Arch. Oto-Rhino-Laryng. 214, 191--198 (1977) Archives of Oto-Rhino-Laryngology �9 Springer-Verlag 1977

Hoehfrequenzkinematographische Untersuehungen fiber die Arbeitsweise gebriiuchlicher diamantierter Schleifkiipfe an Knochen und Knorpel*

Karsten Paulsen

HalsLNasen-Ohrenklinik der Universit~it Kiel (Abteilungsleiter: Prof. Dr. E. M/iller) Lorentzendamm 22, D-2300 Kiel

High Frequency Cinematographic Investigations of the Mode of Operation of Common Grinding Instruments on Bone and Cartilage

Summary. The mode of operation of grinding faces, rod diamonds and diamond grinding heads which are expecially employed in oto-surgery was investigated in slow motion pictures with the aid of high frequency cinematography. The R.P.M. ranged between 5,000-80,000, the picture frequency was usually 6,000 pictures per second. Full efficiency of the diamond grinding heads (DS) is only guaranteed by adequate flushing. Water stream flushing and drop flushing (drop sequence depending on R.P.M.) must be centered on the grinding head, as in- creased soiling due to filling of the diamond surface occurs otherwise. Because of the fixed mounting of the spray tube in the direction of the shaft, spray flushing is most useful, although not usable for diamond faces.

Due to its very fine-rough surface, the DS produces grinding dust by abra- sion from the bone or cartilage which is readily distributed in the airspace over the whole working area. The same does also apply to finely atomized fluid sprays. Cutting is performed tangentially. The percussing DS touches the bone only with a small part of its surface and easily gets soiled. Depending on the R.P.M., the cutting speed was 10,000-80,000 R.P.M. These values also apply for the fluid dropping rate. Contrary to the rose bit or the surgical fraises, the DS got soiled more easily and produced definitely finer cuts.

Key words" High frequency cinematographic - Grinding instrument

In der Knochenpr/iparation sind fiberwiegend Rosenbohrer, chirurgische Frfisen und diamantierte Schleifk6pfe (DS) gebr/iuchlich. DS bestehen aus Metallk6pfen, auf die dutch ein galvanokaustisches Verfahren Diamantkristalle in einer bestimmten Schichtdecke aufgetragen werden. Die Hersteller verwenden in tier Regel drei ver- schiedene Korngr6f3en (grob, mittel, rein).

* Mit Unterstfitzung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft

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Diamantkristalle eignen sich besonders gut ffir Schleifarbeiten, da ihre H~irte kaum von anderen Materialien erreicht wird. Gerade ffir hohe Drehzahlen, mit denen heute /iberwiegend gearbeitet wird, haben sich Diamanten bew~ihrt.

Auf otochirurgischem Gebiet werden DS ffir feine und vorsichtige Pr~iparatio- hen benutzt, zur Blutstillung yon Knochengef~igen und zur G1/ittung der durch Ro- senbohrer aufgerauhten Knochenfl/iche. Ebenso wie Rosenbohrer oder chirurgische Fr/isen ist ihr Gebrauch mit Gefahren verbunden,/fiber die an anderer Stelle von uns ausffihrlich berichtet wurde (Paulsen, 1971, 1972, 1974, 1975).

Rotationsablauf und Arbeitsweise diamantierter Schleifk6pfe mit ihren Vor- und Nachteilen ffir die Knochenpr~paration lassen sich in der Zeitdehnung mit Hilfe der Hochfrequenzkinematographie darstellen, fiber die Arbeitsweise von Rosenbohrern und chirurgischen Fr/isen auf Grund hochfrequenzkinematographischer Untersu- chungen haben wir an anderer Stelle berichtet (Paulsen, 1975). Diese Ger/ite unter- scheiden sich jedoch in vielfacher Weise von DS.

Im folgenden sollen verschiedene Wirkungsmechanismen, wie die Entwicklung des Bohrstaubes oder -nebels, der Spanabhubmechanismus, die Wirkung des schla- genden Bohrschaftes, die Bearbeitung des befeuchteten und des trockenen Knochens untersucht werden.

Material und Methodik

Frische und mazerierte Scht/ifenbeinpr~iparate und in Cialit konservierte Rippenknorpel wurde mit DS verschiedener Gr613e bei unterschiedlichen Drehzahlen bearbeitet. Als DS wurden Rundbohrk6pfe, diamantierte Flachscheiben und Stabdiamanten verwendet. Die Rundk6pfe trugen einen 70 mm langen Schaft, die Diamantscheiben und Stabdiamanten waren FG-Ausftihrungen.

