DE60225120T2

DE60225120T2 - Patientenrahmen hergestellt aus verbundmaterial

Info

Publication number: DE60225120T2
Application number: DE60225120T
Authority: DE
Inventors: Steven Streatfield Frenchay Park Road Gill; Andrew Paul Godbehere
Original assignee: Elekta AB
Current assignee: Elekta AB
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: CN1292718C; GB0105317D0; JP2004529685A; JP4299001B2; GB2372706A; EP1363549B1; DE60225120D1; CN1494400A; GB2372706B; US20040116925A1; WO2002069827A1; US8226651B2; ATE386471T1; EP1363549A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Rahmen zum Befestigen an einem Patienten. Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Stereoführung und ein Element zum Befestigen an einem Patienten. Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Herstellen des Rahmens, des Elements und der Stereoführung der vorliegenden Erfindung. Ein Rahmen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in US-A-5 302 170 offenbart.
Rahmen und Elemente werden in einer Vielzahl von Technologien verwendet, um bestimmte Körperteile unbeweglich zu fixieren oder um als eine Plattform zu wirken, von der aus Instrumente auf ein gewünschtes Ziel gerichtet werden.
Insbesondere wird ein neurochirurgischer Rahmen in Kombination mit einer Stereoführung für das Anordnen und Führen von Instrumenten zu spezifischen Zielen im Gehirn eines Patienten verwendet, die unter Verwendung von diagnostischen Abbildungstechnologien identifiziert werden.
Im vergangenen Jahrzehnt erfolgte eine exponentielle Ausweitung der bildorientierten Neurochirurgie. Insbesondere die rahmenlose Stereotaxie ist heute in den meisten neurochirurgi schen Zentren für die Entfernung von Tumoren zur Routine geworden. Ihre eingeschränkte Funktionsgenauigkeit macht sie jedoch für die funktionale Neurochirurgie und die Bestrahlungschirurgie und für die Entnahme von Gewebeproben aus Stammhirnzielen ungeeignet. Für diese letzteren Prozeduren, die eine beträchtliche Präzision erfordern, ist die Verwendung eines stereotaktischen Rahmens notwendig, da dieser die Fixierung des Kopfes während der Bilderfassung und Behandlung sichert und eine stabile Plattform bereitstellt, von der aus Instrumente mit Millimetergenauigkeit unter Verwendung einer Stereoführung auf das Ziel gerichtet werden.
Allgemein sind stereotaktische Rahmen aus Aluminium hergestellt. Bekannt ist auch ein Rahmen aus kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoffen. Wenn auch solche Rahmen im Allgemeinen für die Ventrikulographie oder für die röntgendiagnostische Computertomographie (CT) akzeptabel sind, weil sie leitend sind, verursachen sie jedoch Störungen bei Magnetresonanz (MR)-Abbildungen infolge von Absorption und Verzerrung des Signals mit sich daraus ergebendem Empfindlichkeitsverlust, Verlust der räumlichen Auflösung und Verlust der Genauigkeit. Aus ähnlichen Gründen erzeugen Rahmen, die elektromagnetisch leitende Materialien enthalten, schlechte Bilder bei Verwendung der Starkfeldmagnetresonanzbildaufnahme wie etwa für die funktionale Magnetresonanzbildaufnahme (FMRI) und die Magnetresonanzspektroskopie (MRS) sowie bei Verwendung der Magnetenzephalographie (MEG).
Ein aus Aluminium oder aus einem anderen Metall aufgebauter Rahmen absorbiert die Röntgenstrahlen und die Gammastrahlen und hat daher einen nachteiligen Einfluss auf die Bilder, die unter Verwendung der Positronenemissionstomographie (PET), der Einzelphotonemissionscomputertomographie (SPOT) und in gewissem Maße der Röntgenbildaufnahme, einschließlich der Computertomographie (CT), erfasst worden sind.
Bei zahlreichen chirurgischen Vorgängen ist es erforderlich, dass der Rahmen, das Element oder die Stereoführung starr sind. Wenn zum Beispiel der Rahmen oder das Element als eine Plattform wirken, von der aus Instrumente auf ein Ziel gerichtet werden, ist es notwendig, dass der Rahmen oder das Element ausreichend starr ist, damit sie sich während des Vorgangs nicht verbiegen oder auslenken lassen, und sie dadurch die genaue Platzierung der Instrumente ermöglichen. Das ist besonders wichtig, wenn der Rahmen ein stereotaktischer Rahmen ist, der in der Neurochirurgie verwendet wird, um Instrumente genau auf einen Zielort zu richten, der im Allgemeinen nur einen Durchmesser von wenigen Millimetern aufweist.
