Volume 53, Issue 6

A calculation method for flammability limits of gas phases with ethylene oxide in sterilisers was developed. Using the Software GasEq ® and the newly developed Makro “SterEx” for MS-Excel ® , flammability limits of mixtures with ethylene oxide, air and inert gases at temperatures between 20°C and 100°C and pressures between 0.4 bar and 1.0 bar can be calculated. This method can be used to easily determine safe operating conditions. The used semi-empirical model is based upon the assumption of constant flame temperature profiles at the flammability limits subject to the EO-concentration for different mixtures. To collect model parameters and to validate the model, several experiments with mixtures of ethylene oxide, nitrogen, carbon dioxide, water vapour and air were carried out to determine flammability limits. To simulate the structural conditions of sterilisers, the experiments were conducted in accordance to DIN EN 1839-B in a closed autoclave with temperatures and pressures relevant for sterilisation processes. The calculation of flammability limits of process gas mixtures with “SterEx” provides good agreement with flammability limits that were determined in experiments.

The integration of electronic devices into clothing to monitor biosignals is demonstrated with the integration of a 3-channel ECG device into a shirt. It is shown that several basic requirements concerning the electronic design must be fulfilled, exceeding the capabilities of conventional portable systems. The application of flexible connection and housing technologies is addressed in the present paper. Printed boards should be flexible enough to adapt to movements of the human body. Small size as well as water-resistant or even washable construction is required. Additional points concern replacing the disturbing loose cable connections with a more integrated solution. A long period of operation without recharging the battery, uploading the data or changing the electrodes has to be achieved. The system should feature an uninterrupted 7-day operation period known as 24/7-monitoring regime. Starting with its specification, the basic design of the prototype is presented. First investigations have shown the washability of the shirt together with the inserted electronics. Zusammenfassung Die Kleidungsintegration von Geräten zum Monitoring von Biosignalen wird anhand der Integration eines 3-Kanal-EKGs in ein Shirt dargestellt. Es zeigt sich, dass dabei grundlegende Anforderungen an die Gestaltung der Elektronik erfüllt werden müssen, die über die bisheriger portabler Systeme hinausgehen. Hier sind insbesondere die Nutzung einer flexiblen Aufbau- und Verbindungstechnik, welche sich an die Körperform anschmiegt und der Körperbewegung folgt, die geringe Bauhöhe und die feuchtigkeitsgeschützte bzw. sogar waschbare Ausführung gefordert. Ein weiterer Punkt bezieht sich auf den Verzicht auf störende Kabelverbindungen am Körper. Außerdem muss eine lange Betriebsdauer ohne Nachladung der Akkus, Übertragung aller gemessenen Daten oder Wechsel der Elektroden erreicht werden. Ein ununterbrochener 7-Tage-Betrieb, bekannt unter dem Schlagwort 24/7-Monitoring, wird angestrebt. Ausgehend von der Spezifikation wird die grundsätzliche Gestaltung der Prototypen dargestellt. Erste Untersuchungen haben die Waschbarkeit des Shirts zusammen mit der eingeknüpften Elektronik gezeigt.

Ultrasound examination is a valuable diagnostic tool in almost all medical disciplines. However, the results are highly dependent on the experience and performance of the individual examiner and the technical conditions of the examination. Since computed tomography (CT) is not affected by these factors, the combination of real-time ultrasound images and previously compiled CT scans with identical cross-sections displayed simultaneously during transcutaneous ultrasonography could be advantageous. To evaluate the practical applicability and reliability of CT-supported transcutaneous ultrasonography, we examined 10 patients with a Real-Time Virtual Sonography Unit using a previously compiled CT scan as a reference. The results were evaluated by 10 sonographers with different levels of experience. By using the 3-point registration method almost identical ultrasound and CT cross-sections were displayed throughout the examination. However, there was a constant lateral and height deviation of the CT image detected. The crucial point is the correct and reliable referencing of the real-time ultrasound. In conclusion, the CT-navigated ultrasound seems not yet complete for clinical applications. Although helpful for training purposes, it is not accurate enough yet to play a role in routine clinical diagnostic work up. Zusammenfassung Die Sonographie ist eine wertvolle diagnostische Methode in nahezu allen medizinischen Bereichen, jedoch hängen die Untersuchungsergebnisse stark von der Erfahrung und Ausführung sowie den Umständen der Untersuchung ab. Da die Computertomographie (CT) von diesen Faktoren unabhängig ist, wäre die gleichzeitige Darstellung identischer Schnittbilder von Echtzeitsonographie und zuvor erstellten CT-Bildern während der Ultraschalluntersuchung vorteilhaft. Um die praktische Anwendbarkeit und Verlässlichkeit des CT-navigierten Ultraschalls zu evaluieren, wurden 10 Patienten mit einer Realtime Virtual Sonography Unit untersucht, wobei eine zuvor erstellte Computertomographie als Referenzierung diente. Die Referenzierung von CT- und Ultraschallbild erfolgte mittels „Pair-Point“-Registrierung (3-Punkte-, 1-Punkt-, 1-Abschnitt-Registrierung). Die Auswertung wurde aufgrund der höchsten Genauigkeit auf die 3- Punkte-Registrierungsmethode beschränkt und die Ergebnisse von 10 Ultraschalluntersuchern bewertet. Mit der 3-Punkte-Registrierungsmethode konnten annähernd identische CT- und Ultraschallschnittbilder während der Untersuchung dargestellt werden, wobei sich eine konstante Seiten- und Höhenabweichung des CT-Schnittbildes zeigte. Für den klinischen Einsatz ist die genaue Übereinstimmung der Schnittbilder allerdings eine wesentliche Voraussetzung, die Referenzqualität ist daher von größter Bedeutung. Die CT-navigierte Sonographie erscheint noch nicht ausgereift für den Einsatz in der klinischen Routinediagnostik; obwohl für Trainingszwecke hilfreich, sind die Ergebnisse hierzu noch nicht akkurat genug.

