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Simulationsanwendungen in der Medizin

Die FEM-Simulation wird zusätzlich zu den bekannten Anwendungsgebieten, zum Beispiel dem Automobilbau, der Luft- und Raumfahrt sowie dem Maschinenbau, auch für andere Branchen zunehmend interessant. Ein wichtiges neues Anwendungsgebiet erschließt sich in der Medizin, unter anderem bei der Auslegung von Implantaten.
Mit dem AnyBody-Modell lassen sich die Gelenk- und Muskelkräfte bei einer beliebigen Bewegung bestimmt, hier das Heben eines Aquariums.

In manchen Fällen ist es im klinischen Alltag bereits heute üblich, patienten-individuelle Implantate am Computer zu modellieren und diese anschließend mit Hilfe von Rapid-Prototyping-Verfahren herzustellen. Ein gravierender Vorteil bei der Verwendung solcher Implantate besteht darin, dass der Arzt diese passgenau, also auf die Anatomie des jeweiligen Patienten zugeschnitten, einsetzen kann. Folglich müssen während der Operation keine Anpassungen am Knochen oder am Implantat mehr vorgenommen werden. Da das Implantat jedoch kein Standardprodukt mehr ist, ergibt sich als Nachteil, dass das modellierte Implantat gegebenenfalls nicht ausreichend dimensioniert wurde und deshalb den späteren Belastungen nicht standhält. Um eventuelle Schwachstellen zu identifizieren, lassen sich vorab entsprechende FEM-Simulationen durchführen. Die Fertigung und Verwendung des Implantats erfolgt erst dann, wenn die FEM-Simulation für alle berücksichtigten Belastungsfälle »grünes Licht« gibt.

Ein konkretes Beispiel für den skizzierten Einsatz der FEM-Simulation ist die Berechnung eines patienten-individuellen Kieferimplantates. Das Unternehmen Materialise, mit dem Berechnungsspezialist CADFEM auf diesem Gebiet zusammenarbeitet, entwickelt und vertreibt eine solche Software, mit der zum Beispiel patienten-individuelle Kieferimplantate modelliert und anschließend per Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt werden können.

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Patienten-individuelle Kieferimplantate

Ziel von Materialise und CADFEM ist es, die FEM-Simulation zwischen der »Konstruktion« und der »Fertigung« zu etablieren, genauso wie es im klassischen Entwicklungsprozess auch der Fall ist. Dafür soll die Geometrie des Kieferimplantates automatisch an das Programm ANSYS übergeben werden. Dort werden alle FEM-relevanten Schritte über die Vernetzung, das Aufbringen der Lasten und die Auswertung der Berechnungen durchgeführt. Als Ergebnis erhält der Arzt die möglichen Schwachstellen in der Konstruktion. Zur Zeit ist die FEM-Simulation zwar noch nicht integrierter Teil dieser Prozesskette, die Vorteile liegen aber auf der Hand.
Ein weiteres Anwendungsgebiet der Simulation betrifft die Auslegung von Standardimplantaten. Die- se sind im Gegensatz zu den oben dargestellten patienten-individuellen Implantaten Massenware und werden wie die meisten Produkte vor der Markteinführung genau definierten Belastungstests unterzogen um deren Festigkeit zu prüfen. Die Belastungstests sind standardisiert und können daher selbstverständlich nicht jede mögliche Belastung, die im Alltag auftreten kann, abdecken. Im besten Fall sind die so genannten »worst-case«-Szenarien abgedeckt.

