External mechatronic orthopaedic fixators-modelling, computer simulations and clinical experiences

This paper presents some selected issues of modelling and simulation of physical performance of the External Unilateral Mechatronic Orthopaedic Fixator-Bone (EUMOFB) system intended for treatment of shafts of long bones. The model structure includes both a nominal model of the system and a mathematical model design technique. The research inquiry has been limited to discrete models. While considering a clinic postulate of functional treatment of fractures, it has been introduced a stability concept in technical terms. A monitoring method for fracture healing process where both measures of bone union and heuristic techniques depending on artificial feedforward neural networks have been employed is presented too. The test readings were used to build fixators of a new generation. Some results obtained in environment of a clinic are also presented in this paper.Mechatroniczne ortopedyczne stabilizatory zewnętrzne - modelowanie, symulacja komputerowa i badania kliniczne. Artykuł prezentuje wybrane zagadnienia dotyczące modelowania i symulacji układu: mechatroniczny ortopedyczny unilateralny zewnętrzny stabilizator - kość, przeznaczonego do leczenia trzonów kości długich. Zaprezentowano model nominalny oraz odpowiadający mu model matematyczny, przy czym ograniczono się do modelu dyskretnego. Pokazano związek między klinicznym postulatem czynnościowego leczenia złamań, a pojęciem stateczności technicznej. W artykule zaprezentowano również metodę oceny zrostu kostnego z wykorzystaniem tzw. miar zrostu kostnego oraz metodę symulacji procesów zrostowych wykorzystującą technikę sztucznych sieci neuronowych. Analiza i badania posłużyły do budowy stabilizatora nowej generacji. W pracy przedstawiono również wybrane badania kliniczne

Wybrane zagadnienia mechaniki w projektowaniu ortopedycznych stabilizatorów zewnętrznych

The external osteosynthesis is one of the methods of healing bone fractures. The idea of external fixators design consists in inserting into the bone fragments elements, which are coupled outside the limb by an element, called the frame of the fixator, having the fracture set. The external fixation is based on the principle of "load transfer". The design of a new generation of external fixators ought to employ some methods of mechanical analysis. Selected problems related to the modelling and simulation of physical performance of the unilateral external mechatronic orthopaedic fixator-bone system are presented. The majority of works makes use of the rigid finite element method for analysing the rthopaedic devicebone system. The paper presents some problems regarding mechanics applied in the external osteosynthesis design.Stabilizacja zewnętrzna jest jedną z metod leczenia złamanych kończyn. Konstrukcja stabilizatorów zewnętrznych składa się z ramy nośnej umieszczonej po zewnętrznej stronie złamanej kończyny oraz wkrętów kostnych zamocowanych w odłamach złamanej kończyny i zablokowanych jednocześnie w ramie nośnej. Ideą konstrukcji stabilizatorów zewnętrznych jest "przenoszenie obciążenia" podczas procesu zrostu złamanych odłamów kostnych przez ramę nośną, a tym samym odciążenie szczeliny zrostu kostnego. W projektowaniu stabilizatorów nowej generacji wykorzystywane są wybrane zagadnienia mechaniki, które umożliwiają analizę układów biomechanicznych, takich jakim w prezentowanym artykule jest system stabilizator zewnętrzny-odłam kostny. Artykuł prezentuje zastosowanie wybranych zagadnień mechaniki w projektowaniu ortopedycznych stabilizatorów zewnętrznych nowej generacji

Gait diagnostics devices for people with implants

Gait is one of the splendid functions, which concerns every human being. The standard gait is perceived as precisely controlled activities, based on the periodically coordinated, recurrent leg and trunk (torso) movements, which provide the relocation of the human body from one place to another with the minimal waste of energy

Wpływ poszczególnych cech użytkownika na zużycie energii przez ortotycznego robota

While working on a system for verticalization and aiding the motion of the disabled, the problem emerged related to evaluation of the effect of individual traits of the users of the system on the obtained characteristics of the actuators. Studies that have been carried out so far were limited strictly to a case of an ordinary male. The traits of the user will significantly influence operation of the robot, therefore it was decided to carry out studies within a wide range of variability of the basic anthropometric traits. The paper presents a way of determining parameters, which were being changed during the studies, as well as a general structure of the simulation model. Then, a method of computing the energy consumed by the actuators is described, and results of the realized simulation experiments are presented.Podczas pracy nad systemem pionizacji i wspomagania ruchu osób niepełnosprawnych, pojawił się problem związany z oceną wpływu poszczególnych cech użytkowników systemu na uzyskane charakterystyki siłowników. Badania, które zostały przeprowadzone do tej pory były ściśle ograniczone do przypadku zwykłego mężczyzny. Cechy użytkownika znacząco wpływają na działania robota, dlatego zdecydowano się przeprowadzić badania w szerokim przedziale zmienności podstawowych cech antropometrycznych. Przedstawiono sposób określania parametrów, które były zmieniane w trakcie badań, a także ogólną strukturę modelu symulacyjnego. Następnie opisano metodę obliczania energii zużywanej przez siłowniki i przedstawiono wyniki zrealizowanych eksperymentów symulacji

Modeling of the hip belt of the System for Verticalization and Aiding Motion

W artykule opisano problem projektowania pasa biodrowego stanowiącego element składowy robota ortotycznego. Pas ten pełni istotną funkcję w mechanicznej strukturze systemu. Dla mechanizmów robota jest on ostoją, czyli zespołem zapewniającym stałe, wzajemne położenie elementów łańcuchów kinematycznych obu kończyn. Z tego względu musi on spełniać wymagania dużej sztywności i określonej wytrzymałości. Pas biodrowy służy ponadto do połączenia systemu z tułowiem użytkownika. W tym przypadku ważne są zasady ergonomii takie jak możliwość łatwego ubierania systemu i wygoda jego użytkowania. Wiąże się to z potrzebą wprowadzenia niezbędnych podatności i nieciągłości mechanicznych, które utrudniają osiągnięcie wymaganych charakterystyk wytrzymało-ściowych. Pogodzenie tych sprzeczności jest rolą konstruktora. Przeprowadzone badania wytrzymałościowe, wykorzystujące metodę elementów skończonych pozwoliły na wybranie konstrukcji pasa biodrowego, który przy spełnieniu podstawowych wymagań, umożliwił ograniczenie masy elementu.The paper describes a problem related to design of a hip belt, which is a member of an orthotic robot. The belt plays an important role in the mechanical structure of the system. It is a bearing frame for mechanisms of the robot, i.e. it is a unit that ensures a constant mutual position of the members of kinematic chains of both limbs. Because of this fact, it must satisfy requirements pertaining to high rigidity and appropriate mechanical strength. Besides, the hip belt serves also a purpose of connecting the system with the user’s trunk. In this case, the principles related to ergonomics are of utmost importance: it must be easy for the user to put on the system and to use it in a comfortable way. This is connected with a necessity of introducing indispensable mechanical compliances and discontinuities, which makes it difficult to obtain the required strength characteristics. To reconcile these contradictions is a task of the design engineer, who is expected to strike a happy medium. Studies related to the strength, using the finite element method, that were carried out, allowed one to choose a design of the hip belt, which made it possible to reduce the mass of this element and to meet the basic requirements at the same time

Experimental studies of the quality of embossed characters of the Braille alphabet

The paper presents studies pertaining to the quality of embossed characters of the Braille alphabet used, among other applications, for tagging drug labels. The following parameters of embossed inscriptions were measured: height, diameter of the dots and surface roughness (18 samples with various combinations of their values). 48 blind individuals assessed the quality of the printed text. Statistical analysis proved that a text with dots having height of 0.9 millimeter, diameter of 1.6 millimeters and roughness Ra of about 1 micrometer to be the best. The samples had been made using two different methods of rapid prototyping: PolyJet and SLS. 3D printing is increasingly popular and the studies proved the usefulness of these methods for labeling with embossed inscriptions, due to the repeatability, durability and quality they ensure. The assessing group of blind individuals was comprised of 24 persons 14–17 years old and other 24 persons aged over 60 who were not proficient in reading Braille alphabet, This allows to conclude that a text featuring the above values of the parameters will be easy to read for the majority of blind persons

Application of new materials in the external stabilisation systems

New civilisation and technology, especially the motor transport, causes a significant increase of fractures of the motion organs. There are many methods of fracture healing since tehy belong to the oldest group in the history of medicine. At present, the external osteosynthesis with application of external orthopaedic fixators is one of the most modern methods of healing bone fractures. There are still carried out studies on new designs and materials the external fixators are made of. The paper presents new designs and material solutions of external fixators for fixing bone fragments and looking for future

Measurements of selected biomechanical parameters during experimental studies of an implant-bone connection

Praca przedstawia jedną z metod badania osadzenia implantu w tkance kostnej. Opisano metodykę badań, dzięki której możliwa jest ocena jakości osadzenia implantu w tkance kostnej. W badaniach eksperymentalnych nowo poznawanych zjawisk kluczowe staje się odpowiednie dobranie aparatury pomiarowej. Poprawny dobór przyrządów pomiarowych pozwala na jednoznaczny opis badanego zjawiska lub obiektu.The paper presents one of the methods of testing an implant mounting within the osseous tissue. It describes a methodology of the studies, which makes it possible to evaluate quality of the implant mounting within the osseous tissue. In the case of experimental studies of new phenomena being just investigated, it is crucial to appropriately select the measurement equipment. A correct selection of the measuring instruments allows one to unequivocally describe the studied phenomenon or object. A specific character of biomechanical properties of bones makes it impossible to carry out experiments using universal measuring machines, what results in a necessity of building custom test stations as well as special measure-ment systems based on well-developed measurement applications. As far as the described method of testing is concerned, there can be distinguished the following three stages:- the first, including preparations of the objects for the studies,- the second, including carrying out of measurements using the objects that have been prepared beforehand,- the third, including analytical determination of numerical values of the studied parameters. At the first stage, a minimum of the sample should be prepared, using an osseous tissue taken from a closer shaft of a cow thigh bone. After a pretreatment of the bone, a fragment of the tested mandrel should be mounted within it. The test station for experimental studies of the mandrel mounting within the osseous tissue must ensure a possibility of a real-time recording of the related displacements and load forces. The experiment was repeated many times in order to minimize the scatter of the indications. Basing on the obtained results, mutual correlations of particular data were determined, e.g. displacements of the mandrel within the bone in relation to the applied load. The obtained results make it possible to specify what kind of dynamics of the load applying influences the osseous tissue reaction rate

Comparative studies of various methods of mounting the implant mandrel within the bone

The paper presents results of studies pertaining to evaluation of a quality (compressive strength of mounting the implant within the bone) of mounting the implant mandrel within the osseous tissue for various relevant techniques. The presented results are related to selected techniques of mounting the implant mandrel within a bone. The comparison has been carried out for cement-less mandrels with a smooth mandrel of the endoprosthesis, porous cementless endoprostheses as well as mandrels made of bioactive materials