Computed tomography based talocrural joint motion capture for patient-specific external fixator design

Thumbnail Image

Files

urn100497.pdf (3.33 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2011

Department

Tietoliikenne- ja tietoverkkotekniikan laitos

Major/Subject

Lääketieteellinen tekniikka

Mcode

Tfy-99

Degree programme

Language

en

Pages

[8] + 50 + [2]

Series

Abstract

Pilon-murtumat ovat vaikeita, välitöntä ortopedistä hoitoa vaativia nilkan traumoja. Trauman jälkeen nilkka on tuettava, mutta ravintoaineiden ja veren virtauksen parantamiseksi nilkan olisi suotavaa saada liikkua kontrolloidusti, esimerkiksi yhden akselin ympäri. Tätä varten on kehitetty kääntyviä, ulkoisia nilkkatukia. Ainetta lisäävän valmistuksen keinoin on mahdollista luoda jokaiselle potilaalle yksilöllinen tuki, joka seuraa potilaan nilkan luonnollista liikerataa. Tätä varten on selvitettävä potilaan ylemmän nilkkanivelen kääntöakselin paikka sekä suunta eri vaiheissa nilkan koukistusta ja ojennusta. Tässä diplomityössä suunniteltiin ja toteutettiin tietokonetomografiaan perustuva mittausmenetelmä. Koehenkilöitä oli kaksi: ensimmäisen nilkka kuvattiin kartiokeila-TT-laitteella kolmessa asennossa (äärikoukistus, neutraali, ääriojennus), ja toisen viidessä (edellä mainitut asennot, sekä puolittainen koukistus ja puolittainen ojennus). Tämän jälkeen kuvista segmentoitiin sääriluu sekä telaluu. Kahden peräkkäisen asennon (ääriojennus-puolittainen ojennus, puolittainen ojennus-neutraali, jne.) luut kohdennettiin toistensa suhteen. Nämä kohdennukset tuottivat kaksi muunnosmatriisia, joiden avulla laskettiin liikkeen kunkin vaiheen kääntöakselin (finite helical axis, FHA) paikka sekä suunta. Menetelmä tuotti järkeviä tuloksia, joten lisäkehitystä suositellaan. Tekniikan oikea tarkkuus on selvitettävä esimerkiksi toistokokein, mutta näitä rajoittaa tietokonetomografiakuvaukseen liittyvä säderasitus.

Pilon fracture is a severe ankle trauma, which demands instant orthopedic treatment. After the trauma, the ankle needs to be shielded from load, but to maximize the flows of blood and nutrients, ankle should also be allowed to move in a controlled fashion, e.g. around one axis. External, rotating fixators exist for this purpose. Utilizing additive manufacturing techniques, a patient-specific fixator can be designed. It aims to mimic the natural range of motion, and thus minimize the motion resistance. Prior to the fixator fabrication, the location and orientation of the talocrural joint axis in different phases of the motion needs to be determined. In this thesis, a computed tomography based measurement method was developed and piloted. Two subjects were scanned with a cone-beam CT device: the first subject in three stances (full dorsiflexion, neutral, full plantarflexion), and the second one in five stances (aforementioned three, and in addition, half plantarflexion and half dorsiflexion). After this, the tibia and talus bones were segmented. The corresponding bones in two consecutive poses (full dorsiflexion-half dorsiflexion, half dorsiflexion-neutral, etc.) were registered in respect to each other. These registrations produced two transform matrices, which were used to calculate the finite helical axis (location and orientation) of each phase of the motion. The technique yielded sensible results, thus further development is recommended. The actual accuracy remains unknown, and needs to be determined e.g. by larger patient pool. This is complicated by the radiation burden involved with CT imaging.

Description

Supervisor

Koskelainen, Ari

Thesis advisor

Tuomi, Jukka

Keywords

talocrural joint, ankle fracture, rapid prototyping, additive manufacturing, computed tomography (CT), nilkkanivel, murtuma, pikavalmistus, ainetta lisäävä valmistus, tietokonetomografia (TT)

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201207022710

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC