Bauer, Siegfried (2000)
Simulation von Belastungsverteilungen der Wirbelsäule mit Hilfe von FEM.
Technische Universität Darmstadt
Diplom- oder Magisterarbeit, Bibliographie

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Finite Element Methode ist ein Verfahren, um das mechanische Verhalten von Materialien numerisch zu beschreiben. In den Ingenieurswissenschaften wird sie seit circa 20 Jahren eingesetzt und hat sich in der Forschung und der Praxis bewährt. Da in medizinischen Simulationen und Planungssystemen heute dazu übergegangen wird auch die Gewebeeigenschaften zu simulieren, bietet es sich an, mit der Finite Element Methode ein ausgereiftes Verfahren zu verwenden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens, mit dessen Hilfe die Belastung von Bandscheiben individuell, d.h. an patientenspezifischen Daten, simuliert werden kann. Dazu ist es nötig ein FEM-Gitter, beruhend auf patientenspezisischen Daten, zu erzeugen, ein Materialmodell zu entwickeln, das die Eigenschaften von Bandscheibengewebe nachbildet, und die Randbedingungen des gesamten Modells zu bestimmen. Anschließend soll die Integration in ein bestehendes Operationsplanungssystem möglich sein. Zur Erzeugung des FEM-Gitters wurden CT-Daten verwendet, aus denen zunächst ein dreidimensionales geometrisches Modell abgeleitet wurde. Aus diesem 3D-Modell wurde ein FEM-Gitter erzeugt, welches die Bedingungen erfüllt, die von den numerischen Algorithmen gestellt werden. Da die Anwendung der Finite Element Methode auf biologisches Gewebe bisher nicht weit verbreitet ist, mußten ein geeignetes Gewebemodell und die zugehörigen Parameter ausgewählt werden. Es wurden verschiedene Materialmodelle untersucht und schließlich das am besten geeignete, anisotrope Modell ausgewählt. Desweiteren wurden Randbedingungen festgelegt, die das Anbringen der Kräfte, die Lagerung des Gesamtmodells, bzw. die Kopplung der einzelnen Modellteile bestimmen. Zur Berechnung der auftretenden Kräfte wurde ein biomechanisches Modell eines Bewegungssegmentes der Wirbelsäule erstellt. Anhand dieses Modells wurden verschiedene Bewegungen bzw. Belastungen simuliert und die auftretenden Kräfte berechnet. Diese Belastungen dienten neben der Geometrie, der Randbedingungen und der Gewebeeigenschaften als Eingabegrößen für die verwendete FEM-Software (ANSYS). Mit Hilfe der Berechnungen konnten die Belastungen und deren Verteilung auf der Bandscheibenoberfläche berechnet werden. Die Ergebnisse können im Volumenrenderer visualisiert und mit den Tomographiedaten des Patienten überlagert werden. Das vorgestellte Verfahren erlaubt es, die Belastungen in den Bandscheiben zu quantifizieren und deren Verteilung darzustellen. Als Weiterentwicklung ist die Integration in ein Operationsplanungssystem denkbar, wodurch nicht nur der tatsächliche Zustand simuliert werden kann, sondern auch der potentielle Zustand nach einer Bandscheibenoperation unter Berücksichtigung der einsetztbaren Implantate. So könnte der Erfolg einer Operation im voraus besser abgeschätzt werden.

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