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Lastgerechter Implantatentwurf
Mit Topologieoptimierung zum patientenspezifischen Optimum

In-silico Vergleichsstudie von Akromion Levy Typ II Implantaten am patientenspezifischen Beispiel

Branche: MedizintechnikFachgebiet: Biomechanik, Strukturmechanik

Akromionfrakturen folgend auf eine RSA (Reverse Shoulder Arthroplasty) sind zunehmend häufiger auftretend bei älteren Patienten. Für die Entwicklung patientenspezifischer Implantatlösungen wurden Topologieoptimierungen durchgeführt. Anschliessende Simulationsstudien ermöglichten die Analyse kritischer Implantatbereiche.

Zusammenfassung

Aufgabe

Im Rahmen eines Forschungsprojektes der Fachhochschule Nordwestschweiz mit PD Dr. Karim Eid vom Kantonsspital Baden soll das Potential der Topologieoptimierung im Bereich der Biomechanik abgeschätzt werden. Der Vergleich von gängigen und strukturoptimierten Implantatlösungen zur Behandlung von Akromion Levy Typ II Frakturen soll eine erste beispielhafte Indikation darstellen.

Lösung

Gängige Implantatlösungen, wie beispielsweise die Anwendung einer lateralen Klavikulaplatte (LCP), stellen keine zufriedenstellende Lösung dar. Der lastgerechte Bauteilentwurf mittels Topologieoptimierung von ANSYS ermöglicht die Entwicklung gezielter Implantatstrukturen, welche die verschiedensten alltäglichen Lastfälle eines Patienten mitberücksichtigen.

Kundennutzen

Mit der Unterstützung von CADFEM gelang der Aufbau eines parametrisierten biomechanischen Schultermodelles und die gezielte Anwendung der ANSYS Topologieoptimierung für den Implantatentwurf. Dies ermöglichte eine effiziente Planung der Simulationsstudie. Die Entwicklung eines passenden patientenspezifischen Implantates wurde sichergestellt.

Mit Hilfe der dichtebasierten Topologieoptimierung von ANSYS gelang es uns, historisch begründete Implantatgeometrien zu hinterfragen und gezielt lastgerechte Strukturen von Grund auf eigenständig zu entwickeln.

 

M.Sc. Janick Zehnder, Fachhochschule Nordwestschweiz, School of Life Sciences, Biomedical Engineering

Projektdetails

Aufgabe

Die Performance-Optimierung ist ein weitverbreiteter Teil in der allgemeinen Produktentwicklung. In der Biomechanik erschweren jedoch komplexe Formen, überlagerte Lastfälle und patientenspezifische Unterschiede die Erarbeitung von passenden Implantatdesigns für verschiedene Knochenfrakturen. Die Topologieoptimierung ist ein finite Elemente basiertes Tool mit dem optimierte, lastgerechte Designs automatisiert erstellt werden können. Dieses Tool hat grosses Potential um die Effizienz und Kreativität im patientenspezifischen Implantatdesign zu erhöhen.

In diesem Projekt der Fachhochschule Nordwestschweiz in Zusammenarbeit mit PD Dr. Karim Eid vom Kantonsspital Baden soll die Akromion Levy Typ II Fraktur nach RSA (reverse shoulder arthoplasties) untersucht werden. Die genauen Mechanismen, die zu dieser Fraktur führen, sind immer noch nicht vollständig untersucht. Zudem existieren keine spezifisch für diese Fraktur entwickelten Implantate. Diese Arbeit soll die Problematik der Fraktur in-silico qualitativ erklären, die Topologieoptimierung anwenden um spezifische Implantatdesigns zu erzeugen sowie diese Designs mit klassischen Implantaten (laterale Klavikulaplatte) vergleichen.


Nutzen für den Kunden

Die Simulationsstudien haben gezeigt, dass potentiell kritische äquivalente Spannungen unterhalb des Akromionbogens sowie maximale Hauptspannungen am superior-anterioren Rand des Akromions auftreten können. Dies kann zu einer Induktion einer Levy Typ II Fraktur führen.

Im Vergleich zu einer klassischen lateralen Klavikulaplatte zeigten die topologieoptimierten Designs gleiche oder bessere Leistung bzgl. maximalen Spannungen und Deformationen. Zudem hatten sie weitere Vorteile: eine bessere anatomische Passung, bessere Massenausnutzung sowie homogenere Spannungsverteilung, welche zu einem verbesserten Ermüdungsverhalten führen kann.

Finite Elemente Analysen und die Topologieoptimierung sind mächtige Werkzeuge in der Analyse komplexer biomechanischer Probleme. Letztere kann wertvolle Aufschlüsse über tatsächlich steifigkeits- und spannungsoptimierte Designs liefern, ohne sich rein auf historisch begründete Implantatdesigns verlassen zu müssen.


Lösung

Ein patientenspezifisches 3D Kortikalisknochenmodell basierend auf CT Daten wurde für einen vereinfachten Schulterkomplex bestehend aus Schulterblatt und Schlüsselbein erstellt (Bild 1 C). Muskelkraftvektoren für den anterioren, mittleren und posterioren Deltoidmuskel wurden aus der Literatur rekonstruiert, um die Lastfälle für ein patientenspezifisches finite Elemente Modell zu generieren, welches das biomechanische Verhalten für Abduktion und Flexion von 15-120° beschreibt. Automatisierte, parametergesteuerte Analysen wurden mit Hilfe von ANSYS optiSLang durchgeführt, um die winkelabhängigen Spannungen und Deformationen in der Levy Typ II Region zu ermitteln. Dies wurde erweitert durch eine Sensitivitätsstudie bzgl. Änderungen in der Magnitude, Orientierung und Ansatzpunkt der Muskelkräfte. Daraus resultierende kritische Lastfallszenarien wurden verwendet als Basis für eine Topologieoptimierung eines patientenspezifischen Implantats. Die entsprechenden Muskelkräfte der berücksichtigten Abduktions- und Flexionswinkel wurden basierend auf der Häufigkeit ihres Auftretens während eines Tages als Lastfälle in der Topologieoptimierung gewichtet. Die resultierenden Implantatdesigns für sowohl präventive (pre Levy II Fraktur) als auch kurative (post Levy II Fraktur) Therapien wurden mit Standardimplantaten verglichen.

 


Technik
Dr. sc. ETH Manfred Maurer

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