Bei einigen Vorgängen ist es auch erwünscht, den Rahmen, das Element oder die Stereoführung zu sterilisieren. Allgemein wird das Sterilisieren durch Autoklavieren erreicht.
Die vorliegende Erfindung überwindet zumindest einige der Probleme, die mit den dem Stand der Technik entsprechenden Rahmen, Elementen und Stereoführungen im Zusammenhang stehen.
Die vorliegende Erfindung stellt einen starren, elektromagnetisch inaktiven Rahmen zum Befestigen an einem Patienten bereit, wobei der Rahmen aus einem Verbundmaterial aufgebaut ist und ein Matrixmaterial und elektromagnetisch inaktive Fasern aufweist.
Durch Sicherstellung, dass der Rahmen nichtmetallisch und elektromagnetisch inaktiv ist, absorbiert oder verzerrt er nicht wesentlich elektromagnetische Wellen (z. B. Röntgenstrahlen, Gamma-Strahlen oder Funkwellen), deren Erkennung das Erzeugen von Abbildungen in biomedizinischen Bilderzeugungseinrichtungen erleichtert. Die Abbildungen werden daher schärfer und weniger verzerrt sein, als die mit Rahmen aus herkömmlichen Materialien erzeugten.
Neurochirurgen und Bestrahlungschirurgen können die scharfen Bilder mit hoher Auflösung für genauere und sicherere chirurgische Prozeduren, insbesondere für stereotaktische Prozeduren nutzen. Wenn der Rahmen ein stereotaktischer Rahmen ist, der verwendet wird, um Bilder unter stereotaktischen Bedingungen zu erhalten, ist die Fähigkeit, hoch aufgelöste und unverzerrte Bilder zu erhalten, bei der chirurgischen Planung in aussagekräftigen Bereichen und bei der Lokalisierung epileptischer Herde und funktionaler Abnormitäten für die gezielte Behandlung von unschätzbarem Wert. Der Rahmen muss ausreichend starr sein, so dass jede unter Verwendung des Rahmens durchgeführte Messung durchweg denselben Zielort mit einer Variabilität von weniger als ± 1 mm erkennt.
Vorzugsweise hat der Rahmen eine Steifigkeit, die der von Aluminium entspricht. Es wird weiterhin bevorzugt, dass der Rahmen bei Raumtemperatur einen Elastizitätsmodul von zumindest 20 GPa aufweist.
Der Ausdruck „Rahmen" bezieht sich auf jede Struktur, die an einem Patienten befestigt werden kann und die als eine Platt form wirkt, von der aus Instrumente auf ein interessierendes Ziel gerichtet werden können, oder der verwendet werden kann, um ein Körperteil eines Patienten abzustützen oder unbeweglich zu fixieren. Der Ausdruck „ein Körperteil eines Patienten unbeweglich fixieren" bedeutet das Verhindern oder Einschränken der Bewegung dieses Teils in zumindest eine Richtung.
Wenn der Rahmen elektromagnetisch inaktiv und daher nichtmetallisch ist, beeinträchtigt er nicht die Qualität oder verursacht keine Verzerrung von biomedizinischen Bildern, die unter Verwendung der CT, MRI, FMRI, MEG, PET oder SPECT Abtastung erhalten worden sind. Der Ausdruck „nichtmetallisch" bedeutet, dass der Rahmen kein Metall enthält.
Hinsichtlich der elektromagnetischen Kennwerte weist der Rahmen vorzugsweise eine Dielektrizitätskonstante von weniger als 40 Dk und/oder einen dielektrischen Verlustfaktor von weniger als 0,04 Df auf.
Das Matrixmaterial kann jedes Material sein, das geeignet ist, den starren elektromagnetisch inaktiven Rahmen der vorliegenden Erfindung zu bilden. Vorzugsweise ist das Matrixmaterial ein Epoxidharz mit einer Aushärtungstemperatur von etwa 120°C oder mehr. Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Matrixmaterial jedes Material sein kann, dass eine Glasübergangstemperatur im feuchten Zustand (wet glass transition temperature) von mehr als 137°C aufweist. Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Matrixmaterial ein Harz mit einer Aushärtungstemperatur von etwa 180°C oder mehr ist. Am bevorzugtesten ist, dass das Matrixmaterial ein Cyanatester-Material ist. Vorzugsweise hat das Cya natester-Material eine Aushärtungstemperatur von etwa 177°C (±10°C).
