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ZUR MECHANIK DES MENSCHLICHEN BEWEGUNGSAPPARATS
Institut für Allgemeine Mechanik
D. Weichert
Arbeitsgruppe: M. Albrand, T. Pandorf*, E. Schopphoff*, S. ChehadéKooperationen: Orthopädische Klinik, Helmholtz-Institut, u.a.____________________________________
*ehemalige Mitarbeiter des IAM
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Gliederung
Was ist der menschliche Bewegungsapparat?Warum beschäftigen wir uns mit dem Thema?Geschichtliche AspekteFokus auf therapeutische BelangeHilfestellung für die ChirurgieWissenschaftliche Herausforderung für die MechanikPerspektiven
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B. Kummer: Biomechanik – Form und Funktion des Bewegungsapparates, Deutscher Ärzte-Verlag Köln, 2005
F. Pauwels: Gesammelte Abhandlungen zur funktionalen Anatomie des Bewegungsapparates, Springer-Verlag, 1965
J.J. Telega (ed.): Modelling in Biomechanics, Lecture Notes 19, Polish Academy of Sciences, IPPT, Warsaw, 2005
Literatur
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Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?
KnochenSehnenMuskeln
Quelle: Sobotta Quelle: Sobotta
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Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?
KnochenSehnenMuskeln
Quelle: Sobotta Quelle: Sobotta
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Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?
KnochenSehnenMuskeln
Quelle: SobottaQuelle: Sobotta
HüfteHüftgelenk
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Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?
KnochenSehnenMuskeln
Quelle: Sobotta
Quelle: Sobotta
Muskelursprünge und -ansätzeder unteren Extremität
Femur Links: von VorneRechts: von Hinten
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Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?
KnochenSehnenMuskeln
Quelle: Sobotta
Kniegelenk von lateral
Quelle: Sobotta
Kniegelenk von hinten
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Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?
KnochenSehnenMuskeln
Quelle: Sobotta
WirbelsäuleLinks: von ventralMitte: von dorsalRechts: von lateral
Quelle: Sobotta
Bänder der Wirbelsäule, von dorsal
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Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?
KnochenSehnenMuskeln
Quelle: Sobotta
Schultergelenk von vorne Schultergelenk von vorne
Quelle: Sobotta
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Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?
Gelenke• Bandscheibe• Meniskus
Quelle: Kummer. Biomechanik
Quelle: www.dr-gumpert.de
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Knochen: „Spannen“ den Körper auf (können Druck und Zugspannungen ertragen; im Wesentlichen druck-und biegebelastet)
Gelenke: Kinematische Bindungen (Fesseln, Translation) Muskeln: „Antriebselemente“ zur ZugkrafterzeugungSehnen: Kraftübertragungselemente (Zug)Bänder: elastische Stabilisierung der GelenkeWeichgewebe: Dämpfung, DruckverteilungFluide: Schmierung
Mechanische Funktionen
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Der menschliche Körper wird als Mehrkörpersystem angesehenBestandteile:Starre Elemente (Knochen, ca. 210, mehr als die Hälfte in Händen und Füßen)Kinematische Bindungen (Gelenke, ca. 100)„Aktive“ elastische Elemente (Skelettmuskeln > 600)„Passive“ elastische Elemente (Bänder, Sehnen, Knorpel, etc.)
Weichgewebe (Organe), Fluide
Klassischer mechanischer Ansatz
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Quelle: SobottaQuelle: Sobotta
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1. Bestimmung der Kinematik unter alleiniger Berücksichtigung der Gelenke (Freiheitsgrade der Beweglichkeit): Statisch unterbestimmtes System
2. Berücksichtigung von Bändern, Sehnen und Muskeln:Unbekannte Vorspannung und Muskelkraft (Federn); statisch überbestimmtes Problem (keine eindeutigen Lösungen für Kräfte), hochgradig nichtlineares Verhalten
3. Anwendung der statischen bzw. dynamischen Gleichgewichtsbedingungen der Mechanik (heute mit entsprechender multibody-software)Komplexe, individuumsbezogene Bewegungsabläufe
Klassischer mechanischer Ansatz
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Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?
Im weiteren Sinne gehört dazu:Energieversorgung/StoffwechselBewegungskoordinationZielgebung
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Warum beschäftigen wir uns mit dem Thema?
Wissenschaftlicher ErkenntnisdrangTherapeutische Belange• Unfallchirurgie
Quelle: Kummer.Biomechanik
Quelle: www.gipsverband.free.fr
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Warum beschäftigen wir uns mit dem Thema?
