DE202009002316U1

DE202009002316U1 - Hardware in the Loop (HiL)-Gelenksimulator für dynamische Analysen von Endoprothesen

Info

Publication number: DE202009002316U1
Application number: DE200920002316
Authority: DE
Original assignee: Bader Rainer Pd Drmed Dipl-Ing; DRYBA STEFFEN; Kluess Daniel Dr-Ing
Current assignee: Bader Rainer Pd Drmed Dipl-Ing; DRYBA STEFFEN; Kluess Daniel Dr-Ing
Priority date: 2009-02-18
Filing date: 2009-02-18
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2019-02-19

Abstract

Hardware in the Loop (HiL)-Simulator für Endoprothesen, dadurch gekennzeichnet, dass luxationsassozierte und andere Bewegungen von Gelenken im menschlichen Körper mit Hilfe eines mindestens zweiachsigen Roboters (1), gesteuert durch einen numerischen Simulationsrechner (2), in einem offenen oder geschlossenen Regelkreis ausgeführt und unter dynamischen Gesichtspunkten analysiert werden können.

Description

Der endoprothetische Ersatz von Gelenken im menschlichen Körper (z. B. Hüfte, Knie und Schulter) ist eine anerkannte und weit verbreitete Methode zur Therapie von alters-, krankheits- und unfallbedingten Defekten und zur Wiederherstellung des Bewegungsumfanges dieser Gelenke.
Die langfristige Funktionstüchtigkeit einer solchen Endoprothese stellt nicht nur hohe Anforderungen an das Implantat, sondern auch an den operierenden Orthopäden bzw. Unfallchirurg. Speziell die Positionierung der einzelnen Komponenten im menschlichen Körper relativ zueinander hat großen Einfluss auf den wiedererlangten Bewegungsumfang im Gelenk und auf die Lebensdauer der Endoprothese. Eine der häufigsten Komplikationen, die postoperativ auftreten können, ist die Dislokation und die Luxation, d. h. die Separation der Gleitpartner bis zum vollständigen Ausrenken des künstlichen Gelenkes. Mangelnde Stabilität der Endoprothese und insuffiziente Muskulatur- und Bandstrukturen sind einige der Hauptursachen für die Dislokation/Luxation.
Gegenstand der Erfindung ist ein Hardware in the Loop (HiL)-Gelenksimulator zur präoperativen Testung von Endoprothesen (z. B. für Hüfte, Knie und Schulter) welcher insbesondere für die Untersuchung luxationsrelevanter Bewegungsabläufe eingesetzt werden kann. Mit diesem Simulator soll das Verhalten von Endoprothesen bis hin zur Luxation sowohl in Bezug auf die Kinematik als auch auf die Dynamik nachgebildet werden.
Wesentliches Konzept der Erfindung ist die Verwendung einer Hardware in the Loop-Simulation. Bei einer HiL-Simulation wird das Verhalten einer Systemkomponente in einer auf einem Prozessrechner simulierten Umgebung untersucht. Die reale Systemkomponente und der Prozessrechner mit dem Simulationsmodell bilden einen Regelkreis. Die HiL-Simulation hat insbesondere dann Vorteile, wenn die Versuche in der realen Umgebung, wie im vorliegenden Fall der Luxation von Endoprothesen, am Patienten nicht durchführbar sind. Bei dem HiL-Gelenksimulator bildet die Endoprothese die reale Systemkomponente der HiL-Simulation, welche durch einen kraftgeregelten Roboter als Aktorsystem bewegt und belastet wird. Die Dynamik der physiologischen Bewegung, die Weichteilvorspannungen und die Muskelkräfte werden durch ein biomechanisches Mehrkörpermodell berechnet. Das Mehrkörpermodell und der Roboter mit der Endoprothese stehen im geschlossenen Regelkreis in ständiger gegenseitiger Wechselwirkung.
Die wesentlichen Bestandteile des HiL-Gelenksimulators sind, wie in 1 dargestellt, der Simulationsrechner (2), der als Aktuator dienende Roboter (1) mit Kraft- und Positionssensorik (3), die Endoprothese (4 & 5) als physische Systemkomponente und der statische Lastrahmen zur Fixation (6).
Für den Versuch wird eine der Implantatkomponenten im Lastrahmen fixiert, während die korrespondierende Komponente am Endeffektor des Roboters montiert wird. Während eines Versuches arbeitet der Simulationsrechner den zu untersuchende Bewegungsablauf schrittweise ab. Berechnet werden Bewegungsinkremente in den freien Richtungen des Gelenks und Reaktionskräfte in den gesperrten Richtungen des Gelenks. Diese Größen werden vom Roboter auf die bewegte Komponente der Endoprothese aufgeprägt. Hierdurch führt die bewegte Komponente der Endoprothese die Bewegung in den freien Richtungen des Gelenks aus und belastet die feststehende Komponente mit der berechneten Reaktionskraft. Die simulationsgesteuerte Bewegungsführung erlaubt dabei grundsätzlich alle Bewegungen, so dass der gesamte Bewegungsumfang des künstlichen Gelenkes untersucht werden kann. Während der Bewegung erfasst die Kraftsensorik des Roboters die an der Prothese auftretenden Kräfte in den freien Richtungen des Gelenks, z. B. Reibungs- oder Kontaktkräfte bei einer Luxation. Diese Kräfte werden an das biomechanische Simulationsmodell zurück übertragen, um sie bei der Berechnung des nächsten Bewegungsinkrements berücksichtigen zu können. Können die vom Roboter in den gesperrten Richtungen des Gelenks ausgeübten Reaktionskräfte durch den feststehenden Teil der Prothese nicht mehr aufgenommen werden, tritt eine Verlagerung des bewegten Teils der Prothese in den ursprünglich gesperrten Richtungen des Gelenks ein. Diese Verlagerung wird durch die Positionssensorik des Roboters erfasst, an die biomechanische Simulation zurück übertragen und ebenfalls bei der Berechnung des nächsten Bewegungsinkrements berücksichtigt.
Der HiL-Gelenksimulator ermöglicht einen Vergleich von verschiedenen Implantaten unter reproduzierbaren Bedingungen. Er ermöglicht damit eine Bewertung von handelsüblichen Endoprothesen hinsichtlich ihrer Luxationssicherheit und dem erreichbaren Bewegungsumfang. Weiterhin kann durch eine experimentelle Evaluierung der für die Luxationssicherheit maßgeblichen Parameter, wie Implantatdesign, Implantatposition, Halslänge, Offset, Weichteilverhältnisse und Belastungssituation, die Luxationsstabilität von zukünftigen Endoprothesen erhöht werden. Bei der Herstellung des Zugangs für die Implantation eines künstlichen Gelenks ist ein Entfernen bzw. Beschädigen von Weichteilgewebe oft unvermeidbar. Der Einfluss, den ein Entfernen bzw. Beschädigen bestimmter Muskeln/Weichteile auf die Luxationssicherheit hat, kann mit dem Hil-Gelenksimulator bestimmt werden, um somit den Chirurgen bei der Festlegung einer optimalen Strategie für den operativen Zugang zu unterstützen.

1: Roboter
2: Simulationsrechner
3: Mehrachsige Messvorrichtung für Kräfte und Momente
4: Implantat-Komponente (beweglich)
5: Implantat-Komponente (starr)
6: Lastrahmen mit Aufnahme für Implantat-Komponente (5)
7: Stellgrössen der Simulation
8: Messgrössen

Claims

Hardware in the Loop (HiL)-Simulator für Endoprothesen, dadurch gekennzeichnet, dass luxationsassozierte und andere Bewegungen von Gelenken im menschlichen Körper mit Hilfe eines mindestens zweiachsigen Roboters (1), gesteuert durch einen numerischen Simulationsrechner (2), in einem offenen oder geschlossenen Regelkreis ausgeführt und unter dynamischen Gesichtspunkten analysiert werden können.
HiL-Simulator, dadurch gekennzeichnet, dass Teile einer zu testenden Endoprothese (4 & 5) mechanisch am Roboter (1) und am Lastrahmen (6) fixiert werden.
HiL-Simulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Simulation vorgegebenen Stellgrössen (7) durch eine ein- oder mehrachsige Messvorrichtung für Kräften und/oder Momenten (3) bzw. zur Bestimmung der Roboterposition ermittelt und zur Steuerung und Regelung des Roboters verarbeitet werden.
HiL-Simulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch eine ein- oder mehrachsige Messvorrichtung für Kräfte und/oder Momente bzw. zur Bestimmung der Roboterposition ermittelten Messgrössen (8), im Fall des geschlossenen Regelkreise, wieder an die numerisch Simulation (2) übertragen und in diese integriert werden.
HiL-Simulator nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der volle physiologische dreidimensionale Bewegungsumfang des zu untersuchenden Gelenks in Echtzeit, oder auch verlangsamt, abgefahren werden kann und die numerisch ermittelten Kräfte im vollen Umfang oder skaliert wirken.