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Fragestellung: Für die Therapie von Schultergelenken, die infolge des Hill-Sachs-Defekts chronisch luxieren werden verschiedene Operationstechniken eingesetzt, deren biomechanisches Verhalten bisher nicht vollständig erfasst ist. Um die Techniken zu bewerten und zu optimieren, ist es erforderlich, ihr Verhalten bei klinisch relevanten multiaxialen 3D Bewegungen zu untersuchen. Für derartige biomechanische Analysen werden vor allem Roboter eingesetzt. Mit den konventionellen Regelungskonzepten von kommerziellen robotischen Systemen ist es nicht möglich, die Luxation der Schulter abzubilden. Die Positionsregelung bringt durch die Annahme der unbekannten Bewegungsbahn des Präparats unerwünschte Zwangskräfte auf (Gilbertson). Die Kraftregelung ist infolge des nichtlinearen Kontaktverhaltens des Schultergelenks zu instabil (Bell). Um Operationstechniken bewerten zu können, ist zu klären, ob ein alternatives Regelungskonzept dazu in der Lage ist, die Luxation des glenohumeral Gelenkes nachzuahmen und wie sie anhand der Messgrößen detektiert werden kann.

Methodik: Ein Roboterarm (Stäubli RX90B) wird dazu verwendet in-vitro Präparate humaner Schultern zu untersuchen (n=10). Das hierfür verwendete neu entwickelte Regelungskonzept des Roboters kombiniert 2 konventionelle Ansätze zu einer hybriden Parallel-Regelung von Position und Kraft. Dadurch können durch den Roboter vorgegebene Bahnkurven nachgefahren werden und zugleich Kraftverläufe eingestellt werden. Vor der Durchführung des Luxationsversuchs wird die externe Rotation der Schulter (0 bis 60°, Abduktion 60°) durch einen erfahrenen Operateur manuell nachgestellt und mit einem Tracking-System aufgezeichnet. Die aufgenommene Bewegung des intakten Präparats dient als Referenz für die Wiederholung der Bewegung. Sie wird mit einer anterior gerichteten Luxationskraft (45 N) und einer Kompressionskraft (20 N) überlagert, die den Humeruskopf senkrecht in das Glenoid presst. Nachdem die Bewegung des intakten Präparats durch den Roboter wiederholt wurde, wird eine hinreichend große Hill-Sachs-Läsion generiert, welche die Luxation bei einem externen Rotationswinkel von 60° und einem Abduktionswinkel von 60° begünstigt (Sekiya). Anschließend wird die Bewegung des defekten Präparats unter denselben Lasten wiederholt und mit der Kraft/Momentreaktion des intakten Präparats verglichen.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Mithilfe der hybriden Parallel-Regelung war es möglich, die Luxation aller untersuchten Schultern zu erreichen. Die Luxation der Schultern ist sowohl sensorisch als auch visuell erfasst worden. Die aufgebrachte Kompressionskraft fällt sprunghaft (>100 N/s) ab, sobald der Humeruskopf das Glenoid verlässt. Da die maximal auftretenden Kraftänderungen der intakten Präparate sehr viel kleiner sind (<10 N/s), ist davon auszugehen, dass die Luxation durch Kraftänderungen, die größer als 100 N/s sind, eindeutig detektiert wird. Eine Analyse verschiedener Operationstechniken zur Behandlung der Hill-Sachs-Defekts ist folglich mit der vorgestellten Methodik möglich.