Instrumentierung von Osteosyntheseimplantaten zum Monitoring der Knochenheilung durch Messung der relativen Fraktursteifigkeit und der elektrischen Impedanz : Entwicklung eines mechanischen Prototyps, In-vitro-Testungen und regulatorische Anforderungen
Creators: name: Barth, Tobias
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2024
Subjects: subject: Fracture Monitoring
subject: Impedance
subject: Instrumented Implant
subject: Fracture Healing
subject: Regulatory
subject: Strain Gauge
classificationCode: 6
subject: Technology::616: Deseases
classificationCode: 6
subject: Technology::617: Surgery, Regional Medicine, Dentistry, Ophthalmology, Otology, Audiology
classificationCode: 6
subject: Technology::621: Applied Physics::621.3: Electrical Engineering, Electronic Engineering::621.38: Electronics, Communications Engineering
classificationCode: 6
subject: Technology::620: Engineering::620.1: Engineering Mechanics and Materials Science

description: Diseases and injuries of the musculoskeletal system are of enormous social and economic importance. They are the main cause of chronic pain and mobility limitations worldwide. Fragility fractures are a main contributor to mortality, morbidity, and diminished quality of life in elderly people. Occurring costs and the burden will continue to rise in the future due to demographic and epidemiological shifts. The purpose of this dissertation is to develop an osteosynthesis implant that is able to track the healing progress after a fracture. This will aim for individualized healing tracking and the detection of early signs of complications. To achieve this objective, three tasks are defined: the design and development of a prototype, the verification of its function and a regulatory strategy to make the developed technology accessible. To be able to verify the results of the healing progress during the treatment, two different sensor technologies are used: mechanical strain sensors and electrical impedance measurements. Besides the continuous verification, both sensors combined lead to unique advantages through synergetic effects which eradicates and compensates specific weaknesses in stand-alone configuration, e. g., limitation at tracking of the healing directly after the operation (strain gauge) and detecting the load capacity (impedance). Based on requirements derived from literature, a prototype design was iteratively developed which is fabricated out of two materials – PEEK and titanium – that are both used widely in medical applications. The electronic components including electrodes and an area for the microchip described within the outlook were embedded in a medical epoxy. Generated computer aided design (CAD) data sets were used to investigate the impact of the design and material changes in comparison to a standard osteosynthesis plate among four different load cases (bending, torsion, axial load and a combined load). It was shown that bending has the most powerful impact on the osteosynthesis plate, followed by torsion and combined load, respectively. The yield strength of the titanium osteosynthesis plate is not exceeded in any of the load cases while it is exceeded for all load cases of the PEEK osteosynthesis plate expect the axial load. The in-vitro testing for verification was performed on a pig femur. Three different tissue types were used inside the fracture gap for simulation of fracture healing: blood (haematoma), cartilage (granulation tissue) and bone (healed status). Using a four-terminal approach allows the presentation of valid experimental results for low-frequency domains (0.1-10 kHz) additionally to typically used higher frequency domains. It was shown that all investigated types of tissue are distinguishable. A beta- and, based on the four-terminal approach, an alpha-dispersion is detected. Thus, in-vivo monitoring of the healing progress as well as distinction of changes of ionic concentrations seems possible with the developed prototype. Furthermore, equivalent electrical circuits were designed and simulated with LTSpice for investigation of influencing factors and verification of the results. Based on the experimental results, it can be shown that the diameter of the measured area is a major factor for influencing the output and assumedly varies based on the tissue composition. Moreover, the experimental results show that the sensors of the prototype work together synergistically and that the mechanical load has a minor impact on the measured impedance. Finally, regulatory pathways for commercialisation of innovative medical products are explored and described in relation to the different stakeholders, e. g. hospitals, research institutions or medical device manufacturers. A regulatory strategy was derived from an analysis of the European legal framework and different required documents were created based on the developed prototype and stakeholder.
description: Erkrankungen und Verletzungen des Muskel-Skelett-Systems sind von enormer sozialer und wirtschaftlicher Bedeutung. Sie sind weltweit die Hauptursache für chronische Schmerzen und Mobilitätseinschränkungen. Fragilitätsfrakturen sind eine der Hauptursachen für Mortalität, Morbidität und verminderter Lebensqualität bei älteren Menschen. Die entstehenden Kosten und Belastung werden in Zukunft aufgrund der demografischen und epidemiologischen Veränderungen weiter steigen. Ziel dieser Dissertation ist ein Osteosynthese-Implantat zu entwickeln, das in der Lage ist, den Heilungsfortschritt nach einer Fraktur zu monitoren. Dies soll eine individuelle Heilungsverfolgung und die Erkennung von frühen Anzeichen von Komplikationen ermöglichen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden drei Aufgaben definiert: das Design und die Entwicklung eines Prototyps, die Überprüfung seiner Funktion und eine Zulassungsstrategie, um die entwickelte Technologie zugänglich zu machen. Um die Ergebnisse des Heilungsfortschritts während der Behandlung überprüfen zu können, werden zwei verschiedene Sensortechnologien eingesetzt: mechanische Dehnungssensoren und elektrische Impedanzmessungen. Neben der kontinuierlichen Verifizierung ergeben sich durch die Kombination beider Sensoren einzigartige Vorteile durch Synergieeffekte, die spezifische Schwächen in der Stand-Alone-Konfiguration, z. B. die Einschränkung bei der Verfolgung des Heilungsverlaufs direkt nach der Operation (Dehnungsmessstreifen) und bei der Erfassung der Belastbarkeit (Impedanz), kompensieren. Auf der Grundlage der aus der Literatur abgeleiteten Anforderungen wurde iterativ ein Prototyp entwickelt, der aus zwei Materialien - PEEK und Titan - hergestellt wird, die beide in der Medizintechnik weit verbreitet sind. Die elektronischen Komponenten, einschließlich der Elektroden und eines Bereichs für den im Ausblick beschriebenen Mikrochip, wurden in ein medizinisches Epoxidharz eingebettet. Anhand von CAD-Datensätzen wurden die Auswirkungen der Design- und Materialänderungen im Vergleich zu einer Standard-Osteosyntheseplatte in vier verschiedenen Belastungsfällen (Biegung, Torsion, axiale Belastung und eine kombinierte Belastung) untersucht. Es zeigte sich, dass die Biegung die stärkste Auswirkung auf die Osteosyntheseplatte hat, gefolgt von der Torsion bzw. der kombinierten Belastung. Die Streckgrenze der Titan-Osteosyntheseplatte wird in keinem der Belastungsfälle überschritten, während sie für alle Belastungsfälle der PEEK-Osteosyntheseplatte überschritten wird, mit Ausnahme der axialen Belastung. Die In-vitro-Tests zur Überprüfung wurden an einem Schweineoberschenkel durchgeführt. Für die Simulation der Frakturheilung wurden drei verschiedene Gewebetypen innerhalb des Frakturspalts verwendet: Blut (Hämatom), Knorpel (Granulationsgewebe) und Knochen (geheilter Zustand). Die Vierleitermessung ermöglicht die Darstellung valider experimenteller Ergebnisse in niederfrequenten Bereichen (0,1-10 kHz) zusätzlich zu den typischerweise verwendeten höherfrequenten Bereichen. Es wurde gezeigt, dass alle untersuchten Gewebetypen unterscheidbar sind. Es wird eine Beta- und eine Alpha-Dispersion nachgewiesen. Somit scheint eine in-vivo-Überwachung des Heilungsfortschritts mit dem entwickelten Prototyp möglich. Zur Untersuchung von Einflussfaktoren und zur Verifizierung der Ergebnisse wurden zudem elektrische Ersatzschaltungen entworfen und mit LTSpice simuliert. Anhand der experimentellen Ergebnisse kann gezeigt werden, dass der Durchmesser der Messfläche ein wesentlicher Einflussfaktor für die Ergebnisse ist und vermutlich je nach Gewebezusammensetzung variiert. Darüber hinaus zeigen die experimentellen Ergebnisse, dass die Sensoren des Prototyps synergetisch zusammenarbeiten und dass die mechanische Belastung einen geringen Einfluss auf die gemessene Impedanz hat. Abschließend werden die regulatorischen Wege für die Kommerzialisierung innovativer Medizinprodukte untersucht und in Bezug auf die verschiedenen Interessengruppen, z. B. Krankenhäuser, Forschungseinrichtungen oder Hersteller von Medizinprodukten, beschrieben. Aus einer Analyse des europäischen Rechtsrahmens wurde eine Regulierungsstrategie abgeleitet, und auf der Grundlage des entwickelten Prototyps und der Interessenvertreter wurden verschiedene erforderliche Dokumente erstellt.