Volume 52, Issue 4

In functional electrical stimulation (FES) the dynamics of tetanic muscle contractions is often described by the fusion frequency (FF), as determined by palpation: contractions elicited by stimulation frequencies above the FF appear smooth. To contribute to a more objective assessment of this important FES parameter, we have developed a dedicated signal analysis method based on fast Fourier transformation (FFT). The ripple to peak ratio ( R rpFFT ) – the relation between ripple amplitude and peak force value of a recorded tetanic muscle force in relation to the applied stimulation frequency – was determined automatically by analysing a 0.2-s interval in the steady state of a stimulation burst. The method was tested on simulated data and on force recordings from isolated tibialis anterior muscles of six rabbits. The results were compared to manual estimates. The robustness of the method was tested by adding noise and hum. Simulated noise at 100% of the ripple force increased R rpFFT by 4%. Hum at 20 Hz away from the stimulation frequency caused changes of less than 0.5%. The results of the automated analysis of recorded signals matched the manual estimates sufficiently well, especially for stimulation frequencies near or above FF. R rpFFT therefore seems suitable for automated, objective and robust assessment of the ripple and the FF of electrically stimulated muscle. Zusammenfassung In der funktionellen Elektrostimulation (FES) werden die dynamischen Eigenschaften von tetanisch kontrahierenden Muskeln oft durch die „Fusionsfrequenz” (FF) angegeben, die durch manuelles Tasten bestimmt wird: Kontraktionen bei Stimulationsfrequenzen oberhalb der FF erscheinen „glatt”. Um zu einer objektiveren Bestimmung dieses wichtigen FES-Parameters beizutragen, haben wir eine Signalanalysemethode entwickelt, die auf der Fast Fourier Transformation (FFT) basiert. Die „Ripple-to-Peak Ratio” ( R rpFFT ) – das Verhältnis zwischen der Amplitude der Welligkeit und des Maximums eines Kraftsignals, bei tetanischer Kontraktion, bei einer bestimmten Stimulationsfrequenz – wurde automatisch aus einem 0,2 s langen Signalsegment einer Stimulationssequenz bestimmt. Die Methode wurde an simulierten Signalen und an Kraftmessungen von isolierten Tibialis anterior-Muskeln von 6 Kaninchen getestet und mit manuellen Bewertungen verglichen. Die Robustheit der Methode wurde durch hinzugefügtes Rauschen und Brummen untersucht. Simuliertes Rauschen, in der Höhe der Welligkeit, vergrößerte die R rpFFT um 4%. Brummen, 20 Hz neben der Stimulationsfrequenz, veränderte die R rpFFT um weniger als 0.5%. Die Ergebnisse aus der automatischen Analyse der gemessenen Signale waren mit den manuellen Bewertungen gut vergleichbar, insbesondere bei Stimulationsfrequenzen in der Nähe oder oberhalb der FF. Die automatisch bestimmte R rpFFT scheint daher, als objektive und robuste Methode, für die Messung der Welligkeit und der FF bei elektrisch stimuliertem Muskel sehr gut geeignet zu sein.

In clinical diagnostics, ultrasonographic contrast-agent imaging gives access to medical parameters such as perfusion and vascularization. In addition to the artifacts that are typical for ultrasonic imaging, e.g., speckle noise and depth-dependent sensitivity and resolution, contrast-agent imaging shows more pronounced depth dependence and may suffer from shadowing artifacts that arise from high attenuation of the ultrasound waves by the contrast agent at high concentrations. By imaging an object from different viewing angles in one 2D image plane and summing the images obtained (spatial compounding), image quality can be increased and artifacts can be suppressed. In the present study, we combined both techniques to overcome the limitations of contrast-agent imaging. We used a commercially available ultrasound scanner and a custom-made high-precision mechanical system to rotate the ultrasound transducer fully around the object under investigation. Using this set-up, ultrasound data were acquired in reflection mode to generate a 360° compound scan of a flow-mimicking phantom supplied with contrast agent. Zusammenfassung Im Rahmen der klinischen Diagnostik ermöglicht die kontrastmittelgestützte Ultraschallabbildung die Auswertung von Parametern wie Perfusion und Vaskularisierung. Neben den in Ultraschallbildern typischen Artefakten (erzeugt durch z.B. Speckle-Rauschen, Tiefenabhängigkeit, Auflösung etc.) wird die kontrastmittelspezifische Ultraschallabbildung zusätzlich durch eine stärkere Tiefenabhängigkeit des Empfangsechos und durch Abschattungseffekte aufgrund hoher Kontrastmittelkonzentrationen beeinträchtigt. Wird ein Objekt in einer Ebene aus verschiedenen Richtungen mit Ultraschall aufgenommen und die resultierenden Bilder geometrisch richtig überlagert (sog. Spatial Compounding), können die Bildqualität verbessert und Artefakte reduziert werden. In der vorliegenden Arbeit wurden beide Techniken kombiniert, um die genannten Einschränkungen der kontrastmittelgestützten Ultraschallabbildung zu überwinden. Es wurde ein handelsübliches Ultraschallgerät mit einem speziell angefertigten mechanischen Applikator kombiniert, um einen Schallwandler vollständig um ein zu beobachtendes Objekt zu rotieren. Mit diesem Aufbau wurden Ultraschalldaten im Puls-Echo-Betrieb aufgenommen und ein 360°-Spatial-Compound-Bild eines mit Kontrastmittel versorgten Flussphantoms generiert.

Optical topometric 3D sensors such as laser scanners and fringe projection systems allow detailed digital acquisition of human body surfaces. For many medical applications, however, not only the current shape is important, but also its changes, e.g., in the course of surgical treatment. In such cases, time delays of several months between subsequent measurements frequently occur. A modular 3D coordinate measuring system based on the fringe projection technique is presented that allows 3D coordinate acquisition including calibrated color information, as well as the detection and visualization of deviations between subsequent measurements. In addition, parameters describing the symmetry of body structures are determined. The quantitative results of the analysis may be used as a basis for objective documentation of surgical therapy. The system is designed in a modular way, and thus, depending on the object of investigation, two or three cameras with different capabilities in terms of resolution and color reproduction can be utilized to optimize the set-up. Zusammenfassung Optische 3D-Koordinatenmesssysteme wie Laserscanner oder Streifenprojektionsgeräte ermöglichen eine berührungs- und strahlenbelastungsfreie detaillierte Erfassung von Körperoberflächen, etwa für Anwendungen in der Medizin. Für viele Fragestellungen ist allerdings nicht nur der aktuelle Zustand von Bedeutung, sondern auch die Verfolgung von Form- und Farbänderungen etwa im Verlauf von Behandlungen. Dabei können durchaus mehrere Monate zwischen den einzelnen Aufnahmen liegen. In diesem Beitrag wird ein auf einem modularen Konzept beruhendes 3D-Messsystem auf der Basis der Streifenprojektionstechnik vorgestellt, das insbesondere für die Erfassung verschiedener Körperoberflächen unter Einbeziehung der Farbinformation flexibel konfiguriert werden kann. Dabei lassen sich durch Verwendung standardisierter Schnittstellen sowohl die Anzahl als auch die Charakteristika der Kameras wie Auflösung und Farbfähigkeit dem jeweiligen Messproblem anpassen. Mit der für die Datenauswertung entwickelten Software lassen sich Veränderungen zwischen einzelnen Messungen – beispielsweise zur Erfassung prä- und postoperativer Zustände oder eines Heilungsverlaufs – quantifizieren sowie Aussagen hinsichtlich der Symmetrieeigenschaften, z.B. des Gesichts, machen.

Magnetic resonance (MR) imaging is becoming increasingly important in the study of foot biomechanics. Specific devices have been constructed to load and position the foot while the subject is lying supine in the scanner. The present study examines the efficacy of such a newly developed device in replicating tarsal kinematics seen during the more commonly studied standing loading conditions. The results showed that although knee flexion and the externally applied load were carefully controlled, subtalar and talo-navicular joint rotations while lying during MR imaging and when standing (measured opto-electrically with markers attached to intracortical pins) did not match, nor were they systematically shifted. Thus, the proposed MR protocol cannot replicate tarsal kinematics seen during upright standing. It is concluded that specific foot loading conditions have to be considered when tarsal kinematics are evaluated. Improved replication of tarsal kinematics in different postures should comprehensively consider muscle activity, a fixed hip position, and a well-defined point of load application. Zusammenfassung Die Magnetresonanz- (MR) Tomographie gewinnt in der Fußbiomechanik immer mehr an Bedeutung. Um den Fuß positionieren und belasten zu können, während der Proband rücklings im Tomographen liegt, wurden spezifische Aufbauten konstruiert. Die vorliegende Studie prüft die Effektivität eines derartigen, neu entwickelten Aufbaus hinsichtlich der Imitation der tarsalen Kinematik, die sich unter den üblicherweise untersuchten stehenden Bedingungen ergibt. Die Ergebnisse zeigten, dass trotz sorgfältiger Kontrolle der Knieflexion und der äußeren Last die Rotationen des unteren Sprunggelenks sowie talo-navikularen Gelenks während dem Liegen im MR-Tomo-graphen nicht mit denen während des Stehens (opto-elektrisch gemessen anhand von im Knochen fixierten Drähten) übereinstimmen, wobei die Ergebnisse auch nicht systematisch verschoben sind. Das vorgeschlagene MR-Verfahren ist daher nicht in der Lage, die tarsale Kinematik während des Stehens abzubilden. Folglich sind bei Betrachtungen der tarsalen Kinematik die spezifischen Belastungen des Fußes zu bedenken. Eine verbesserte Imitation der tarsalen Kinematik in verschiedenen Körperhaltungen sollte sorgfältig die Aktivität der Muskulatur, eine fixierte Hüfte sowie einen exakt definierten Kraftangriffspunkt berücksichtigen.