Das Arbeitsgebiet (Paukenh/Shle, Mastoidw~inde, Corticalis, Geh6rkn6chelchen und Rippenknor- pel) wurde ohne und mit gleichzeitiger Spfilung angegangen. Sp/ilmittel war physiologische Kochsalzl6- sung, Spfilmethoden die Tropfen-, Wasserstrahl- und Sprayspfilung.

Die Drehzahl der DS variierte zwischen 5 000 U/rain (Umdrehungen pro Minute) und 80 000 U/rain. Die Sch/ifte der/iberlangen DS lagerten in KaVo-Intrahandst/icken (1 : 1 bzw. 2 : 1), die FG- DS in KaVo~Winkelst/icken.

Antriebsmotoren waren der Dentatus-Air-Motor der Firma Kaltenbach & Voigt und der Sirona- Motor der Firma Siemens-Dental.

Als Aufnahmeapparatur diente die Fastax-16 mm-Kamera mit synchronisierter Beleuchtungsein- richtung, ats Lichtquelle das Strobokin-Blitzger/it der Firma Dr. Fr/ingel, Hamburg.

Die Bildgeschwindigkeit lag in der Regel bei etwa 6 000 B/s (Bilder pro Sekunde). Die Filml/inge eines Schwarz-Weil3-Filmes betrug 30 m. Insgesamt wurden 32 Filme hergestellt.

Befunde

(Aus Platzgrfinden werden nur die wichtigsten Filmszenen beschrieben )

1. Frei rotierender Diamantschleifkopf mit Fliissigkeitsspiilung

Film H 4: D 18 mit Tropfensp/ilung -- 40 000 U/min; etwa 6 000 B/s. Nur sp~irliche Tropfenfolge. Die Tropfen treffen den DS gut. Der Einzeltropfen legt sich haubenar-

tig fiber den senkrecht nach oben gerichteten DS, wird in Drehrichtung zerteilt und in feinen Tr6pfchen fortgeschleudert. Der Schleifkopfanteil nahe dem Schaft wird nicht benetzt.

Untersuchungen fiber die Arbeitsweise diamantierter Schleifk6pfe 193

Film H 2: D 18 mit Sprayspfilung -- 80 000 U/rain; etwa 6000 B/s. Der Spray trifft font~inenartig rhythmisch auf den DS. Die Spraystol3dauer betr/igt 0,7-1,05 ms,

die Pause zwischen zwei St6f3en 0,7-2,1 ms. Der DS wird mit jedem Spraystol3 vollst/indig befeuchtet. Feiner Wassernebel wirbelt durch die Luft und bleibt z.T. sehweben.

2, Rotierender D S am Knoehen ohne Fliissigkeitsspiilung

Film III 38: D 10 an der Mastoidwandung - 80 000 U/rain; etwa 6 000 B/s. Ruhiger zentrischer Lauf des Bohrschaftes. Verschmutzte Oberfl/iche des Schleifkopfes. Sehr gut

ist die Oberfl/iche der Kugel dargestellt. Feiner Knochenstaub wird abgerieben und als Staubwolke in Richtung der Rotation abgeschleudert (Abb. D.

Film III 40: FG-Stabdiamant am Ambof3 - 80 000 U/min; etwa 6 000 B/s. Der Ambof3k6rper wird senkrecht vom Stab angegangen (Abb. 2). Feine Bohrstaubverteilung, die

spiralf6rmig am Bohrschaft zum Winkelstfick entlangzieht.

3. Rotierender D S an Knoehen und Knorpel mit Tropfenspiilung

Film I 12: D 18 an der Mastoidwandung - 40 000 U/rain; etwa 6 000 B/s. Schnelle Tropfenfolge. Die Tropfen treffen den Bohrkopf und werden z. T. im Strahl fortgeschleu-

dert, z. T. legen sie sich fiach fiber die Oberfl~iche des rotierenden Schleifkopfes und fliegen in Form eines Wasserkissens ab. Der DS bleibt sauber, da das Operationsfeld dauernd feucht gehalten wird (Abb. 3).

Film III 36: D 16 an der Mastoidwandung - 40 000 U/rain; etwa 6 000 B/s. Der Schleifkopf schl/igt stark. Nur ein kleiner Tell des Kopfes berfihrt pro Gesamtdrehung den

Knochen. Zunfichst treffen die Tropfen auf den Schleifkopf: Der Kopf bleibt sauber. Sp/iter treffen die Tropfen vermehrt neben den Schleifkopf, so dab dieser in seiner Berfihrungsfl/iche mit dem Arbeitsge- biet zunehmend verschmutzt, obwohl er in einem Wasserbad arbeitet.