Therapeutische Belange• Missformung (krankheits- oder geburtsbedingt)
Quelle: www.uphs.upenn.edu
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Warum beschäftigen wir uns mit dem Thema?
Therapeutische Belange• Missformung (krankheits- oder geburtsbedingt)
Quelle: Kummer. Biomechanik
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Warum beschäftigen wir uns mit dem Thema?
Therapeutische Belange• Abnutzungserscheinung
Quelle: www.deutsches-arthrose-forum.de
Quelle: www.rheuma-info.de
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Geschichtliche Aspekte
Aristoteles (384-322 v.Chr.) trat für eine Verbin-dung der Physik mit dem Studium lebender Objekte einR. Déscartes (1596-1650) betonte die Notwendigkeit der theoretischen Mechanik in der PhysiologieGiovanni Alfonso Borelli (1608-1679) beschäftigte sich u.a. mit den Muskelbewegungen und der Körperdynamik
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Geschichtliche Aspekte
Julius Wolff (1836-1902) entwickelte das Gesetz der Transformation der KnochenFriedrich Pauwels (1885-1980)
Untersuchungen der Wechselwirkungen zwischen den mechanischen Beanspruchungen des Stütz- und Bewegungsapparates und ihre Auswirkungen auf das lebende Gewebe Wissenschaftliche Grundlage für die orthopädische Biomechanik
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Geschichtliche Aspekte
Friedrich Pauwels (1885-1980)Weltweite Anerkennung mit
Behandlung der Schenkelhalspseudarthrosegrundlegenden Arbeiten über die Osteotomiensowie die Pauwels'schenKlassifikationen der Schenkelhalsfrakturen Quelle: www.orthopaedie-aachen.de
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Quelle: Sobotta
Proximales Femurende
Normaler Schenkelhalswinkel
Quelle: Kummer
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Fokus auf therapeutische Belange
Prothetik (Knochenersatz)• Hüfte
zementiert unzementiert Hybrid-Hüftendoprothese
Quelle: www.sana-solln.de Quelle: www.sana-solln.deQuelle: www.sana-solln.de
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Fokus auf therapeutische Belange
Prothetik (Knochenersatz)• Hüfte
Oberflächenersatz
Quelle: www.medizin.uni-halle.de
Quelle: www.innolife.de
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Fokus auf therapeutische Belange
Prothetik (Knochenersatz)• Schulter
Quelle: www.isp-gmbh-luebeck.deQuelle: www.isp-gmbh-luebeck.de
![Page 28: ZUR MECHANIK DES MENSCHLICHEN · PDF fileAnatomie des Bewegungsapparates, Springer-Verlag, 1965 J.J. Telega (ed.): Modelling in Biomechanics, Lecture Notes 19, Polish Academy of Sciences,](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022021816/5a79257b7f8b9a217b8d6523/html5/thumbnails/28.jpg)
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Fokus auf therapeutische Belange
Prothetik (Knochenersatz)• Knie
Quelle: www.amc.nl
Quelle: www.kuleuven.ac.be
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Fokus auf therapeutische Belange
Prothetik (Knochenersatz)• Finger
Quelle: www.ottobock.deQuelle: www.mathysmedical.com
Quelle: www.roteskreuzkrankenhaus.de
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Fokus auf therapeutische Belange
Prothetik (Weichteileersatz)• Bandscheibe
Quelle: www.stern.de
Quelle: www.biokinematik.de
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Fokus auf therapeutische Belange
Prothetik (Weichteileersatz)• Bandscheibe
Quelle: www.die-kuenstliche-bandscheibe.deQuelle: www.medical-tribune.at
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Fokus auf therapeutische Belange
Prothetik (Weichteileersatz)• Meniskus
Quelle: www.bvmed.de
Quelle: www.flash-light.de
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Fokus auf therapeutische Belange
Prothetik (Weichteileersatz)• Bänder, z.B. Kreuzband
• Ersatz durch körpereigene Sehnen und Bänder, wie
– Patellarsehne (Kniescheibensehne)– Quadrizepssehne (Oberschenkelmuskelsehne)– Semitendinosus-Sehne oder
Semitendinosus/Gracilissehne in Kombination (Kniebeugesehnen)
![Page 34: ZUR MECHANIK DES MENSCHLICHEN · PDF fileAnatomie des Bewegungsapparates, Springer-Verlag, 1965 J.J. Telega (ed.): Modelling in Biomechanics, Lecture Notes 19, Polish Academy of Sciences,](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022021816/5a79257b7f8b9a217b8d6523/html5/thumbnails/34.jpg)
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Hilfestellung für die Chirurgie
Erkenntnis über Kraftverlauf und BeanspruchungenBewertung von Prothesen und deren EinbauverfahrenOptimierung von Prothesen (Form, Material, Einbau)