In einer Anzahl von Situationen kann es erwünscht sein, den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu sterilisieren. Die Sterilisierung kann unter Verwendung von Chemikalien erreicht werden, erfolgt jedoch vorzugsweise durch Autoklavieren des Rahmens. Daher haben, wie auch vorher angeführt ist, die Matrixmaterialien eine Glasübergangstemperatur im feuchten Zustand (die Temperatur bei der das Harz weich wird) von mehr als 137°C. Unter Verwendung eines solchen Matrixmaterials behält der Rahmen beim Autoklavieren seine Form bei.
Vorzugsweise weist das für den Aufbau des Rahmens der vorliegenden Erfindung verwendete Verbundmaterial einen Feuchteabsorptionswert von weniger als 3% bei Sättigung auf. Ein niedriger Feuchteabsorptionswert ist auch vorteilhaft, wenn der Rahmen autoklaviert werden soll.
Die elektromagnetisch inaktiven Fasern können alle elektromagnetisch inaktiven Fasern sein, die geeignet sind, den starren Rahmen der vorliegenden Erfindung zu erzeugen. Vorzugsweise haben die Fasern eine Dielektrizitätskonstante von weniger als 40 Dk und/oder einen dielektrischen Verlustfaktor von weniger als 0,04 Df. Vorzugsweise sind die elektromagnetisch inaktiven Fasern Glasfasern oder Quarzfasern.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass das für den Aufbau des Rahmens der vorliegenden Erfindung verwendete Verbundmaterial das Matrixmaterial und die elektromagnetisch inaktiven Fasern in einem Verhältnis von 40 ± 10 Volumenprozent vorhanden sind.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Rahmen der vorliegenden Erfindung ein stereotaktischer Rahmen. Der Rahmen der vorliegenden Erfindung ist aus einem Material aufgebaut, das keine Störungen der biomedizinischen Bilder verursacht, das innerhalb der zulässigen Abmessungstoleranzen hergestellt werden kann, bei normaler Verwendung gegen Verformung widerstandsfähig ist, das durch Autoklavieren und/oder chemische Behandlung sterilisiert werden kann und das in seinen Abmessungen stabil bleibt. Es ist weiterhin bevorzugt, dass der stereotaktische Rahmen mit einer Stereoführung verbunden ist, die aus einem Verbundmaterial aufgebaut ist, das aus dem Matrixmaterial und aus den vorher im Zusammenhang mit dem Rahmen der vorliegenden Erfindung beschriebenen elektromagnetisch inaktiven Fasern besteht.
Der Ausdruck „stereotaktischer Rahmen" bezieht sich auf jeden Rahmen, der verwendet werden kann, um einen Zielort in einem dreidimensionalen Raum zu lokalisieren. Vorzugsweise umfasst der stereotaktische Rahmen einen Basisring und Befestigungselemente zum Befestigen des stereotaktischen Rahmens an einem Patienten. Die Befestigungselemente sind vorzugsweise Pfosten, die sich im Wesentlichen senkrecht von der Ebene des Basisringes weg erstrecken. Sowohl der Basisring als auch die Befestigungselemente sind aus Verbundmaterial aufgebaut. Fachleuten sind stereotaktische Rahmen gut bekannt und sie werden in „Stereotactic and Functional Neurosurgery/The Praxis of Neurosurgery" (Stereotaktische und funktionale Neurochirurgie/Pra xis der Neurochirurgie), Teil XI, Herausgeber G. T. Tindall, P. R. Cooper, D. L. Barrow, Williams & Wilkins 1996 beschrieben.
In Gebrauch hält der stereotaktische Rahmen den gewünschten Körperteil des Patienten, normalerweise den Kopf, in einer CT-, MRI-, FMRI-, MRS-, MEG-, PET-, SPECT- oder ähnlichen Abtasteinrichtung. Das unter Verwendung des stereotaktischen Rahmens der vorliegenden Erfindung erzeugte Bild ist nicht wesentlich geometrisch verzerrt, in der Qualität herabgesetzt oder durch das Vorliegen des Rahmens verändert.
In einer alternativen Ausführung ist der Rahmen ein Ring für die Verwendung zum unbeweglichen Fixieren des Kopfes des Patienten im Allgemeinen in Bezug auf seine Schultern. Fachleuten sind diese Ringe gut bekannt und sie werden in „Spinal Orthoses, Kapitel 172, Neurosurgery/The Praxis of Neurosurgery" (Praxis der Neurochirurgie), Herausgeber G. T. Tindall, P. R. Cooper, D. L. Barrow, Williams & Wilkins 1996 beschrieben.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine starre elektromagnetisch inaktive Stereoführung bereit, die aus dem Verbundmaterial aufgebaut ist, das verwendet wird, den Rahmen der vorliegenden Erfindung aufzubauen. Stereoführungen sind Fachleuten gut bekannt und sie werden in „Stereotactic and Functional Neurosurgery/The Praxis of Neurosurgery" (Stereotaktische und funktionale Neurochirurgie/Praxis der Neurochirurgie), Teil XI, Herausgeber G. T. Tindall, P. R. Cooper, D. L. Barrow, Williams & Wilkins 1996 beschrieben.