4. Rotierender D S am Knoehen mit Wasserstrahlspiilung

Film III 20: D 10 an der Mastoidwandung 40 000 U/rain; etwa 6 000 B/s. Das Wasser 1/iuft an den W~inden der Knochenb6hlung auf das Arbeitsgebiet, wird z. T. vom DS

erfaf3t und in weitem Bogen fortgeschleudert. Der Schleifkopf bleibt sauber.

Abb. 1. Schematische Darstellung der Oberfl/iche eines ohne gleichzeitige Spfilung rotierenden diamantierten Schleifkopfes. Der Kristallbelag zeigt eine deutliche Schmutzzone, die nur einen Tell des Kopfes betrifft. Der andere bleibt w~ihrend des gesamten Filmablaufes frei. Der Belag entspricht der Arbeitsflfiche des Schleifkopfes am Knochen und zeigt an, dab der Bohrschaft minimal unzentrisch rotiert. Bei ausreichender Spfilung w/ire die Verschmutzung nicht nachweisbar, tier Wirkungsgrad des Schleifkopfes daher gr613er

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Abb. 2. Originalausschnitt aus einem Hochgeschwindigkeitsfilm (III 40). FG-Stabdiamant ohne Sp/ilung am Ambol3k/Srper. Drehzahl des Stabes: 80 000 U/min. Der freie Ambol3kSrper wird zentral angebohrt. Im wesentlichen entsteht Bohrstaub, der spiralfSrmig um den Stab zurn Winkelstiick zieht. Nur einzelne gr/513ere Sp/ine sind auf dieser Bahn sichtbar

Abb. 3. Schematische Darstellung eines auf den diamantierten Schleifkopf fallenden Wassertropfens bei Tropfensptilung. Der Tropfen wird beim Auftreffen auf den Schleifkopf zunehmend abgeplattet [1--4] und umh/illt weitgehend den Kopf, bis er durch die Rotation abgeworfen wird

Untersuchungen fiber die Arbeitsweise diamantierter Schleifk6pfe 195

5. Rotierender D S am Knochen mit Sprayspiilung

Film III 18: D 16 an der Mastoidwandung - 10 000 U/rain; etwa 6 000 B/s. Sehr zentrisch laufender Schleifkopf. Flfissiger Knochenbrei auf der zentralen Schnittfl/iche. Kaum

Spray. Die Befeuchtung des Arbeitsplatzes erscheint ausreichend, die des Schleifkopfes nicht. Kno- chenbrei bleibt daher am Kopf zurfick.

Film III 27: D i0 an der Mastoidwandung -- 30 000 U/rain; etwa 6 000 B/s. Der Spray trifft den Schleifkopf zentral. Das Wasser wird hochgeschleudert und in Rotationsdre-

hung abgeworfen. Der Bohrschaft I/iuft zentrisch. Film H 39: FG-Diamantscheibe (3,5 mmim 0) am Proc. lenticularis des Ambosses (Geh6rkn6-

chelchenprothese) - 80 000 U/min; etwa 6 000 B/s. Ruhiger zentrischer Lauf der Scheibe. Nur die Unterfl/iche der Scheibe wird befeuchtet. An der

Oberfl/iche, die gleichzeitig Arbeitsfi/iche ist, bildet sich zunehmend Knochenbrei.

6. Schleifstaub und -nebelbildung beim Schleifen am Knochen

Film H 12: D 18 an der Mastoidwandung ohne Spfilung - 80 000 U/rain; etwa 6 000 B/s. Die Umgebung des Arbeitsgebietes ist in eine feine Staubwolke gehfillt. Wolkenartig wird entspre

chend der Rotation des Schleifkopfes der Staub yon der Arbeitsfl/iche gel/Sst. Film III 37: D 10 an der Mastoidwandung mit Sprayspfilung - 30 000 U/rain; etwa 6 000

B/s. Der Spraystol3 ist direkt auf den Schleifkopf gerichtet und trifft diesen zentrisch. Das Wasser wird

hochgeschleudert und in Rotationsrichtung abgeworfen. Der Arbeitsbereich ist von feinem Nebel er- ffillt.

