Entwicklung eines instrumentierten Distraktionsmarknagels : Konzipierung der Methodik zur in vivo Messung der am Femur auftretenden Kräfte und Momente bei der Kallusdistraktion

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2010
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Development of an implantable, intramedullary distraction nail,Study design for in vivo measurements of femoral forces and moments during callus distraction
Forschungsvorhaben
Organisationseinheiten
Zeitschriftenheft
Publikationstyp
Dissertation
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Erschienen in
Zusammenfassung

Einleitung:
Trotz der sehr weiten Verbreitung von implantierbaren Prothesen, künstlichen Gelenken und Implantaten zur Frakturversorgung ist nur wenig gesichertes Wissen über die in vivo Belastung der Bauteile durch verschiedene Aktivitäten vorhanden. Ferner beruhen die wesentlichen Behandlungsparameter bei der Knochenverlängerung auf Arbeiten, die nunmehr bereits viele Jahre zurückliegen. Bei der Kallusdistraktion ist keine sichere Methode bekannt, um den Behandlungsverlauf zu evaluieren und gegebenenfalls korrigierend eingreifen zu können.

Ziel:
Ziel dieser Arbeit war, den Distraktionsmarknagel FITBONE® um eine Sensorik zur Axialkraft- und Biegemomentmessung zu erweitern, um die in vivo Belastungen des Implantats bei verschiedenen Aktivitäten messen zu können. Mit Hilfe des instrumentierten Distraktionsmarknagel und einer geeigneten Methodik, ist es dann möglich, die Kallusdistraktion hinsichtlich der Behandlungsparameter wie auch das Implantatdesign selbst zu optimieren.

Methodik:
Hierzu wurden die notwendigen Komponenten (Energie- und Datenübertragung, Sensorik, Elektronik und Mechanik) entwickelt und in das Implantat integriert. Das Gesamtsystem, bestehend aus einem externen Steuergerät und Implantat, wurde umfangreichen Tests unterzogen. Begleitend wurde ein Messaufbau mit weiteren Messgeräten (Kinematikanalysator, Kraftmessplatte, Sensorgehhilfen, EMG, Pedar-Sohlen) aufgebaut, vernetzt und getestet. Zur Erforschung der verschiedenen Fragestellungen wurde eine geeignete Methodik ausgehend von der Literaturrecherche und den Grenzen des Implantates konzipiert. Um die Messungen des instrumentierten Distraktionsmarknagels mit den Messungen von instrumentierten, externen Fixateuren aus der Literatur vergleichen zu können, wurde der Einfluss der Implantatsteifigkeit auf die Messergebnisse untersucht und die Konsequenzen zur Interpretation der Ergebnisse aufgezeigt.

Ergebnis:
Sämtliche Verifizierungstests wurden erfolgreich durchgeführt und abgeschlossen, so dass die Funktionsfähigkeit des Systems sichergestellt ist. Nach Abschluss der Sterilisationsvalidierung und Freigabe des Produktionsprozesses kann mit dem in vivo Einsatz des Systems und Durchführung der Messungen begonnen werden.

Ausblick:
Nach Abschluss und Auswertung der Messungen können die Erkenntnisse in die Software des Systems implementiert werden, um die Systemparameter automatisch dem individuellen Behandlungsverlauf anzupassen. Dieses System kann dann als intelligent bezeichnet werden. Mit dem intelligenten Distraktionsmarknagel-System wird dann eine zuverlässigere und optimierte Behandlung von Beinlängendifferenzen möglich sein.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Introduction:
Despite the wide use of implantable total endoprostheses, artificial joints and implants for fracture stabilization, there is limited knowledge about the in vivo loadings during various activities. Additionally, current default treatment parameters for the callus distraction were determined many years ago. No proven strategy for progress evaluation is available throughout the callus distraction procedure, therefore adjustments of treatment parameters for best results are limited.

Scope:
The scope of this thesis was to integrate sensors for axial force and bending moment measurements into the callus distraction nail FITBONE®. In vivo load measurements during different activities would be performed using the instrumented implant. Based on measurements obtained before, during and after the distraction process, optimization of the treatment parameters and implant design would be possible.

Methods:
The required electronic and mechanical components, sensors and wireless energy and data transmission were developed, miniaturized and integrated into the existing distraction nail. An external control unit and a personal computer complete the system. This effectiveness of the system has been verified through numerous tests. For the biomechanical study set up involving motion analysis, force plate, crutches with force transducers and EMG has been created and tested. An appropriate method for various measurements has been developed based on literature of related studies.
In order to compare the measurements of the instrumented distraction nail to one with external fixtures, the stiffness of both set ups was examined and their influence on the measurements was theoretically analyzed.

Results:
All verification tests have been finished successfully in order to ensure the functional capability and reliability of the system during the in vivo operation. Once the sterilization validation is completed and the manufacturing processes proved out, the distraction system will be ready for implantation and start of the measurements. The stiffness has been found to be 10 times greater than that of external fixtures. The analysis showed that stiffness has a large impact on force magnitude and load share ratio. Additionally, higher stiffness allows for higher accuracy measurement of parameters of interest.

Outlook:
Once the study is completed, the results from the measurements can be implemented in the system software which will automatically adjust the treatment parameters based on the individual treatment progress. This system can be called intelligent and is able to provide more reliable and optimized treatment of leg length differences with callus distraction.

Fachgebiet (DDC)
500 Naturwissenschaften
Schlagwörter
In vivo Messung, Implantat Belastungen, In vivo measurement, callus distraction, implant load, wireless data transmission, wireless energy transmission
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690GLASER, Markus, 2010. Entwicklung eines instrumentierten Distraktionsmarknagels : Konzipierung der Methodik zur in vivo Messung der am Femur auftretenden Kräfte und Momente bei der Kallusdistraktion [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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Prüfungsdatum der Dissertation
November 26, 2010
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