ZUR MECHANIK DES MENSCHLICHEN · PDF fileAnatomie des Bewegungsapparates, Springer-Verlag,...

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ZUR MECHANIK DES MENSCHLICHEN BEWEGUNGSAPPARATS

Institut für Allgemeine Mechanik

D. Weichert

Arbeitsgruppe: M. Albrand, T. Pandorf*, E. Schopphoff*, S. ChehadéKooperationen: Orthopädische Klinik, Helmholtz-Institut, u.a.____________________________________

*ehemalige Mitarbeiter des IAM

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Gliederung

Was ist der menschliche Bewegungsapparat?Warum beschäftigen wir uns mit dem Thema?Geschichtliche AspekteFokus auf therapeutische BelangeHilfestellung für die ChirurgieWissenschaftliche Herausforderung für die MechanikPerspektiven

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B. Kummer: Biomechanik – Form und Funktion des Bewegungsapparates, Deutscher Ärzte-Verlag Köln, 2005

F. Pauwels: Gesammelte Abhandlungen zur funktionalen Anatomie des Bewegungsapparates, Springer-Verlag, 1965

J.J. Telega (ed.): Modelling in Biomechanics, Lecture Notes 19, Polish Academy of Sciences, IPPT, Warsaw, 2005

Literatur

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Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?

KnochenSehnenMuskeln

Quelle: Sobotta Quelle: Sobotta

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Quelle: Sobotta Quelle: Sobotta

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Quelle: SobottaQuelle: Sobotta

HüfteHüftgelenk

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Quelle: Sobotta

Muskelursprünge und -ansätzeder unteren Extremität

Femur Links: von VorneRechts: von Hinten

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Quelle: Sobotta

Kniegelenk von lateral

Quelle: Sobotta

Kniegelenk von hinten

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Quelle: Sobotta

WirbelsäuleLinks: von ventralMitte: von dorsalRechts: von lateral

Quelle: Sobotta

Bänder der Wirbelsäule, von dorsal

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Quelle: Sobotta

Schultergelenk von vorne Schultergelenk von vorne

Quelle: Sobotta

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Gelenke• Bandscheibe• Meniskus

Quelle: Kummer. Biomechanik

Quelle: www.dr-gumpert.de

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Knochen: „Spannen“ den Körper auf (können Druck und Zugspannungen ertragen; im Wesentlichen druck-und biegebelastet)

Gelenke: Kinematische Bindungen (Fesseln, Translation) Muskeln: „Antriebselemente“ zur ZugkrafterzeugungSehnen: Kraftübertragungselemente (Zug)Bänder: elastische Stabilisierung der GelenkeWeichgewebe: Dämpfung, DruckverteilungFluide: Schmierung

Mechanische Funktionen

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Der menschliche Körper wird als Mehrkörpersystem angesehenBestandteile:Starre Elemente (Knochen, ca. 210, mehr als die Hälfte in Händen und Füßen)Kinematische Bindungen (Gelenke, ca. 100)„Aktive“ elastische Elemente (Skelettmuskeln > 600)„Passive“ elastische Elemente (Bänder, Sehnen, Knorpel, etc.)

Weichgewebe (Organe), Fluide

Klassischer mechanischer Ansatz

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Quelle: SobottaQuelle: Sobotta

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1. Bestimmung der Kinematik unter alleiniger Berücksichtigung der Gelenke (Freiheitsgrade der Beweglichkeit): Statisch unterbestimmtes System

2. Berücksichtigung von Bändern, Sehnen und Muskeln:Unbekannte Vorspannung und Muskelkraft (Federn); statisch überbestimmtes Problem (keine eindeutigen Lösungen für Kräfte), hochgradig nichtlineares Verhalten

3. Anwendung der statischen bzw. dynamischen Gleichgewichtsbedingungen der Mechanik (heute mit entsprechender multibody-software)Komplexe, individuumsbezogene Bewegungsabläufe

Klassischer mechanischer Ansatz

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Im weiteren Sinne gehört dazu:Energieversorgung/StoffwechselBewegungskoordinationZielgebung

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Warum beschäftigen wir uns mit dem Thema?

