Entwicklung eines Finite-Elemente-Tools zur Ermittlung der Stabilität von osteosynthetischen Versorgungen

Status:

abgeschlossen 06/2009

Zielsetzung:

Ziel des beantragten Forschungsvorhabens war es, ein Werkzeug zu entwickeln, welches dem Chirurgen für die operative Versorgung einer Fraktur die zu erreichende Stabilität einer bestimmten Osteosynthese berechnet.
Dies erweitert die Möglichkeiten der präoperativen Planung einer Frakturversorgung um eine quantitative Abschätzung der mechanischen Stabilität. Die Berechnung basiert auf Computertomographischen (CT) Aufnahmen der Frakturregion. Zur Realisierung dieses Werkzeuges sollte ein Computeralgorithmus entwickelt werden, der die CT-Datensätze automatisch in ein Finite-Elemente-Programm überführt und dort mit abgespeicherten Datensätzen von Osteosynthesematerialien (wie z.B. Marknagel oder Platte) verknüpft.

Aktivitäten/Methoden:

Aus der Kombination der individuellen CT-Informationen der Fraktur eines Patienten und den hinterlegten Osteosynthesematerialien wird direkt die durch die Osteosynthese erreichbare mechanische Stabilität der Frakturversorgung berechnet. Die Entwicklung des Computeralgorithmus erfordert neben der Realisierung der Finite-Elemente-Methode (FEM) und einer Benutzeroberfläche vor allem eine gründliche Validierung durch biomechanische Untersuchungen. Diese Validierung erfolgte so realitätsnah wie möglich an Leichenpräparaten, die nach Frakturierung und dann wie präoperativ geplant stabilisiert wurden. Die mechanische Testung erfolgte dann entsprechend den physiologischen Belastungen in einer Materialprüfung.

Ergebnisse:

Im Projekt konnte ein zuverlässiger und validierter Prozess zur Verwendung von CT-Daten für Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode entwickelt werden. Die ausgiebigen Untersuchungen zur Simulation des Kontaktverhaltens zwischen Knochen und Implantat und zwischen den einzelnen Frakturfragmenten resultierten in sehr guten Ergebnissen und bilden die Grundlage für die abschließende Validierung des "Finite Element Stability Tool" (FEST). Das FEST steht zu diesem Zeitpunkt kurz vor der vollen Funktionsfähigkeit. Allerdings wird sich die Anwendung des FEST momentan noch auf das humane Femur beschränken. Nur für diesen Knochen konnte der gesamte Prozess hinsichtlich seiner Zuverlässigkeit und Realitätsnähe ausreichend genau untersucht werden.
Da eine benutzerfreundliche Oberfläche für Mediziner bisher nicht entwickelt werden konnte, ist die Anwendung des FEST momentan noch Spezialisten auf dem Gebiet der numerischen Simulation und der Bearbeitung von medizinischen Bilddaten vorbehalten. Die klinische Anwendung des FEST ist daher nur für elektive Eingriffe vorstellbar. So könnten zum Beispiel Fälle von Pseudarthrosen oder
andere Heilungsverzögerungen untersucht werden, um das für eine Revision biomechanisch optimale Implantat per Simulation zu ermitteln.

Stand: