Die Erfindung betrifft ein chirurgisches Instrument zum mechanischen Entfernen von Knochenzement nach dem Oberbe¬ griff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Erzeugen von Stoßwellen, die zum Entfernen von Knochenzement ge¬ eignet sind, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 16.

Derartige chirurgische Instrumente werden bei orthophädi- schen Operationen benötigt, um z.B. nach dem Entfernen einer Hüftgelenkprothese den verbliebenen Knochenzement, z.B. aus PMMA zu entfernen, und einen einwandfreien Sitz der neu einzusetzenden Hüftgelenkprothese zu ermöglichen. Zum Entfernen des Zementes werden beispielsweise Meißel- Werkzeuge mit Hilfe eines Hammers in den Zement hineinge¬ trieben, um diesen von dem Knochen in der Knochenmarkhöhle abzuspalten.

Die Entfernung von Knochenzement ist vorzugseise in der orthopädischen Chirurgie beim Wechsel oder Ausbau von

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- 2 - gelockerten oder infizierten Endoprothesen notwendig. Andere Anwendungen sind zusätzlich möglich.

Die Zahl der Prothesenwechsel nimmt insbesondere in der Hüftendoprothetik stetig zu. Die Entfernung des Knochenze¬ mentes bei zementfixierten Prothesen ist mühsam und zeit¬ aufwendig. Bisher wird die Zemententfernung in der Regel mit verschieden geformten Meißeln durchgeführt, deren sichere Anwendung z.B. in der schlecht einsehbaren Tiefe der Markhöhle problematisch ist. Es können neben dem hohen Zeitaufwand Knochenschädigungen resultieren, die die Neu¬ implantation einer Prothese unmöglich machen oder aber zu einem übergroßen Knochenverlust führen.

Es sind auch pneumatische Hämmer bekannt (EP 0 144 005, W095/22934) , bei denen ein Kolbenelement pneumatisch in einem Zylinder hin- und herbewegt wird, wobei das Kolben¬ element an dem distalen Ende des Zylinders einen Schlag auf ein in dem Gehäuse axial gelagertes Meißelwerkzeug ausübt. Bei einem solchen System wird das Meißelwerkzeug auf Geschwindigkeiten von knapp über 3 m/s beschleunigt, wobei der Hub des Meißelwerkzeuges ca. 8 mm beträgt. Auf¬ grund des großen Hubes besteht die Gefahr, daß das Meißel- Werkzeug unbeabsichtigt in die Knochensubstanz eindringt.

Mit einem solchen chirurgischen Instrument läßt sich dem¬ zufolge lediglich der bisher manuell ausgeführte Hammer¬ schlag imitieren. Dabei hat sich allerdings herausge¬ stellt, daß die Effizienz eines solchen pneumatisch betä¬ tigten Meißels für die Anforderungen bei der Knochenze¬ mententfernung aus der Markhöhle nicht ausreichend ist, und daß die Gefahr einer Knochenschädigung besteht.

Es sind ferner chirurgische Instrumente bekannt, mit denen mit Hilfe von Ultraschallschwingungen thermoplastischer Knochenzement aufgeschmolzen und entfernt werden kann (US

5,221,282) . Bei einem derartigen Instrument wird der Kno¬ chenzement ab ca. 100 °C duktil und kann dann entfernt werden. Dabei entstehen an der Werkzeugspitze Temperaturen von bis zu 200 °C, die eine Knochenschädigung hervorrufen können. Die bei der Knochenzemententfernung entstehende Rauchentwicklung erzeugt freiwerdende Monomere, die to¬ xisch wirken.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein chirurgisches Instrument zum Entfernen von Knochenzement der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Erzeu¬ gung von Stoßwellen anzugeben, mit dem die Entfernung von Knochenzement mit erheblich erhöhter Effektivität erfolgen kann.

Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, daß das Kolbenelement aus einem Projektil besteht, das auf eine hohe Endgeschwindigkeit beschleunigbar ist und eine Sto߬ welle in das aus einer Stoßwellenübertragungssonde beste¬ hende Meißelwerkzeug induziert, dessen Sondenspitze die Stoßwelle auf den Knochenzement überträgt.

Bei der ballistischen Energiegewinnung sind dabei uner¬ wünschte Hitzeentwicklungen nicht zu erwarten und die Zemententfernung ist gut steuerbar. Der Zeitaufwand zur Zemententfernung, vorzugsweise am Beispiel des Prothesen- wechselε, wird deutlich reduziert. Eine Zemententfernung ist ohne wesentliche Schädigung des Knochens möglich.

Die Stoßwellenübertragung erfolgt demzufolge nicht durch einen Hub des gesamten Meißelwerkzeugs, sondern im wesent¬ lichen aufgrund der durch die Stoßwelle induzierten Län¬ genänderung der Stoßwellenübertragungssonde an der Sonden¬ spitze. Auf diese Weise lassen sich an der Sondenspitze hohe Beschleunigungen und Geschwindigkeiten erzeugen, durch die übertragbare Stoßenergie um ein Vielfaches höher

ist als bei herkömmlichen pneumatisch betätigen Meißeln, da die Geschwindigkeit quadratisch in die Gesetzmäßigkei¬ ten der Stoßenergieübertragung eingehen.

Die Endgeschwindkeit des auf die Stoßwellenübertragungs¬ sonde auftreffenden Projektils beträgt ca. 5 bis 20 m/s, vorzugsweise ca. 10 bis 15 m/s. Bei einer derartigen Auf- treffgeschwindigkeit des Projektils läßt sich auch eine entsprechende Maximalgeschwindigkeit an der Sondenspitze bis zu 20 m/s feststellen.

Die Bewegungsamplitude der Sondenspitze beträgt weniger als 1,5 mm, vorzugweise weniger als 1 mm. Die Längenände¬ rung ist teilweise auf die elastische Verformung der Sto߬ wellenübertragungssonde zurückzuführen und beträgt übli¬ cherweise insgesamt zwischen 0,5 und 1 mm.

Die von dem Projektil eingebrachte Stoßwellenenergie liegt im Bereich bis zwischen ca. 0,3 J und 2 J, vorzugsweise zwischen ca. 0,5 J und 1,0 J.

Die Stoßwellen werden mit einer Schlagfrequenz des Projek¬ tils von ca. 6 bis 20 Hz, vorzugsweise ca. 8 bis 10 Hz, erzeugt.

Der Durchmesser der Stoßwellenübertragungssonde liegt im Bereich zwischen ca. 1 und 6 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 4 mm.

Die Stoßwellenübertragungssonde ist axial in dem Gehäuse geführt und ein in Axialrichtung wirkendes Feder-Dämp¬ fungselement ist zwischen Stoßwellenübertragungssonde und dem Gehäuse angeordnet. Auf diese Weise wird eine Entkopp¬ lung der Stoßwellenübertragungssonde von dem Gehäuse in Axialrichtung realisiert.

Es kann auch vorgesehen sein, daß das Projektil den Sto߬ impuls auf ein Zwischenelement überträgt, das bündig an der Stoßwellenübertragungssonde anliegt.

Die Stoßwellenübertragungssonde kann hohl ausgebildet sein und das Zwischenelement kann aus einer zum proximalen Ende hin geschlossenen Hülse mit mindestens einer radialen Aus¬ trittsöffnung bestehen. Mit einem derartigen Zwischenele¬ ment kann in Verbindung mit einer hohlen Stoßwellenüber¬ tragungssonde eine Absaugeinrichtung angeschlossen werden, mit der der abgelöste Knochenzement abgesaugt werden kann.

Der Beschleunigungsweg des Projektils beträgt vorzugsweise ca. 100 bis 200 mm. Damit beträgt der Beschleunigungsweg ein Vielfaches des Durchmessers des Projektils.

Die Stoßwellenübertragungssonde kann flexibel sein, so daß die Stoßwelle auch nicht geradlinig übertragen werden kann.

Desweiteren kann an dem proximalen Ende des Zylinders ein Magnethalter für das Projektil angeordnet sein. Der Ma¬ gnethalter hält das Projektil in der proximalen Endlage bis es erneut gegen die Stoßwellenübertragungssonde be¬ schleunigt wird.

Vorzugsweise wird das Projektil von pneumatischen An¬ triebsmitteln beschleunigt.

Die Stoßwellenübertragungssonde kann in einem Arbeitskanal eines Endoskopes geführt sein. Durch den optisch kontrol¬ lierten lokalen Einsatz der Sondenspitze auf dem Zement auch im sonst nicht einsehbaren Bereich in der Tiefe der Markhöhle wird einerseits die Effektivität der Zementent¬ fernung erhöht, andererseits die Gefahr von unerwünschten Knochen- und Weichteilschädigungen reduziert. Zusätzliche

operative Maßnahmen, wie z.B. die Anlage von Knochenfen¬ stern, sind überflüssig.

