Maschinenbau und Biomechanik

Modellierung und Simulation in der Orthopädie

Die Optimierung von Hüftendoprothesen erfordert die umfassende Kenntnis der Verhältnisse im Gelenk. Für Verschleiß- und auch Luxationsuntersuchungen sind die für die jeweilige Belastungssituation auftretenden Gelenkkräfte zu bestimmen. Diese setzen sich aus Massen- und Trägheitskräften sowie einer aus der Muskelspannung resultierenden Komponente zusammen. Um die Belastungsverhältnisse realitätsnah untersuchen zu können, sind experimentelle Prüfeinrichtungen erforderlich. Unabhängig von der Kinematik eines Prüfstandes haben alle bisherigen Versuchsaufbauten den Nachteil, dass die Nachbildung der Weichteilsituation in Form von Muskeln, Sehnen, Bändern und der Kapsel praktisch nicht möglich ist. Eine Möglichkeit zur theoretischen Bestimmung der Gelenkkräfte besteht in der Mehrkörpersimulation (MKS). Dabei wird ein Starrkörpersystem durch einen Satz von Muskeln ergänzt. Mit ca. 20 Muskeln liegt auch für das Hüftgelenk ein mehrfach unterbestimmtes System vor. Um dennoch für alle Muskeln die jeweilige Zugkraft bestimmen zu können, wird mittels der inversen Dynamik unter Einführung weiterer Randbedingungen wie dem Minimum der eingesetzten Energie das Problem gelöst. Die MKS kann jedoch keine Einflüsse aus der Gelenkgeometrie und der Materialpaarung erfassen. Dazu ist eine Kopplung von MKS mit einem Versuchsaufbau eines künstlichen Gelenks denkbar. Dies setzt natürlich voraus, dass die MKS und auch die Steuerung des Prüfstandes über geeignete Schnittstellen für den Datenaustausch verfügen. Die Bewegungen und die Krafteinleitung entsprechend den natürlichen Gegebenheiten sind von einem Industrieroboter ausführbar. Eine echte Kopplung beider Komponenten stellt eine Hardware in the Loop- Schleife dar. Hier werden von der MKS die Koordinaten und die Kräfte als Sollwerte einem Roboter vorgegeben. Der Roboter führt diese Kraft-Weg-Vorgabe aus, erfasst dabei die Ist-Daten und gibt diese an die MKS zurück. Auf diese Weise lassen sich auch Luxationsvorgänge simulieren, bei denen nach Impingement das Gelenk aus der Pfanne herausgehebelt und damit das Drehzentrum des Hüftgelenks aufgehoben wird. Die Bewegungsbahn des Kugelkopfes wird weiterhin vom Roboter erfasst und an den Simulationsrechner übergeben, sodass diese Parameter wiederum in die MKS für die Berechnung der Muskelkräfte einfließen.

(aus: Kopplung von Mehrkörpersimulation und experimenteller Untersuchung von Gelenkendoprothesen, Kliewe C*, Brökel K*, Bader R**, Wörnle C***, Gemeinsames Kolloquium Konstruktionstechnik 2008, Aachen)

Range of Motion einer Hüftgelenk-Endoprothese, modelliert und animiert in Pro/ENGINEER
Konzept einer experimentellen Anordnung zur Verifikation der ROM mittels Gelenkarmroboter

Konstruktion und Anthropometrie in der HNO - Medizin

Anthropometrische Modellierung von Orbita-Bereichen und Übertragung auf die Geometrie des Schädels

Die Verfahren zur Digitalisierung von Knochen und Gewebe, welche heute eingesetzt werden, können durch die Komplexität und Feingliedrigkeit knöcherner Strukturen, insbesondere beim menschlichen Schädel, nicht eingesetzt werden. Scannverfahren mit einer ausreichenden Auflösung erzeugen eine große Datenmenge, die nicht einfach in Computerprogrammen zu handhaben ist. Weiterhin bereitet die Trennung von Knochen und Gewebe erhebliche Schwierigkeiten. Dies macht eine exakte Modellierung kompliziert und zeitaufwendig. Die sich anschließende Finite Element Analyse erfordert nicht nur die topologische Richtigkeit, sondern auch eine hohe geometrische Genauigkeit des Modells. Die Digitalisierung der Orbita (knöcherner Teil der Augenhöhle), insbesondere der dünnen Orbitawände, durch Verwendung der Computertomographie, ist nicht ohne erhebliche manuelle Nacharbeit möglich. Dies ist hauptsächlich durch die geringe Auflösung der Computertomographie zu begründen. Aus diesem Grund wird eine parametrische Modelliermethode entwickelt, bei der ein generisches Modell schnell und flexibel an das jeweilige Individuum angepasst werden kann. (Dissertation H. Klein, in Arbeit)

 

 

Repräsentative Punkte der Orbita

Korrektur der generischen Geometrie durch anthropometrische Beziehungen