METHOD AND DEVICE FOR THE PRODUCTION OF AN ENDOPROSTHESIS

Abstract: 1. A method of manufacturing an individually adapted endoprosthesis, more particularly having a curved prosthesis shaft, characterised by the following steps : a. three-dimensional survey of the bone cavity, without any surgical intervention preceding this survey b. producing a solid model of the bone cavity c. producing a model of the prosthesis which may be compressed or displaced by the model of the bone cavity, the outer dimensions of the prosthesis model matching those of the prosthesis blank, d. forcing the prosthesis model into the model of the bone cavity on a path having the least volume compression or displacement, if necessary including rotary movements and changes of direction, by minimising the volume compressed or displaced during forward movement, per unit of the path and particularly recording the path thus travelled including the spatial alignment of the prosthesis on this path, d1. testing the strength of the remaining prosthesis model, in relation to the real prosthesis material, and e. controlling the removal of the volume compressed or displaced in the prosthesis model, in the real prosthesis blank too, by changing the shape by cutting with the aid of a numerically controlled machine tool.

Description: Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Endoprothese Beschreibung Die Erfindung betrifft verschiedenen Verfahren zur Herstellung einer Prothese, wie es in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bis 4 angegeben ist sowie Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren. Bei der Herstellung von Prothesen und insbesondere von gekrümmenten Prothesenschäften stellt deren Anpassung an die individuellen Abmessungen der Hohlräume in den den jeweiligen Schaft aufnehmenden Knochen ein Problem dar, das derzeit durch das Vorrätighalten von Schäften in den verschiedensten Abmessungen gelöst wird. Nachteilig war dabei, dass selbst bei umfangreicher Lagerhaltung nicht allen sich bei der Operation stellenden Anforderungen entsprochen werden konnte und zur individuellen Anpassung vielfach Knochensubstanz zusätzlich beseitigt werden musste, welche bei exakter Anpassung hätte erhalten bleiben können. Berücksichtigt werden muss dabei auch die Einsetzbarkeit von gekrümmten Prothesenschäften, wobei die zusätzliche Problematik besteht, dass einerseits genügend Raum vorhanden sein muss, um den gekrümmten Prothesenschaft trotz der in der Einführungsöffnung des Knochens ebenfalls vorhandenen Krümmung korrekt einzuführen und andererseits im eingesetzten Zustand einen festen Sitz der Prothese, insbesondere bei zementfreier Implantation sicherzustellen. Aus der DE 32 13 434 C1 ist auch ein Verfahren bekannt geworden, welches die Herstellung individuell gestalteter Prothesen oder Impantate mittels Computer-Tomographie und Computereinsatz be der nachfolgenden Berechnung beschreibt. Dabei besteht jedoch ein Problem darin, dass bei gekrümmten Prothesenteilen zwar eine optimal passende Prothese hergestellt, diese aber durch eine vorhandene Knochenöffnung oder einen bestehenden Zugangsweg nicht eingeführt werden kann. Bei gekrümmten Prothesenschäften besteht die Problematik vor allem darin, dass einerseits genügend Raum vorhanden sein muss, um den gekrümmten Prothesenschaft trotz der im inneren Knochenraum entsprechend vorhandenen Krümmung oder Verwindung korrekt einführen zu können und andererseits im eingesetzten Zustand ein fester Sitz der Prothese - insbesondere bei zementfreier Implantation - sicherzustellen ist. Den in den Ansprüchen 1 bis 4 angegebenen Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde, individuelle, an die vorgefundenen oder erzeugten Knochenhohlräume optimal angepasste Prothesen unter Berücksichtigung von deren Einsetzbarkeit bei Krümmungen der betreffenden Hohlräume zu ermöglichen. Diese Problematik stellt sich immer dann, wenn die zur Verfügung stehende Knochenöffnung kleiner ist als der durch Projektion zu erzeugende Schattenriss der notwendigen Endoprothese - die in diesem Fall nicht mittels einer linearen rotationsfreien Bewegung einführbar ist. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei der Verwendung von Prothesen eine Mindesttragfähigkeit berücksichtigt werden muss, welche entsprechend eine Mindestbaugrösse der Prothese erfordert, wobei diese geforderte Mindesttragfähigkeit eine unterschiedliche Formgestaltung annehmen kann und besonderen Anforderungen noch durch die Auswahl des Werkstoffes innerhalb der für Implantationszwecke zur Verfügung stehenden körperverträglichen Werkstoffe Rechnung getragen werden kann. Durch die Erzeugung des Modells der Knochenhöhlung besteht die Möglichkeit - vorzugsweise mittels Simulation durch einen Computer - den Weg des optimalen Einführens und die beste Form des Schaftes zu bestimmen. Dabei wird durch die verdrängbare Konsistenz der Prothesenaussenkontur, welche ausserhalb der für die Tragfähigkeit erforderlichen minimalen Festigkeitszone gelegen ist, am Modell ermittelt wird, welche Bereiche des Prothesenrohlings abzutragen sind. Der Prothesenrohling braucht damit für alle vorkommenden Fälle nur jeweils in einer Ausführung vorhanden zu sein - es sei denn es sollen auch unterschiedliche Werkstoffe zur Verwendung kommen. Die Mindeststruktur zur Aufrechterhaltung der Tragfähigkeit der Prothese ist in den zur Verwendung kommenden Modellen ebenfalls herausmodelliert. Diese Mindeststruktur muss erhalten bleiben, so dass eine Verklemmung, die ein Einführen der Prothese innerhalb dieser Mindeststruktur verhindert, durch Abtragung von Knochenmaterial ermöglicht werden muss. Insbesondere durch Vorsehen unterschiedlicher Formen dieser Mindeststruktur kann die somit noch notwendige Abtragung von Knochenmaterial auf ein Minimum reduziert werden. Unter "Prothesenrohlingw ist hier zweckmässigerweise eine Ausgangsform zu verstehen, welche die maximale Grösse eines für den betreffenden Anwendungsfall in Betracht kommenden Typs bildet. Letztendlich könnte aber auch von einem beliebigen Rohling ausgegangen werden, wenn der notwendige Materialabtrag in Kauf genommen wird. Die Ausführung der erfindungsgemässen Verfahren lässt damit unterschiedliche Varianten zu: bei einer ersten Variante ist das einzuführende Modell der Prothese zweischichtig, d.h. hat in seinen inneren und äu sseren Teilen eine unterschiedliche Konsistenz. Die äusseren Bereiche sind leichter verdrängbar, so dass sie beim Einführen in das Modell der Knochenhöhlung beseitigt werden. Die Konsistenz des inneren Kernes mit der Mindeststruktur hat eine höhere Festeigkeit (kleinere Verdrängbarkeit) als das Innere des Modells der Knochenhöhlung. Bei diesem ersten Modell würde also das Volumen der äusseren Bereiche der Prothese durch das Modell der Knochensubstanz und das Volumen des Modells der Knochenhöhlung durch den Kernbereich der Prothese verdrängt werden. Das Einführen der Prothese erfolgt dabei auf einem Weg der geringsten Verdrängung vom Volumen der Knochenhöhlung jeweils bezogen auf kleine (differentielle) Vorschübe der Prothese innerhalb der Höhlung. Auf diese Weise entsteht nach Beseitigung des verdrängbaren Materials im äusseren Bereich des Modells des Prothesenschaftes eine Vorlage zum Erzeugen der realen Prothese mittels eines numerisch gesteuerten Fräsautomaten aus einem vorgegebenen Rohling. Der beim Einführen der fertigen Prothese einzuschlagende Weg und die dabei notwendige räumliche Orientierung sowie Ort und Menge des möglicherweise noch zu entfernenden Knochenmaterial werden dokumentiert und dem behandelnden Chirugen für die Operation zur Verfügung gestellt. Auf diese Weise ist ein optimaler Sitz des so gefertigten Prothesenschaftes sichergestellt. Berücksichtigt ist dabei auch, dass die günstigste Form des Prothesenschaftes - ins besondere bei Hüftgelenkprothesen - unter Ausnutzung der gegebenen anatomischen Verhältnisse bevorzugt eine Rotation beim Einführen verlangt, der mittels der erfindungsgemässen Verfahren in besonders vorteilhafter Weise Rechnung getragen werden kann. Wenn davon ausgegangen werden kann, dass Substanz des Knochens nicht entfernt zu werden braucht, ist lediglich ein homogenes Prothesenmodell erforderlich, (Anspruch 2) wobei ausschliesslich Material dieses Schaftmodells verdrängt wird. Nach erfolgtem Einführen des Modells kann gegebenenfalls überprüft werden, ob der verbleibende "Restschaftw noch die notwendige Festigkeit aufweist. Bei einer dritten Ausführungsvariante wird diese Über- prüfung durch ein zweites Schaftmodell vorgenommen, welches in ein Modell der Knochenbildung mit einer Konsistenz mittlerer Verdrängbarkeit eingeführt wird, so dass bei dieser Ausführung des Verfahrens die beiden Schichten des Schaftmodells gemäss dem ersten Verfahren praktisch nacheinander ausgeführt werden. Steht hierbei neben einem festen Werkstoff lediglich ein solcher einer einzigen Verdrängbarkeitsklasse zur Verfügung, so werden die beiden Einführungen nacheinander mit zwei bezüglich ihrer Form übereinstimmenden Knochenmodellen ausgeführt, von denen eines fest und das andere verdrängbar ist. Der Begriff "verdrängbar" soll im Zusammenhang mit der Erfindung stets synomym mit ¯beseitigbar" verstanden werden, da es für das erfindungsgemässe Verfahren nicht von Bedeutung ist, wo der abgetragene Werk stoff verbleibt. Insbesondere für die Computersimulation wird er als ¯beseitigt" angesehen. Bei Realisierungen einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann das ¯Abtragen" bevorzugt auch in der Weise erfolgen, dass das jeweils widerstandsfähigere oder härtere Modell durch eine Abtragungsvorrichtung gebildet wird, welche von dem "weicheren" Modell den ¯verdrängten" Teil entfernt, was bevorzugt durch einen numerisch gesteuerten Fräsautomaten oder ein ensprechendes Laser-Schneidgerät erfolgen kann, wenn der jeweilige Modell-Werkstoff entsprechend ausgewählt ist. Bei der Ermittlung der Form einer Prothese mit ausreichender Mindestfestigkeit ist auch noch die Festigkeit des verbleibenden Konochenmaterials in Betracht zu ziehen. Weiterhin muss bei der Wahl eines Prothesenmodells, welches eine notwendige Mindestfestigkeit aufweist, das jeweilige Körpergewicht des Patienten berücksichtigt werden. Diese zusätzlichen Bedingungen beeinflussen aber nicht den grundsätzlichen Weg der Anpassung eines Prothesenschafts nach dem erfindung#sgemässen Verfahren. Die Erfindung kann in beliebiger Weise ausgeführt werden, wobei die Modellerzeugung entweder konkret räumlichkörperlich mittels werkstoffverdrängender oder abtragender Werkzeuge oder aber durch Computersimulation vorgenommen werden kann. Die differentielle räumliche Verdrängung des Werkstoffes der Prothese oder Oberfläche des Knocheninnenraumes wird dabei durch eine Ermittlung der für den Vorschub erforderlichen Kraft vorgenommen, wobei durch geringfügige Veränderung der Vorschubrichtung (Rotation) der Prothese beim Einführen oder deren Richtungsänderung die Orientierung und Richtung des Vorschubs mit geringstem Kraftaufwand festgestellt wird, so dass ein Einschieben -mit minimalem Werkstoffabtrag erfolgt. Bei der Durchführung des modellmässigen Anpassens mittels elektronischer Datenverarbeitung wird von einem System mit ¯Computer-Aided-Design" (CAD) Gebrauch gemacht, wobei eine räumliche Durchdringung der beiden Modelle erfogt. Dabei wird der dem Restkörper zugewandte Teil des Körpers mit der höheren Verdrängbarkeit als beseitigt angenommen und eliminiert. Die Steuerung der Vorschubrichtung und die dabei einzuhaltende räumliche Orientierung des Prothesenmodells wird durch Ermittlung des jeweils beim Vorschub verdrängten Prothesenmaterials über differentielle Weglängen festgestellt. Der zurückgelegte Weg beim Einführen wird in einem entsprechenden Speicher festgehalten, wobei ein räumliches Koordinatensystem zur Orientierung dient. Die erfindungsgemässen Verfahren bzw. die entsprechenden Vorrichtungen zu deren Durchführung ermöglichen auf mannigfaltige Weise eine Optimierung des Prothesensitzes durch genaue Anpassung von Prothesenform und Knochenabtrag. Das gemeinsame Grundprinzip bei den zweistufigen Verfahren besteht darin, dass zum einen der notwendige Matrialabtrag der Prothese ermittelt wird, zum anderen aber die Einführbarkeit einer Prothesenform minimaler Mindestfestigkeit durch zusätzliche Knochenabtragung gewährleistet wird. Der bei der Einführung der Prothese einzuschlagende Weg - ein schliesslich Richtungsänderungen und Drehbewegungen - wird bei einer Form der erfindungsgemässen Verfahren bei der Ermittlung des Wegs mit minimalem Materialabtrag bei der Prothese ermittelt. Ausgegangen wird dabei von einem Prothesenrohling, dessen Form allgemeinsten Anwendungen angepasst ist. Sollte sich jedoch herausstellen, dass das Prothesenmodell mit minimaler Mindestfestigkeit beim Einführung die Abtragung von Knochenmaterial erforderlich macht, so wird bei einer anderen bevorzugten Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens der Einführungsweg der Prothese derart festgelegt, dass ein minimaler Abtrag von Knochenmaterial erforderlich ist, sobald festgestellt ist, dass eine derartige Knochenmaterialabtragung erforderlich ist. Die Festlegung des erforderlichen Materialabtrags wird dann auf dem letztgenannten Weg wiederholt. Bei einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung wird die Menge des abzutragenden Knochenmaterials noch dadurch verringert, dass mit verschiedenen Prothesenmodellen minimaler Mindestfestigkeit, welche eine unterschiedliche Formgebung aufweisen oder aber denen Werkstoffe unterschiedlicher Festigkeit zugrunde liegen, nacheinander auf dem Weg minimalen Knochenabtrags eingeführt werden, wobei abschliessend diejenige Form minimaler Mindestfestigkeit gewählt wird, auf dem insgesamt der Abtrag geringsten Knochenvolumens festgestellt wurde. Die vorstehend dargestellte Wegermittlung kann nacheinander oder - bei Verwendung von Mehrschichtmodellen - gleichzeitig erfolgen. Lediglich bei den Verfahrensstufen zur Festlegung eines Weges oder einer Prothesenform mit minimaler Mindestfestigkeit unter Berücksichtung des minimalen Knochenabtrags ist ein rekursives Verfahren insoweit erfordederlich als nacheinander verschiedene Formen minimaler Mindestfestigkeit erprobt werden sollen oder aber der Materialabtrag beim Prothesenrohling durch den Weg minimaler Materialabtragung von Knochenmaterial beeinflusst wird. Einen anderen Aspekt der Erfindung bildet die Umwandlung der die Knochenöffnung betreffenden Daten von der Erfassung am Patienten in solche Grössen, welche die Erzeugung eines Modells ermöglichen. Grundsätzlich erfolgt die Ermittlung dieser Daten aufgrund von Röntgenbildern, welche jedoch jeweils nur eine zweidimensionale Darstellung erlauben. Mittels eines Rechners, der nach dem Prinzip des ¯Computer-Aided-Design" (CAD) arbeitet, ist es jedoch möglich, aus mehreren zweidimensionalen Darstellungen das zugehörige dreidimensionale Modell festzulegen. Entsprechend wird auch bei zweidimensionalen Darstellungen verfahren, welche mittels eines Computertomografen erzeugt werden. Insoweit wird hinsichtlich der Ausführung auf die DE-32 13 434-C1 verwiesen. Besonders vorteilhaft ist jedoch die direkte Umwandlung von dreidimensionalen Abbildungen in das Modell des Knochenhohlraumes. Dabei sind bevorzugt zwei Wege gangbar: Der eine besteht darin, dass eine direkte Digitalisierung einer mittels Computertomogramm erzeugten dreidimensionalen Abbildung erzeugt wird. Eine andere besteht darin, dass während der Operation der Knochen innenraum, der für die Einführung der Prothese vorgesehen ist, abgetastet wird und durch "On-line"-Verknüpfung mit dem zugehörigen Rechner und der nachgeschalteten Werkzeugmaschine sofort eine passende Prothese erzeugt wird, welche aus der sterilen Herstellung direkt in den Operationssaal gelangt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden bei der nachstehenden Darstellung zusammen mit einer bevorzugten Ausführung der Erfindung näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt ein grundsätzliches Blockschaltbild an dem die verschiedenen dargestellten Ausführungsvarianten der Erfindung näher beschrieben werden sollen. In der Figur ist eine Baugruppe 1 zur Erzeugung eines Modells der Aussenoberfläche des Prothesenrohlings wiedergegeben, wobei diese Baugruppe bei räumlich-körperlicher Realisierung ein oder mehrere vorgefertigte Modelle des Prothesenrohlings enthält, der im Massstab 1:1 oder einer entsprechenden Verkleinerung die Aussenkonturen der Ausgangsformen repräsentiert. Bei räumlich-körperlicher Realisierung bestehen diese Prothesenmodelle aus einem verdrängbaren, d.h. plastisch verformbaren, Werkstoff. Bei der Ausführung mittels Simulation durch eine Datenverarbeitungsanlage sind Speicher vorgesehen, w#elche die Daten der Oberflächenkontur enthalten oder aber bestimmten räumlichen Punkten zugeordnet sind und wenn sie eine Information enthalten, auf die Tatsache hinweisen, dass der zugeordnete Raumpunkt von dem Prothesenrohling ausgefüllt ist. Über einen Eingabekanal ist die Form dieses Rohlings veränderbar und kann den jeweiligen Bedürfnissen angepasst werden. Grundsätzlich ist jedoch im wesentlichen eine einzige Ausgangsform für alle vorkommenden Anwendungsfälle vorgesehen. Die Eingabe kann bei simulierter Verarbeitung durch Einlesen von entsprechenden Aufzeichnungsträgern gegebenenfalls aber auch durch Einlegen des jeweiligen Rohlings in eine Abtastvorrichtung, welche nach Art eines sogenannten "Grafik-Tabletts" eine Datenrepräsentation des Prothesenrohlings liefert. Von der Eingabe Baugruppe 2 gelangen die Daten des Prothesenrohlings auch in eine Baugruppe 4, in der die Festigkeitsdaten des betreffenden Prothesenrohlings gespeichert werden. Insbesondere werden ein oder mehrere dreidimensionale Modelle gespeichert, die einzeln abrufbar sind und jeweils eine Formgebung repräsentiern, die die an eine Prothese zu stellenden Mindestfestigkeitsanforderungen garantieren. Dabei überlagern sich die Modelle, welche in den Baugruppen 1 und 4 festgehalten werden, schalenartig, wobei das Modell in der Baugruppe 1 die äussere Schale bildet. Die in die Baugruppe 3 des Modells des Knochenhohlraumes gelangenden Daten werden alternativ über verschiedene Massnahmen zur Digitalisierung von Röntgenbildern gewonnen. Eine weitere Möglichkeit der Eingabe besteht im Abtasten von zweidimensionalen Röntgenbildern mittels eines schema tisch als Block dargestellten Grafiktabletts. Mit diesem Grafiktablett werden die Punkte der Konturen des Innenhohlraumes des Knochens, in den die Prothese einzuführen ist, punktweise abgetastet und in eine nachfolgende Baugruppe 6 eingespeichert, die nach der Methode des Computer-Aided-Designs aus mehreren aus unterschiedlichen Richtungen aufgenommenen Röntgenbildern eine dreidimensionale Darstellung des Knocheninnenraumes erzeugt. In entsprechender Weise wird bei zweidimensionalen Bildern verfahren, welche von Computertomografen ausgegeben werden. Diese Art der Ansteuerung wird gewählt, wenn sich ein Schalter 7, der für die erforderliche Datenverknüpfung sorgt, in seiner oberen Stellung befindet. Eine andere vorteilhafte Betriebsvariante des dargestellten Ausführungsbeispiels ergibt sich in der unteren Position des Umschalters 7. Hierbei werden die Daten von vornherein mit dreidimensionaler Information erfasst, wobei lediglich noch eine Digitalisierung erforderlich ist. Diese Umwandlung der analogen räumlichen Daten, welche auf ein frei vorgebbares Koordinatensystem bezogen sind, erfolgt mit einer Digitalisier-Baugruppe 8. Die direkt dreidimensional einzugebenden Daten werden entweder von einem Computer-Tomografen erzeugt oder über einen räumlichen Abtaster 10, der in seiner Funktionsweise dem Graphiktablett 5 entspricht, diesem gegenüber aber die Möglichkeit bietet, auch Daten einer dritten räumlichen Koordinate zu ermitteln und auszugeben. Sowohl der Computer-Tomograf 9 als auch der räumliche Abtaster 10 können direkt in der Operationsphase eingesetzt werden und dazu dienen, die während der Operationsphase entweder röntgenografisch oder durch direkte Abtastung ermittelten Daten über die Beschaffenheit des die Prothese aufnehmenden Knochenhohlraumes zur Erzeugung eines entsprechenden Modells zu verwenden. Das Modell des Knochenhohlraumes 3, welches in der Baugruppe 3 festgehalten oder durch diese erzeugt wird, und das Modell des Prothesenrohlings, welches entsprechend für die Baugruppe 1 vorhanden ist, wird - wie erläutert entweder ausschliesslich datenmässig festgehalten oder aber als räumliches Modell aus einem plastisch verformbaren Werkstoff erzeugt. Derartige plastisch verformbare Werkstoffe sind mit unterschiedlichen Plastizitätseigenschaften bekannt. Als ¯Verdrängbarkeit" wird hier der Widerstand angenommen, welcher ein bestimmtes Werkstoffvolumen, das mit einem anderem Werkstoff an einem vorzugsweise ebenen Flächenbereich verbunden ist, einer auf dieses Volumen wirkenden parallel zu dieser Fläche gerichteten Scherkraft entgegensetzt. Die Modelle gemäss den Baugruppen 1 und 3 werden aus den verformbaren Werkstoffen durch numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen erzeugt, wie sie zur Herstellung von dreidimensionalen Körpern auch auf anderen technischen Gebieten gebräuchlich sind. Eine erste Durchdringung erfolgt in einer Baugruppe 11, wobei mittels einer geeigneten Vorrichtung das Modell des Prothesenrohlings der Baugruppe 1 in das Modell des Knochenhohlraumes der Baugruppe 3 eingeführt wird. Das Modell des Knochenhohlraumes ist dabei in bezug auf die äusseren Bereiche des Prothesenmodells als fest anzusehen, während das Prothesenmodell "verdrängbar" ist. Unter Messung des für das Voranschieben jeweils erforderlichen Kraftaufwandes und dessen Minimierung im differentiellen Bereich unter Wechsel von Prothesenrichtung und Orientierung in bezug auf das Modell des Knochenhohlraumes wird derjenige Weg ermittelt, der ein Einführen mit geringstem Widerstand, d.h. geringstem Materialabtrag des Prothesenrohlings ermöglicht. Beim Eindringen des Modells des Prothesenrohlings in den Knochenhohlraum wird das Material des Prothesenrohlings in der geschriebenen Weise verdrängt, da diesen gegenüber das Material des Knochenhohlraums relativ als ¯fest" anzusprechen ist. Der beim Einführen ermittelte Weg minimaler Volumenverdrängung für den Prothesenrohling wird festgehalten und über ein Schaltelement 12 in eine Baugruppe 13 zur Steuerung des späteren Einführens der Prothese weitergegeben. Es ist nun aber erforderlich, zu überpüfen, ob eine nach dem derart in seiner Volumenstruktur verringerten Prothesenmodell gefertigte reale Prothese noch den zu stellenden Festigkeitsanforderungen genügt. Zu diesem Zweck sind in der Baugruppe 4 Prothesenmodelle festgehalten, welche bei minimalen Abmessungen bei Herstellung aus Titan oder gegebenenfalls anderen körperverträglichen Werkstoffen die notwendige Festigkeit aufweisen. Der Einführungsvorgang wird beendet, wenn die Position eines mit dem Prothesenrohling im Bereich seines Schaftes verbundenen Bezugspunktes eine vorgegebene Position relativ zum Knochen erreicht hat. Die verbleibende Oberflächengestaltung des Knochenrohlings wird je nach Ausführungsform als körperliches Modell der in der Datenrepräsentation in eine Steuerbaugruppe 14 überführt, wo sie als Muster zur Ansteuerung einer Fräsmaschine 15 zum Erzeugen der realen Prothese dient. Im Falle des körperlichen Modelles handelt es sich dabei um eine herkömmliche Kopierfräsmaschine, in die das Modell der Prothese eingegeben wird, nachdem es vorher in üblicher Weise einem Aushärtungsvorgang unterworfen wurde. Bei einer in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsvariante einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird zur Festigkeitsermittlung zwischen dem angepassten Modell des Prothesenrohlings und den Festigkeitsmodellen in der Baugruppe 4 ein Vergleich durchgeführt. Mindestens eines der vorhandenen Festigkeitmodelle muss sich vollkommen in das erhaltene Modell einbeschreiben lassen, um sicherzustellen, dass den Festigkeitsanforderungen genüge getan ist. Verläuft die entsprechende Abfrage positiv - wobei beim Vorhandensein von mehreren Festigkeitsmodellen sich lediglich eines von diesen in das Fertigungsmodell einbeschreiben lassen muss - so kann der Herstellungprozess beginnen und es sind keine weiteren Massnahmen erforderlich. Im anderen Fall verläuft das Verfahren so, wie es nachfolgend dargestellt ist, wenn keine Zwischenkontrolle vorgenommen wird. Nach Abschluss des Einführens des Rohlingmodells durch die Baugruppe 11 wird an einen Steuerbaustein 16 ein Ausgangssignal abgegeben, welches ein Einführen eines in der Baugruppe 4 enthaltenden Festigkeitsmodells in das Modell des Knochenhohlraums in den entsprechender Weise veranlasst. In diesem Fall ist jedoch der Knochenhohlraum verdrängbarer als das Festigkeitsmodell. Letzteres ist in bezug auf den Werkstoff des Knochens fest. Die Steuerung der Einführungsrichtung und das Festhalten des beim Einführen zurückgelegten Weges erfolgt in diesem Fall in einer Baugruppe 17, durch die der entsprechende Einführungsvorgang gesteuert wird. Der Prothesenweg (einschliesslich Rotationen und Richtungsänderungen) wird dabei so festgelegt, dass das beim Voranschieben zu verdrängende Material des Modells des Knocheninnenraums zu einem Minimum wird. Ist beim Einführen des Festigkeitsmodells kein Abtrag von Volumen des Knochenhohlraums erforderlich, so wird automatisch mittels der Steuerbaugruppe 14 die Herstellung der realen Prothese mittels der Fräsmaschine 15 aufgrund des mittels der Baugruppe 11 erzeugten Produktionsmodells eingeleitet. Wurde jedoch Knochenmaterial entfernt, so wird von der Baugruppe 17 ein Ausgangssignal an den Steuerteil 16 ausgegeben, welcher über eine Auswahleinheit 18 aus der Baugruppe 4 ein anders gestaltetes Festigkeitsmodell auswählt, da durch Veränderung von Krümmungen und dergleichen durchaus verschiedene Prothesenmodelle mit minimalen Abmessungen erzeugt werden können, welche den geforderten Festigkeitsanforderungen genügen. Mit diesem Modell wird der Einführungsvorgang mit minimaler diffe rentieller Volumenverdrängung des Modells des Knochenhohlraums und der dabei zurückgelegte Weg eingespeichert. Nachdem dasjenige Modell gefunden ist, bei dem ein minimaler Abtrag von Knochenmateial notwendig ist, wird durch den Ausgang des Steuerbaustein 16 der Umschalter 12 betätigt und somit die ermittelten Wegdaten in die Baugruppe 13 zur Steuerung beim Einführen der Prothese übertragen. Die selben Daten werden aber auch zur Baugruppe 11 übertragen, woraufhin der Vorgang des Einführens des Prothesenrohlings mit demjenigen Modell des Knochenhohlraumes wiederholt wird, bei dem durch das Einführen des Festigkeitsmodells am wenigsten Volumen verdrängt wurde. Dieses Knochenmodell muss bei räumlich/körperlicher Realisierung wiederum fest sein gegenüber dem Modell des Prothesenrohlings, so dass nach dessen Einführen auf dem Weg, wie er für das Festigkeitsmodell bei minimaler Entfernung von Knochensubstanz gefunden wurde, durch Volumenverdrängung das Modell des Rohlings wiederum zu einem Fertigungsmodell für eine Prothese umgestaltet wird, welche sich unter Berücksichtigung der vorzunehmenden Wegänderungen und Rotationsbewegungen in den durch Abtrag von Knochenmaterial veränderten Hohlraum im Knochen des Patienten einbringen lässt. Der Ort des abzutragenden Knochenmaterials wird dem behandelnden Chirurgen über das Steuergerät zur Führung beim Einführung der Prothese 13 auf einem Sichtgerät oder dergleichen angezeigt, so dass er die entsprechenden Korrekturen des Knocheninnenraums vornehmen kann. Bei einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann eine Kontrolle und ein Vergleich zwischen vorgegebenem Knocheninnenraum und den Soll-Daten mittels der Baugruppe 9 oder 10 erfolgen. Es ist ersichtlich, dass bei anderen - nicht dargestellten - Varianten des erfindungsgemässen Verfahrens mit einem zweischichtigen Modell des Prothesenrohlings, dessen fester Kern dem Festigkeitsmodell entspricht und dessen äussere Schalenbereich leicht verdrängbar ist, die Wege mit minimaler Entfernung von Knochensubstanz und möglichst geringer Abarbeitung der Oberfläche des Prothesenrohlings miteinander kombinierbar sind und in einem Arbeitsgang durchgeführt werden können, wenn das Modell des Innenraums des Knochens eine mittlere Verdrängbarkeit aufweist. Insbesondere bei der Simulation durch ein Computermodell lässt sich auf diese Weise eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit erreichen, da die Zahl von umfangreichen Operationen zur Datenverschiebung erspart ist, wenn die örtlichen Modelldaten bei einem Arbeitsvorgang mehrfach benutzt werden können. Bei der Datenverarbeitung und insbesondere bei den Verfahren des Computer-Aided-Disign werden sich die räumlichen Modelle beim Voranbewegen des Prothesenmodells zum Einführung in den Knochenhohlraum nicht verdrängen, sondern durchdringen. In diesem Fall wird dasjenige Volumen, welches im Vorstehenden als im Vergleich zu dem anderen Körper ¯verdrängbar" bezeichnet ist, als beseitigt gekennzeichnet, so dass insoweit im wesentlichen dieselben Über- legungen massgeblich sind. Die Orte der gegenseitigen Durchdringung auf dem Wege des Einführens des Prothesenmodells in das Knochenmodell werden in entsprechenden Speicherbereichen des Simulations rechners durch geeignete binäre Signalzustände gekennzeichnet. Damit sind bevorzugt diejenigen Bereiche dem Chrirurgen mittels Display oder Plotter graphisch darstellbar, bei denen ein Knochenabtrag erforderlich ist. Bei minimalem rechnerischen Aufwand lassen sich auf dem Weg des Einschiebens die räumlichen Bereiche der Durchdringung kumulieren. In dem betreffenden Speicher wird einfach jedem in Betracht kommenden Raumpunkt ein Speicherplatz zugeordnet und der Signalzustand des Speicherplatzes in einem Bit geändert, wenn der jeweilige Raumpunkt von einer Durchdringung von Prothesen- und Knochenmodell betroffen wurde. Durch Vergleich der graphischen Darstellungen der so gefundenen Durchdringungsbereiche bei der Auswahl unterschiedlicher Modelle mit vorgegebenener Mindestfestigkeit kann der Chirurg aus der Anschauung entscheiden, welche von verschiedenen Prothesenformen nach seinem Empfinden - bei ohnehin notwendigem Knochenabtrag - individuell die besten Voraussetzungen bietet. Trotz automatisierter Formanpassung lässt sich somit bei verschiedenen möglichen gleichwertigen Lösungen die Erfahrung des Arztes mit verschiedenen Formen und deren Eigenschaften - bei rechnerisch nahezu identischen Eigenschaften der ermittelten Prothesenformen - mit in Betracht ziehen. Bei einer anderen - in der Zeichnung nicht dargestellten - Variante der Erfindung werden die von einem Computertomografen ermittelten digitalisierten Daten mit entsprechenden Schaltungsmitteln über das Fernsprechnetz übertragen und nach dem erfindungsgemässen Modellabgleich einem Fräsautomaten zugeleitet. Die Übertragung erfolgt bevor zugt über ein Datennetz oder einen für die Datenübertragung vorbereiteten Nachrichtenkanal, wie er beispielsweise durch das System ¯Bildschirmtext" gegeben ist.