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Quelle: Kummer.Biomechanik
HüftgelenkersatzKraftverlauf
Richtung und Größe der Hüftgelenks-resultierenden in Abhängigkeit vom CCD-Winkel
Beispiele
NormalerCCD-Winkel
CCD-Winkelzu klein
CCD-Winkel zu groß
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Beispiele
Hüftgelenkersatz
Quelle: Kummer.BiomechanikQuelle: Kummer.Biomechanikl
Normale Biegebeanspruchung des Schenkelhalses
Axiale Beanspruchung des Schenkelhalses (CCD-Winkel zu groß)
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Beispiele
Hüftgelenkersatz
Dreidimensionale Architektur der Substantia Spongiosa im proximalen Femurende
Quelle: Kummer.Biomechanik
Quelle: Kummer.Biomechanik
Quelle: Kummer.Biomechanik
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Beispiele
Hüftgelenkersatz
Quelle: www.ortho-praxis.ch
Quelle: www.ortho-praxis.ch
Quelle: www.medizin.uni-halle.de
Zementfreie Standardhüftprothesen Kurzschaftprothese
Oberflächenersatz
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Beispiele
Hüftgelenkersatz
Quelle: www.ortho-praxis.ch
Verschiedene Gleitpaarungen:Metall-MetallKeramik-KeramikMetall-Polyäthylen
Wie verändert sich der Kraftverlauf?
Welche Konsequenzen hat diese Änderung auf die Struktur des Knochen?
Ziel: Gleicher Kraftverlauf vor und nach der Operation
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Beispiele
KniegelenkersatzKinematik
Beugung (Flexion) und Streckung (Extension)Innen- und Außenrotation (nur in Beugestellung)
Quelle: www.urbanfischer.de
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Beispiele
KniegelenkersatzKinematik
Komplexes Gelenk, 3 Knochen miteinanderverbunden (Oberschenkelknochen, Kniescheibe, Schienbein
Quelle: www.arthros.de
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Beispiele
KniegelenkersatzKinematik
Durch Sehnen und Bänder geführt
Quelle: www.arthros.de
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Quelle: Kummer. Biomechanikl
KniegelenkersatzKinematik
Beispiele
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Beispiele
KniegelenkersatzStatik
Beanspruchung des Femoro-Patellar-Gelenks
Quelle: Kummer. Biomechanik
Beanspruchung von Hüft- und Kniegelenk in der Frontalebene
Quelle: Kummer. Biomechanik
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Beispiele
Kniegelenkersatz
Standard
Quelle: www.zimmergermany.de
Hohe Flexion möglich
Quelle: www.zimmergermany.de
knochenerhaltend
Quelle: www.zimmergermany.de
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Beispiele
• Kniegelenkersatz– Knieprüfstand
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Beispiele
MeniskusVergrößerung der femoralen AuflageReduktion axialer KräfteGelenkstabilisatorUnterstützung des SynoviaflussesSchutz des Knorpels
Quelle: Müller-Rath.Präsentation Meniskus
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Beispiele
Meniskus
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Beispiele
MeniskusSynthetische nicht resorbierbare Materialien:
Teflon, Dacron
Autologe Gewebe:Patellarsehne, Quadrizepssehne, Semitendinosussehne,Faszia lata, Perichondrium, Hoffa-Fettkörper
Allogenes Meniskustransplantat
Tissue Engineering
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Seite 50© IAM 2006
Beispiele
Meniskus
Quelle: www.bvmed.de
Quelle: Müller-Rath.Präsentation Biomechanik
Quelle: Müller-Rath.Präsentation Biomechanik
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Beispiele
Bandscheibe
Quelle: www.montazem.de
Quelle: Huch/Bauer. Mensch Körper Krankheit
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Quelle: Kummer. Biomechanik
G: KörpergewichtM: MuskelkraftR: Resultierende aus G und M
Beispiele
Bandscheibe
Einfaches Modell der WirbelsäuleSchwarzer Pfeil: KörpergewichtGrün: BandscheibeRot: Muskeln
Quelle: Kummer. Biomechanik
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Beispiele
Bandscheibe
Zerlegung der Resultierenden in eine Vertikalkomponente V, die die Bandscheibe aufnimmt und eine schräg verlaufende Gelenkkraft G, die die Bogengelenke aufnehmen
Quelle: Kummer. Biomechanik
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Beispiele
Bandscheibe
Quelle: www.informationen-zu-schmerzen.de
Durch übermäßige Beanspruchung der Bandscheiben kann der äußere Knorpelring reißen. Der gallertartige Innenkern rutscht in den Wirbelkanal und drückt dort auf die austretenden Nervenbahnen. Meist sind Wirbel in Höhe der Lendenwirbelsäule und der Beinnerven betroffen.