Dabei kann auch vorgesehen sein, daß das Endoskop eine Linsenreinigungseinrichtung an dem distalen Ende aufweist. Die optische Linse des Endoskopes wird zwecks Reinigung an dem distalen Ende des Endoskopes vorzugsweise mit C0 ₂ ge¬ spült.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des chirurgischen Instrumentes im Querschnitt,

Fig. 2 den Einsatz des chirurgischen Instrumentes in Verbindung mit einem Endoskop, und

Fig. 3 die in die Knochenzementhöhle eingeführte Endo¬ skopsonde.

Das in Fig. 1 zeigte Handstück 1 besteht aus einem Gehäuse 4, das einen pneumatischen Zylinder 6 aufnimmt, in dem ein Projektil 10 mit Hilfe pneumatischer Antriebsmittel 14 in Verbindung mit einer Staudruckkammer 12, die den Zylinder 6 koaxial ringförmig umgibt, zwischen zwei Endpositionen hin- und herbewegt wird. Alternativ ist es auch möglich, das Projektil 10 hydraulisch, mechanisch, elektromagne¬ tisch oder durch explosive Antriebsmittel zu beschleuni¬ gen. Bei elektromagnetischer Beschleunigung deε Projektils 10 kann der Beschleunigungsweg verkürzt werden, der bei einem pneumatischen Antrieb ca. 100 bis 200 mm Länge auf¬ weist.

In der proximalen Endposition ist am proximalen Ende des Zylinders 6 ein Magnethalter 52 angeordnet, der das metal¬ lische Projektil 10 in seiner proximalen Endposition fest¬ halten kann bis erneut ein über den Anschluß 52 aufge¬ brachten pneumatischer Druck das Projektil 10 in Richtung auf das distale Ende 18 des Zylinders 6 bescheunigt. Die sich in Bewegungsrichtung des Projektils 10 vor dem Pro¬ jektil 10 befindliche Luft wird über mindestens eine an dem distalen Ende des Zylinders 6 angeordnete Öffnung 16 in die Staudruckkammer 12 geleitet. Durch die Beschleuni¬ gung des Projektils 10 trifft dieses mit einer hohen End¬ geschwindigkeit von beispielsweise 15 m/s auf ein in dem distalen Ende 18 des Zylinders 6 angeordnetes Zwischen¬ stück 34, das eine Stoßübertragung auf ein bündig an dem Zwischenstück 34 anliegendes Meißelwerkzeug ermöglicht. Das Meißelwerkzeug besteht aus einer metallischen Stoßwel¬ lenübertragungssonde 22, die die über das Projektil 10 und das Zwischenstück 34 induzierte Stoßwelle auf den in einer Knochenmarkhöhle zu entfernenden Knochenzement 2 über¬ trägt. Das Zwischenstück 34 dient dazu, das Gehäuse 4 am distalen Ende 18 hermetisch abzudichten, so daß lediglich die Stoßwellenübertragungssonde 22 und ein auf das Gehäuse 4 aufschraubbares Kopfteil 28 sterilisiert werden müssen.

Der in der Staudruckkammer 12 sich aufbauende Staudruck genügt bei Wegfall des an dem pneumatischen Anschluß 52 anliegenden Druckes, um das Projektil 10 von der distalen Endlage an dem Zwischenstück 34 in die proximale Endlage zu dem Magnethalter 50 zurückzubewegen. Der pneumatische Druck an dem Anschluß 52 kann bis zu 5 bar betragen. Das Projektil 10 kann zwecks Anpassung an bestimmte Längen der Stoßwellenübertragungssonde 22 oder zum Erzeugen einer bestimmten Charakteristik der Stoßwelle hinsichtlich Län¬ ge, Masse und maximale AufSchlaggeschwindigkeit unter¬ schiedlich gewählt werden.

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Die auf die Stoßwellenübertragungssonde übertragene Sto߬ energie beträgt ca. 0,3 bis 2 J, wobei ein Wert um ca. l J schon zu einer hohen Effektivität bei der Knochenzement- entfernung führt.

Die metallische Stoßwellenübertragungssonde 22 verläuft vorzugsweise aber nicht zwingend koaxial zu dem Zylinder 6 und dem Projektil 10. Das proximale Ende 24 der Stoßwel¬ lenübertragungssonde 22 hat vorzugsweise einen Durchmes¬ ser, der dem Durchmesser des Zwischenstücks 34 und dem Durchmesser des Projektil 10 entspricht. Die Länge des Projektils 10 ist stets größer als sein Durchmesser. Damit werden bessere Führungseigenschaften in dem Zylinder 6 erreicht. Außerdem kann mit Hilfe einer unterschiedlichen Länge des Projektils 10 die Masse des Projektils in ein¬ facher Weise variiert werden, ohne daß der Durchmesser des Zwischenstücks 34 oder des proximalen Endes 24 der Sto߬ wellenübertragungssonde 22 verändert werden müssen. Das Verhältnis Länge zu Durchmesser des Projektils 10 beträgt ca. 2,5:1 bis 5:1.

Das proximale Ende 24 der Stoßwellenübertragungssonde 22 ist axial in einer Führungsöffnung 29 eines Verbindungs¬ elementes 32 gelagert, das zugleich das Zwischenstück 34 und das distale Ende 18 des Zylinders 6 aufnimmt und in das Gehäuse 4 koaxial zum Zylinder 6 einschraubbar ist. Das Zwischenstück 34 ist beweglich in dem distalen Ende 18 des Zylinders 6 angeordnet und mit einem O-Ring 36 gegen den Zylinder 6 abgedichtet. Bei Stoßbeaufschlagung des Zwischenstücks 34 durch das Projektil 10 kann sich das Zwischenstück in distaler Richtung entsprechend der Ver¬ formung des Feder/Dämpfungselementes 30 vorwärts bewegen, wobei das Zwischenstück 34 durch die Rückstellkraft des Feder/Dämpfungselementes 30 in seine proximale Endposition zurückgedrückt wird, in der ein Ringbund 37 an der dista¬ len Stirnfläche des Zylinders 6 anliegt. Das Verbindungs-

element 32 ist mit einem O-Ring 35 gegen die äußere Man¬ telfläche des Zylinders 6 abgedichtet. Beispielsweise durch Abflachung des proximalen Endes 24 oder eines Ring¬ bundes 23 an dem proximalen Ende 24 und einer dieser Ab¬ flachung angepaßten FührungsÖffnung 29 in dem Verbindungs¬ element 32 kann eine Verdrehsicherung für die Stoßwellen¬ übertragungssonde 22 vorgesehen werden. In Fig. 1 ist an dem Ringbund 23 ein Vorsprung 21 vorgesehen, der als Ver- drehsicherung in eine entsprechende Nut 19 des Verbin¬ dungselementes 32 eingreift.

Auf der distalen Seite des Verbindungselementes 32 ist bündig mit dem Gehäuse 4 das Kopfteil 28 aufgeschraubt, das mit einem auf dem Verbindungselement 32 sitzenden 0- Ring 25 abgedichtet wird. Das Verbindungselement 32 führt den Schaft der Stoßwellenübertragungssonde 22 in einer Bohrung 33 axial und nimmt ein hülsenförmiges, z.B. aus Silikon bestehendes Feder/Dämpfungselement 30 auf. Das Feder/Dämpfungselement 30 wirkt in Axialrichtung und ent¬ koppelt die Stoßwellenübertragungssonde 22 in Axialrich¬ tung von dem Kopfteil 28 bzw. dem Gehäuse 4. Hierzu ist an dem proximalen Ende 24 der Stoßwellenübertragungssonde 22 ein Ringbund 23 angeformt, gegen den sich das Feder/Dämp¬ fungselement 30 abstützen kann. Das Feder/Dämpfungselement 30 sitzt in einer zylindrischen Aussparung 27 des Kopf¬ teils 28. In distaler Richtung hinter dem Ringbund 23 verringert sich der Durchmesser der Stoßwellenübertra¬ gungssonde 22 auf einen Schaftdurchmesser von ca. 2 bis 4 mm, z.B. 3,2 mm. Das Verhältnis zwischen Projektildurch¬ messer und Schaftdurchmesser beträgt ca. 2:1 bis 3:1. Bei einem solchen Verhältnis läßt sich der Bewegungshub an der Sondenspitze 26 auf einen geringen Wert begrenzen.

Die Sondenspitze 26 ist in Form eines Meißelwerkzeugs gestaltet. Die Stoßwellenübertragungssonde 22 kann auch als hohles Werkzeug ausgebildet sein, um ein Absaugen des

gelösten Knochenzementes 2 zu ermöglichen.

In diesem Fall kann auch das Zwischenstück 34 als in di- staler Richtung offene Hülse mit einer radialen Auslaßδff- nung gestaltet sein, an die ein Absauganschluß angeschlos¬ sen werden kann.

