Naslov Identifying alterations at the bone-implant-interface of experimental joint replacement prostheses models by means of new ultrasonic measurement methods
Naslov (hrvatski) Identificiranje promjena na spoju kost-implantat eksperimentalnih modela nadomjesnih zglobnih proteza pomoću novih ultrazvučnih metoda mjerenja
Autor Antonia Friedrich
Mentor Johannes Brachmann (mentor)
Član povjerenstva Georg Heinrich Breuer (predsjednik povjerenstva)
Član povjerenstva Marino Vilović (član povjerenstva)
Član povjerenstva Iris Jerončić Tomić (član povjerenstva)
Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj Sveučilište u Splitu Medicinski fakultet Split
Datum i država obrane 2023-09-08, Hrvatska
Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana BIOMEDICINA I ZDRAVSTVO Kliničke medicinske znanosti Ortopedija
Sažetak Objectives: This study aimed to evaluate the feasibility of ultrasound as a noninvasive method to characterize bone to implant alterations. Our goal was to show that ultrasonic sensors allow identification of gaps at a much smaller size than conventional radiological methods, thereby enabling early detection of loosened implanted endoprostheses.
Materials and methods: First, two idealized three layer systems, a cylindrical aluminium-water-aluminium system and a planar bone-water-metal system, were examined. Finally, the same measurements were carried out with a realistic three
layer bone-water-implant system.
In all of these three layer system measurements a transducer (C 384-SU, Olympus)
that generated ultrasonic signals controlled by a function generator (Agilent 33521A)
was used. The transmitted signal was fed to an oscilloscope (Teledyne LeCroy
WaveRunner 604Zi) and a multiplexer. The multiplexer, developed at the Institute
of Sensor and Actuator Technology (ISAT), separated the transmit signal from the
receive signal to ensure accurate voltage measurements. Finally, the signals were
transmitted to a computer via a network interface for further processing.
Results: The measurement methods of this experimental study were applied to
idealized test setups as well as a realistic bone-implant system.
Before performing tests on a bone-implant setup, the developed measurement
procedure was secured by careful validation. Idealized test systems (a cylindrical
three layer system composed of aluminium-water-aluminium and a planar three
layer system composed of bone- water-metal) were used to ensure the accuracy and
reliability of the procedure. Water was used as an intermediate medium as its
properties are similar to those of demineralized tissue types in the human body.
The water-based test systems showed remarkable comparability with human tissue,
resulting in accurate results that were transferable to the realistic implant setup.
In the cylindrical setup, the varied interlayer thickness ranged from 0.0 to 1.0 mm,
while in the planar setup the range was from 0.0 to 2.0 mm. A third more realistic
system, a bone-implant system, was examined, in which the same measurements as
with the previous two idealized systems were performed. The range of determined
layer thicknesses extended from 210 m to 1519 m, thus covering almost the entire
range from below 500 m to about 2 mm.
The suitability of the measurement method for curved surfaces was successfully
demonstrated. The precise measurements performed on realistic materials and
curved surfaces met the requirements for potential applications and confirmed the
48 practical usefulness of the method.
Conclusion: The developed method for measuring the bone-implant interface was
tested using simplified test systems in the range of 200 ţm to 2 mm and then
extended to more realistic bone-implant systems with distances from 200 ţm to 1.6
mm. The method was also validated for heterogeneous permeable materials with
uneven surfaces, as found in clinical bone-implant systems. The results allow similar
measurements on practical bone-implant systems that include soft tissues such as fat,
muscle, and skin. Future studies could use the algorithm to characterize interlayer
properties and detect biofilm formation. Further improvements to the analytical
model and data processing are needed to minimize systematic inaccuracies.
Sažetak (hrvatski) Ciljevi: Ovo je istraživanje imalo za cilj procijeniti izvedivost ultrazvuka kao neinvazivne metode za karakterizaciju promjena kosti na implantatu. Naš je cilj bio
pokazati da ultrazvučni senzori omogućuju identifikaciju praznina puno manje veličine
od konvencionalnih radioloških metoda, čime se omogućuje rano otkrivanje olabavljenih
ugrađenih endoproteza.