Die stereotaktische Führung umfasst normalerweise ein Bogenstück, das mit Stäben an dem Rahmen befestigt ist, die mit ar retierbaren Schiebern eingreifen. Die Schieber erleichtern das Versetzen des Bogenstücks in drei räumlichen Ebenen (nach vorn und hinten, seitlich und vertikal) in Bezug auf den Rahmen. Die Schieber weisen eine Millimeter-Skala auf und ermöglichen es, den Mittelpunkt des Bogenstücks an den berechneten Zielkoordinaten zu positionieren. Das Bogenstück kann um 180° geschwenkt werden und ein an seinem Umfang befestigter bewegbarer Wagen führt einen Messwertaufnehmer zu seinem Mittelpunkt, so dass der Chirurg mehrere Bewegungsbahnen zu dem Ziel wählen kann.
Mit Ausnahme des Verriegelungsmechanismus für die Schieber und den bewegbaren Wagen für den Messwertaufnehmer kann die Stereoführung vollständig aus dem Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung aufgebaut sein, wobei die Skala mittels Laser in das Material geätzt ist. Der Verriegelungsmechanismus für die Schieber und der bewegbare Wagen für den Messwertaufnehmer sind im Allgemeinen aus Aluminium aufgebaut. Obwohl Aluminium elektromagnetisch nicht inaktiv ist, werden gegenwärtig durch beträchtliche Verringerung des Aluminiumanteils bedeutende Verbesserungen der Bildqualität erreicht.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin ein starres elektromagnetisch inaktives Element zum Befestigen des Rahmens der vorliegenden Erfindung an einem Patienten bereit, wobei das Element aus dem Verbundmaterial aufgebaut ist, das verwendet wird, um den Rahmen der vorliegenden Erfindung aufzubauen. Das Element verzerrt die durch die Magnetresonanzabtastung erzeugten Bilder nicht wesentlich, wobei vorzugsweise nach Befesti gen an dem Patienten eine maximale Verzerrung von 2 mm oder 4° vorhanden ist.
Das starre Element kann jedes Element zum Befestigen an einem Patienten sein. Insbesondere kann das starre Element ein mit Gewinde versehener Stift mit einem Hauptkörper, der mit dem Rahmen eingreift, und einer Spitze sein, die den Kopf eines Patienten berührt. Der Hauptkörper des mit Gewinde versehenen Stifts ist aus dem Verbundmaterial aufgebaut und die Spitze aus Metall (z. B. Titan) oder Keramik.
Das starre Element kann auch eine Stange mit einem Hauptkörper für das Eingreifen mit dem Rahmen und einem Ende mit verringerten Durchmesser für das Einsetzen in den Schädel eines Patienten sein. Die gesamte Stange ist aus einem Verbundmaterial hergestellt.
Vorzugsweise kann das Element der vorliegenden Erfindung an einem gewünschten Körperteil des Patienten angebracht werden und es ist im Wesentlichen relativ zu dem gewünschten Körperteil des Patienten unbeweglich fixiert. Der Ausdruck „unbeweglich fixiert" bedeutet, dass das Element um weniger als 2 mm in Bezug auf den Körperteil des Patienten, an dem es befestigt ist, bewegt werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des Rahmens, der Stereoführung und des Elements der vorliegenden Erfindung bereit, welches das Laminieren der Laminatelemente, die das Matrixmaterial und elektrisch inaktive Fasern enthalten, in oder um eine Form und das Aushärten des Matrixmaterials umfasst.
Die Form kann eine dornartige Werkzeugform, um die die Laminatelemente laminiert werden oder eine hohle Werkzeugform sein, in die die Laminatelemente laminiert werden. Die dornartige Werkzeugform definiert die Innenfläche des Rahmens, des Elementes oder der Stereoführung. Die hohle Werkzeugform definiert zumindest die Außenfläche des Rahmens, des Elementes oder der Stereoführung. Vorzugsweise ist die Form eine dornartige Werkzeugform und die Laminatelemente werden um die dornartige Werkzeugform als geschlossener Ring laminiert. Eine Vakuumtasche kann ebenfalls verwendet werden, wobei die Tasche gegenüber der Werkzeugform abgedichtet ist, um das Laminat während der Verarbeitung gegenüber der Außenatmosphäre zu isolieren.