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Seite 55© IAM 2006
Beispiele
Bandscheibe
Quelle: www.bauerfeind.nl
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Seite 56© IAM 2006
Beispiele
Bandscheibe
Quelle: www.wdr.de
Quelle: www.die-kuenstliche-bandscheibe.de
Quelle: www.medical-tribune.at
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Beispiele
Wirbelkörper 1) 2)
3) 4)
Quelle: www.klinikum.uni-heidelberg.de
Schrittweise Aufrichtung des osteoporotisch, gebrochenen Wirbelkörpers durch Kyphoplastie
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Beispiele
Wirbelkörper
Kyphoplastie: Knochenzementstabilisierung von frischen osteoporotisch bedingten Wirbelkörperfrakturen (1-4 Wochen alt) oder prophylaktisch bei drohenden osteoporotischen Wirbelkörpersinterungen mit Ballonaufrichtung
Vertebroplastie: prophylaktische Knochenzementstabilisierung von osteoporotischen Wirbelkörpern oder drohenden Wirbelkörpersinterungen ohne Ballonaufrichtung
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Wissenschaftliche Herausforderung für die Mechanik
Elemente des menschlichen Bewegungsapparates sind „lebend“. Dies bedeutet, dass bestimmte Annahmen der klassischen Mechanik nicht mehr zutreffen
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Wissenschaftliche Herausforderung für die Mechanik
Impulssatz, Massenerhaltung
Bei biologischen Materialien verändert sich die Dichte unddemzufolge auch die Masse.Unterscheidung “schneller” und “langsamer” Vorgänge
Die äußere Form von Elementen (Knochen) ändert sich durch Wachstum. Dies ist ein sehr junges Forschungsgebiet der Mechanik
amvmdt
vmdF rr&
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)(
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Wissenschaftliche Herausforderung für die Mechanik
KopplungseffekteFestkörpermechanik, Fluidmechanik, Chemie
Allgemein: Nur in interdisziplinärer Kooperation sinnvoll anzugehen
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Beispiele
Berechnung des inneren Knochenumbaus beim Einbau von Prothesen
Menschlicher Knochen ist, wie alle biologischen Materialien, in der Lage, seine innere Beschaffenheit sowie seine äußere Form den jeweiligen Gegebenheiten anzupassen. Insbesondere beim Einbau künstlicher Gelenke kann dieses Verhalten zur Lockerung und zum Ausfall der Prothese führen..
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Seite 63© IAM 2006
Beispiele
Berechnung des inneren Knochenumbaus beim Einbau von Prothesen
Berechnet wird hier die Dichteänderung, die sich aufgrund eines Protheseneinbaus im Knochen ergibt. Zusätzlich kann auch die Änderung der Materialparameter (Elastizitätskoeffizienten für anisotropes Material) bestimmt werden.
