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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.
Die Computermodellierung menschlicher Teilkörperstrukturen gewinnt zunehmend an Bedeutung für den Einsatz in der Medizin. Es handelt sich dabei um ein interdisziplinäres Forschungsfeld, bei dem durch die Zusammenarbeit von Physik, Mathematik, Computervisualistik und Medizin neue Methoden entwickelt werden können, mit denen genauere Aussagen über mechanische Belastungen von inneren kraftübertragenden Strukturen, wie Zwischenwirbelscheiben, Ligamente, Gelenke und Muskeln, bei Bewegungsabläufen getroffen werden können.
Zu Beginn dieser Arbeit wird die Bedeutsamkeit des Forschungsbedarfs in der Computermodellierung, spezialisiert auf den Bereich der Wirbelsäule, dargelegt.
Nachfolgend werden die grundlegenden anatomischen Strukturen erörtert, wozu die Zwischenwirbelscheiben, die Ligamente, die Facettengelenke und Muskulatur zählen.
Anschließend werden Algorithmen entwickelt, mit denen aus CT-Daten unter geringem Zeitaufwand sowie semiautomisch individuelle LWS-Modelle erstellt werden können. Dabei werden Methoden erarbeitet, mit denen die vorgestellten kraftübertragenden Strukturen der Wirbelsäule, wie die Zwischenwirbelscheiben, Ligamente, Facettengelenke und Muskeln, modelliert werden können.
Im weiteren Verlauf werden unterschiedliche bildgebende Verfahren (MRT-Daten, Röntgenfilm, Röntgenfunktionsaufnahmen) zur Validierung der LWS-Modelle vorgestellt und verwendet.
Abschließend werden die erarbeiteten Algorithmen genutzt, um eine größere Anzahl an individuellen LWS-Modellen zu erstellen, die anschließend auf Gemeinsamkeiten und Unterschiede bzgl. der inneren Belastungen sowie auf physiologisch korrekte Bewegungsabläufe hin untersucht werden. Dazu wird insbesondere das relative momentane Drehzentrum zwischen zwei benachbarten Wirbeln berechnet.
Die Arbeit stellt die Frage nach den Effekten einer tertiären Präventionsmaßnahme in Bezug auf Schmerzbewältigung und Schmerzveränderung bei chronischen Lumbalgiepatienten. Im Rahmen der Überprüfung werden ausdifferenzierte psychophysische Interventionsmaßnahmen aus den Bereichen der Physiotherapie/Krankengymnastik und Psychologie eingesetzt. Die Gruppenunterteilung erfolgt in eine behandelte Versuchsgruppe und eine unbehandelte Warte-Kontrollgruppe mit jeweils 100 Probanden (N=200). Die Ergebnisse der tertiären Präventionsmaßnahme zeigen statistisch und klinisch relevante sowie positive Veränderungen in den Bereichen der Schmerzbewältigung und Schmerzveränderung.
Hintergrund
Das neue Modell einer Knieorthese Condlya 4 soll die Bewegungsfreiheit im Knie nur geringfügig einschränken, so dass viele sportliche Bewegungen weiterhin gewährleistet sind. Dennoch stabilisiert die Orthese das Gelenk soweit, dass Scherbewegungen vermieden werden und während der Rehabilitationsphase nach Knieverletzungen und Instabilitäten bereits nach kurzer Zeit mit dem Sport wieder begonnen werden kann.
Das Ziel der Arbeit
Ziel der Masterarbeit war es mittels Bewegungsanalyse den Einfluss der Knieorhese auf die Bewegungsqualität des Handstands zu prüfen. Zu dieser 2D- Analyse wurden die Bewegungsabläufe mit mehreren digitalen Hochgeschwindigkeitskameras (OptiTrack Flex 3) aus zwei Ebenen gefilmt. Über die an anatomischen Fixpunkten angebrachten Markern wurden die Aufnahmen mit der Software MyoVideo am Rechner mittels automatischem Marker Tracking verarbeitet. Damit konnten die zeitlichen Verläufe von Marker-Koordinaten und Gelenkwinkeln aufgezeigt werden.
Ergebnisse
Die Ergebnisse dieser Untersuchung bestätigten, dass die untersuchte Knieorthese Condyla 4 für den Sport geeignet ist und keinen negativen Einfluss auf die Bewegungsqualität des Handstands nimmt. Die Anwendung der Knieorthese lässt sich dadurch auch auf andere Elemente aus dem Bereich des Turnens übertragen, bei denen die unteren Extremitäten ähnlichen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Wirbelsäule als tragende Säule des menschlichen Körpers ist bei vielen Bewegungsabläufen hohen Belastungen ausgesetzt. Fehl- und Überbelastungen rufen dabei oft dauerhafte Schädigungen hervor. Daher ist es von Interesse, die innerhalb der Wirbelsäule auftretenden Belastungen zu bestimmen. Eine moderne und zuverlässige Methode zur Belastungsbestimmung ist der Aufbau eines Berechnungsmodells.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Mehr-Körper-System (MKS) Modell der Lendenwirbelsäule erstellt. Mit Hilfe des Modells können sowohl die übertragenen Kräfte und Momente in allen inneren Strukturen berechnet als auch die Kinematik des Bewegungsablaufs simuliert werden. Die Grundstruktur des Modells bilden die als Starrkörper angenommenen knöchernen Strukturen der fünf Lendenwirbel L1 bis L5, des Os Sacrums und des Os iliums, die über die Segmentierung eines CT-Datensatzes des Abgusses der Wirbeloberflächen eines durchschnittlich großen Europäers gewonnen wurden. Die elastischen Elemente der Wirbelsäule wurden unter Berücksichtigung ihrer physikalischen Eigenschaften in das Modell implementiert. Grundlage für die Modellierung der Zwischenwirbelscheiben waren dabei eigens durchgeführte experimentelle Messungen. Das charakteristische Kraft-Deformations-Verhalten der Ligamente wurde der Literatur entnommen.
Die Umsetzung im Computermodell berücksichtigt neben dem physikalischen Verhalten eines einzelnen Ligamentes zusätzlich durch einen Gewichtungsfaktor das Zusammenspiel aller Ligamente im komplex aufgebauten Ligamentapparat. Die Facettengelenke wurden durch Kontaktmodellierung in den Knorpelschichten realisiert. Daneben wurde ein Modell eines Implantatsystems entwickelt, das zur dynamischen Stabilisierung der Lendenwirbelsäule genutzt wird. Die Validierung der erstellten Modelle erfolgte über den Vergleich mit In-Vitro erhobenen Daten. Betrachtet wurden neben der intakten Wirbelsäule zudem degenerative Schädigungen der Zwischenwirbelscheibe und deren operative Versorgung durch Nukleotomie und dynamische Stabilisierung. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen dabei eine sehr gute Näherung an die experimentell ermittelten Messwerte. Durch Anwendung der Computermodelle konnten die Auswirkungen verschiedener operativer Eingriffe, wie Interlaminotomie, Hemilaminektomie und Laminektomie auf die unterschiedlichen Strukturen der Lendenwirbelsäule berechnet werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet lag in der Untersuchung des momentanen Drehzentrums. Neben der Bestimmung der Drehpunktbahn bei intakter Wirbelsäule konnten die Effekte einer degenerativ geschädigten und operativ versorgten Zwischenwirbelscheibe auf den Verlauf des momentanen Drehzentrums berechnet und simuliert werden.