Femur
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Kategorie: Medical Fallbeispiele Medical
Der Femur steht im Mittelpunkt einer Vielzahl von Simulationen. Dabei werden vielfach die mechanischen Interaktionen zwischen dem Femur-Material und einer Hüftgelenk-Prothese betrachtet.
Simulation
Ein wesentlicher Schritt bei der Simulation der Strukturmechanik von Teilen des Bewegungsapparates ist die Idealisierung. Dabei sind die Tragwirkungen von Knochen, Bänder und Muskeln zu berücksichtigen. Sonstige Körperteile oder äußere Einflüsse sind für die Randbedingungen (Lagerungen, Lasten) von Bedeutung.
Als Beispiel für die Anwendung von Prinzipien der Strukturmechanik bei der Idealisierung ist hier die Bestimmung der Schnittgrößen am Femur für den Fall der Adduktion und der Beugung dargestellt.
Publikationen
C.Voigt:
"Entwicklung und experimentelle Validierung eines FE-Modells des menschlichen
Beckenknochens für die Optimierung von künstlichen Hüftgelenken – ein
Verbundvorhaben der Universität Leipzig und dem Fraunhofer Institut IWU"
CADFEM Users Meeting 2009, Leipzig, 2.10.09 www.usersmeeting.com
In dieser Publikation wird für eine Femur-Prothese die Beanspruchung des Beckens (pelvis) in der Hüftgelenk-Region (articulatio coxae) simuliert. Ein Schwerpunkt hierbei ist die Datenverarbeitung der in-vivo-Geometrie der Knochen einserseits und der CAD-Daten des Implantates andererseits.
Einige Stichworte zum Inhalt:
- FEM-Modellierung des Implantat-Knochen-Verbundes
- spezielle Probleme bei der Modellierung des menschlichen Beckenknochens
- Ablauf einer effektiven Modellierungsstrategie
- Validierung des resultierenden Beckenknochenmodells
Kurzbeschreibung der Simulation:
Gegenstand der Publikation ist die Idealisierung und Diskretisierung des Beckenknochens (Pelvis) für eine Anwendung der Finite-Element-Methode (FEM).
Für die in-vivo-Geometrie des Beckens (Pelvis) und des Oberschenkels (Femur) werden CT-Daten zugrunde gelegt. Aus diesen Daten wird über eine Oberflächen-Triangularisierung (STL) bei der Diskretisierung ein FEM-Netz erzeugt.
Die Geometrie des Implantates wird aus den CAD-Daten der Konstruktion abgeleitet.
Die Diskretisierung erfolgt mit Volumen-Elementen.
Das FEM-Modell wird der Aufgabenstellung angepasst durch lokale Netz-Verfeinerungen in maßgebenden Bereichen und ergänzt durch Kontakt-Elemente.
Zusammen mit den Randbedingungen (Lagerungen und Lasten) wird das Simulationsmodell vervollständigt.
T.Thielen:
"Entwicklung einer Hüftinterimsprothese (Spacer) mittels FE-Analyse"
CADFEM Users Meeting 2009, Leipzig, 2.10.08 www.usersmeeting.com
Thielen untersucht eine Hüft-Interimsprothese (Spacer). Ein Schwerpunkt hierbei ist die Bestimmung der Kräfte im menschlichen Bewegungsapparat bei Bewegungszuständen oder -abfolgen wie "Stand auf einem Bein", "Gang (Gait3D)", "Treppe aufwärts" oder "Treppe abwärts". Dabei werden Muskelmodelle der Simulation variiert und mit Messwerten verglichen.
Einige Stichworte zum Inhalt:
- Interims-Prothese (spacer)
- Belastungsfälle aus dem Alltag durch Simulation mit "AnyBody"
- Übertragung der Lasten und
- Simulation der Spannungen und Dehnungen im Implantat (spacer) und im Femur
- Vergleich mit Labortest
Kurzbeschreibung der Simulation:
Ziel der Simulation ist die Berechnung der Spannungen und Dehnungen im Implantat (spacer) und im Femur unter einer mechanischen Belastung.
Jeder chirurgische Eingriff zur Plazierung eines Implantates erfordert eine Beachtung der in-vivo-Bedingungen. Die gegebene Knochenstruktur und die Implantat-Geometrie müssen aufeinander abgestimmt werden. Maßgebend hierfür sind angemessene Lasten, die statistisch ausreichend genau die Alltagserfordernisse abdecken.