Wear of ultra-high-molecular-weight polyethylene (UHM-WPE) inlays is associated with aseptic loosening in total knee replacement (TKR). The aim of this study was to investigate the in vitro performance of a TKR system that combines several measures to decrease UHMWPE wear. Tests were carried out on a BPK-S Integration system (R&D, P. Brehm Chirurgie-Mechanik, Weisendorf, Germany) according to ISO 14243-1 in a knee joint simulator. Calf serum with a high protein concentration of 30 g/l was chosen as the test lubricant. PE wear was measured gravimetrically. Particle analysis was performed by scanning electron microscopy, with measurement of particle size and shape. Low mean wear rates of 1.20 mg per million cycles were found for the fixed bearing type and 2.47 mg per million cycles for the rotating-platform bearing design. Anteroposterior deflection was low. The contact areas for both types of bearings were large and showed a constant pattern throughout the test. Backside wear was obvious on rotating platforms. Particle analysis revealed equally sized and round-shaped particles in both types of bearings (fixed, 0.35 μm; mobile, 0.32 μm). In conclusion, the combination of design features and surface modifications of the BPK-S integration TKR system leads to low gravimetric UHMWPE wear. Zusammenfassung Abrieb von Ultra-High-Molecular-Weight Polyethylen (UHMWPE) gilt als eine der wesentlichen Ursachen für die aseptische Lockerung von Knieendoprothesen. Das Ziel dieser Studie ist es, das Abriebverhalten eines Knieendoprothesensystems zu untersuchen, welches verschiedene Ansätze zur Abriebsminimierung vereint. Getestet wurde das BPK-S Integration-System der Firma R&D, P. Brehm Chirurgie-Mechanik (Weisendorf, Germany), gemäß ISO 14243-1, in einem Kniesimulator. Es wurde Kälberserum mit einer erhöhten Proteinkonzentration von 30 g/l eingesetzt. Der PE-Abrieb wurde gravimetrisch bestimmt. Die Abriebpartikel wurden mittels Elektronenmikroskopie nach deren Form und Größe analysiert. Es fanden sich insgesamt geringe Abriebraten von 1,2 mg pro 1 Mio. Zyklen beim „fixed bearing”- und 2,47 mg pro 1 Mio. Zyklen beim „mobile bearing”-System. Die a.-p.-Auslenkung war gering. Die femorotibialen Kontaktflächen zeigten bei beiden ultrakongruenten Systemen keine wesentliche Veränderung über den Prüfungszeitraum. An den Inlays des „mobile bearing”-Systems fanden sich Zeichen des „backside wear”. Die Partikelanalyse zeigte vergleichbar große, überwiegend runde Abriebpartikel („fixed”, 0,35 μm; „mobile”, 0,32 μm). Zusammenfassend fand sich als Folge der Oberflächenbehandlung und des Designs des BPK-S Integration-Systems ein sehr geringer gravimetrischer Abrieb im Vergleich zu Angaben über andere, ebenfalls nach ISO 14243-1 gemessene Kniesysteme.

The femoral components of total knee replacements are generally made of metal. In contrast, ceramic femoral components promise improved tribological and allergological properties. However, ceramic components present a risk of failure as a result of stress peaks. Stress peaks can be minimised through adequate implant design, proper material composition and optimum force transmission between bone and implant. Thus, the quality of the implant fixation is a crucial factor. The objective of the present study was to analyse the influence of the cement layer thickness on stress states in the ceramic femoral component and in the femur. Two- and three-dimensional finite element analyses of an artificial knee joint with cement layers of different thickness and with an unbalanced cement layer thickness between the ceramic femoral component and the femur were performed. Higher stress regions occurred in the area of force transmission and in the median plane. The maximum calculated stresses were below the accepted tensile strength. Stresses were found to be lower for cement layer thickness of <2.0 mm.

For young active dogs of large, fast-growing breeds, diseases of the elbow represent an increasingly important disorder. Genetic predisposition, overweight and joint overload have been proposed as possible causes of elbow dysplasia. In this study, the influence of various biomechanical parameters on load transfer in healthy and pathological dog elbows has been analysed by means of a two-dimensional finite element model. Pathological changes in the elbow structure, such as altered material properties or asynchronous bone growth, have a distinct influence on the contact pressure in joint articulation, internal bone deformation and stresses in the bones. The results obtained support empirical observations made during years of experience and offer explanations for clinical findings that are not yet well understood.