im Knochenmaterial zentriert wird und einen genü- genden Abstand von den Grenzflächen des Knochens ein- hält. Außerdem ist es möglich, auf diese Weise den Spi- ralbohrer in Bereiche von besonders festem Knochenmate- rial zu richten, da die reflektierten Ultraschallsigna- le auch Auskunft über die Beschaffenheit des Knochenma- terials geben, beispielsweise ändert sich die Fort- pflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen im Kno- chengewebe bei unterschiedlich strukturiertem Knochen- gewebe.

In der Spitze des Spiralbohrers 2 ist somit eine Ultra- schallkamera mit Empfangsgerät eingebaut, die den Be- reich beobachtet, der vor der Spitze des Spiralbohrers 2 angeordnet ist und die damit dem Operateur Informa- tionen darüber bietet, in welche Knochenbereiche der Spiralbohrer 2 beim weiteren Eindringen gelangen wird.