Aufbau und Kalibrierung eines Multivektor-Mess-Distraktors

Abstract

Durch Distraktionsverfahren lassen sich Fehlbildungen und -stellungen von Knochen behandeln, indem der Knochen durchtrennt und in vorgegebenen Zeitintervallen in die korrekte Position gedrückt wird.<br />Durch die Bewegung wird das, die Trennstelle überbrückende, knorpelige Gewebe (Kallus), zu weiterem Wachstum angeregt und so in die gewünschte Form gebracht. Nach erfolgter Distraktion bleiben die distrahierten Knochenstücke gegeneinander fixiert und der Kallus wird zu Knochengewebe umgebildet.<br />Distraktionsverfahren für den Unterkiefer haben sich, vor allem auf Grund ihres großen Potenzials in der Behandlung von diversen Wachstumsstörungen bei Kindern und Jugendlichen, in den letzten 20 Jahren rasant entwickelt. Aktuell ist eine Vielzahl von Distraktoren unter-schiedlicher Bauart verfügbar.<br />Es wurden zwei externe, multidirektionale Distraktoren der Firma Synthes zu einem Messsystem ausgebaut, mit dem die während der Behandlung auftretenden Belastungen bestimmt werden können. Dazu wurden an jedem Distraktor 8 Dehnmessstreifen (DMS) angebracht, welche an 4 definierten Messpunkten die wirksamen Biegemomente aufnehmen. Für den mechanischen Schutz der DMS und der erforderlichen Elektronik mussten spezielle Gehäuse entworfen werden.<br />Passend zu den Mess-Distraktoren wurde ein Messprogramm entwickelt, das die Datenerfassung in der Klinik durch den behandelnden Arzt oder zu Hause durch die Eltern oder Betreuer eines Patienten auf einfache Weise ermöglicht. Mit Hilfe dieses Programms wurde die Kalibrierung der Messbrücken durch das Aufbringen von Biegespannungen mit bekannten Gewichten durchgeführt.<br />Zusätzlich zum Messsystem wurde ein bereits existierendes Finte-Elemente-Balkenmodell von einem ersten Prototypen so verändert, dass es aus den vom Messprogramm gelieferten Daten automatisch ein der Realität entsprechendes Modell des Mess-Distraktors erstellt und die entstehenden Belastungen parallel berechnet. Dadurch ist ein einfacher Vergleich zwischen Berechnung und Realität möglich. Außerdem können auf diese Weise Rückschlüsse auf die tatsächlich vorhandenen Kraft- und Momentenverläufe gemacht werden, die direkt von den Messsignalen der am Mess-Distraktor applizierten DMS nicht möglich sind.<br />Das veränderte Modell wurde durch das Aufbringen einer Distraktion an einem, an den Spitzen der Kirschnerdrähte fixierten, Mess-Distraktor validiert.<br />

Distraction osteogenesis is one way to treat deformities and malposition of bones by dividing the diseased bone and, in defined time intervals, pulling the parts from each other into correct position.<br />Stimulated by the applied movement, callus tissue bridging the bone gap grows and thereby is modelled into the desired shape. Provided that the bone fragments stay rigidly fixed against each other after the distraction phase, the callus tissue is replaced by bone tissue.<br />Especially due to their high potential in treating different disturbances of growth of infants and young adults, distraction procedures for the mandible have developed rapidly in the last 20 years.<br />Today, there is a multitude of different systems available.<br />Two external, multivector distraction devices designed by Synthes were upgraded to a complete measuring system which allows the taking of measurements during the whole treatment period.<br />Therefore, each distraction device was supplied with 8 strain gages fixed at 4 measuring points as well as necessary electronics and specially designed housings.<br />Moreover, a measuring program was developed, allowing the medical scientist as well as untrained persons in charge to take measurements, both in a clinical environment and/or at home.<br />This program was also used for the calibration of the measuring bridges.<br />Therefore, the corresponding parts of the distraction devices were loaded with known weights, leading to bending moments at the measuring points.<br />Additionally to the measuring system, an existing finite-element-beam-model of a first prototype was modified to create a model of the original measuring system out of data provided by the measuring program. In this way, the effective loads can be calculated parallel to a measurement, allowing the comparison of real life and calculated data. Furthermore, the model can supply forces and bending moments, which the measuring system can't provide directly.<br />The modified model was validated by applying a distraction at the otherwise fixed distraction device.<br />