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Seite 64© IAM 2006
Wissenschaftliche Herausforderung für die Mechanik
• Hooke’sches Gesetz
⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
=
⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
zx
yz
xy
zz
yy
xx
zx
yz
xy
zz
yy
xx
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
εεεεεε
τττσσσ
666564636261
565554535251
464544434241
363534333231
262524232221
161514131211
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Beispiele
Funktionelle Knochenadaptiondes menschlichen Femurs
In s t i tu t fü rA llgem e in e M ech an ik
O rth o p äd is c h e K lin ik H e lm h o ltz -In s t i tu t ,A b t . C h ir . T h e rap ie tech n ik
S T A R T -P ro jek t d e s K l in ik u m sd e r R W T H A ach en
•Makroskopische Modellierung der Knochenadaption unter Ber. isotropen u. orthotropen Material- verhaltens•Modellierung des porösen Materials Knochen auf mikrosk. Ebene•Mikro-Makro-Übergang unter Verwendung von Homogenisierungs- konzepten
•Ermittlung der Materialdaten der beteiligten Konstituenten•Durchführung exp. Untersuchungen zum Knochenaufbau•Verifikation berechneter Daten anhand klinischer Studien
•Erstellung eines Interfaces zur Generierung eines FE-Netzes aus CT-Daten•Einsatz berechneter Ergebnisse in der Operationsplanung
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Beispiele
Mittlerer täglicherStimulus
Stimulus
Umbaurate
Anbau
Abbau
W W1 2
Fall 2Fall 1
Für Umbau verantwortliche
� �
��X
Tagni��mi
�A
�m
effektive Spannung� �
p� � E � U
Be�ndet sich der t�agliche Stimu�
lus im Bereich �W� � � � W��
so �ndet kein Knochenumbau statt
�sogenannte dead zone� Im Bereich
� � W� wird Knochenmaterial an�
gebaut� im Bereich � � W� wird es
abgebaut
Täglicher mechanischer Stimulus
Verwendetes Modell zur Modellierung der Knochenadaption (Kriterium nach Carter)
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Seite 67© IAM 2006
Beispiele
Osteoklasten
Aktivität der
Osteoblasten
Mittlerer täglicherStimulus
� � �� � ��
Knochenabbaurate
r � r� � �r � �t
Knochenanbau- /
Das Prinzip des Knochenumbaus nach Carter
Knochengeometrieund -struktur
Stimulus
Aktivität der
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Beispiele
Beispiel der berechneten Dichteentwicklung eines Femurs
FE-Modell des Femurs
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Beispiele
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Beispiele
Künstlicher Meniskusersatz
Unverdichtetes Kollagengel
Hochverdichtetes Kollagengel
Meniskusimplantat
Ziel der gegenwärtigen Untersuchungen ist es, die mechanischen Eigenschaften des verdichteten Kollagens im Druck-, Torsions-und Zugversuch zu prüfen.
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Seite 71© IAM 2006
Beispiele
Knieprüfstandsversuche
Der Knieprüfstand, der in eine „Minibionix II“ der Firma MTS eingebaut ist, wird zur Untersuchung von künstlichen Kniegelenken verwendet. Hierbei stehen sowohl Versagensaspekte der beteiligten Werkstoffe als auch tribologische Messungen im Vordergrund. Zur Zeit wird im Rahmen des DFG-Projekts WI 2500/3-1 das Verhalten beschichteter und unbeschichteter Knieprothesen hinsichtlich der Rissbildung im Knochenzement untersucht.
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Seite 72© IAM 2006
Beispiele
Versuche mit dem Knieprüfstand
Die Simulation der menschlichen Bewegung des Kniegelenks erfolgt
über 4 geregelte Achsen.
Entsprechend der EN ISO 14243 werden 5 Millionen Lastzyklen aufgebracht. Nach jeder Million
werden die Belastungen unterbrochen, um gravimetrische
Abriebsmessungen durchzuführen.
Eine hervorragende Werkstatt erlaubt den
flexiblen Einbau verschiedenster
Prothesenformen
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Beispiele
Versuche mit dem Wirbelsäulenprüfstand
Der Wirbelsäulenprüfstand ist mittels einer Ultraschallmesssensorik in der Lage, dreidimensional Bewegungen der Wirbelsäule zu verfolgen. So ist z. B. das Bewegungsverhalten von Schafwirbelsäulen nach dem Einbau einer Bandscheibe aus einer neuartigen porösen Keramik ebenso wie der Einfluss dezentral eingebauter künstlicher Bandscheiben untersucht worden.
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Seite 74© IAM 2006
Beispiele
Versuche mit dem Wirbelsäulenprüfstand
Das Aufbringen der Belastung erfolgt über
einen Arm und ist in allen Raumrichtungen möglich.
Angeschlossen ist ein laboreigener Raum, in dem den Medizinern der Einbau
der Bandscheiben in natürliche Strukturen
möglich ist..
Auf diese Weise gelingt es, die Präparate möglichst frisch zu testen und so zuverlässige Ergebnisse zu
erhalten.
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Seite 75© IAM 2006
Perspektiven
Integrierte Modellierung• Festkörpermechanik• Fluidmechanik• Chemische Interaktionen
Erstellung einer umfassenden Datenbasis für Validationen (Experimente, Erfahrungswerte, Statistiken)Konstruktive Nutzung der Simulationstechniken• Optimierung von Prothesen und Ersatzweichteilen
unter Berücksichtigung der physiologischen Langzeiteffekte