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Entwicklung eines Assistenzsystems zur präzisen Repositionierung von Femurschaftfrakturen

  • Zur unterstützten Repositionierung von Femurschaftfrakturen während der intramedullären Nagelung, wurde ein Assistenzsystem entwickelt. Grundprinzip der Anordnung ist die Kraftaufnahme der von den femuralen Muskeln und Bändern erzeugten Zugkräfte mittels einer Linearfahrbahn und Gewindestange. Dazu werden Schanzschrauben als Kochen-Maschinen Verbindung verwendet, was direkte Knochenfragmentmanipulation ermöglicht. Weiterhin wird die Justage der Position und Orientierung der Fragmente mittels weiterer eingebrachter Schanzschrauben und Anwendung der Joystick Technik durchgeführt. Dazu werden ein passiver Gelenkarm und ein Gelenkarm mit robotischem Manipulator verwendet. Dank einer seriellen Kinematik des Systems, wird nur geringer Arbeitsraum des Operateurs in Anspruch genommen. Die Zentrale Steuereinheit besteht aus einem eingebetteten System auf Basis eines ARMCortex-M0 Mikrocontrollers, auf welchem ein Echtzeitbetriebssystem zum Einsatz kommt. Somit ist es möglich, die verschiedenen Winkelstellungen der Gelenke des robotischen Arms mittels inverser Kinematik zu in Echtzeit berechnen und entsprechend Stellmotoren anzusteuern. Zur Lösung der inversen Kinematik Problems kommt der iterative FABRIK Algorithmus zum Einsatz. Neuartiges und einziges Steuerinterface für den Operateur ist ein Kraft Momenten Sensor auf optischer Basis. Der serielle Gelenkarm folgt somit stets der Bewegung des Operateurs. Insgesamt konnte mit dem Demonstratoraufbau eine Positionierungsgenauigkeit des Manipulators auf dem Gelenkarm von <0,1mm erreicht werden. Somit ist zu erwarten, dass durch den Einsatz eines solchen Assistenzsystems während der Repositionierung bei der intramedullären Nagelung eine massive Präzisionserhöhung erreicht werden kann. Außerdem ist eine erhebliche Reduzierung der Röntgenstrahlenexposition des Operateurs durch Einsatz dieses Systems möglich. Weiterhin ermöglicht es eine Kostensenkung durch Zeiteinsparung und Personalreduzierung.
  • An assistance system has been developed for the purpuse of supporting the surgeon during the repositioning phase of intramedullary nailing of femural shaft fractures. As a basic principle the high forces generated by femural muscles and ligaments are taken by a linear sledge and a threaded rod. In order to move bone fragments directly Schanz screws are used as bone-machine interface. Two more Schanz screws are used for fine tuning orientation and position of the fragments according to the well known Joystick technique. The screws are fixed to two articulated arms, one passive and one fully robotic with manipulator. Thanks to the serial kinematic configuration of the system only minmal space of the surgeons working area gets occupied. Running a realtime operating system, the central control unit consits could be implemented as an embedded system comprising of a ARM Cortex-M0 microcontroller at it’s heart. This enables realtime computation and motor control of each joints value of the robotic arm using inverse kinematics. As inverse kinematics solver the iterative FABRIK algorithm was chosen. Serving as innovative and single user interface for the surgeon an optical force-torque sensor is used. The robotic arm always follows the surgeons motion when interacting with the sensor. Using the proposed demonstrator system a positioning resulution of <0,1mm could be accomplished. Thus by using the proposed solution during intramedullary nailing of femural shaft fractures a tremendous gain in positioning precision of bone fragments can be achieved. Furthermore a massive reduction of x-ray exposition of the surgeon is possible when applying the proposed approach. Also this approach enables the chance of cost reduction of femural fracture therapy due to reduction of needed time and staff.

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Metadaten
Author:Stefan Göckeritz
URN:urn:nbn:de:kola-14570
Referee:Karin Gruber, Dietrich Holz
Advisor:Karin Gruber
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of completion:2017/05/29
Date of publication:2017/06/06
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 3
Date of final exam:2016/04/10
Release Date:2017/06/06
Number of pages:vi, 233
Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Integrierte Naturwissenschaften / Institut für Integrierte Naturwissenschaften, Abt. Physik
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG