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Prüfen der Fixation von Kreuzbandimplantaten

 
Ausgangslage / Aufgabenstellung
 

Die Arbeitsgruppe um PD Dr. Wolf Petersen an der Klinik für Orthopädie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel führte eine experimentelle Laborstudie durch, in der sie mit Hilfe eines KUKA-Roboters KR 125 und eines universalen Kraft-Momenten-Sensors Fixationstechniken von körpereigenen Kniebeugersehnen-Transplantaten biomechanisch überprüfte. Ziel war es, eventuelle Veränderungen festzustellen, die aus zwei Lokalisationen und drei Fixationstechniken am Schienbein (Tibia) resultieren könnten. Die Änderungen waren zum einen in der Kinematik des rekonstruierten Knies, zum anderen, bei unterschiedlicher Belastung, im Hinblick auf die In-situ-Kräfte im Transplantat zu erwarten. Als Fixationstechniken wählte man eine gelenkferne Fixation mit einer Klammer, eine gelenknahe, anatomische Interferenzschraubenfixation und eine gelenknahe, anatomische Cross Pin-Fixation mit zwei bioresorbierbaren Pins, die senkrecht durch die Transplantatstränge geführt werden.
 
 
Realisation / Lösung
 
Prüfen der Fixation von Kreuzbandimplantaten
Prüfen der Fixation von Kreuzbandimplantaten

Hinsichtlich der Untersuchungen der Kniekinematik und der In-Situ-Kräfte gestattet die Kombination aus sechsachsigem Knickarmroboter und universalem Kraft-Momenten-Sensor einen direkten Vergleich aller drei Fixationstechniken in derselben Knieprobe. Folglich wird die zwischen verschiedenen Individuen auftretende Variabilität umgangen und der Aufwand spürbar reduziert. Außerdem lassen sich die Ergebnisse mit dem biomechanischen Verhalten des intakten Knies vergleichen, dessen Bewegungen der Roboter, der mit hoher Wiederholgenauigkeit und Flexibilität arbeitet, ebenfalls nachstellen kann. Der Roboter, der in der Lage ist, die fünf Freiheitsgrade in der Bewegung des Knies wiederzugeben, führte die biomechanischen Untersuchungen der Beugesehnentransplantate an Schweineknien durch. Er bewegte die Knie über eine Aufnahmevorrichtung. Da der universale Kraft-Momenten-Sensor, der drei orthogonale Kräfte und Momente messen kann, die bei den Bewegungen auftretenden Kräfte registrierte und die Daten über einen Feed-back-Regelkreis an den Roboter zurücksandte, war dieser imstande, sich sowohl positions- als auch kraftgesteuert in verschiedenen Freiheitsgraden zu bewegen.

 

In der positionskontrollierten Einstellung fuhr der Roboter nach einer Bandersatzoperation dieselben Positionen wieder exakt an, um die In-situ-Kräfte zu ermitteln. Weil die Bewegungen des zu prüfenden Gelenkes vor dem Durchtrennen des vorderen Kreuzbandes und nach dem Einsetzen eines Transplantats identisch waren, konnte das Prinzip der Superposition angewandt werden, bei dem man jeweils nur einen der zu untersuchenden Faktoren verändert. Anhand dieses Prinzips ließ sich die Vektordifferenz der Kräfte und somit die In-situ-Kraft im vorderen Kreuzband feststellen. Im kraftkontrollierten Modus wird dagegen ein Datensatz an Gelenkkräften und Momenten vorgegeben und die sich daraus ergebende Bewegung über das Koordinatensystem der Software aufgezeichnet. Da das System in diesem Modus identische äußere Gelenkkräfte und Momente auf ein Knie im intakten und im durchtrennten Zustand aufbringen kann, ließ sich der Unterschied in der Kinematik zwischen den beiden Zuständen bestimmen und vergleichen.
 
 
Systemkomponenten / Auftragsumfang
 

  • KUKA-Roboter KR 125
  • PC-basierende KUKA-Robotersteuerung einschließlich Control Panel mit vertrauter Windows-Oberfläche
  • universaler Kraft-Momenten-Sensor
  • zwei Aluminiumzylinder als Aufnahmevorrichtung, in die die Knie beidseitig mit Knochenzement eingegossen wurden. Der tibiale Zylinder war mit dem Endeffektor des Roboters und dem universalen Kraft-Momenten-Sensor verbunden. Den femoralen Zylinder hatte man am Fuß des Roboters mit einer Klammer befestigt.
  • Roboterprogrammierung
  • Inbetriebnahme
 
 
Ergebnis/Erfolg
 

  • Natürliche Kniekinematik lässt sich mit beiden Verfahren wieder herstellen

    Die Lokalisation der Transplantatfixation am Schienbein hatte erhebliche Auswirkungen auf die Stabilität des Knies und die In-situ-Kräfte des Kniesehnentransplantats. Die beiden gelenknahen Fixationstechniken entwickelten In-situ-Kräfte, die denen des natürlichen vorderen Kreuzbandes sehr nahe kamen, und sie gewährleisteten eine höhere Stabilität des Knies als die gelenkferne Technik. Es gab jedoch keine bedeutsame Abweichung zwischen den beiden gelenknahen, anatomischen Techniken mit Cross Pins und Interferenzschrauben.

    Demzufolge ist sowohl die Kinematik in der primären Stabilisation als auch die anfängliche Fixationsfestigkeit bei einem Einsatz der doppelten Cross Pin-Technik vergleichbar mit dem der Interferenzschraubenfixation. Die Steifigkeit ist ähnlich der des natürlichen vorderen Kreuzbandes. Daher stellt die anatomische Kniesehnentransplantatfixation am Schienbein mit zwei bioresorbierbaren Pins eine Alternative zur anatomischen Interferenzschraubenfixation dar. Das heißt, die natürliche Kniekinematik lässt sich mit beiden Verfahren wieder herstellen.


  • Effiziente Kombination aus Knickarmroboter und Kraft-Momenten-Sensor

    Darüber hinaus zeigte die Studie auch, dass die Kombination aus Knickarmroboter und Kraft-Momenten-Sensor optimal geeignet ist, derartige Forschungen durchzuführen. Deshalb dürften die sechsachsigen Knickarmroboter noch mehr Einsatzfelder für biomechanische Überprüfungen finden. Denkbar sind Untersuchungen an der Schulter, am Sprunggelenk und an der Wirbelsäule. Aus wirtschaftlicher Sicht ist es vorstellbar, diese Technologie für den Test von Implantaten, wie Endoprothesen, zu nutzen.
 
 
 
 
 
Nummer des Berichtes
 
R 233
 
Branche
 
Medizintechnik, Feinmechanik
Forschung, Ausbildung
Krankenhaus
 
Anwendung
 
Handling & be,-entladen
Messen, Testen und Prüfen
 
Produkt
 
Roboter
Hohe Traglast (80-270 kg)
Steuerung
KR C (Robot Controller)
 
Kunde
 
Klinik für Orthopädie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Deutschland
 

 
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