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)
- Rainer Bader (Forschungslabor für Biomechanik und Implantattechnologie, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Universitätsmedizin Rostock)
- Tobias Barth (Zentrum für Klinische Forschung, BG Klinikum Hamburg)
- Alexander Denk (Lehrstuhl für Mechanik und Robotik, Universität Duisburg Essen)
- Nicole Eichner (Labor für Biomechanik, Frankfurt University of Applied Sciences)
- Manuel Ferle (Lehrstuhl für Ergonomie, Technische Universität München)
- Klara Feile (Lehrstuhl für Konstruktionstechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen)
- Franziska Geiger (Forschungslabor für Biomechanik und Implantattechnologie, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Universitätsmedizin Rostock)
- 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)
- Stefanie John (Labor für Biomechanik und Biomaterialien (LBB), Orthopädische Klinik der Medizinischen Hochschule Hannover)
- Märuan Kebbach (Forschungslabor für Biomechanik und Implantattechnologie, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Universitätsmedizin Rostock)
- Daniel Klüß (Forschungslabor für Biomechanik und Implantattechnologie, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Universitätsmedizin Rostock)
- Sascha Kurz (Zentrum zur Erforschung der Stütz- und Bewegungsorgane (ZESBO), Universität Leipzig)
- Andrea Lorenz (Biomechanik Labor, Orthopädische Universitätsklinik mit Poliklinik, Tübingen)
- Jörg Miehling (Lehrstuhl für Konstruktionstechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen)
- David Scherb (Lehrstuhl für Konstruktionstechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen)
- Sebastian Schneider (Klinik und Poliklinik für Unfall-, Wiederherstellungs- und Plastische Chirurgie, Universitätsmedizin Leipzig)
- Michael Schwarze (Labor für Biomechanik und Biomaterialien (LBB), Orthopädische Klinik der Medizinischen Hochschule Hannover)
- Iman Soodmand (Forschungslabor für Biomechanik und Implantattechnologie, Orthopädische Klinik und Poliklinik, Universitätsmedizin Rostock)
- Andreas Wittek (Labor für Biomechanik, Forschungslabor für Personalized Biomedical Engineering (PBE), Frankfurt University of Applied Sciences)
Gemeinsame Initiativen
Derzeit wird in Kooperation mit dem Cluster Bewegungsanalyse ein Projekt angestrebt, in dem es gilt mittels numerischer Methoden die Bewegung zwischen Frakturfragmenten der Tibia bei verschiedenen Bewegungsaufgaben zu bestimmen. Ziel ist es dabei, zu quantifizieren welchen Effekt z.B. eine Teilbelastung hat und welche Bewegungsaufgaben besonders kritisch hinsichtlich einer möglichen Überlastung zu bewerten sind.
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“
Veröffentlichungen
- Kebbach M, Hucke L, Kluess D, Miehling J, Scherb D, Wartzack S, Wechsler I, Wittek A, Woiczinski M, Schwarze M. Numerische Simulation in der muskuloskelettalen Biomechanik: Anwendungsperspektiven und Möglichkeiten [Numerical simulation in musculoskeletal biomechanics : Application perspectives and possibilities]. Orthopadie (Heidelb). 2024 Jun 3. German. doi: 10.1007/s00132-024-04515-5. Epub ahead of print. PMID: 38829399.
- Oefner C, Hermann S, Kebbach M, Lange HE, Kluess D, Woiczinski M. Reporting checklist for verification and validation of finite element analysis in orthopedic and trauma biomechanics. Medical Engineering and Physics 92(2021): 25-32
- Kluess D, Soodmand E, Lorenz A, Pahr D, Schwarze M, Cichon R, Varady PA, Herrmann S, Buchmeier B, Schröder C, Lehner S, Kebbach M. A round-robin finite element analysis of human femur mechanics between seven participating laboratories with experimental validation. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 2019 Sep;22(12):1020-1031. doi: 10.1080/10255842.2019.1615481. Epub 2019 May 13. PubMed [citation] PMID: 31084272
- Soodmand E, Kluess D, Varady PA, Cichon R, Schwarze M, Gehweiler D, Niemeyer F, Pahr D, Woiczinski M. Interlaboratory comparison of femur surface reconstruction from CT data compared to reference optical 3D scan. Biomed Eng Online. 2018 Mar 2;17(1):29. doi: 10.1186/s12938-018-0461-0. PubMed [citation] PMID: 29495963, PMCID: PMC5833145
- 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
Koordinatoren
Dr.-Ing. Andreas Wittek
Technische Mechanik und Biomechanik
Fachbereich 2: Informatik und Ingenieurwissenschaften
Forschungslabor Personalized Biomedical Engineering
Labor für Biomechanik
Frankfurt University of Applied Sciences, Nibelungenplatz 1
60318 Frankfurt am Main
Tel.: +49 (0)69 1533 3035
E-mail: wittek@fra-uas.de
Dr.-Ing. Märuan Kebbach
Forschungslabor für Biomechanik und Implantattechnologie
Orthopädische Klinik und Poliklinik, Universitätsmedizin Rostock
Doberaner Straße 142
18057 Rostock
Tel.: +49 381 498 8985