Előszó
Eredeti közlemények
A térdprotézisek fejlesztése folyamatos napjainkban. Ennek célja elsősorban az, hogy a beültetett protézis az eredeti ízületi mozgást hozza létre. De milyen az emberi ízület által vezérelt mozgás? Ismert, hogy a térd behajlítása során rotáció és abductió is létrejön. Ezek közül a mozgás stabilitása szempontjából a flexio-rotácio függvénykapcsolat ismerete a leglényegesebb. Az irodalomban bemutatott vizsgálati eredmények sokasága rendkívüli különbözőségeket mutat. Jelen cikk az átlagos emberi térdízület által létrehozott ezen függvénykapcsolat, az ún. célfüggvény létrehozását mutatja be. Ez azért fontos, mert ez teszi lehetővé a különböző protézisek jóságának megítélését és a protézisgeometria javítását is.
The development of knee prostheses is ongoing today. The original joint movement has to be created by the implanted prosthesis. This is the primary intent. But what is human-joint-driven motion? It is known that rotation and abduction are created during knee bending. From these, the knowledge of the flexio-rotation function is the most important for the stability of motion. The multitude of test results are presented in the literature shows extreme differences. This article describes the creation of the so-called objective function created by the normal human knee joint. This is important because it makes it possible to evaluate the goodness of different prostheses and improve the prosthesis geometry.
A térdízület flexiós tengelyének a pontos meghatározása mind a mozgáselemzések, mind a protézis beültetések szempontjából kiemelten fontos, ugyanakkor a rendelkezésre álló flexiós tengely meghatározási módszerek sokszor pontatlanok, nem reprodukálhatók. Célunk volt egy megbízható tengelymeghatározási módszer megalkotása, valamint ennek a különöböző módszerekkel való összehasonlítása relevancia és reprodukálhatóság szempontjából. A femur condylusok hátulsó gördülő felszínein alapuló flexiós tengely meghatározási módszer, a transcylindrikus tengely (TCA) képes lehet a bizonytalan transepicondylaris tengely (TEA), hátulsó condyláris vonal (PCL) és Whiteside vonal (WHL) helyett egy pontosabb támpontot nyújtani a térdprotézis rotációs beállításra vonatkozóan. A modellkísérlet során ezen tengely 4° alatti hibával volt meghatározható, szemben a PCL és TEA 7°-ot, WHL 16°-ot is meghaladó hibájával.
The precise determination of the knee joint flexion axis is crucial for both kinematic analysis and prosthesis implantation. However current methods for flexion axis determination are inaccurate and irreproducible. Our goal was to create a reliable method for determining the flexion axis and to compare it with different methods for relevance and reproducibility. The flexon axis determination method based on the posterior surfaces of the femoral condyles, the transcylindrical axis (TCA) may be able to provide a more accurate basis for the rotation setting of the knee prosthesis instead of the uncertain transepicondylar axis (TEA), the posterior condylar line (PCL) and the Whiteside line (WHL). In the model experiment, this axis had a variability under 4°, compared with PCL and TEA 7°, WHL exceeding 16°.
E tanulmány célja, humán ízületek véges szögelfordulás tengelye helyzetének és orientációjának meghatározására alkalmas közelítő módszer bemutatása. Humán ízületekben a transzlációs mozgáskomponensek kevésbé dominánsak a rotációs mozgáskomponensekhez viszonyítva. Ezért, ha a szögelfordulás tengelyének helyzete és orientációja a meghatározandó, a transzlációs mozgáskomponensek biztonsággal elhanyagolhatóak. Az adatok gyűjtéséhez a Polaris optikai helyzet-meghatározó rendszert alkalmaztuk. A helyzet érzékelőket mereven rögzítettük minden egyes cadaver testrészhez annak érdekében, hogy a testrészek közötti szögelfordulás tengelye helyzetét és irányítottságát minél pontosabban meghatározzuk. A szenzor által rögzített adatok: a szenzorhoz kötött koordinátarendszer origójának három helyzetkoordinátája az abszolút koordináta- rendszerben, valamint a koordinátarendszerek közötti három Euler-szög. Példaként a módszer bemutatásra kerül egy emberi térdízületen.