Die Auslegung von Standardimplantaten

Soll das Implantatverhalten für frei definierbare Bewegungsabläufe – so wie sie im Alltag auftauchen – untersucht werden, müssen die während der Bewegung entstehenden Gelenk- und Muskelkräfte zur Verfügung stehen. Diese sind jedoch nicht ohne weiteres bestimm- beziehungsweise messbar. Zum Beispiel hat Professor Dr. Ing. Georg Bergmann (Charité - Universitätsmedizin Berlin, Leiter des Biomechanik-Labors am Campus Benjamin Franklin) zur Bestimmung von Gelenkkräften eigens dafür entwickelte »Messprothesen« implantieren müssen, um dann für verschiedene Bewegungsabläufe die Kräfte bestimmen zu können. Dabei wurden – auf den ersten Blick – erstaunliche hohe Kräfte ermittelt. In einem Schultergelenk wurden zum Beispiel beim Heben eines Wasserglases Kräfte von über 700 N gemessen. Diese Art Kräfte zu bestimmen, ist sehr aufwändig, denn zum einen müssen erst entsprechende Prothesen entwickelt werden und zum anderen müssen Patienten bereit sein, sich diese Prothesen implan- tieren zu lassen.

Eine Möglichkeit das Festigkeitsverhalten von Implantaten dennoch mit vertretbarem Aufwand zu untersuchen, ist eine gekoppelte MKS/FEM-Berechnung mit den Programmen AnyBody-Modeling-System (MKS) und ANSYS (FEM). AnyBody ist ein speziell auf den menschlichen Bewegungsapparat abgestimmtes Mehr-Körper-System (MKS), das auf der inversen Dynamik beruht. Mit AnyBody lassen sich sowohl die Gelenkkräfte als auch die Muskelkräfte bei jeder beliebigen Bewegung simulieren, so dass vielfältig Einsatzgebiete infrage kommen. Dazu gehören unter anderem die Analyse und Optimierung von Bewegungen im Sport, Untersuchungen der Gelenkkräfte für die Orthopädie, ergonomische Untersuchungen bei der Fahrzeugauslegung oder eben für die Bestimmung von Randbedingungen für FEM-Simulationen, wie hier beispielsweise im Rahmen der Implantatentwicklung. Speziell dafür wird jetzt eine Schnittstelle zwischen AnyBody und ANSYS realisiert.

Auf das Implantat bezogen bedeutet dies, dass mit der Software AnyBody der zu untersuchende Bewegungsablauf definiert und simuliert wird, beispielsweise das Heben eines Gegenstandes, das Treppen-steigen oder das Ein- beziehungsweise Aussteigen aus einem Fahrzeug. Als Ergebnis ergeben sich für jedes Gelenk die dort wirkenden Kräfte und zusätzlich die Kräfte, die über die Muskelansatzpunkte an den entsprechenden Knochen wirken. Die in AnyBody berechneten Kräfte lassen sich auch exportieren und dienen dann als äußere Kräfte für eine anschließende FEM-Simulation des Implantates.

Generell lässt sich über die Simulation in der Medizin sagen, dass andere Randbedingungen als in den Ingenieurswissenschaften gelten, denn die Geometrieerstellung aus bildgebenden Verfahren ist vergleichsweise aufwändig. Außerdem ist die mathematische Beschreibung von menschlichem Gewebe äußerst komplex und variiert zusätzlich von Mensch zu Mensch. Das gleiche gilt für die Bestimmung von Randbedingungen wie Kräfte, die nicht eindeutig definierbar sind und ebenfalls von Mensch zu Mensch variieren. Hinzu kommt, dass Mediziner, die eigentliche Zielgruppe, keine technische Ausbildung haben. Dies ist auch einer der Gründe, wieso die FEM-Simulation nach wie vor eher beziehungsweise nur in der medizinischen Forschung zu finden ist.

Um diesen besonderen Gegebenheiten Rechnung zu tragen, wurde bei der CADFEM GmbH im Jahr 2007 ein neuer Geschäftsbereich, CADFEM Medical, eingerichtet. Dieser hat sich als Aufgabe gestellt, für biomechanische beziehungsweise medizinische Fragestellungen praxistaugliche Lösungen auf dem Gebiet der rechnerischen Simulation zu liefern. -fr-

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