Materijali i metode: Najprije su ispitana dva idealizirana troslojna sustava, cilindrični sustav aluminij-voda-aluminij i planarni sustav kost-voda-metal. Konačno, ista
su mjerenja provedena s realističnim troslojnim sustavom kost-voda-implantat.
U svim ovim mjerenjima troslojnog sustava korišten je pretvarač (C 384-SU, Olympus) koji je generirao ultrazvučne signale kojima upravlja funkcijski generator (Agilent 33521A). Odaslani signal je stavljen na osciloskop (Teledyne LeCroy WaveRunner 604Zi) i multiplekser. Multiplekser, razvijen na Institutu za tehnologiju senzora
i aktuatora (ISAT), odvojio je prijenosni signal od prijemnog signala kako bi osigurao točna mjerenja napona. Na kraju su signali proslijeđeni na računalo putem mrežnog
sučelja za daljnju obradu.
Rezultati: Metode mjerenja ove eksperimentalne studije primijenjene su na idealizirane ispitne postavke kao i na realističan sustav kosti i implantata. Prije izvođenja
testova na postavu koštanog implantata, razvijeni postupak mjerenja osiguran je
pažljivom validacijom. Idealizirani testni sustavi (cilindrični troslojni sustav sastavljen
od aluminij-voda-aluminij i planarni troslojni sustav sastavljen od kost-voda-metal)
korišteni su kako bi se osigurala točnost i pouzdanost postupka. Voda je korištena
kao međumedij jer su njezina svojstva slična onima demineraliziranih vrsta tkiva u
ljudskom tijelu. Testni sustavi na bazi vode pokazali su izvanrednu usporedivost
s ljudskim tkivom, to je rezultiralo točnim rezultatima koji su se mogli prenijeti na
realističnu postavu implantata.
U cilindričnom postavu, različita debljina međusloja kretala se od 0,0 do 1,0 mm,
dok je u planarnom postavu raspon bio od 0,0 do 2,0 mm. Ispitivan je treći realističniji sustav, sustav kost-implantat, u kojem su provedena ista mjerenja kao i kod
prethodna dva idealizirana sustava. Raspon utvrđenih debljina slojeva protezao se od
210 m do 1519 m, pokrivajući tako gotovo cijeli raspon od ispod 500 m do oko 2 mm.
Uspješno je dokazana prikladnost metode mjerenja za zakrivljene površine. Precizna
mjerenja provedena na realnim materijalima i zakrivljenim površinama ispunila su
zahtjeve za potencijalne primjene i potvrdila praktičnu korisnost metode.
Zaključci: Razvijena metoda za mjerenje sučelja kosti i implantata testirana je
korištenjem pojednostavljenih testnih sustava u rasponu od 200 ţm do 2 mm, a
zatim proširena na realističnije sustave kosti i implantata s udaljenostima od 200 ţm
do 1,6 mm. Metoda je također potvrđena za heterogene propusne materijale s neravnim
površinama, kao što je pronađeno u kliničkim sustavima kosti i implantata. Rezultati
omogućuju slična mjerenja na praktičnim sustavima koštanih implantata koji uključuju
meka tkiva poput masti, mišića i kože. Buduće studije mogle bi koristiti algoritam
za karakterizaciju svojstava međuslojeva i otkrivanje stvaranja biofilma. Potrebna su
daljnja pobošljanja analitičkog modela i obrade podataka kako bi se sustavne netočnosti
svele na minimum.
Ključne riječi
joint replacement
prosthesis loosening
ultrasound
Ključne riječi (hrvatski)
zamjena zglobova
otpuštanje proteze
ultrazvuk
Jezik engleski
URN:NBN urn:nbn:hr:171:733444
Studijski program Naziv: Medicina na engleskom jeziku Vrsta studija: sveučilišni Stupanj studija: integrirani preddiplomski i diplomski Akademski / stručni naziv: doktor/doktorica medicine (dr. med.)
Vrsta resursa Tekst
Način izrade datoteke Izvorno digitalna
Prava pristupa Otvoreni pristup
Uvjeti korištenja
Datum i vrijeme pohrane 2023-09-13 12:25:52