Die Stoßwellen werden mit einer Schlagfrequenz zwischen 6 und 20 Hz erzeugt, wobei zur Knochenzemententfernung eine Schlagtrequenz von 10 Hz besonders geeignet erscheint. Die Sondenspitze 26 führt einen Bewegungshub aus, der maximal ca. 1,5 mm und vorzugsweise weniger als 1 mm beträgt. Ein Teil dieser Bewegung der Sondenspitze 26 ca. 0,3 mm ist auf eine Längung der Stoßwellenübertragungssonde 22 auf¬ grund der Stoßwelle zurückzuführen, während der restliche Teil des Bewegungshubes auf eine Deformation des Feder/- Dämpfungselementes 30 zurückzuführen ist. Der auf die Stoßwelle zurückzuführende Anteil beträgt dabei ca. 30 % des gesamten Bewegungshubes, der nach ca. 1 ms seinen Maximalwert erreicht. Die an den Enden der Stoßwellenüber¬ tragungssonde 22 reflektierende Stoßwelle erzeugt dem Bewegungshub der Sondenspitze 26 überlagerte Schwingungen mit steilen Anstiegsflanken, die steiler sind als die Anstiegsflanken des Bewegungshubes und damit zu einer erheblichen Erhöhung der Sondenspitzengeschwindigkeit beitragen. Auf diese Weise kann eine im Vergleich zu her¬ kömmlichen pneumatischen Meißeln um einen Faktor von ca. 30 bis 50 höhere Stoßenergie auf den Knochenzement 2 über¬ tragen werden.

Das Verhältnis von Projektilmasse und Sondenmasse beträgt ca. 1:2 bis 1:10, vorzugsweise ca. 1:4 bis 1:6. Die Masse des Projektils 10 ist demzufolge kleiner als die Masse der Stoßwellenübertragungssonde 22.

Die Länge des Projektils 10 bestimmt die Länge der Stoß-

welle. Das Verhältnis der Projektillänge zur Sondenlänge beträgt ca. 1:10 bis 1:30, vorzugsweise ca. 1:15. Demzu¬ folge ist die Länge der induzierten Stoßwelle klein im Verhältnis zu der Längenabmessung der Sonde.

Das Verhältnis des Sondenεchaftdurchmessers zu der Sonden¬ länge liegt im Bereich zwischen ca. 1:50 und 1:200, vor¬ zugsweise im Bereich zwischen 1:100 und 1:150. Dabei ist wie bereits erwähnt ein Sondenschaftdurchmesser von ca. 2 bis 4 mm bevorzugt. Eine derartige Sonde kann in den Ar¬ beitskanal eines Endoskopes eingeführt werden und ermög¬ licht die Anwendung des Meißelwerkzeugs in endoskopischen Operationen.

Bei Verwendung der Stoßwellenübertragungssonde 22 in Ver¬ bindung mit einem Endoskop besteht die Möglichkeit, stän¬ dig oder intermittierend in einem flüssigen Medium zu arbeiten. Dies hat den Vorteil, daß ggf. eine Linsenreini¬ gungseinrichtung entfallen kann. In diesem Fall ist es allerdings notwendig, mit einem geeigneten elastischen Stopfen die Knochenmarkhöhle an ihrer offenen Stelle ab¬ zudichten.

Fig. 2 zeigt den Einsatz des chirurgischen Instrumentes in einem Endoskop. Die Stoßwellenübertragungssonde 22 ist dabei in einem ersten Arbeitskanal 62 des Endoskopε 54 eingesetzt. Mit Hilfe eines Okulars 56 und einer Beleuch¬ tung durch Lichtfasern über einen Lichtfaseranschluß 58 kann das Arbeitsfeld des Meißelwerkzeugs beobachtet wer¬ den. Über einen gekrümmt in die Endoskopsonde 60 eintre¬ tenden zweiten Arbeitskanal 64 können beispielsweise Flüs¬ sigkeiten zugeführt oder abgesaugt werden. Die Ankopplung des Gehäuses 4 an das Endoskop 54 erfolgt mit Hilfe eines Adapters 55. Die Endoskopsonde 60 ermöglicht die Zement¬ entfernung in sonst nicht einsehbaren Bereichen der Tiefe der Markhöhle. Durch die endoskopische Beobachtung des

Arbeitsbereiches wird die Gefahr von unerwünschten Kno¬ chen- und Weichteilschädigungen reduziert. Zusätzliche operative Maßnahmen, wie z.B. die Anlage von Knochenfen¬ stern sind bei endoskopischen Einsatz des chirurgischen Instrumentes nicht notwendig.