The aim of this paper is to present an approximate method for determining the position and orientation of the axis of finite rotation with regard to human joints. In human joints the translational motion components are less dominant compared to rotational motion components. For this reason, if the position and orientation of the axis of rotation have to be determined, the translational motion components can be safely neglected. For data acquisition, Polaris optical tracking system was used. Sensors were secured rigidly to each body parts of the cadaver specimen in order to determine accurately the position and orientation of the axis of rotation between body segments. The data was recorded by each sensor: three position components of the origin of reference frame, secured to the sensor in the absolute coordinate system, and three Euler-angles between the reference frame and the absolute coordinate system. As an example, the method is presented on a human knee joint.
Jelen cikk célkitűzése, hogy egy, a teljes felszínpótló protézisek rotáció-flexió mozgásának vizsgálatához kifejlesztett mérési és minősítési módszert mutasson be. A tanulmány kronológiai sorrendben részletezi a protézisvizsgáló készülék fejlesztését, Krakovits Professzor úr témafelvetésétől egészen a napjainkban is üzemelő berendezés bemutatásáig. A vizsgálókészülék fejlesztése során a kiindulási paraméter a kutatócsoport által egészséges emberi térdízületre meghatározott mozgásfüggvény volt, amelyet úgynevezett célfüggvénynek1 nevezünk. A készülék a vizsgálandó térdprotézis mozgatását egy léptetőmotorral hajtja végre, a létrejövő rotáció-flexió értékeket (protézis geometria által generált) pedig inkrementális forgásjeladókkal rögzíti. A protézisvizsgáló készüléket egybeépítettük a kutatócsoportunk által fejlesztett cadaver vizsgáló készülékkel,2 ezáltal a cadaver és protézis mérési eredmények nagyfokúan összehasonlíthatóak. A másik fő cél annak bemutatása, hogy a teljes felszínpótló térdprotézisek3 (TKR) beültetési protokolljában4 az egyes protézis komponensekre megszabott beültetési pozíciók milyen hatást gyakorolnak a rotáció-flexió mozgásfüggvényre. A protézis vizsgálataink során egyedül a behajlító erőt vezéreljük, a protézis geometria és a beültetési paraméterek által létrehozott mozgásokat a készülék nem korlátozza. Méréseinket 0-120°-os flexiós tartományban, a quadriceps erő rögzítése mellett végeztük. Bebizonyítottuk, hogy azonos TKR geometria mellett az egyes beültetési paraméterek változtatása jelentősen befolyásolhatja a létrejövő kinematikát. A gyártók által javasolt optimális beültetési értékeket megvizsgáltuk, és matematikai háttérrel alátámasztottuk azokat.
The main goal of this study is to present a measuring and qualification method which is developed to examine the rotation-flexion movement on total knee prostheses. The article chronologically presents the development of the knee prostheses examination machine. It starts form the topic suggestion form Professor Krakovits to the presentation of the nowadays still working machine. During the development of the knee prostheses test machine the start parameter was the motion function of the healthy human knee joint. We named it as a so called reference function.1 The machine performs the movement of the knee prosthesis under the examination with a stepper motor and records the rotation-flexion results (made by the prosthesis geometry) with incremental rotary encoders. We integrated the prosthesis test machine to the cadaver test rig2 which was made by our research team, therefore the cadaver and the prosthesis measurements are highly comparable. The second main goal is to demonstrate the effect of the installation parameters to the TKR-s3 rotation-flexion movement which are defined in the knee prosthesis implantation protocol.4 During our prosthesis tests we are controlling only the bending force. The geometry of the prosthesis and the implantation parameters creates the movements which are not limited by the device. Our measurements were performed in a flexion range of 0-120° where the flexion force is recorded. We demonstrated that under the same TKR geometry the change of the individual implantation parameters can significantly influence the outcome kinematics. We examined the optimal implantation parameters which are recommended by the manufacturers and we supported them with a mathematical background.
