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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.
Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (”Laser Induced Breakdown Spectroscopy”, im Folgenden auch ”LIBS” genannt) stellt eine schnelle und berührungslose Messmethode zur Elementanalyse von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen unter normalen Umgebungsbedingungen ohne besondere Probenvorbereitung dar. Dazu wird ein gepulster Laser, dessen Intensität einen bestimmten Grenzwert überschreiten muss, auf eine Probe fokussiert. Das dort bestrahlte Material verdampft schlagartig und es bildet sich bei einer Temperatur von rund 10000 K ein Plasma aus. Die angeregten Atome und Ionen im Plasma strahlen bei der Rückkehr in energetisch niedrigere Zustände ein charakteristisches optisches Emissionsspektrum ab, welches über eine schnelle spektroskopische Analyse die Elementzusammensetzung des untersuchten Materials liefert. LIBS bietet in diesem Fall auch die Möglichkeit, ein unkompliziertes und bildgebendes Messverfahren aufzubauen, indem Elementverteilungen auf einer topographischen Oberfläche analysiert werden, um beispielsweise Materialübergänge, Einschlüsse oder Verschmutzungen sicher zu detektieren. Bei unebenen Oberflächen wird eine ständige Anpassung des Laserfokus an die Probenkontur benötigt, da die notwendige Intensität zur Erzeugung des Plasmas nur im Fokus aufgebracht werden kann. Als Grundlage dafür dient ein neu entwickelter Fokussieralgorithmus, der ohne jegliche Zusatzgeräte auskommt, und die Reproduzierbarkeit von LIBS-Messungen deutlich steigern kann, da die Messungen kontrolliert im Fokus stattfinden. Durch ihn ergeben sich neue Möglichkeiten des sogenannten „Element-Mappings", dem Erzeugen von Elementlandkarten, welche die Elementverteilungen in Falschfarben grafisch darstellen. Dabei ist das System nun nicht mehr auf eine ebene Oberfläche angewiesen, sondern kann beliebige Strukturen, auch mit scharfen Kanten und Löchern, sicher vermessen. Als Ergebnis erhält man ein flächiges Höhenprofil, welches zusätzlich die Elementinformationen für jeden Messpunkt beinhaltet. Dies erleichtert es dem Benutzer, gezielt Punkte von Interesse schnell wiederzufinden und zu analysieren. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines bildgebenden Low-Power-LIBSSystems mit niedriger Pulsenergie und hoher Pulsrate, welches sich mit dem dazugehörigen
Fokussieralgorithmus automatisiert an unebene Probenoberflächen anpassen kann. Als Ergebnisse werden die Analysen von ausgewählten metallhaltigen, geologischen, organischen und archäologischen Proben bzw. Fundstücken gezeigt.