7. Wirkung des schlagenden Bohrschaftes bei der Arbei t am Knochen

Film III 16: D 14 an der Mastoidwandung mit Sprayspfilung - 30 000 U/rain; etwa 6 000 B/s. Der DS schl/igt. Nur die aufschlagende F1/iche ist verschmutzt. Der Spray l~iuft kaum sichtbar.

Das Wasser wird wellenf6rmig vom schlagenden Kopf bewegt.

8. Span- bzw. Tropfenabwurfgeschwindigkeit beim Sehleifen an Knochen und Knorpel

Film H 12: D 18 an der Mastoidwandung ohne Spfilung -- 80 000 U/rain; etwa 6 000 B/s. Feinste Spfine fliegen ab. Die Abwurfgeschwindigkeit betr/igt etwa 0,79 m/s. Film H 45: D 18 am isolierten Rippenknorpel mit Tropfenspfilung -- 40 000 U/rain; etwa 6 000

B/s. Der Schleifkopf 1/iuft zunfichst frei. Die Tropfen werden in Tr6pfchen zerst/iubt in Rotationsdre-

hung abgeworfen. Die Tropfenabwurfgeschwindigkeit betr/igt etwa 0,55 m/s. Zum Schluf3 kontaktiert der Schleifkopf mit dem Knorpel.

Diskussion

E b e n s o wie ffir die A r b e i t mi t B o h r k 6 p f e n ( R o s e n b o h r e r ode r ch i ru rg i s che Fr / ise) ist

es f/Jr die V e r w e n d u n g des D i a m a n t s c h l e i f k o p f e s unerl/if31ich, Sch le i fkopf u n d Ar -

be i t sgeb ie t a u s r e i c h e n d mi t f r i s c h e m Spfi lmit tel ( phys io log i sche r K 0 c h s a l z l 6 s u n g ) zu

spfilen. A n d e r n f a l l s wird die K r i s t a l l s c h i c h t des D S verffillt u n d d a m i t de r W i r k u n g s -

196 K. Paulsen

grad des Schleifinstrumentes entsprechend schlechter. Abgesehen davon entsteht am Arbeitsort durch die Rotation eine ffir Schleifkopf und Knochen zunehmende Tem- peraturerh6hung, die besonders am Knochen zu defgreifenden Schfiden fiihren kann (Eichner u. Mitarb., 1973; Paulsen, 1975).

Bei der Rotation des Schleifkopfes entstehen feine Wolken aus Schleifstaub, die schnell den Luftraum erfiillen und lange schweben bleiben. Die Wolken werden z. T. in kaum sichtbaren St613en abgegeben; jeder Stog entspricht einer Schleifkopfdre- hung und kommt dadurch zustande, dal3 niemals die gesamte Schleiffl~iche, sondern immer nur bestimmte Teile davon Kontakt mit dem Knochen aufnehmen., Am st/irker schlagenden Schleifkopf ist dieser Bereich regelmfil3ig durch eine st/irkere Verschmutzung gekennzeichnet. Dieser Effekt diirfte durch den regelm/if3ig leicht schlagenden Bohrschaftschlag verursacht sein, der selbst an einem fabrikneuen Handst/ick mef3bar nachweisbar ist.

Bei der Spiilung des DS ist die Menge der zugeffihrten Fliissigkeit fiir die Verhin- derung der Verschmutzung mit Knochenmehl oder -brei yon entscheidender Bedeu- tung. Die Tropfensp/ilung ist nur dann voll wirksam, wenn eine rasche Tropfenfolge, die mit zunehmender Drehzahl der DS ansteigen muf3, gew~ihrleistet ist und wenn jeder Tropfen den Schleifkopf zentral trifft. Letzteres gilt auch f/ir die Effizienz der Wasserstrahlspfilung.

Die Sprayspfilung ist fiir Schleifinstrumente die geeignetste. Allerdings scheint die Flfissigkeitsmenge pro Spraystol3 eine gr613ere Rolle zu spielen als an Bohrk6p- fen. Am DS trifft der Spraystof3 im Gegensatz zum Rosenbohrer auf eine durch die Kristalle stark unregelmfif3ig aufgerauhte Oberfl/iche, die die Flfissigkeit aufh/ilt und entsprechend der Rotation auslenkt und abwirft, so dal3 sie den oberen Pol des Schleifkopfes kaum oder gar nicht erreicht. Am Rosenbohrer wird die mit Druck auf den Bohrkopf geleitete Fliissigkeit den Schneidkehlen entlanggeleitet und vermag diese ausreichend zu sfiubern, wenn auch ein erheblicher Tell des Wassers schon vorher abgeworfen wird. Selbst der obere Pol eines Bohrkopfes wird oft noch von ausreichender Fliissigkeitsmenge erreicht.

Der Spraystrahl befeuchtet allerdings viel mehr als die Tropfen- oder Wasser- strahlspfilung das Arbeitsgebiet in weiterem Umkreis und damit die Knochenw~nde, von denen das Wasser meist auf den oberen Pol des Schleifkopfes zurfickfliel3t, wenn

- was selten der Fall sein diirfte -- dieser mit dem Knochen kontaktiert. Ungeeignet erwies sich wie erwartet der Spray in der Anwendung der Diamant-

scheibe bei der Pr/iparation von Geh6rkn6chelchen. Das fest am Handstfick in Rich- tung Bohrschaft montierte Sprayrohr lenkt die Sprayfont~ine auf die Unterfl/iche der Scheibe, die das Wasser abst613t; die aktive Oberfl/iche der Scheibe wird daher kaum bespfilt und verschmutzt zusehends.

Wfihrend der Tropfenspfilung wirft der DS im Gegensatz zum Bohrkopf des Rosenbohrers oder der chirurgischen Fr~ise wohl auf Grund seiner feinen unregelm~i- 13igen Oberflfiche das auftreffende Wasser kontinuierlich im Strahl ab.

Der bei normaltouriger Drehzahl (11 000 U/min) auf den Schleifkopf treffende Tropfen wird in Form eines den Kopf umhfillenden Wasserkranzes scheinbar lang- sam fortgeschleudert. Mit zunehmender Drehzahl (30 000 U/rain) und rascher Trop- fenfolge werden die Tropfen im Strahl fortgeschleudert. Es scheint, als wenn die Diamantschicht das Wasser des Tropfens nacheinander erfal3t und in einem langen Strahl entsprechend der Drehrichtung abwirft.

Untersuchungen fiber die Arbeitsweise diamantierter Schleifk6pfe 197

Im hochtourigen Bereich (80 000 U/min) bei geringer Tropfenfolge erscheint der Einzeltropfen eben nach dem Auftreffen abgeplattet und wird in dieser Form auch abgeworfen (Rotation etwa 1 300 U/s).

Wie aus den Ergebnissen der Untersuchungen mit Bohrk6pfen schon bekannt, besteht der Spray aus rhythmisch unterbrochenen kleinen Einzelfont/inen, die etwa 0 ,7 -1 ms andauern. Der obere Teil des Kopfes wird anscheinend nicht befeuchtet, da es sich um einen Rundkopf handelt. Feinste Wassertr6pfchen wirbeln durch die Luft und bleiben als Nebel lange schweben.

Der Spanabhub des DS 1/il3t sich am besten ohne Spfilung am Knochen beob- achten und ausmessen. Entsprechend der feingerauhten Kristalloberfl/iche sind die abgeschlagenen Sp/ine sehr fein, staubf6rmig. Am trockenen Knochen verschmutzt der Schleifkopf sehr schnell, die Umgebung des Arbeitsbereiches wird mit feinem Bohrmehl best/iubt.

Die Sp~ine werden wie die Wassertr6pfchen eines befeuchteten Diamantschleif- kopfes herausgeschleudert und h~ngen auf Grund ihrer feinen Struktur lange in der Luft. Der kleinste Luftzug wie etwa das {Sffnen einer Tfir verteilt den Staub fiber weite Strecken, so dab bald der gesamte Arbeitsraum erffillt ist. Handelt es sich um infekti6ses Material, etwa bei der Pr/iparation einer chronischen Otitis media, so sind alle im Raum t/itigen Personen gef/ihrdet (Paulsen, 1975).

Der Spanabhubmechanismus erfolgt stets tangential. Die Spanabhubgeschwin- digkeit betr/igt entsprechend ihrer Abh/ingigkeit v o n d e r Drehzahl 0 ,23-1 ,6 m/s.

Der schlagende Schleifkopf verschmutzt wie der schlagende Rosenbohrer nur an einem umschriebenen Bezirk, da die fibrige F1/iche mit dem zu bearbeitenden Kno- chen nicht in Berfihrung tritt. Die Verschmutzung des Arbeitsbezirkes der Schleiffl/i- che geht schnell vor sich, weil dieser Schleifkopfteil mit gr613erer Wucht auf den Knochen schliigt als bei ruhigem zentrischen Lauf des Schleifschaftes.

Literatur

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Eingegangen am 20, Januar 1976