Diese Lasten werden hier mit einer Simulation des Bewegungsapparates mit "AnyBody" bestimmt. Dabei wird der Bewegungsapparat als kinematische Kette modelliert, die Knochen, Muskeln, Bänder und Gelenkeigenschaften abbildet.
Es werden typische und repräsentative Bewegungszustände und -abläufe wie "Stand auf einem Bein", "Gang (Gait3D)", "Treppe aufwärts" oder "Treppe abwärts" untersucht. Das Ergebnis dieser Simulation sind die zutreffenden Schnittgrößen an Femur und Pelvis für den jeweiligen Lastfall.
F.Gottinger, M.Eder, J.Mitternacht, L.Kovacs:
"FEM Simulation der Weichteildeformation"
CADFEM Users Meeting 2009, Leipzig, 2.10.03 www.usersmeeting.com
Hier wird für eine Femur-Prothese die Belastung des Weichteilbereiches vor der Herstellung der Prothese simuliert. Dies betrifft Prothetik, Produktentwicklung durch Belastungssimulation.
Einige Stichworte zum Inhalt:
- Prothetik, Femur, Anforderungen und Problematik
- Anpassung der Prothese, Schafttechnik, Abformmethode, Datenerfassung mit MRT
- Vorteile durch Simulation bei Untersuchung von Bewegungsablauf, Schaftformgestaltung oder kompletter Prothese.
Kurzbeschreibung der Simulation:
- Geometrieerfassung, CT, Druckmessung
- Simulationsgestützte Produktentwicklung durch Belastungssimulation
- Simulation der Strukturmechanik 3-dimensional
T.Marchal, M.Rochette, N.Hraiech, C.Boichon:
"Creation of an Unlimited Database of Virtual Bone Population
using Mesh Morphing: Validation and Exploitation for Orthopedic Device"
CADFEM Users Meeting 2009, Leipzig, 2.10.05 www.usersmeeting.com
Hier wird das Verhalten der Spongiosa und Compacta im Bereich des Femur in Hinsicht auf Simulations-Anwendungen untersucht.
Einige Stichworte zum Inhalt:
- Bruchrisiko des Femur
- in-vivo Feststellung der Form und der Knochendichte
- Parametrisierung des numerischen Simulationsmodells
Kurzbeschreibung der Simulation:
- Modell-Vorbereitung für die Anwendung der FEM
- Diskretisierung für Grundkonfiguration
- Verformung des Element-Netzes (Morphing) zur Anpassung an gemessene Form
- Indexierung und Wichtung der Anpassung
- Validierung der Methode
S.Eberle, P.Augat:
"Preventing Contact Convergence Problems in Bone-Implant Contact Models"
CADFEM Users Meeting 2007, Dresden, 2.12.07 www.usersmeeting.com
Einige Stichworte zum Inhalt:
- Intramedullar-Nagel (intramedullary nail, IM nail), Küntscher nail, Gamma3-Nagel
- mechanische Beanspruchungen an den Grenzflächen zwischen Implantat und Knochen
- unterschiedliche Frakturpositionen
Kurzbeschreibung der Simulation:
- FEM-Simulation des Femur-Knochens und des Implantates
- statische Simulation der Strukturmechanik
- besondere Betrachtung der Grenzflächen zwischen Implantat und Knochen (Kontaktbedingungen)
- Berechnung der Beanspruchungen
- Vergleich der maximalen Beanspruchungen für verschiedene Frakturpositionen
U.Simon, T.Wehner, D.Nolte, F.Niemeyer, L.Claes:
"Current Concepts and Open Problems in Computational Clinical Biomechanics"
CADFEM Users Meeting 2007, Dresden, 2.12.05 www.usersmeeting.com
Einige Stichworte zum Inhalt:
- Konzept der Simulation von Implantaten, Osteoporose, Frakturheilung
- Materialdaten und Materialeigenschaften des Gewebes
Kurzbeschreibung der Simulation:
- Simulation der Strukturmechanik
- Berücksichtigung der Materialdaten
- Konzept der Simulation von Knochengeweberemodellierung und Revaskularisierung
Weiterführende Informationen
Ein weiterführendes Seminar speziell hierzu finden Sie unter "Wissen" auf der Homepage von CADFEM bei "Finite-Elemente-Simulation für Biomechaniker und Mediziner".