The mechanical property of articular cartilage determines to a great extent the functionality of diarthrodial joints. Consequently, the early detection of mechanical and, thus, functional changes of cartilage is crucial for preventive measures to maintain the mobility and the quality of life of individuals. An alternative to conventional mechanical testing is the inverse finite element approach, enabling non-destructive testing of the tissue. We evaluated a method for the assessment of the equilibrium material properties of the patellar cartilage based on magnetic resonance imaging during patellofemoral compression. We performed ex vivo testing of two equine patellas with healthy cartilage, one with superficial defects, and one with synthetically degenerated cartilage to simulate a pre-osteoarthritic stage. Static compression with 400 N for 2 h resulted in morphological changes comparable to physiological in vivo deformations in humans. We observed a decrease of the equilibrium Young's modulus of the degenerated cartilage by -59%, which was in the range of the results from indentation (-74%) and confined compression tests (-58%). With the reported accuracy of magnetic resonance imaging and its reproducibility, the results indicate the potential to measure differences in Young's modulus with regard to cartilage degeneration and consequently to distinguish between healthy and pre-osteoarthritic cartilage. Zusammenfassung Die Funktionalität von diarthrodialen Gelenken wird in großem Maße von den mechanischen Eigenschaften des Gelenkknorpels bestimmt. Um die Mobilität und die Lebensqualität eines Menschen zu erhalten, ist es darum wichtig, frühzeitig Veränderungen der mechanischen Eigenschaften und somit der Funktionalität des Gelenkknorpels zu detektieren. Eine vielversprechende Alternative zu konventionellen mechanischen Tests bietet der inverse Finite-Elemente-Ansatz, mit dem zerstörungsfreies Prüfen des Gewebes ermöglicht wird. Wir haben diese Methode in Kombination mit der Magnetresonanztomographie während Kompressionstests an patellofemoralen Gelenken zur Beurteilung der mechanischen Eigenschaften von Gelenkknorpel evaluiert. Wir führten Ex-vivo -Tests an zwei Pferdekniescheiben mit gesundem Knorpel, einer mit defekter Knorpeloberfläche und einer mit künstlich degeneriertem Knorpel durch, um das präarthrotische Stadium zu simulieren. Statische Kompressionstests mit 400 N für 2 h führen zu ähnlichen morphologischen Veränderungen wie physiologische In-vivo -Deformationen beim Menschen. Wir beobachteten eine Abnahme des Young-Moduls beim degenerierten Knorpel um -59%, die in der Größenordnung der Ergebnisse aus den Indentationstests (-74%) und Kompressionstests (-58%) liegt. Diese Ergebnisse zeigen, dass aufgrund der Genauigkeit der Magnetresonanztomographie und der Reproduzierbarkeit diese Methode das Potenzial zur Ermittlung der Unterschiede des Young-Moduls hat, die mit der Degeneration von Knorpel einhergehen. Somit kann hiermit zwischen gesundem und präarthrotischem Knorpel unterschieden werden.

The precise positioning of microelectrodes is essential for a reliable electrophysiological exploration of anatomical structures in the brain of laboratory animals, e.g., non-human primates in systemic brain research. Despite recent advances in micromechanics, the majority of small, chronically head mounted devices for advancing and retracting electrodes in freely moving animals reported in the literature are manually operated. In this article, we present a newly developed lightweight microfeed, based on an ultrasonic actuator for micrometer positioning of recording microelectrodes. It has been designed for compatibility with magnetic resonance imaging to allow non-invasive visualization of chronically implanted electrodes. The actuator combines a teleoperation via infrared control to minimize manipulation of animals during neuroethological studies. Its design is believed to add substantially to the well-being of experimental animals. Zusammenfassung Die exakte Positionierung von Mikroelektroden ist von hoher Bedeutung für eine zuverlässige elektrophysiologische Erforschung anatomischer Strukturen im Hirn von Labortieren, wie z.B. nicht-humanen Primaten, in der systemischen Hirnforschung. Trotz neuerer Fortschritte in der Mikromechanik dominieren bei den eingesetzten kleinen, dauerhaft am Kopf montierten Geräten zum Vorschub bzw. Rückzug von Elektroden in frei beweglichen Tieren manuelle Vortriebe. In diesem Beitrag beschreiben wir einen neu entwickelten leichten Miniaturvorschub, basierend auf einem Ultraschallaktor zur mikrometergenauen Positionierung von Mikroelektroden. Der Aktor wurde für den Einsatz im Magnetresonanztomographen entworfen und soll die nicht-invasive Darstellung von chronisch implantierten Elektroden im Hirn ermöglichen. Die Steuerung des Vorschubs erfolgt über eine Infrarot-Schnittstelle, die den Einfluss auf die Tiere und deren Manipulation während der neuroethologischen Studien minimiert. Wir sind davon überzeugt, dass der vorgestellte Entwurf die Haltung von Labortieren verbessert.

