Vibration als Methode des Frakturscreenings bei Kindern

Die Hauptforschungsfrage, die dieser Pilotstudie zugrunde liegt, lautet: "Können Vibrationsspektren gebrochene von nicht gebrochenen Knochen bei Kindern zuverlässig unterscheiden?"

Das Problem:

Eine beträchtliche Anzahl unnötiger Röntgenaufnahmen wird durchgeführt, um das Vorhandensein von Frakturen auszuschließen. Im Jahr 2011 besuchten 46.000 Kinder die Notaufnahme des Sheffield Children's Hospital, für die 10.400 Röntgenaufnahmen gemacht wurden. Allein 2.215 Fuß-/Knöchel- und Handgelenk-Röntgenaufnahmen erwiesen sich als überflüssig. Dies bedeutet eine potenzielle Kosteneinsparung von 119.610 £/Jahr in Sheffield und ungefähr 12 Mio. £/Jahr in England und Wales.

Es besteht eindeutig ein Bedarf an einem nicht-invasiven, tragbaren, billigen und schnellen Verfahren zum Screenen langer Knochen auf Frakturen, um die Wahrscheinlichkeit festzustellen, ob der Knochen frakturnegativ oder -positiv ist; diejenigen mit einer hohen Frakturwahrscheinlichkeit werden dann geröntgt, um das Vorhandensein, die Art und die Position der Fraktur festzustellen.

Eine mögliche Lösung:

Die Vibrationsanalyse umfasst die mechanische Erregung eines Objekts und die anschließende Aufzeichnung und Analyse der nachfolgenden Reaktionen . Wenn sich eine Struktur nach einer Anregung frei bewegen kann, schwingt sie bei ihren spezifischen Eigenfrequenzen, bei denen die Trägheitskräfte im Gleichgewicht mit den elastischen Kräften sind, abhängig von der Steifigkeit dieser Struktur.

Die Schwingungsspektralanalyse wird in der Industrie zuverlässig eingesetzt, um Risse in Maschinen zu erkennen.

Die Forscher testeten die Hypothese, dass gebrochene und nicht gebrochene Knochen unterschiedliche Vibrationsspektren an 13 Erwachsenen zurückgeben; 7 gesunde Freiwillige aus dem Engineering Department der Sheffield Hallam University und 6 Patienten nach einer Verletzung im Northern General Hospital, von denen 3 Frakturen hatten, mit 100 % Korrelation der Vibrationsspektren mit Vorhandensein/Fehlen von Frakturen und keinen Schmerzen.

Angesichts dieser ermutigenden Ergebnisse wird vorgeschlagen, die Studie auf Kinder auszudehnen.

Forschungstheorie:

Die Forscher postulieren, dass es nachweisbare Unterschiede in den Eigenschwingungsfrequenzen von Knochen mit und ohne Bruch gibt. Der unverletzte kontralaterale Knochen jedes Kindes dient als Vergleich für die verletzte Seite.

Die Anwendung der Vibrationsanalyse umfasst die mechanische Anregung eines Objekts und die Aufzeichnung und Analyse der darauffolgenden Antworten. Theoretisch ist es durch Anlegen eines Stimulus an den Knochen und Analysieren der resultierenden Reaktion möglich, verschiedene pathologische und traumainduzierte Zustände zu überwachen.

Vibrationen können entweder durch einen Impuls induziert werden, der eine Reaktion ergibt, die mit der Eingabe einer Anzahl unabhängiger Grundfrequenzen übereinstimmt, oder durch variable Frequenzzyklen reiner Sinuswellen.

Nachdem die Vibrationen durch einen kleinen, speziell angefertigten computergesteuerten Tapper induziert wurden, verwendet die gebräuchlichste Methode zu ihrer Aufzeichnung piezoelektrische Messgeräte auf Knochenvorsprüngen (wodurch die Wirkung des darunter liegenden Weichgewebes minimiert wird). Bei der Analyse der Heilung von Tibiafrakturen sind beispielsweise der laterale oder mediale Malleolus die wichtigsten Stellen . Der erfolgreiche Betrieb piezoelektrischer Messgeräte hängt von der Kopplung des Messgeräts mit der zu untersuchenden Struktur ab, so dass die induzierten Spannungen aufgrund des piezoelektrischen Effekts eine Nettoladungsänderung der Wandleranschlüsse erzeugen.

Piezoelektrische Kristalle sind relativ kostengünstig und ihre Eigenschaften gut bekannt. Sowohl piezoresistive als auch piezoelektrische Materialien werden üblicherweise verwendet, um durch Vibrationen in Strukturen im Makromaßstab verursachte Spannungen zu erkennen. Sie erfordern jedoch oft eine anspruchsvolle Signalverarbeitung und -interpretation. Die Forschungsgruppe hat Erfahrung in der Arbeit mit komplexen medizinischen Signalen (z. Elektroenzephalogramme), um relevante Informationen zu extrahieren, und wird diese Erfahrung in dieses Projekt einbringen.

Frühere Machbarkeitsstudien bilden eine solide Grundlage für die vorgeschlagene Studie. Es gibt umfangreiche Informationen zur Theorie, Techniken zur Vibrationsanalyse physischer Strukturen sind gut etabliert und darüber hinaus haben eine Reihe von Studien die niederfrequente Vibrationsanalyse als mögliches diagnostisches Werkzeug im orthopädischen Bereich untersucht. Beispielsweise wurde in einer Studie berichtet, dass die Vibrationsübertragung über eine Fraktur durch die Stadien der Heilung des Frakturkallus beeinflusst wird.

Soweit den Forschern bekannt ist, hat keine Studie die genaue Methodik verwendet, die in dieser aktuellen Studie vorgeschlagen wird, um Kinder auf Frakturen zu untersuchen.