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Simulationsmodell zum Schädigungs- und Alterungsverhalten menschlicher Knochen auf der MikroebeneTeilförderung durch die STIFT. Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Carsten Könke Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. Andrea Keßler Projektbeschreibung: Die meisten zur Simulation von Schädigung mittels komtinuummechanischer phänomenlogischer Modelle auf der Makroebene benötigten Materialparameter können nicht durch mechanische Versuche direkt ermittelt werden. Für biologisches Material, z.B. menschliche Knochen ist eine in-vivo Ermittlung der Parameter ethisch generell nicht zulässig. Aufgrund fehlender Materialparamter beschränken sich die bisher am Institut für Strukturmechanik der Bauhaus-Universität Weimar in Zusammenarbeit mit Dr. Bruhin (Herz-Thorax-Chriugie, Universitätsklinikum Jena) [1] und mit dem Medizintechnikunternehmen BBraun-Aesculap erstellten einfachen makroskopischen Modelle auf linear elastisches Materialverhalten.
Um in Zukunft Schädigungsprozesse im Knochen abbilden zu können, wird die innere Struktur der Mikroskala, die Trabekelstruktur, modelliert. Einfache Materialgesetze für die Trabekelstruktur reichen aus um das komplexe makroskopische Materialverhalten zu beschreiben. Jedoch erhöht sich die Anzahl der Freiheitsgrade durch die Abbilddung der Mikrostruktur beträchtlich. Bisher können deshalb nur für kleine Knochenbereiche Schädigungssimulationen durchgeführt werden. Die Daten für die Geometrie des Knochens werden mittels quantitativer Computer Tomographie mit 41µm-82µm Auflösung (XtremeCT, ScancoMedical, Schweiz, am Universitätsklinikum Benjamin Franklin in Berlin) gewonnen. Ziel ist es am Beispiel des Brustbeinknochens effiziente Methoden zu entwickeln, welche die Berechnung des Schädigungsverhalten und der Knochenneu- und -umbildung (bone remodeling) auf der Mikroskala für den gesamten Knochen ermöglichen. Dazu werden die von Häfner [2,3] untersuchten und weiterentwickelten Gitternetzverfahren und Mehrgittergleichungslöser auf 3D Probleme erweitert und für angepasste Netze weiterentwickelt. Am Beispiel des menschlichen Sternums, dass nach Sternotomie (Durchtrennung des Brustbeins) durch Drahtschlaufen fixiert wird, soll die Anwendung der entwickelten Methoden demonstriert werden. Die damit möglichen ersten Schritte zu optimierten Fixierungstechniken verbessern die Heilungschancen, verringern das Risiko von Reoperationen von Patienten und führen, zumindest mittelfristig, neben einer Verbesserung der gesundheitlichen Situation des Patienten auch zu einer Verringerung der Kosten in diesem Bereich des Gesundheitswesens. Literatur: [1] Bruhin et al. 2005 Bruhin, R., Stock, U. A.., Drücker, J.-P., Azhari, T., Wippermann, J., Albes, J. M., Hintze, D., Eckardt, S., Könke, C., Wahlers, T.: "Numerical simulation Techniques to Study the Structural Response of the Human Chest Following Median Sternotomy". The society of Thoracic Surgeons, 80 (2005) 623-630 [2] Häfner, S., Könke, C.: "Multigrid preconditioned conjugate gradient method in the mechanical analysis of heterogeneous solids", In Proceedings of the 17th Intern. Conf. IKM 2006, Weimar, Germany, July 12-14, 2006 [3] Häfner, S., Könke, C.: "Damage simulation of heterogeneous solids by nonlocal formulations on orthogonal grids", In Proceedings of the 17th Intern. Conf. IKM 2006, Weimar, Germany, July 12-14, 2006 |
