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FE-Simulation von Bewegungen und
Beanspruchungen des menschlichen Bewegungsapparates
| Therapeutische Maßnahmen der
Präventiv- und Sportmedizin zur Vermeidung von Verletzungen und
Verschleißerkrankungen und zur Rehabilitation nach
Schädigungen des menschlichen Bewegungsapparats beruhen
häufig auf empirischen Erfahrungen, wobei nicht selten eine
grundlegende biomechanische Absicherung fehlt. Eine effektive und
zukunftsorientierte Möglichkeit diese Lücke ohne aufwendige
Experimente zu schließen, ist die Computersimulation von
Bewegungen und Beanspruchungen des menschlichen Bewegungsapparats mit
Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM). Dazu werden die aus
Computertomographiedaten erstellten FE-Netze für die
einzelnen Knochen, die ein Gelenk bilden, zu FE-Modellen
zusammengesetzt. Hierbei werden u.a. die Kontaktbedingungen zwischen
den Knochen und die kinematischen Kopplungen der Knochen durch den
Bandapparat berücksichtigt.
Die Einführung unterschiedlicher
Randbedingungen für alltägliche oder sportliche Belastungen
ermöglicht eine Analyse der Kinematik und der Beanspruchungen des
menschlichen Bewegungsapparats für diverse Aspekte der
Präventiv- und Sportmedizin. Außerdem sind mit Hilfe solcher
FE-Modelle auch präoperative Studien zu den möglichen
Auswirkungen geplanter chirurgischer Eingriffe möglich.
Schwerpunkt der Studien ist die biomechanische Analyse des Kniegelenks.
Gerade das Kniegelenk betreffend gibt es von Seiten der Präventiv-
und Sportmedizin eine Vielzahl von Fragestellungen zur Vermeidung von
Verletzungen und Verschleißerkrankungen und zur Rehabilitation
nach Schädigungen.
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Abb. 1: Spannungsanalyse
bei der Kniebeuge
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| Mit Hilfe von zwei- (Abb. 1) und
dreidimensionalen (Abb. 2) FE-Simulationsmodellen
werden für das Kniegelenk folgende
globale Ziele angestrebt:
- Abschätzung von
Verletzungsrisiken,
- Abschätzung von Fehlbelastungen,
- Reduzierung der Anzahl der
Kniegelenkverletzungen,
- Vermeidung von Gelenkverschleiß,
- Verbesserung vorhandener
Behandlungsmethoden sowie -hilfen und der Heilungschancen nach
Verletzungen,
- Ableiten von Hinweisen für
Kreuzbandoperationen,
- Erreichen der vollen
Funktionsfähigkeit nach Verletzungen,
- Vermeidung von Folgeschäden nach
medizinischen Eingriffen bzw. die Begrenzung von Krankheitsfolgen und
- Optimierung von
Rehabilitationsmaßnahmen.
Sind Verletzungen oder
Verschleiß bereits aufgetreten, dann sind häufig Operationen
mit Einsatz von Implantaten oder Prothesen notwendig. Alle diese
Maßnahmen erfordern im allgemeinen individuelle,
patientenabhängige Lösungen. Deshalb werden die Finite
Elemente Modelle aus Computertomographiedaten erstellt.
Die FE-Simulation
ermöglicht die Berechnung von Bewegungen, Kontaktspannungen,
Knochenbeanspruchungen und Verformungen für menschliche Gelenke.
Die entwickelten Methoden und die gewonnen Erkenntnisse sind für
Sportwissenschaftler, Sportphysiotherapeuten, Sportmediziner,
Orthopäden, Chirurgen und Radiologen von größter
Bedeutung, wie u.a. die enge Zusammenarbeit mit Vertretern dieser
Gruppen zeigt.
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Abb. 2: Bewegungsstudie
eines menschlichen Knies
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Veröffentlichungen:
- G. Kullmer,
H. A. Richard, M. Grießer:
Neuentwicklung eines
Prothesenkniegelenks auf der Basis biomechanischer Studien des
menschlichen Kniegelenks
In: Tagungsband, 2.
Tagung der Deutschen Gesellschaft für Biomechanik, 2001,
S. 139-140
- G. Kullmer,
J. Weiser, H. A. Richard:
Motion and stress analysis of the human knee
joint using the Finite Element Method
In: J. Middleton, N. G. Shrive, M. L. Jones
(Eds.): Computer Methods in Biomechanics & Biomedical Engineering -
4, 2001, CD-ROM Proceedings of the 5th International Symposium on
Computer Methods in Biomechanics & Biomedical Engineering, Rome,
Italy, 2001.
- G. Kullmer,
J. Weiser, H. A. Richard:
Simulation von Bewegungen und Beanspruchungen des
menschlichen
Kniegelenks mit der FEM.
In: K. Panreck, F. Dörrscheidt (Eds.): ASIM2001,
Simulationstechnik, 15. Symposium in Paderborn, 2001, S. 523-528.
- G. Kullmer,
J. Weiser, H. A. Richard, V. Figge:
Preoperative Finite Element simulation for a
forearm with pathologically deformed forearm bones
In: J. Middleton, N. G. Shrive, M. L. Jones
(Eds.): Computer Methods in Biomechanics & Biomedical Engineering -
4, 2001, CD-ROM Proceedings of the 5th International Symposium on
Computer Methods in Biomechanics & Biomedical Engineering, Rome,
Italy, 2001.
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09.02.2005
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