Um an bestimmten Teilen des Rahmens, der Stereoführung oder des Elements der vorliegenden Erfindung zusätzliche Festigkeit zu gewährleisten, können zusätzliche Laminatelemente an Orten platziert werden, an denen zusätzliche Festigkeit benötigt wird.
Das Matrixmaterial kann unter Verwendung jedes Verfahrens, wie etwa Autoklavieren, Harztransfer- oder Vakuumformtechnologien ausgehärtet werden.
Beim Aushärten des Verbundmaterials erfolgt eine exothermische Reaktion, die zu einer Erzeugung überschüssiger Wärme führt. Diese überschüssige Wärme kann, wenn sie nicht kontrolliert wird, zu einer Beschädigung des Verbundmaterials sowie zu einer Beschädigung der Form führen. Um die Beschädigung zu vermeiden, die durch die exothermische Wärmeerzeugung erfolgt, ist es be vorzugt, dass das Verfahren das Einführen eines Temperaturplateaus umfasst, das früh in den Aushärtezyklus eingeführt wird. Es ist weiterhin bevorzugt, dass Sensoren in oder nahe dem laminierten Material platziert werden, um eine Überhitzung des laminierten Materials während des Aushärtezyklus zu erfassen. Die Sensoren können eine Rückkopplung zu der Erwärmungsausrüstung liefern und dadurch die Aushärtetemperatur steuern.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Form eine hohe thermische Leitfähigkeit und/oder eine hohe thermische Masse hat. Indem gesichert wird, dass die Form eine hohe thermische Leitfähigkeit und/oder eine hohe thermische Masse hat, kann ohne nachteilige Einflüsse auf das Verbundmaterial alle überschüssige Wärme, die während des Aushärtezyklus erzeugt wird, über die Form, die als eine Wärmesenke wirkt, „absorbiert" werden.
Wenn Vertiefungen oder Vorsprünge an dem Rahmen der Stereoführung oder an dem Element der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind, ist es bevorzugt, dass diese Merkmale durch sorgfältiges Laminieren kleiner Laminatelemente erzeugt werden, um die Vertiefung oder den Vorsprung auszubilden. Durch anfängliches Verwenden kurzer Laminate wird gesichert, dass das Material effektiver in die Vertiefung oder den Vorsprung fließt. Weiterhin können während des Laminierens des Materials Verdichtungsarbeitsgänge durchgeführt werden, um eine gute Ausbildung der Vertiefung oder des Vorsprungs zu erreichen.
Das Verfahren zur Herstellung des Rahmens, der Führung oder Elements kann das Laminieren der Laminatelemente und das darauffolgende Ausführen eines Aushärtezyklus umfassen, um das Verbundmaterial herzustellen. Alternativ können der Rahmen, die Stereo führung oder das Element in Stufen aufgebaut werden, die das Laminieren und Aushärten einer Anzahl von Schichten umfassen, bis der Rahmen, die Stereoführung oder das Element vollständig ausgebildet sind. Der Vorteil des Aufbaus des Rahmens, der Stereoführung oder des Elements in Stufen ist der, dass die während des Aushärtevorgangs erzeugte Wärmemenge verringert ist.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise ferner das Bearbeiten des ausgehärteten Verbundmaterials auf die gewünschten Abmessungen. Fachleuten sind die Bearbeitungsprozesse gut bekannt.
In einer bevorzugten Ausführung kann der Rahmen der vorliegenden Erfindung durch Formen einer langen rohrförmigen Struktur des Verbundmaterials und nachfolgendes Bearbeiten dieser rohrförmigen Struktur in eine Anzahl einzelner Rahmen (siehe 1) ausgebildet werden. Das hat den Vorteil, dass der Laminierungsvorgang durch das Verringern der Anzahl kleiner, schwierig zu positionierender einzelner Laminate vereinfacht wird.
Vorzugsweise erzeugen die Bearbeitungsverfahren einen Rahmen, eine Stereoführung oder ein Element mit der erforderlichen Genauigkeit, wie sie durch die Verwendung des Rahmens, der Stereoführung oder des Elements bestimmt wird. Vorzugsweise weisen die Bearbeitungsverfahren eine Genauigkeit von ± 0,1 mm auf.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine Anwendung des Rahmens für die Bildaufnahme eines Patienten bereit, an dem der Rahmen, die Stereoführung oder das Element der vorliegenden Erfindung befestigt sind und die das Aufnehmen eines diagnosti schen Bilds des Patienten und des Rahmens, der Stereoführung oder des Elements umfasst.
Vorzugsweise wird das Bild durch das Abtasten mittels CT, MRI, FMRI, MRS, MEG, SPECT oder PET erzeugt. Das Bild kann auch durch einen Röntgenstrahl erzeugt werden.
Ausführungen der Erfindung werden nun lediglich in Form eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die zeigen in
1 schematisch den Vorgang für das Herstellen eines stereotaktischen Rahmens. Beachten Sie bitte, dass Einzelheiten der Befestigung und andere Merkmale des Rahmens in der Abbildung nicht dargestellt sind,
2 das Positionieren von zusätzlichen Laminatelementen an Positionen in dem stereotaktischen Rahmen, die eine zusätzliche Festigkeit benötigen,
3 schematisch ein Verfahren für das Bearbeiten des stereotaktischen Rahmens,
4 schematisch das Positionieren kurzer Laminatelemente, um das Verfestigen des Materials in einer Ecke der Form zu sichern.
Beispiel Herstellung eines stereotaktischen Rahmens
Ein Verbundmaterial wird als vorimprägniertes Fasermaterial (mit Harz imprägnierte Fasern in einem unausgehärteten Zustand), hierin auch als Laminatelement 7 bezeichnet, zugeliefert. Das vorimprägnierte Fasermaterial 7 wird auf eine Formoberfläche 1 laminiert, die in einer Vakuumumgebung angeordnet ist, es wird Druck auf das Laminat ausgeübt und es erfolgt eine Erwärmung in einem Zyklus, um das Aushärten des Harzes zu bewirken. Das erzeugte Bauteil wird dann aus der Form entfernt und auf seine Endform bearbeitet (siehe 1).
Alle Laminierungsaktivitäten werden in einer „Reinraum"-Umgebung durchgeführt, in der die Raumtemperatur und die Raumfeuchtigkeit gesteuert werden und alle Oberflächen frei von Staub und anderen möglichen Verunreinigungen sind. Eine dornartige Werkzeugform 1 wird verwendet, um das innere Profil des Rahmens 5 zu definieren. Alternativ kann auch eine Hohlform verwendet werden. Nicht mehr als vier Schichten oder zu einer Dicke von 0,5 mm übereinander angeordnete Lagen des vorimprägnierten Fasermaterials 7 werden auf das Formwerkzeug 1 zum Erreichen der erforderlichen Gestalt (Faserausrichtung) laminiert. Eine Abdichtungstasche wird dann an dem Formwerkzeug 1 angebracht oder umgibt es vollständig und die gesamte atmosphärische Luft wird aus der "Vakuumtasche" abgesaugt, um die laminierte Anordnung luftleer zu machen. Die Anordnung wird 30 Minuten lang in diesem luftleeren Zustand belassen. Das ist bekannt als ein „Verdichtungsvorgang" und er wird für jede vier Schichten oder für jede zusätzliche 0,5 mm wiederholt, je nachdem was zutrifft. Das wirkt dahingehend, die Anordnung zu verfestigen.
Durch das Wiederholen dieses Vorgangs werden die Bauteildicke und die Faserausrichtung aufgebaut. Insbesondere können Einsätze für dicke Bereiche verwendet werden. Diese sind in Form von getrennt verfestigten vorimprägnierten Fasermaterialanordnungen 8 ausgeführt, die im Aufbau entweder übereinander geschichtet oder gerollt sind. (siehe 2).
Um die Dicke des Bauteils in bestimmten Bereichen zu verändern, werden die vorimprägnierten Fasermaterialschichten 7 übereinander gestapelt angeordnet, um die Dicke allmählich von einem Bereich zum anderen zu erhöhen. Solche Stapel werden dann mit nicht weniger als einer Endschicht überdeckt, um sie in das Volumen des Laminats 3 aufzunehmen, d. h. dass sie an keiner Fläche sichtbar sind.
Nachdem der Laminierungsprozess abgeschlossen ist und das Laminat 3 endgültig verfestigt ist, wird die Anordnung zum Aushärten vorbereitet. Ein Verfestigungsmaterial, sei es Gummi, ein Elastomer, ein metallisches Material oder ein Verbundmaterial, wird auf der Bauteiloberfläche angeordnet. Entlüftungs- und Atmungsmaterialien werden in der Vakuumtaschenanordnung verwendet und die abschließende Aushärtevakuumtasche wird aufgebracht und abgedichtet. Thermoelemente werden strategisch, hauptsächlich nahe den größten Dicken in der Anordnung, positioniert. Die Anordnung wird dann in einem Autoklaven platziert und ausgehärtet.
Der Aushärtezyklus besteht aus dem anfänglichen Erzielen eines vollständigen Vakuums in der Vakuumtasche (ein vollständiges Va kuum entspricht nicht weniger als 83,1 kPa oder 0,85 Atmosphären). Nachdem das erreicht wurde, wird der Autoklav unter Druck gesetzt, normalerweise auf 689,5 kPa (100 psi), jedoch nicht weniger als 413,7 kPa (60 psi). Nach Erreichen von nicht weniger als 275,8 kPa (40 psi) wird die Vakuumtasche in die Atmosphäre entlüftet. Der Autoklav wird dann, den Druckaufbauprozess beginnend, in einem Zielführungsprozess von 2°C/Minute bis auf 120°C erwärmt. Die Temperatur wird dann über nicht weniger als 30 Minuten gehalten. Das erfolgt, um ein „exothermisches" Selbsterwärmen des Bauteils durch die exothermische Energie zu verhindern, die durch den Verbindungsvorgang des Matrixmaterials erzeugt wird. Sollte eine übermäßige Erwärmung zu verzeichnen sein, erfasst das Thermoelement die frühen exothermischen Aktivitäten und der Temperaturzyklus des Autoklaven wird durch automatische Steuerungssysteme verändert, um die Energiezuführung in die Anordnung in geeigneter Weise zu verringern. Nachdem die Verweilzeit im Aushärtezyklus abgelaufen ist, ist die Anordnung auf die normalerweise 180°C betragende End-Aushärtetemperatur erwärmt, auf der sie normalerweise 1 bis 2 Stunden gehalten wird, bis das Bauteil ausgehärtet ist. Das Bauteil wird dann auf Raumtemperatur nicht weniger als eine Stunde lang auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei das jedoch mehrere Stunden dauert.
Nach Erreichen der Raumtemperatur wird das Bauteil aus dem Werkzeug 1 entfernt und alle Vakuumtaschenmaterialien werden entfernt. Das ausgehärtete Bauteil wird dann auf die endgültige Bauteilform bearbeitet. Siehe 3. Das erfordert eine Entlüftungsausrüstung und spezielle Schneidwerkzeuge wegen der möglicherweise toxischen Natur des Vorgangs und der hohen geforderten Bearbeitungsgenauigkeiten, wobei im Allgemeinen Toleranzen von größer als ±0,1 mm gefordert sind.
Wenn mehrere Rahmen 5 in einem Vorgang laminiert werden und dadurch eine einzige rohrähnliche Form bilden, muss jeder Rahmen zuerst aus der einzigen rohrähnlichen Form herausgearbeitet werden.
Das Bauteil wird mit einem Farbanstrich versehen und es werden unter Verwendung von Standardtechnologien Gitternetzmarkierungen aufgebracht. Das Formwerkzeug 1 wird gereinigt und Wachs oder andere aufgetragene Behandlungsmittel werden abgelöst, so dass das Bauteil nach dem Aushärten leicht von der Form entfernt werden kann.
Von Fachleuten ist zu erkennen, dass der wirkliche Aushärtezyklus von den verwendeten Materialien und von ihren exothermischen und Aushärtekennwerten abhängt. Die vorher angeführten Zyklen sind erläuternde Zyklen.
Das Formwerkzeug 1 muss geteilt sein, um das Entfernen des Bauteils nach dem Aushärten zu erleichtern oder es muss außerdem Spreizbauteile (wie etwa elastomere Werkzeugeinrichtungen) aufweisen, die sich beim Abkühlen zusammenziehen, um das Ablösen des ausgehärteten Laminats 3 zu unterstützen.
Es kann ein Hohlwerkzeug verwendet werden, wobei jedoch Verfestigungsschwierigkeiten auftreten können. Das kann durch Verwendung eines expandierenden dornförmigen Einsatzes überwunden werden.
Die Laminate 7 werden so gelegt, dass kein Einzellaminat mehr als die Hälfte des Bauteilumfangs bildet. Das erfolgt, um Verbindungsstellen in der Laminatanordnung 3 so zu positionieren, dass die Verfestigung während des Aushärtezyklus unterstützt wird. Solche Verbindungsstellen (z. B. eine Überlappung eines Laminats 7 mit dem nächsten Laminat) dürfen nicht kleiner als 10 mm sein und sie werden im Allgemeinen in Bereichen maximaler Bauteildicke platziert.
Das Laminat 7 kann ein in einer Richtung ausgeführtes Laminat oder ein Weblaminat sein, d. h die Fasern können in einer Richtung verlaufen oder sie können in Webform verlaufen. Nach dem auf- einanderfolgenden Legen in eine vorbestimmte Ausrichtung, wird die Rahmenfestigkeit und Steifigkeit unter Verwendung von Standardtechnologien bestimmt.

Claims

Starrer Rahmen zum Befestigen an eine Patienten, wobei der Rahmen ein elektromagnetisch inaktiver, stereotaktischer Rahmen ist und der Rahmen aus eine Verbundmaterial aufgebaut ist, der ein Matrixmaterial und elektromagnetisch inaktive Fasern aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial beim Autoklavieren seine Form beibehält und eine Glasübergangstemperatur im feuchten Zustand (wet glass transition temperature) von mehr als 137°C hat.
Stereotaktischer Rahmen nach Anspruch 1, wobei der Rahmen dazu in der Lage ist, an einem gewünschten Körperteil des Patienten angebracht zu werden und dann relativ zu dem gewünschten Teil des Patienten unbeweglich fixiert zu werden.
Rahmen nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Rahmen ein Ring ist.
Starrer Rahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rahmen von einer Magnetresonanzabbildungseinrichtung erzeugte Bilder nicht verzerrt und wobei der Rahmen eine maximale Verformung von 2 mm oder 4° hat, sobald er an dem Patienten angebracht ist.
Rahmen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der stereotaktische Rahmen mit einer Stereoführung verbunden ist, die aus einem Verbundmaterial aufgebaut ist, das ein Matrixmaterial und elektromagnetisch interte Fasern aufweist, wobei das Matrixmaterial eine Glasübergangstemperatur im feuchten Zustand von mehr als 137°C hat.
Rahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Matrixmaterial ein Epoxydharz mit einer Aushärtungstemperatur von etwa 120°C oder mehr ist.
Rahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Matrixmaterial ein Epoxydharz mit einer Aushärtungstemperatur von etwa 180°C oder mehr ist.
Rahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Matrixmaterial ein Cyanatester-Matrixmaterial mit einer Aushärtungstemperatur von etwa 177°C ist.
Rahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einer Festigkeit, die der von Aluminium äquivalent ist.
Rahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einem Young-Modul von wenigstens 20 Gpa.
Rahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verbundmaterial einen Feuchteabsorptionswert von weniger als 3% bei Sättigung hat.
Rahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die elektromagnetisch interten Fasern eine Dielektrizitätskonstante von weniger als 40 Dk und/oder eine Verlusttangente von weniger als 0,04 Df haben.
Rahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Verhältnis von Matrixmaterial zu elektromagnetisch inaktiven Fasern 40 Volumenprozent beträgt.
Verfahren zur Herstellung des Rahmens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem Laminatelemente, die Matrixmaterial und elektrisch inaktive Fasern enthalten, in oder um eine Form laminiert werden und das Matrixmaterial ausgehärtet wird, wobei das Matrixmaterial beim Autoklavieren seine Form beibehält und eine Glasübergangstemperatur im feuchten Zustand von mehr als 137°C hat.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Laminatelemente in Form eines geschlossenen Rings um eine dornartige Werkzeugform laminiert werden und ausgehärtet werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, wobei ein oder mehr zusätzliche Laminatelemente an Orten des Rahmens oder der Stereoführung platziert werden, wo zusätzliche Festigkeit benötigt wird.
Verfahren nach eine der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Matrixmaterial ausgehärtet wird, indem früh in dem Aushärtezyklus Temperaturplateaus eingeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei Sensoren in oder nahe bei dem laminierten Material platziert werden, um eine Überhitzung des laminierten Materials während des Aushärtezyklus zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Sensoren eine Rückkopplung zur Steuerung der Aushärtetemperatur liefern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei die Form eine hohe thermische Leitfähigkeit und/oder eine hohe thermische Masse hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei der Rahmen oder die Stereoführung in Stufen aufgebaut werden, die das Laminieren und Aushärten eines ersten Teils des Rahmens oder der Stereoführung und dann das Laminieren und Aushärten von einem oder mehreren nachfolgenden Teilen des Rahmens oder der Stereoführung umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, bei dem weiterhin das ausgehärtete Verbundmaterial einer Oberflächenbearbeitung auf die gewünschten Abmessungen unterzogen wird.
Verwendung des Rahmens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Bildaufnahme eines Patienten, wobei der Rahmen an einem gewünschten Körperteil des Patienten angebracht ist, wobei ein Bild des Patienten und des Rahmens oder der Stereoführung aufgenommen wird.