Claims: Paten tansprüche 1. Verfahren zur Herstellung einer Endoprothese mit individueller Anpassung, insbesondere mit einem gekrümmten Prothesenschaft, gekennzeichnet durch die Schritte: a. dreidimensionale Ausmessung der Knochenhöhlung, b. Erzeugung eines festen Modells der Knochenhöhlung, c. Erzeugung eines durch das Modell der Knochenhöhlung verdrängbaren Modells der Prothese, deren äussere Ab messungen derjenigen des Prothesenrohlings entspre chen, d. Eindringen des Prothesenmodells in das Modell der Knochenhöhlung auf einem Weg kleinster Volumen verdrängung, gegebenenfalls unter Einschluss von Rotationsbewegungen und Richtungsänderungen, durch Minimierung des beim Vorschub, pro Wegeinheit ver drängten Volumens und insbesondere Aufzeichnung des so zurückgelegten Wegs einschliesslich der räumlichen Ausrichtung der Prothese auf diesem Weg, dl. Überprüfung der Festigkeit der verbleibenden Prothe senmodells, bezogen auf den realen Prothesenwerk stoff, sowie e. Steuerung des Entfernens des beim Prothesenmodell verdrängten Volumens auch beim realen Prothesenroh ling durch spanabhebende Verformung mittels einer nu merisch gesteuerten Werkzeugmaschine. 2. Verfahren zur Herstellung einer Endoprothese mit individueller Anpassung, insbesondere mit einem gekrümmten Prothesenschaft, gekennzeic#hnet durch die Schritte: a. dreidimensionale Ausmessung der Knochenhöhlung, b. Erzeugung eines Modells der Knochenhöhlung, dessen Konsistenz eine mittlere Verdrängbarkeit aufweist, c. Erzeugung eines Modells der Prothese, bestehend aus einem festen Kernbereich, der in seinen Abmessungen den Mindestabmessungen der aus dem realen körper verträglichen Werkstoff bestehenden Prothese ent spricht, wobei die Mindestabmessungen unter Be rücksichtigung der notwendigen Tragfähigkeit der Prothese festgelegt sind, und einem äusseren Bereich mit einer Konsistenz hoher Verdrängbarkeit, dessen äussere Abmessungen dem Prothesenrohling entsprechen, d. Eindringen des Prothesenmodells in das Modell der Kno chenhöhlung auf einem Weg kleinster Volumenverdrän gung des Modells der Knochenhöhlung, gegebenenfalls unter Einschluss von Rotationsbewegungen und Rich tungsänderungen, durch Minimierung des beim Vorschub pro Wegeinheit verdrängten Volumens und Aufzeichnung des so zurückgelegten Wegs einschliesslich der räum lichen Ausrichtung der Prothese auf diesem Weg, e. Steuerung des Entfernens des beim Prothesenmodell ver drängten Volumens auch beim realen Prothesenrohling durch spanabhebende Verformung mittels einer nume risch gesteuerten Werkzeugmaschine. 3. Verfahren zur Herstellung einer Endoprothese mit individueller Anpassung, insbesondere mit einem gekrümmten Prothesenschaft, gekennzeichnet durch die Schritte: a. dreidimensionale Ausmessung der Knochenhöhlung, b. Erzeugung eines Modells der Knochenhöhlung mit einer Konsistenz mittlerer Verdrängbarkeit, c. Erzeugung eines ersten festen Modells der Prothese, das in seinen Abmessungen den Mindestabmessungen des aus dem realen körperverträglichen Werkstoff beste henden Prothesenschaftes entspricht, wobei die Min destabmessungen unter Berücksichtigung der notwendi gen Tragfähigkeit der Prothese festgelegt sind, und d. Eindringen des ersten Prothesenmodells in das Modell der Knochenhöhlung auf einem Weg kleinster Volumen verdrängung, gegebenenfalls unter Einschluss von Ro tationsbewegungen und Richtungsänderungen, durch Minimierung des beim Vorschub pro Wegeinheit ver drängten Volumens und Aufzeichnung des so zurückge legten Wegs, einschliesslich der räumlichen Ausrich tung der Prothese auf diesem Weg, c'. Erzeugung eines zweiten Prothesenmodells mit einer Kon sistenz hoher Verdrängbarkeit, dessen äussere Abmes sungen denen des Prothesenrohlings entsprechen, d'. Eindringen des zweiten Prothesenmodells in das Modell der Knochenhöhlung auf einem Weg mit einer jeweiligen Ausrichtung entsprechend dem Weg und der jeweiligen Ausrichtung des ersten Modells, sowie e. Steuerung des Entfernens des beim zweiten Prothesen modell verdrängten Volumens auch beim realen Prothe senrohling durch spanabhebende Verformung mittels einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine. 4. Verfahren zur Herstellung einer Endoprothese mit individueller Anpassung, insbesondere mit einem gekrümmten Prothesenschaft, gekennzeichnet durch die Schritte: a. dreidimensionale Ausmessung der Knochenhöhlung, b. Erzeugung eines Modells der Knochenhöhlung mit ver drängbarer Konsistenz, c. Erzeugung eines ersten festen Modells der Prothese, das in seinen Abmessungen den Mindestabmessungen der aus dem realen körperverträglichen Werkstoff beste henden Prothese entspricht, wobei die Mindestabmes sungen unter Berücksichtigung der notwendigen Trag fähigkeit der Prothese festgelegt sind, und d. Eindringen des ersten Prothesenmodells in das Modell der Knochenhöhlung auf einem Weg kleinster Volumen verdrängung, gegebenenfalls unter Einschluss von Ro tationsbewegungen und Richtungsänderungen, durch Minimierung des beim Vorschub pro Wegeinheit ver drängten Volumens und Aufzeichnung des so zurückge legten Wegs, einschliesslich der räumlichen Ausrich tung der Prothese auf diesem Weg, b'. Erzeugung eines zweiten festen Modells der Knochen höhlung mit der Oberflächenformung des ersten Modells nach Eindringen des ersten Prothesenmodells bzw. Härten des ersten Modells, c'. Erzeugung eines zweiten Prothesenmodells mit verdräng barer Konsistenz, dessen äussere Abmessungen denen des Prothesenrohlings entsprechen, d'. Eindringen des zweiten Prothesenmodells in das zweite Modell der Knochenhöhlung auf einem Weg und einer jeweiligen Ausrichtung entsprechend dem Weg und der jeweiligen Ausrichtung des ersten Modells, sowie e. Steuerung des Entfernens des beim zweiten Prothesen modell verdrängten Volumens auch beim realen Prothe senrohling durch spanabhebende Verformung mittels einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine. 5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verfahrensschritte: Erzeugung eines Modells und Eindringen des Prothesenmodells in das Modell der Knochenhöhlung mittels Simulation auf einem Rechner vorgenommen werden, wobei statt ¯Verdrängung" eine ¯Durchdringung" in der Weise zugrundegelegt wird, dass räumliche Bereiche in denen eine derartige Verdrängung auf dem genannten Weg festgestellt wurde, als entsprechende Daten im Speicher des Simulationsrechners festgehalten werden. 6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Durchdringung zwischen dem Knochenmodell und dem Prothesenmodell mit der Mindestfestigkeit einem Graphik-Display oder einem Plotter zwecks Darstellung zugeführt werden. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 5 und 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass statt der Überprüfung der Festigkeit des verbleibenden Prothesenmodells ein Prothesenmodells mit der notwendigen Mindestfestigkeit ausgewählt und die gegenseitige Durchdringung dagestellt wird. 8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mehrere Prothesenmodelle, entsprechend verschiedenen Formen von Prothesen mit der notwendigen Mindestfestigkeit, gegebenenfalls unter Berücksichtigung von verschiedenen Werkstoffen unterschiedlicher Festigkeit, nacheinander auf dem Weg geführt werden. 9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Erzeugung einer Datenrepräsentation des Knochenmodells durch Abtastung mehrerer aus unterschiedlichen Richtungen aufgenommener Röntgenbilder oder einer computertomografischen Darstellung in mehreren ebenen Ansichten mittels eines zweidimensional arbeitenden Umsetzers für Wegstrecken in digitale Signale oder direkt mittels eines dreidimensional arbeitenden Umsetzers für Wegstrecken in digitale Signale erfolgt. 10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Schaltvorrichtungen zur digitalen Übertragung der Datenrepräsentation des Knochenmodells über eine Fernsprechleitung vorgesehen sind. 11. Vorrichtung zur Druchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h Schaltvorrichtungen, welche eines der Verfahren durch einen entsprechend gesteuerten Ablauf einer Vorrichtung zum Abtragen von Werkstoff realisieren und eine nachgeschaltete durch das erhaltene Modell gesteuerte, materialabtragende Maschine. 12. Vorrichtung zur Druchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis lo, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h Schaltvorrichtungen, welche eines der Verfahren durch einen entsprechend gesteuerten Ablauf mittels Rechnersimulation und eine nachgeschaltete durch das erhaltene Modell gesteuerte, materialabtragende Maschine.

Inventors: ANAPLIOTIS, EMMANUEL, KRANZ, CURT
Applicants: MECRON MEDIZINISCHE PRODUKTE GMBH
Application year: 1984
Main classification: A61F2
IPC codes: A61F2