The objective of this study was to examine the effects of low-intensity pulsed ultrasound treatment of murine fetal metatarsal (MT) bone anlagen in vitro . Metatarsal preparations of 17 mice fetuses stage 17.5 dpc were dissected en bloc and cultured for 7 days with and without low-intensity ultrasound stimulation. The total length of the metatarsal rudiments and the length of the calcified diaphysis were measured at days 1, 3, 5, and 7. After 7 days in culture, histological and histomorphometric analyses were performed. The increase in total length of the metatarsal bones and in length of the calcified diaphysis during in vitro culture was not affected by ultrasound treatment. Histological analysis of the MT preparations after 7 days of in vitro culture showed a healthy appearance of all specimens and revealed no differences in the general histological outcome between the stimulated and control groups. All histomorphometric parameters were unaffected by ultrasound stimulation, except for the length of the proximal hypertrophic zone which was significantly shorter in the stimulated bones compared to controls (p=0.043). Our results illustrate no stimulating effect of ultrasound treatment on endochondral ossification which may be based on different experimental conditions in comparison to other studies demonstrating a positive effect of sonication. Thus, ultrasonically induced stimulatory effects on endochondral ossification seem to be highly dependent on experimental conditions. Zusammenfassung Ziel dieser Studie war die Untersuchung der Wirkung von niedrig intensivem, gepulstem Ultraschall auf In-vitro -Kulturen fötaler muriner Metatarsalknochen (MT). Hierfür wurden die MT von 17 murinen Föten zum Zeitpunkt 17,5 Tage nach Empfängnis präpariert und für 7 Tage mit bzw. ohne Ultraschallbehandlung kultiviert. Die Gesamtlänge der MT sowie die Länge der kalzifizierten Diaphyse wurden am Tag 1, 3, 5 und 7 der Kultur gemessen. Nach 7-tägiger Kultivierungszeit erfolgte dann eine histologische und histomorphometrische Analyse der MT. Die MT zeigten während der gesamten Kultivierung ein Längenwachstum mit gleichzeitiger Zunahme der Länge der kalzifizierten Diaphyse, wobei kein Unterschied zwischen der stimulierten und der Kontrollgruppe dokumentiert werden konnte. Die histologische Analyse der MT nach 7 Tagen Kultivierung zeigte vitale Chondrozyten in den verschiedenen Phasen der enchondralen Knochenbildung. Die histomorphometrisch ausgewerteten Parameter zeigten bis auf die Länge der proximalen hypertrophen Zone keinen Unterschied zwischen der stimulierten und der Kontrollgruppe. Die proximale hypertrophe Zone war jedoch signifikant kürzer in der stimulierten Gruppe im Vergleich zur Kontrolle (p=0,043). In dieser Studie konnte kein stimulierender Effekt einer Ultraschallbehandlung auf die enchondrale Ossifikation nachgewiesen werden. Dies könnte auf Unterschieden im Versuchsaufbau im Vergleich zu anderen Studien basieren, in denen ein positiver Effekt der Ultraschallbehandlung gezeigt werden konnte. Durch Ultraschall induzierte stimulierende Effekte scheinen hochgradig von den experimentellen Bedingungen abhängig zu sein.

A partial resection of the lower jaw often has to be carried out in the context of the surgical removal of tumours in the lower jaw, mouth and tongue-floor space and lower jaw fractures with loss of substance, benign bone lesions and extensive difficult inflammation of bone tissue, respectively. The primary reconstruction of the lower jaw after partial resection with loss of continuity is mainly important for functional and aesthetic reasons. The defects of lower jaw continuity are often bridged with metal plates to reconstruct the masticatory function of the lower jaw, temporarily or permanently. Functional as well as aesthetic disadvantages arise in the case of the application of such plates as a result of a high stiffness jump between reconstruction plate and bone and their insufficiently individual design. The employment of biocompatible, carbon-fibre-reinforced Polyetheretherketon (CF-PEEK) permits the development of a geometry- and stiffness-adapted carrying structure for the mandible. For the demand-adapted dimensioning and the test of a CF-PEEK bandage, the application of optical methods, such as the grey value correlation method, is suited as well as numeric methods, such as the finite element method. In an initial analysis of deformation behaviour, the various osteosynthesis configurations are comparatively investigated on a model jaw. The calculations and tests of the lower jaw model show that the use of the new CF-PEEK bandage compared to the use of conventional titanium osteosynthesis plates shows a mechanical behaviour which is much better adapted to the natural lower jaw.

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