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P. Finsterwalder:
"Aufbau und Kalibrierung eines Multivektor-Mess-Distraktors";
Supervisor: J. Wassermann; E325-4 Institut für Mechanik und Mechatronik, 2010; final examination: 2010-11-24.

Distraction osteogenesis is one way to treat deformities and malposition of bones by dividing
the diseased bone and, in defined time intervals (about 1mm per day), pulling the parts from
each other into correct position. 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.
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. Today, there is a multitude of different systems available.
The intention of this diploma thesis was to upgrade two external, multivector distraction devices
designed by Synthes, to a complete measuring system which allows the taking of measurements
during the whole treatment period.
Therefore, each distraction device was supplied with 8 strain gages fixed at 4 measuring
points as well as necessary electronics and specially designed housings.
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.
This program was also used for the calibration of the measuring bridges. Therefore, the corresponding
parts of the distraction devices were loaded with known weights, leading to bending
moments at the measuring points.
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.
The modified model was validated by applying a distraction at the otherwise fixed distraction
device.

Durch Distraktionsverfahren lassen sich Fehlbildungen und -stellungen von Knochen behandeln,
indem der Knochen durchtrennt und in vorgegebenen Zeitintervallen (ca. 1 mm pro Tag)
in die korrekte Position gedrückt wird. 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.
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 unterschiedlicher
Bauart verfügbar.
Ziel dieser Diplomarbeit war es, zwei externe, multidirektionale Distraktoren der Firma Synthes
zu einem Messsystem auszubauen, 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.
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.
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.
Das veränderte Modell wurde durch das Aufbringen einer Distraktion an einem, an den Spitzen
der Kirschnerdrähte fixierten, Mess-Distraktor validiert.

Distraktor, Distraktion, Unterkiefer, Biegemomente, distractor, distraction, mandible, bending moment

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_216972.pdf