Numerische Simulation

Inhalt und Ziele

Das Ziel des Clusters für Numerische Simulation ist es, die entsprechenden Kompetenzen aus dem Netzwerk für Muskuloskelettale Biomechanik zu bündeln und auf biomechanische Fragestellungen anzuwenden. Hierzu zählen numerische Verfahren mit Hilfe der Finite Elemente Methode sowie Mehrköpersimulationen. Während die FEM wesentlich für Feldprobleme wie Spannungs- und Dehnungsberechnungen, Implantat-Mikrobewegungen sowie biologische Umbauvorgänge (Remodelling) genutzt wird, dient die MKS dynamischen Fragestellungen wie z.B. Ganganalysen, Untersuchung von Muskel- und Gelenkkräften oder Gelenkkinematik. Dies gilt gleichermaßen für natürliche sowie endoprothetisch versorgte Gelenke. Die Vorteile von numerischen Simulationen im Vergleich zu experimentellen und klinischen Studien sind zum einen, dass die Fragestellungen auf mechanische Modelle reduziert werden und somit Probleme isoliert von anderen Einflussfaktoren betrachtet werden können. Zum anderen sind Parameterstudien möglich, die auf experimentellem oder klinischem Weg nur sehr aufwendig umsetzbar sind. Bei der Simulation entfällt der Prototypenbau. Der Aufwand von Experimenten mit Humanmaterial oder Proben tierischen Ursprungs ist auf ein Minimum reduziert und der personelle und zeitliche Aufwand im Vergleich zu klinischen Studien drastisch verringert. Die Entwicklung effizienter numerischer Methoden betrifft nicht nur die Kombination bestehender Simulationssoftware, sondern die Entwicklung und Programmierung neuer Material- und Strukturmodelle auf kontinuumsmechanischer Grundlage. Durch den Bezug dieser numerischen Modellierung auf medizinische Problemstellungen befindet sich die Forschungsaktivität dieses Clusters in dem interdisziplinären Bereich zwischen Biomechanik und Medizin.

Spezielle Forschungsthemen sind:

  • Modellierung von Knorpel und Knochen sowie Knorpel- bzw. Knochenersatzmaterial
  • Modellierung des Knochen-Implantat-Verbunds
  • FE-Simulation der menschlichen Bandscheibe
  • Fehleranalyse von Endoprothesen
  • MKS von Wirbelsäulensegmenten
  • Entwicklung von standardisierten Materialmodellen für Weichteilgewebe
  • Entwicklung von Software-Tools für die Modellierung von knöchernen Strukturen
  • Simulation von Patientenaktivitäten mit der MKS-Software AnyBody (AnyBody Technology A/S, Aalborg, Dänemark)

Teilnehmer

  • Peter Augat (Labor für Biomechanik, Berufsgenossenschaftliche Unfallklinik Murnau)
  • Marzieh Azarnoosh (Institut für Allgemeine Mechanik, RWTH Aachen)
  • Rainer Bader (Forschungslabor für Biomechanik und Implantattechnologie, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Universitätsmedizin Rostock)
  • Benjamin Fleischer (Labor für Biomechanik und Biomaterialien (LBB), Orthopädische Klinik der Medizinischen Hochschule Hannover)
  • Peter Föhr (Klinikum rechts der Isar der TU München, Klinik für Orthopädie und Sportorthopädie, Labor für Biomechanik)
  • Nadine Fuhrmann-Nelles (Institut für Allgemeine Mechanik, RWTH Aachen)
  • Dominic Gehweiler (Klinik für Unfall-, Hand- und Wiederherstellungschirurgie, Universität Münster)
  • Christof Hurschler (Labor für Biomechanik und Biomaterialien (LBB), Orthopädische Klinik der Medizinischen Hochschule Hannover)
  • Sebastian Jäger (Labor für Biomechanik und Implantatforschung, Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie, Universitätsklinikum Heidelberg)
  • Alexander Jahnke (Labor für Biomechanik der Justus-Liebig-Universität in Giessen)
  • Eike Jakubowitz (Labor für Biomechanik und Biomaterialien (LBB), Orthopädische Klinik der Medizinischen Hochschule Hannover)
  • Daniel Klüß (Forschungslabor für Biomechanik und Implantattechnologie, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Universitätsmedizin Rostock)
  • Manuel Krämer (Labor für Biomechanik und Biomaterialien (LBB), Orthopädische Klinik der Medizinischen Hochschule Hannover)
  • Andrea Lorenz (Biomechanik Labor, Orthopädische Universitätsklinik mit Poliklinik, Tübingen)
  • Klaus Sander (Lehrstuhl für Orthopädie des Universitätsklinikums Jena am Waldkrankenhaus "Rudolf Elle" GmbH (Eisenberg), Abt. Biomechanik)
  • Alexander Sapotnik (Institut für Baumechanik und Numerische Mechanik, Leibniz Universität Hannover)
  • Sebastian Schneider (Klinik und Poliklinik für Unfall-, Wiederherstellungs- und Plastische Chirurgie, Universitätsmedizin Leipzig)
  • Roger Scholz (Labor für Biomechanik, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Universität Leipzig)
  • Markus Schwarz (Labor für Biomechanik und experimentelle Orthopädie, Orthopädisch - Unfallchirurgisches Zentrum, OUZ Mannheim)
  • Michael Schwarze (Labor für Biomechanik und Biomaterialien (LBB), Orthopädische Klinik der Medizinischen Hochschule Hannover)
  • Markus Stoffel (Institut für Allgemeine Mechanik, RWTH Aachen)
  • Patrick Varady (Labor für Biomechanik, Berufsgenossenschaftliche Unfallklinik Murnau)
  • Christian Voigt (Labor für Biomechanik, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Universität Leipzig)
  • Wolfgang Willenberg (Institut für Allgemeine Mechanik, RWTH Aachen)
  • Matthias Woiczinski (Labor für Biomechanik, Klinik und Poliklinik für Orthopädie, Physikalische Medizin und Rehabilitation, LMU München)
  • Jeong Hun Yi (Institut für Allgemeine Mechanik, RWTH Aachen)
  • Bei Zhou (Institut für Allgemeine Mechanik, RWTH Aachen)

Gemeinsame Initiativen

Benchmark Modell am proximalen Femur (Start: 17.09.2014)

Anhand einer Finite-Elemente-Simulation des proximalen Femur sollen verschiedene Ansätze der teilnehmenden Biomechanik-Labore für die gleiche Fragestellung miteinander verglichen werden. Die beteiligten Institute werden zunächst einen CT-Datensatz mit eigenen Hilfsmitteln (Software) segmentieren und ein 3D-Modell generieren. Anschließend wird ein Vergleich untereinander und mit dem original gescannten Femur angestrebt. Weiterführend wird eine FE-Analyse desselben Femurs unter Last durchgeführt und mit experimentellen Daten verglichen.

Weitere Informationen zur Durchführung und Teilnahme erteilen die Cluster-Koordinatoren (siehe rechts).

Gemeinsame Arbeiten

Geförderte Projekte:

  • 2008 - „Biomechanische Charakterisierung von Tissue-Engineering Gewebe“
    Teilprojekt: Biomechanische Modellierung von Kollagenimplantaten
    Verbund-Forschungsantrag des Forschungsnetzwerks für Muskuloskelettale Biomechanik (MSB-Net) in der DGOOC

  • 2010-2012 - Funktionelle Qualitätssicherung von Regenerativen Gewebeersatzmaterialien für Knorpel und Meniskus (QuReGe)
    Teilprojekt: Biomechanische Modellierung, Finite Elemente Simulation, Materialprüfungen und Bioreaktorkultivierung
    Zur BMBF Bekanntmachung „Entwicklung und Validierung von Methoden und Verfahren der Regenerationstechnologien für den Einsatz in der Medizin“

Publikationen (Auswahl):

  • Kluess D, Hurschler C, Voigt C, Hölzer A, Stoffel M. Einsatzgebiete der Numerischen Simulation in der muskuloskelettalen Forschung und ihre Bedeutung für die Orthopädische Chirurgie. Orthopäde Apr;42(4): 220-231, 2013
  • Voigt C, Klohn C, Bader R, von Salis-Soglio G, Scholz R. Finite element analysis of shear stresses at the implant-bone interface of an acetabular press-fit cup during impingement. Biomed Tech 2007; 52: 208-215. PMID: 17691864

Tagungen:

  • 1st International Symposium on Numerical Simulation on Orthopaedic Biomechanics http://www.simortho.org/ , 26-27.08.2011
    Organisation : Forschungslabor für Biomechanik und Implantattechnologie, Universität Rostock
    Sponsor (u.a.): Förderverein für Allgemeine Mechanik e.v., RWTH Aachen

Koordinatoren

PD Dr.-Ing. Daniel Klüß
Forschungslabor für Biomechanik und Implantattechnologie
Orthopädische Klinik und Poliklinik, Universitätsmedizin Rostock
Doberaner Straße 142
18057 Rostock

Tel.: +49 381 494 9343
Fax: +49 381 494 9308

E-mail: daniel.kluess©med.uni-rostock.de

Dr. Dipl.-Ing. (FH) Matthias Woiczinski
Klinikum Großhadern
Labor für Biomechanik und Experimentelle Orthopädie
Marchioninistraße 23
81377 München

Tel.: +49-089-4400-74843

E-mail: matthias.woiczinski©med.uni-muenchen.de