Wissenschaftlicher ErkenntnisdrangTherapeutische Belange• Unfallchirurgie

Quelle: Kummer.Biomechanik

Quelle: www.gipsverband.free.fr

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Therapeutische Belange• Missformung (krankheits- oder geburtsbedingt)

Quelle: www.uphs.upenn.edu

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Therapeutische Belange• Missformung (krankheits- oder geburtsbedingt)

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Therapeutische Belange• Abnutzungserscheinung

Quelle: www.deutsches-arthrose-forum.de

Quelle: www.rheuma-info.de

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Geschichtliche Aspekte

Aristoteles (384-322 v.Chr.) trat für eine Verbin-dung der Physik mit dem Studium lebender Objekte einR. Déscartes (1596-1650) betonte die Notwendigkeit der theoretischen Mechanik in der PhysiologieGiovanni Alfonso Borelli (1608-1679) beschäftigte sich u.a. mit den Muskelbewegungen und der Körperdynamik

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Julius Wolff (1836-1902) entwickelte das Gesetz der Transformation der KnochenFriedrich Pauwels (1885-1980)

Untersuchungen der Wechselwirkungen zwischen den mechanischen Beanspruchungen des Stütz- und Bewegungsapparates und ihre Auswirkungen auf das lebende Gewebe Wissenschaftliche Grundlage für die orthopädische Biomechanik

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Friedrich Pauwels (1885-1980)Weltweite Anerkennung mit

Behandlung der Schenkelhalspseudarthrosegrundlegenden Arbeiten über die Osteotomiensowie die Pauwels'schenKlassifikationen der Schenkelhalsfrakturen Quelle: www.orthopaedie-aachen.de

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Quelle: Sobotta

Proximales Femurende

Normaler Schenkelhalswinkel

Quelle: Kummer

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Fokus auf therapeutische Belange

Prothetik (Knochenersatz)• Hüfte

zementiert unzementiert Hybrid-Hüftendoprothese

Quelle: www.sana-solln.de Quelle: www.sana-solln.deQuelle: www.sana-solln.de

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Prothetik (Knochenersatz)• Hüfte

Oberflächenersatz

Quelle: www.medizin.uni-halle.de

Quelle: www.innolife.de

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Prothetik (Knochenersatz)• Schulter

Quelle: www.isp-gmbh-luebeck.deQuelle: www.isp-gmbh-luebeck.de

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Prothetik (Knochenersatz)• Knie

Quelle: www.amc.nl

Quelle: www.kuleuven.ac.be

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Prothetik (Knochenersatz)• Finger

Quelle: www.ottobock.deQuelle: www.mathysmedical.com

Quelle: www.roteskreuzkrankenhaus.de

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Prothetik (Weichteileersatz)• Bandscheibe

Quelle: www.stern.de

Quelle: www.biokinematik.de

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Prothetik (Weichteileersatz)• Bandscheibe

Quelle: www.die-kuenstliche-bandscheibe.deQuelle: www.medical-tribune.at

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Prothetik (Weichteileersatz)• Meniskus

Quelle: www.bvmed.de

Quelle: www.flash-light.de

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Prothetik (Weichteileersatz)• Bänder, z.B. Kreuzband

• Ersatz durch körpereigene Sehnen und Bänder, wie

– Patellarsehne (Kniescheibensehne)– Quadrizepssehne (Oberschenkelmuskelsehne)– Semitendinosus-Sehne oder

Semitendinosus/Gracilissehne in Kombination (Kniebeugesehnen)

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Hilfestellung für die Chirurgie

