Materialdaten Medizin

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engl: material data, medical applications          Kategorie: Medical      Fallbeispiele MedicalAa-leerbild.jpg

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Die Informationen dieser Seite sind besonders ausgerichtet auf die Simulation der Biomechanik und Medical Engineering.

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Inhaltsverzeichnis

Simulation

Die Festlegung der Materialdaten für Simulationen in der Medizin und Biotechnologie stellen eine besondere Herausforderung dar.

Für biologisches Gewebe (Knochen, fibröses Gewebe, ..) liegt ein komplexer Aufbau vor, richtungsabhängige Eigenschaften, ... Das Verhalten unter Belastung ist durch Nichtlinearitäten, Langzeiteinflüsse, Wachstum/Rückbildung geprägt. Die experimentelle Bestimmung der Zahlenwerte ist schwierig.

Für Materialdaten für Implantat- Werkstoffe können Zahlenwerte und Methoden der Bestimmung aus verschiedenen Bereichen der Technik übernommen werden.

Die weiteren Hinweise dieser Seite sind auszugsweise dem Artikel U.Simon: "Grundsätzliche Bemerkungen zur Verwendung von Finite-Elemente-Modellen in der Medizin", caMe, 1. JG 2010, Heft 1, S.3-8, hier Leseprobe entnommen.

Das Material von Implantaten wird im allgemeinen vergleichbar zu Bauteilen der allgemeinen Technik beansprucht. Das Berechnungsziel der Simulation ist die Untersuchung der Sicherheit gegen Gewaltbruch oder Ermüdung. Die Bewertung der Ergebnisse erfolgt angelehnt an Methoden der Technik. Die Bestimmung der Materialdaten erfolgt ebenso angelehnt an Methoden der Technik (Zugversuche, Biegeversuche..).

Bei der experimentellen Bestimmung der Materialdaten von biologischem Material sollte zwischen

unterschieden werden.

Organprüfung

Eine Organprüfung ist ein Belastungstest an einem Organ. Dieser führt auf die Bestimmung der Organeigenschaften (Bauteileigenschaften), nicht auf die Gewebeeigenschaften (Materialeigenschaften). Beispiel: ein Femur wird als gesamtes Organ in einer Prüfmaschine unter Belastungen getestet und das Verhalten des Organs gemessen. Das Ergebnis sind Parameter, die für "Femur" zutreffen.

Materialprüfung

Für die Materialprüfung ist die Verwendung von standardisierten Probekörpern erforderlich, um den Einfluss der Geometrie herausrechnen zu können. Beispiel: aus einem Femur wird eine Probe mit definierten Abmessungen herausgetrennt und die Probe unter standardisierten Bedingungen gemessen. Das Ergebnis sind Materialwerte, die für "Knochen" zutreffen.

Biologische Strukturen können einen stark inhomogenen inneren Aufbau besitzen. Dann ist es unmöglich, standardisierte Probekörper so herauszuschneiden, dass sie aus einheitlichem Gewebe bestehen. Das ist eine der Ursachen dafür, warum in der Literatur für Materialparameter biologischer Gewebe weit streuende Werte zu finden sind.

Anhaltswerte

Die Tabelle zeigt beispielhaft mögliche Wertebereiche für Elastizitätsmodul, Schubmodul, Querkontraktion, Zugfestigkeit und Druckfestigkeit.

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Kortikaler Knochen ist durch eine Hauptrichtung (axial) mit erhöhter Steifigkeit geprägt. In den beiden anderen Richtungen (radial und tangential) finden sich geringere, etwa gleiche Steifigkeiten. Dies kann durch ein transvers isotropes Stoffgesetz mit 5 Parametern angemessen modelliert werden.

Trabekulärer Knochen (wikipedia:Spongiosa) wird meistens mit einem orthotropen Stoffgesetz mit 9 Parametern beschrieben.

Fibröses Gewebe ist in seinem Aufbau geprägt durch Gewebe-Fasern, die im unbelasteten Zustand ungeordnet und stark gekrümmt sind. Im belasteten Zustand werden der Fasern gereckt und zunehmend gleich ausgerichtet, es ergibt sich eine zunehmende Steifigkeit des Gewebes.

Knochen verhält sich unter Belastung eher spröde, nicht jedoch dehnbar und duktil. Daher ist für die Charakterisierung des Beanspruchungs-Zustandes (mechanische Spannung) die Vergleichsspannung nach der größten Hauptdehnung (Tresca-Kriterium, maximum principal strain) geeignet. Dieses Kriterium ist im Ingenieurwesen für spröde Materialen wie Gußeisen, Beton üblich. Nicht geeignet ist die Vergleichsspannung nach der Gestaltänderungsenergie (von Mises-Kriterium). Dieses Kriterium ist im Ingenieurwesen für duktile Materialien wie Schmiedestahl, Aluminium üblich.

Die folgende Tabelle zeigt Anhaltswerte für die mechanischen Materialdaten für Gelenkknorpel.

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Die folgende Tabelle zeigt Anhaltswerte für die mechanischen Materialdaten für Bänder.

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Publikationen

In der Zeitschrift caMe (Computer Aided Medical Engineering) - der Fachzeitschrift zur Simulation in der Medizin und Medizintechnik - finden Sie unter anderem:

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In der Publikation von A. Fritsch: "User Materials in ANSYS: Holzapfel-Model for Soft Tissues" finden Sie eine Darstellung des Holzapfel-Modells für die numerische Simulation von biologischem Gewebe. Darüber hinaus wird die Anwendung eines Materialmodells für eine Formgedächtnis-Legierung (shape memory alloy) gezeigt. Solche Materialien sind in mehreren medizinischen Anwendungen üblich, neben anderen Einsatzbereichen der allgemeinen Technik.

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