Die Implementierung von Bewegungsanalysen in Finite Element Simulationen einwirkender Muskelkräfte zur Berücksichtigung zu erwartender Alltags- und Extrembelastungen für die patientenspezifische Osteosynthesesimulation älterer Patienten
Ihle C, Döbele S, Schäffler A, Hein T, Nolte A, Stöckle U, Kovacs L, König B
Fragestellung: In Deutschland wurden 2010 ca.380000 Frakturen osteosynthetisch versorgt. Osteosynthesen können versagen, wenn die patientenspezifische biomechanische Knochenfestigkeit sowie zu erwartende externe Belastungssituationen (Muskelaktivitäten bei Alltags- und Extrembewegungen) nicht berücksichtigt werden. Die Therapie insbesondere älterer Patienten muss auf eine patientenspezifische Osteosynthese zur zügigen Mobilisation und geringeren Komplikationsraten hinwirken.
Vor diesem Hintergrund soll in diesem BMWi geförderten ZIM Projekt ein Verfahren für die patientenspezifische Frakturversorgung insbesondere der alternden Gesellschaft entwickelt werden. Um realitätsnahe Simulationsergebnisse der Frakturversorgung zu erhalten ist es wichtig, die virtuelle Osteosynthese unterschiedlichen Belastungszuständen, welche auch unter alltäglichen Bedingungen zu erwarten sind, auszusetzen. Eine Frage ist, ob eine virtuelle biomechanische Belastungsanalyse unter Implementierung zu erwartender Muskel- und Gelenkreaktionskräfte möglich ist?
Methodik: Bewegungen, welche eine maximale Belastung auf die einzelnen anatomischen Abschnitte des Körpers generieren wurden am Beispiel des Femurs definiert. Gang- und Bewegungsanalysen am männlichen gesunden Probanden wurden durchgeführt. Die dreidimensionalen Bewegungsdaten wurden durch ein optisches Messsystem (Vicon, USA) mit Markern an Becken, Ober-, Unterschenkel und Fuß erfasst. Simultan wurde die Belastung in Richtung und Quantität über eine Kraftmessplatte (Kistler Instrumente AG, CH) aufgezeichnet. Im C3D-Format wurden diese Kraft- und Bewegungsverläufe in das CAE-Programm AnyBody (AnyBody Technology A/S, DK) übertragen. Eine Möglichkeit der Datenübertragung in die Finite Elemente (FE) Software ANSYS (Firma ANSYS Inc., USA) wurde geschaffen.
Ergebnisse: Hinsetzen, Gehen, schnelles Gehen und Drehbewegungen der unteren Extremität wurden als zu analysierende Bewegungen definiert und aufgezeichnet. Beim Hinsetzen aus der Drehung zeigten sich überlagerte Torsions- und Biegebelastungen des Femurs. Mit AnyBody werden auf Basis der inversen Dynamik, externer Kräfte sowie Bewegungen die Muskel- und Gelenkreaktionskräfte berechnet. Diese Größen können an die FE Software ANSYS als APDL-Skript als Rahmenbedingungen übergeben werden.
Schlussfolgerung: Eine virtuelle biomechanische und patientenspezifische Belastungsanalyse unter Berücksichtigung zu erwartender externer Belastungssituationen ist möglich. Mit AnyBody können realitätsnahe Belastungen ermittelt und diese mit ANSYS über ein FE-Modell abgebildet werden. Anhand der Implementierung zu erwartender Belastungen können Implantate auf ihre erwartete Beanspruchung hin überprüft und ggf. patientenspezifisch optimiert werden. Das ist die Basis durch patientenspezifische FE-Optimierungen in automatischen Berechnungsalgorithmen verschiedene Osteosynthesen virtuell zu optimieren. Dieses Modell wird auf weitere anatomische Bereiche übertragen.
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2014). Berlin, 28.-31.10.2014. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2014. DocWI60-306
doi: 10.3205/14dkou440 , urn:nbn:de:0183-14dkou4402
Published: October 13, 2014
© 2014 Ihle et al.
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