Erkenntnis über Kraftverlauf und BeanspruchungenBewertung von Prothesen und deren EinbauverfahrenOptimierung von Prothesen (Form, Material, Einbau)

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HüftgelenkersatzKraftverlauf

Richtung und Größe der Hüftgelenks-resultierenden in Abhängigkeit vom CCD-Winkel

Beispiele

NormalerCCD-Winkel

CCD-Winkelzu klein

CCD-Winkel zu groß

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Beispiele

Hüftgelenkersatz

Quelle: Kummer.BiomechanikQuelle: Kummer.Biomechanikl

Normale Biegebeanspruchung des Schenkelhalses

Axiale Beanspruchung des Schenkelhalses (CCD-Winkel zu groß)

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Beispiele

Hüftgelenkersatz

Dreidimensionale Architektur der Substantia Spongiosa im proximalen Femurende

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Beispiele

Hüftgelenkersatz

Quelle: www.ortho-praxis.ch

Quelle: www.medizin.uni-halle.de

Zementfreie Standardhüftprothesen Kurzschaftprothese

Oberflächenersatz

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Beispiele

Hüftgelenkersatz

Quelle: www.ortho-praxis.ch

Verschiedene Gleitpaarungen:Metall-MetallKeramik-KeramikMetall-Polyäthylen

Wie verändert sich der Kraftverlauf?

Welche Konsequenzen hat diese Änderung auf die Struktur des Knochen?

Ziel: Gleicher Kraftverlauf vor und nach der Operation

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Beispiele

KniegelenkersatzKinematik

Beugung (Flexion) und Streckung (Extension)Innen- und Außenrotation (nur in Beugestellung)

Quelle: www.urbanfischer.de

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Beispiele

Komplexes Gelenk, 3 Knochen miteinanderverbunden (Oberschenkelknochen, Kniescheibe, Schienbein

Quelle: www.arthros.de

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Beispiele

Durch Sehnen und Bänder geführt

Quelle: www.arthros.de

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Quelle: Kummer. Biomechanikl

Beispiele

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Beispiele

KniegelenkersatzStatik

Beanspruchung des Femoro-Patellar-Gelenks

Beanspruchung von Hüft- und Kniegelenk in der Frontalebene

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Beispiele

Kniegelenkersatz

Standard

Quelle: www.zimmergermany.de

Hohe Flexion möglich

knochenerhaltend

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Beispiele

• Kniegelenkersatz– Knieprüfstand

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Beispiele

MeniskusVergrößerung der femoralen AuflageReduktion axialer KräfteGelenkstabilisatorUnterstützung des SynoviaflussesSchutz des Knorpels

Quelle: Müller-Rath.Präsentation Meniskus

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Beispiele

Meniskus

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Beispiele

MeniskusSynthetische nicht resorbierbare Materialien:

Teflon, Dacron

Autologe Gewebe:Patellarsehne, Quadrizepssehne, Semitendinosussehne,Faszia lata, Perichondrium, Hoffa-Fettkörper

Allogenes Meniskustransplantat

Tissue Engineering

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Beispiele

Meniskus

Quelle: www.bvmed.de

Quelle: Müller-Rath.Präsentation Biomechanik

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Beispiele

Bandscheibe

Quelle: www.montazem.de

Quelle: Huch/Bauer. Mensch Körper Krankheit

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G: KörpergewichtM: MuskelkraftR: Resultierende aus G und M

Beispiele

Bandscheibe

Einfaches Modell der WirbelsäuleSchwarzer Pfeil: KörpergewichtGrün: BandscheibeRot: Muskeln

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Beispiele

Bandscheibe

Zerlegung der Resultierenden in eine Vertikalkomponente V, die die Bandscheibe aufnimmt und eine schräg verlaufende Gelenkkraft G, die die Bogengelenke aufnehmen

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Beispiele

Bandscheibe

Quelle: www.informationen-zu-schmerzen.de

Durch übermäßige Beanspruchung der Bandscheiben kann der äußere Knorpelring reißen. Der gallertartige Innenkern rutscht in den Wirbelkanal und drückt dort auf die austretenden Nervenbahnen. Meist sind Wirbel in Höhe der Lendenwirbelsäule und der Beinnerven betroffen.

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Beispiele

Bandscheibe

Quelle: www.bauerfeind.nl

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Beispiele

Bandscheibe

Quelle: www.wdr.de

Quelle: www.die-kuenstliche-bandscheibe.de

Quelle: www.medical-tribune.at

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Beispiele

Wirbelkörper 1) 2)

Quelle: www.klinikum.uni-heidelberg.de

Schrittweise Aufrichtung des osteoporotisch, gebrochenen Wirbelkörpers durch Kyphoplastie

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Beispiele

Wirbelkörper

Kyphoplastie: Knochenzementstabilisierung von frischen osteoporotisch bedingten Wirbelkörperfrakturen (1-4 Wochen alt) oder prophylaktisch bei drohenden osteoporotischen Wirbelkörpersinterungen mit Ballonaufrichtung

Vertebroplastie: prophylaktische Knochenzementstabilisierung von osteoporotischen Wirbelkörpern oder drohenden Wirbelkörpersinterungen ohne Ballonaufrichtung

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Wissenschaftliche Herausforderung für die Mechanik

Elemente des menschlichen Bewegungsapparates sind „lebend“. Dies bedeutet, dass bestimmte Annahmen der klassischen Mechanik nicht mehr zutreffen

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Impulssatz, Massenerhaltung

Bei biologischen Materialien verändert sich die Dichte unddemzufolge auch die Masse.Unterscheidung “schneller” und “langsamer” Vorgänge

Die äußere Form von Elementen (Knochen) ändert sich durch Wachstum. Dies ist ein sehr junges Forschungsgebiet der Mechanik

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KopplungseffekteFestkörpermechanik, Fluidmechanik, Chemie

Allgemein: Nur in interdisziplinärer Kooperation sinnvoll anzugehen

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Beispiele

Berechnung des inneren Knochenumbaus beim Einbau von Prothesen

Menschlicher Knochen ist, wie alle biologischen Materialien, in der Lage, seine innere Beschaffenheit sowie seine äußere Form den jeweiligen Gegebenheiten anzupassen. Insbesondere beim Einbau künstlicher Gelenke kann dieses Verhalten zur Lockerung und zum Ausfall der Prothese führen..

Beispiele

Berechnung des inneren Knochenumbaus beim Einbau von Prothesen

Berechnet wird hier die Dichteänderung, die sich aufgrund eines Protheseneinbaus im Knochen ergibt. Zusätzlich kann auch die Änderung der Materialparameter (Elastizitätskoeffizienten für anisotropes Material) bestimmt werden.

• Hooke’sches Gesetz

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Beispiele

Funktionelle Knochenadaptiondes menschlichen Femurs

In s t i tu t fü rA llgem e in e M ech an ik

O rth o p äd is c h e K lin ik H e lm h o ltz -In s t i tu t ,A b t . C h ir . T h e rap ie tech n ik

S T A R T -P ro jek t d e s K l in ik u m sd e r R W T H A ach en

•Makroskopische Modellierung der Knochenadaption unter Ber. isotropen u. orthotropen Material- verhaltens•Modellierung des porösen Materials Knochen auf mikrosk. Ebene•Mikro-Makro-Übergang unter Verwendung von Homogenisierungs- konzepten

•Ermittlung der Materialdaten der beteiligten Konstituenten•Durchführung exp. Untersuchungen zum Knochenaufbau•Verifikation berechneter Daten anhand klinischer Studien

•Erstellung eines Interfaces zur Generierung eines FE-Netzes aus CT-Daten•Einsatz berechneter Ergebnisse in der Operationsplanung

Beispiele

Mittlerer täglicherStimulus

Stimulus

Umbaurate

W W1 2

Fall 2Fall 1

Für Umbau verantwortliche

� �

��X

Tagni��mi

effektive Spannung� �

p� � E � U

Be�ndet sich der t�agliche Stimu�

lus im Bereich �W� � � � W��

so �ndet kein Knochenumbau statt

�sogenannte dead zone� Im Bereich

� � W� wird Knochenmaterial an�

gebaut� im Bereich � � W� wird es

abgebaut

Täglicher mechanischer Stimulus

Verwendetes Modell zur Modellierung der Knochenadaption (Kriterium nach Carter)

Beispiele

Osteoklasten

Aktivität der

Osteoblasten

Mittlerer täglicherStimulus

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Knochenabbaurate

r � r� � �r � �t

Knochenanbau- /

Das Prinzip des Knochenumbaus nach Carter

Knochengeometrieund -struktur

Stimulus

Aktivität der

Beispiele

Beispiel der berechneten Dichteentwicklung eines Femurs

FE-Modell des Femurs

Beispiele

Künstlicher Meniskusersatz

Unverdichtetes Kollagengel

Hochverdichtetes Kollagengel

Meniskusimplantat

Ziel der gegenwärtigen Untersuchungen ist es, die mechanischen Eigenschaften des verdichteten Kollagens im Druck-, Torsions-und Zugversuch zu prüfen.

Beispiele

Knieprüfstandsversuche

Der Knieprüfstand, der in eine „Minibionix II“ der Firma MTS eingebaut ist, wird zur Untersuchung von künstlichen Kniegelenken verwendet. Hierbei stehen sowohl Versagensaspekte der beteiligten Werkstoffe als auch tribologische Messungen im Vordergrund. Zur Zeit wird im Rahmen des DFG-Projekts WI 2500/3-1 das Verhalten beschichteter und unbeschichteter Knieprothesen hinsichtlich der Rissbildung im Knochenzement untersucht.

Beispiele

Versuche mit dem Knieprüfstand

Die Simulation der menschlichen Bewegung des Kniegelenks erfolgt

über 4 geregelte Achsen.

Entsprechend der EN ISO 14243 werden 5 Millionen Lastzyklen aufgebracht. Nach jeder Million

werden die Belastungen unterbrochen, um gravimetrische

Abriebsmessungen durchzuführen.

Eine hervorragende Werkstatt erlaubt den

flexiblen Einbau verschiedenster

Prothesenformen

Beispiele

Versuche mit dem Wirbelsäulenprüfstand

Der Wirbelsäulenprüfstand ist mittels einer Ultraschallmesssensorik in der Lage, dreidimensional Bewegungen der Wirbelsäule zu verfolgen. So ist z. B. das Bewegungsverhalten von Schafwirbelsäulen nach dem Einbau einer Bandscheibe aus einer neuartigen porösen Keramik ebenso wie der Einfluss dezentral eingebauter künstlicher Bandscheiben untersucht worden.

Beispiele

Versuche mit dem Wirbelsäulenprüfstand

Das Aufbringen der Belastung erfolgt über

einen Arm und ist in allen Raumrichtungen möglich.

Angeschlossen ist ein laboreigener Raum, in dem den Medizinern der Einbau

der Bandscheiben in natürliche Strukturen

möglich ist..

Auf diese Weise gelingt es, die Präparate möglichst frisch zu testen und so zuverlässige Ergebnisse zu

erhalten.

Perspektiven

Integrierte Modellierung• Festkörpermechanik• Fluidmechanik• Chemische Interaktionen

Erstellung einer umfassenden Datenbasis für Validationen (Experimente, Erfahrungswerte, Statistiken)Konstruktive Nutzung der Simulationstechniken• Optimierung von Prothesen und Ersatzweichteilen

unter Berücksichtigung der physiologischen Langzeiteffekte

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