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Zielsetzung und Fragestellung: In den USA werden jährlich mehr als 250.000 Fusionen durchgeführt, wobei die Pedikelschrauben als stabilste Methode gilt. Die präzise Platzierung der Implantate ist von entscheidender Bedeutung, da eine Fehlplatzierung zu vaskulären oder neurologischen Verletzungen führen kann. Eine große Herausforderung beim Bohren von Knochen ist das sogenannte Skiving-Phänomen, bei dem der Bohrer vor dem Eindringen entlang der gekrümmten Kortikalisoberfläche rutscht, was zu Fehlplatzierungen, thermischen Schäden oder sogar zu Revisionsoperationen führen kann. Diese Studie untersucht systematisch den Einfluss von Bohrparametern auf das Skiving, um Empfehlungen für die klinische Praxis und autonome Bohrsysteme abzuleiten.

Material und Methoden: Bohrversuche wurden an standardisierten künstlichen Knochenblöcken (Sawbones^®, Schweden) unter Verwendung einer CNC-Fräs-/Bohrmaschine (FP4A, DECKEL AG, Deutschland) durchgeführt. Zu den getesteten Parametern gehörten die Drehzahl (1.000, 2.000 U/min), die Vorschubgeschwindigkeit (6–120 mm/min) und der Eintrittswinkel (90°, 75°, 60°, 45°). Es wurden drei Bohrerdesigns bewertet: ein chirurgischer Standardbohrer, ein Zentrierbohrer und eine Fräse. Jeder Bohrversuch wurde aus zwei Perspektiven aufgezeichnet und mit OpenCV-basierten Tracking-Algorithmen und MATLAB analysiert. Als Skiving wurde eine Abweichung von >0,5 mm definiert.

Ergebnisse: Insgesamt wurden 65 Bohrungen durchgeführt. In 58% der Fälle kam es zu einer mittleren Abweichung von −1,11 ± 1,24 mm (x-Richtung) und 0,44 ± 0,36 mm (y-Richtung). Bei einem Eintrittswinkel von 90° wurde keine signifikante Abweichung beobachtet. Bei 75° zeigten 75 % der Versuche eine Abweichung, und bei 60° wiesen alle Versuche eine signifikante Abweichung auf (maximal −5,04 mm, 1,65 mm). Bei 45° konnten Standardbohrer die Kortikalis nicht durchdringen. Höhere Vorschubgeschwindigkeiten korrelierten mit einer erhöhten Drift, während eine höhere Drehzahl (2.000 U/min) das Abflachen nach unten leicht reduzierte, jedoch nicht das seitliche Abflachen. Unter den Bohrertypen schnitt der Zentrierbohrer bei moderaten Winkeln am besten ab, während sich der Fräser als ungeeignet erwies.

Diskussion und Schlussfolgerung: Die Genauigkeit beim Bohren in Knochen wird stark vom Eintrittswinkel, der Vorschubgeschwindigkeit und der Bohrerkonstruktion beeinflusst. Durch senkrechtes Bohren wird das Abblättern minimiert, während schräge Eintrittswinkel die Abweichung erheblich erhöhen. Niedrigere Vorschubgeschwindigkeiten verbessern die Genauigkeit, verlängern jedoch die Bohrzeiten. Höhere Drehzahlen sorgen zwar für stabilere Flugbahnen, müssen jedoch gegen das Risiko einer thermischen Osteonekrose abgewogen werden. Für die klinische Praxis werden senkrechte Eintrittswinkel, die Verwendung von Vorbohrungen und Führungshülsen empfohlen, um das Abschaben zu minimieren und die Genauigkeit der Pedikelschraubenplatzierung zu verbessern. Diese Erkenntnisse bilden auch eine Grundlage für die Entwicklung von Steuerungsalgorithmen in autonomen Knochenbohrsystemen.