A kopás olyan mechanikai faktor, amely az térdízületi implantátumok élettartamát legjelentősebben befolyásolja. Implantátumok esetében a kopás vizsgálatához különböző berendezésekkel (pin-on-disc, térd szimulátor) kísérleteket végeznek, amely kísérletekben több paraméter mellett, állandó csúszva-gördülési tényezőt alkalmaznak. Az utóbbi években megjelent cikkek alapján, több szerző cáfolja azt az állítást, hogy az állandó csúszva-gördülési tényező megfelelő lenne a modellezésnél. Ez a térdízület kapcsolódó geometriájának bonyolultságával indokolható, ami miatt a lokális kinematika is túl komplexé válik az ilyen egyszerű feltétel alkalmazhatóságához. Ebben a tanulmányban, a csúszva-gördülés változásának hatását kívánjuk bemutatni egy jól ismert mechanikai kopás modellen, az ún. Archard modellen. A modell által kimutathatóvá válik, hogy a kopás a korábbi eredményekkel ellentétben, 10% túlbecsült a 0 és 60 behajlítási fok közé eső tartományban, járás során, míg 65% alulbecsült a 0-120 behajlítási fok közé eső tartományban, guggolás során.
Wear is considered the main mechanical factor that limits the lifetime duration of total knee replacements (TKRs). Among several parameters during wear experiments, constant slide-roll ratio (S/R ratio) is frequently applied during pin-on-disc tests and knee simulators. However, several papers showed that the idea of constant S/R ratio is not a proper approach if TKR wear is modelled due to the complex geometry. In this study, the significant effect of S/R on wear is demonstrated by involving a flexion angle dependent S/R ratio into Archard’s law during gait and squat motion. By including this new parameter, it is demonstrated that the earlier models with constant S/R ratio overestimated wear by approximately 10% from 0 to 60 degree of flexion angle during gait, while underestimated it by approximately 65% from 0 to 120 degree of flexion angle during squat.
A térdprotéziseknek számos követelménynek meg kell felelniük, amelyek a szilárdsági, funkcionális, gyárthatósági, tartóssági és kompatibilitási szempontok. A gyártóknak ezeket a – sokszor egymásnak ellentmondó – feltételeket kell kielégíteni. A fejlesztés alapja a megfelelő geometria kiválasztása, amelyben az eredeti térdgeometriát nem lehet alapul venni, mert olyan bonyolultságú, annyi elemből álló és olyan anyagtulajdonságú protézis nem gyártható. Ezért a protézisek a valós térdnél egyszerűbbek, a mozgást két egymáson elmozduló elemmel biztosítják.1 A megfelelő geometria kiválasztása kulcsfontosságú, mert a tibia mozgását ezen két elem felületével kell biztosítani. A mozgást ismertnek feltételezzük (mérhető), és keressük az ezt létrehozó felületeket. Az ilyen jellegű problémák megoldására jól alkalmazható az evolúciós algoritmus valamelyik típusa. A munkánk során kidolgoztunk egy eljárást, amely genetikus algoritmus segítségével a térdprotézisek, mint egyedek „virtuális tenyésztését” teszi lehetővé. A tenyésztést bármelyik tulajdonság fejlesztésének céljából elvégezhetjük, jelen tanulmányban az említett mozgásfüggvény ismeretéből indulunk ki.
The knee prostheses have to meet lots of requirements, which are: strength, function, manufacturability, durability and compatibility. The manufacturers have to meet with these - often contradictory conditions. The basis for the development of knee prosthesis is the choice of the appropriate geometry. The original human knee geometry cannot be taken as a base for the prosthesis development because a prosthesis with so complexity, so many components and materials cannot be manufactured. Therefore the prostheses are simpler than the real knee joint. They can realize the movement with two on each other movable components.1 The movement of the tibia must be ensured by the two prosthesis components therefore it is really important to choose the right geometry. We are hypothesizing the motion (measurable) and we are looking for the surfaces that create it. For those tasks to solve one of the evolutional algorithm types is a good choice. During our work we elaborated a process that allows the „virtual breeding” of knee prostheses as individuals with the use of genetically algorithm. The breeding can be carried out for the development for either of the properties. In this study we are starting from the knowledge of the so called motion function.
Traumatic brain injuries (TBIs) contribute to a high degree of mortality and morbidity in society. From engineering point of view, the human brain can be considered as a mechanical system which is subjected to extreme effects, since every type of TBIs are derived from the large magnitude of mechanical loads. Impact biomechanics deals with the prevention of injuries via the suitable design of safety systems. It requires the quantification of limit values of the mechanical effects that humans can tolerate. The goal of this paper is twofold. Firstly, it contains a brief literature review where some of the most important milestones and major conclusions of previous researches are mentioned. Secondly, it presents a proposal about the applicability of reliability analysis to assess the vulnerability of the human brain.
Történet