Medizintechnik Fallbeispiele
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Kategorie: Fallbeispiele
Fallbeispiele
P.Varady:
"Methodische Aspekte bei der Belastungsanalyse des Hüftgelenks mit FKS und FEA"
CADFEM Users Meeting 2014, Nürnberg, 2.13.02 www.usersmeeting.com
Stichworte
- Bewegungsmuster, motion capture
- Lifting&carrying, stair climbing up/down, jumping
- Parameter-Optimierung
Simulation
- MKS, multi body simulation MBS
- FEM-Simulation im Detail
- Modellanpassung mit CT-Daten, Diskretisierung
Stichworte
- Iontophorese: Ionen-Migration im elektrischen Feld
Simulation
- FEM-Simulation des elektrischen Feldes
- transiente Simulation
Stichworte
- Kniegelenk Prothese
- Zeitfestigkeitsverhalten, Ermüdung
Simulation
- FEM-Simulation der Strukturmechanik
- Kontakt
- Validierung anhand von Versuchsergebnissen
Aus Fachzeitschriften und Publikationen
Die Anwendungsmöglichkeiten der rechnerischen Simulation in der Medizintechnik sind überwältigend. Sie sind notwendig und sinnvoll, weil in-vivo-Versuche (am Organismus) vielfach ausgeschlossen sind, weil Varianten nicht untersucht werden können oder ethische Gründe dagegen sprechen, weil damit Tierversuche vermieden werden oder Messungen nur schwer zu realisieren sind.
Die Anwendungen der FEM in der Medizintechnik zeigen oftmals auch, welche Anforderungen auch an anderen Stellen unserer Gesellschaft zu erfüllen sind. Vielen Medizinern sind Ingenieursbegriffe fremd, z.B. Eigenfrequenzen oder Spannungen. Dafür sind die Ingenieure bei Medizinbegriffen wie Femur oder Clavicula ratlos. Die Finite-Elemente-Methode ist im Ingenieurwesen weit verbreitet und muss nun mit den üblichen Beschreibungen und Erläuterungen in die Welt der Mediziner "übersetzt" werden, um auch dort Akzeptanz zu finden. Später wird sicherlich die Ausbildung der Berufsgruppen mehr interdisziplinär ausgerichtet werden und diese Verständnislücke füllen.
Das numerische Modell kann beliebig genau die Formen und Eigenschaften des humanen Materials abbilden. Auch die Materialwerte können beliebig genau angenähert werden. Die Beispiele und Ergebnisse sind beeindruckend.
Implantate - sei es für Zähne, Oberschenkelknochen oder
Schädelfrakturen - können mit rechnerischer Simulation vor der
eigentlichen Operation exakt vorherbestimmt werden. Geübt wird am
Simulationsmodell, bevor man sich an den Patienten wagt. Mit FEM
versuchen Mediziner am Shadyside Hospital der Carnegie Mellon
University in Pittsburgh, welche Parameter den größten Einfluss auf
eine erfolgreiche Operation haben. Bei einem Hüftimplantat darf z.B.
eine patientenabhängige zulässige Spannung im Knochen nicht
überschritten werden. Eine Sensitivitätsstudie ermöglicht es, die
Geometrie des Implantats zu ermitteln, die die Vorgabe am besten
erfüllt /DiGioia/.
Am Fraunhofer Institut in Dresden sind Bestrebungen im Gang,
Implantate für spezielle Anwendungen der Mikrochirurgie zu entwickeln.
Von besonderem Interesse sind Fragestellungen wie die maximal
ertragbare Verbiegung eines Implantates, da dieses beim chirurgischen
Eingriff und beim Anpassen manchmal extrem verbogen werden muss.
Die beim Verbiegen auftretende Maximalspannung darf einen vorgegebenen
Wert nicht überschreiten. Bei einem Augenimplantat aus Silizium,
das Blinden ein gewisses "Sehvermögen" geben soll, interessieren z. B.
die Spannungen, die bei der Verformung des Implantats zu einer
Kugelfläche auftreten. Ebenfalls interessieren die Rückstellkräfte
und die Verformungskräfte selbst /Müller/.
In Hannover hat eine Zusammenarbeit zwischen den Medizinern der MHH
und den Ingenieuren der Leibniz-Universität hervorragende Fortschritte
bei Cochlea-Implantaten ergeben. Die Aufgabenstellung ist für den
HNO-Mediziner wichtig, der die Indikation beurteilen muss. Die Chirurgen
verlangen besondere Eigenschaften des Implantates, damit der Eingriff
optimal ausgeführt werden kann. Und der Ingenieur muss das Verhalten
des Implantates beim Einsetzen und in-vivo simulieren und daraus die
Anforderungen an den Werkstoff-Lieferanten ableiten. Die zur Zeit
eingesetzten Memory-Metallwerkstoffe erfordern besondere Algorithmen
bei der Berechnung. Eine Berücksichtigung der Temperaturen während
des Operationsvorganges ist dabei besonders wichtig. Die bisherigen
Erfahrungen zeigen aber bereits, dass sich die Kooperation der Fachleute
auszahlt und deutliche Vorteile für den Patienten erreicht werden.
In einer Berliner Forschungsanstalt ist eine Diagnosemethode für die
Mammografie mit Lichteinstrahlung auf einer Seite des Gewebes,
Detektoren auf der Gegenseite und numerischer Rückrechnung zur
Auswertung des durchstrahlten Gewebes untersucht worden. Mit
FEM-Simulation konnte die prinzipielle Eignung der Methode
nachvollzogen werden. Dabei wurde das Verhalten der Lichtphotonen
mit physikalischen Analogien über eine Temperaturfeldberechnung
nachgebildet.
Zur optimalen Auslegung und Platzierung von Herzschrittmachern
wurden elektrostatische Feldberechnungen für das Herz
durchgeführt. Diese Simulationen verwenden CT-Daten, um die
jeweiligen Formen und Abmessungen des Körpers und der Organe
des Patienten zu berücksichtigen. Um die gewünschte Genauigkeit
der Ergebnisse zu erreichen, wurden besondere Lösungsalgorithmen
und auch modernste Parallelcomputer verwendet /Tveito/.
Mit einem Modell der menschlichen Körpers, bei dem die wesentlichen Skelettknochen, die Gelenke, die Muskeln und Sehnen enthalten sind, werden Bewegungsabläufe simuliert. Zum Beispiel sehen Automobilhersteller Handlungsbedarf, die Einrichtung und Ausstattung auf die Bedürfnisse alter Menschen auszurichten. Dazu sollte ein Haltegriff an der A-Säule angebracht werden. Welches ist die ergonomisch beste Position? Dazu sind eine Vielzahl von Varianten untersucht worden, ohne dass dazu erst Autokarosserien entsprechend ausgerüstet werden musste, sondern das ist mit der Simulation optimiert worden.
Literatur
/DiGioia/,A.M.: Bringing Simulation to Surgery: Improving the Success Rate of Hip Replacements. White Paper Shadyside Hospital / Carnegie Mellon University, Pittsburgh, U.S.A. Veröffentlicht von ANSYS, Inc. Houston, PA, U.S.A. 1996
/Müller/,C. :FEM-Anwendungen in der Biomedizin. Aufsatz, CAD-FEM GmbH
/Tveito/,A.: Computing the heart, 21. CADFEM Users Meeting 2003, Potsdam, 3.7.7
Weiterführende Informationen
Einen Info-Tag speziell zu Ermüdung in der Medizintechnik finden Sie bei
FEM-Simulation in der Prothetik - Dauerfestigkeit von Implantaten nach ISO- und ASTM-Normen
