Entwicklung eines FEM-Beinmodells zur Simulation der Interaktion mit einer Prothese

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung und Problemstellung

2 Stand der Technik

2.1 Geschichte der Entwicklung von Beinprothesen

2.2 Medizinisches Reverse Engineering

2.2.1 Freiformflächen Modellierungstechnik

2.2.2 Modellierungstechnik Vergleich

2.2.3 Modell-Datentypen STL/ OBJ/ STEP/ IGES

2.2.4 Vergleich des Aufbauprozesses von Körpermodellen

2.2.5 Vergleich von Flächenrückführungssoftware

2.3 Unterschenkelamputation Technik

2.4 Materialparameter

2.4.1 Weichgewebeparameter

2.4.1.1 E-Modul, Dichte und Querkontraktionszahl

2.4.2 Hautparameter

2.4.2.1 In vivo Test

2.4.2.2 In vitro Test

2.4.2.3 Das linear-elastische Modell

2.4.2.4 E-Modul, Dichte und Querkontraktionszahl

2.4.2.5 Das bi-lineare elastische Modell

2.4.2.6 Das viskoelastische Modell

2.4.3 Muskelparameter

2.4.3.1 Skelettmuskel-Struktur

2.4.3.2 Das Skelettmuskel-Modell

2.4.3.3 E-Modul, Dichte und Querkontraktionszahl

2.4.4 Knochenparameter

2.4.4.1 Die Knochenstruktur

2.4.4.2 E-Modul, Dichte und Querkontraktionszahl

2.5 Modellierungsansatz

2.5.1 Finite Elemente Methode

2.5.2 FEM-Software

3 Modellierung

3.1 Vorbereitung des Stumpfnetzes

3.1.1 Stumpfbaugruppe aus Polygon-Volumenkörpern

3.1.2 Strukturvergleich mit der Realität

3.1.3 Stumpf-Bauteil-Netz Export

3.1.4 Vergleich von Quadnetz Neue-Topologie-Methoden

3.1.5 Flächenanzahl-Reduzierung von T-Splines Volumenkörpern

3.2 Umwandlung von Quadnetz in T-Splines-Volumenkörper

3.3 Kollisions-Prüfung

3.4 Heften offener Strukturen

3.4.1 Heften der Tibia und Fibula

3.4.2 Heften des Stumpfendes

3.5 Begrenzungsfüllung des Weichgewebes

3.6 Verdicken der Haut

4 FEM-Simulation und Validierung

4.1 Statisch-mechanische Analyse in ANSYS Workbench

4.2 Geometrievorbereitung

4.2.1 Aufbau der Testkugeln

4.2.2 Boolesche Operation nach Import in DesignModeler

4.2.3 Gemeinsame Topologie in DesignModeler

4.2.4 Skalierung und Verschiebung in Fusion nach der Vernetzung

4.3 Einordnung des Materials

4.4 Kontaktvereinfachung als Verbund

4.5 Nichtlinearitäten

4.6 Vernetzung

4.6.1 Globale Vernetzung

4.6.1.1 Physikvoreinstellung

4.6.1.2 Elementansatzfunktion in Diskretisierung

4.6.1.3 Elementgröße

4.6.2 Lokale Vernetzung

4.6.2.1 Vernetzungsmethoden

4.6.2.2 Elementgröße der ausgewählten Geometrien

4.6.2.3 Einflussbereich

4.6.3 Adaptive Verfeinerung in Lösung

4.6.4 Netz-Qualität und -Statistik

4.6.4.1 Elementqualität und Statistik

4.6.4.2 Seitenverhältnis und Schiefe

4.7 Randbedingungen und Belastungen

4.7.1 Randbedingungen

4.7.2 Belastungen

4.8 Lösungen und Ergebnisse

4.8.1 Vergleich der Reaktionskräfte für Konvergenz-Prüfung

4.8.2 Validierung des Stumpfmodells

4.8.2.1 Validierung durch Kraftmessung

4.8.2.2 Anpassung der Materialparameter

4.8.2.3 Vergleich der Reaktionskräfte

4.8.3 Gesamtverformungen und Vergleichsspannungen

5 Zusammenfassung und Ausblick

5.1 Aufbau des Modells aus Scandaten

5.2 Hinzufügen von Nichtlinearität

Zielsetzung & Themen

Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, ein digitales FEM-Beinmodell zu entwickeln, um die Interaktion zwischen dem menschlichen Stumpf und einer Prothese zu simulieren. Die Forschungsfrage fokussiert sich darauf, wie durch den Einsatz von medizinischem Reverse Engineering ein valides Stumpfmodell aus Scandaten konstruiert und dessen Funktionalität sowie Materialverhalten mittels FEM-Simulationen unter Belastung überprüft werden kann.

• Konstruktion eines Stumpfmodells aus vier Hauptmaterialien: Haut, Muskeln, Knochen und Weichgewebe.
• Prozess der Datenkonvertierung von Scandaten (Polygonnetze) zu T-Splines-Volumenkörpern für die Simulation.
• Einsatz und Vergleich verschiedener Softwarelösungen für Reverse Engineering und Modelltopologie.
• Validierung des FEM-Modells durch den Abgleich von Simulationsdaten mit experimentellen Kraftmessungen an einem physischen Probanden.

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1 Einleitung und Problemstellung: Dieses Kapitel erläutert die klinische Relevanz von individuell angepassten Beinprothesen und definiert das Ziel, ein valides Stumpfmodell zur Simulationsoptimierung zu entwickeln.

2 Stand der Technik: Hier werden die historischen Entwicklungen der Beinprothetik sowie theoretische Grundlagen zu Reverse Engineering, Materialeigenschaften (Haut, Muskeln, Knochen) und FEM-Methoden ausführlich dargestellt.

3 Modellierung: Dieses Kapitel beschreibt den praktischen Prozess der Erstellung des Stumpfmodells, beginnend bei der Vorbereitung der Scandaten bis hin zur Konvertierung in T-Splines-Volumenkörper für die anschließende Simulation.

4 FEM-Simulation und Validierung: Hier erfolgt die Detaillierung der statisch-mechanischen Analyse in ANSYS, einschließlich Vernetzung, Definition von Randbedingungen und die Validierung der Simulationsergebnisse durch physische Kraftmessungen.

5 Zusammenfassung und Ausblick: Das Kapitel reflektiert den erarbeiteten Entwicklungsprozess und gibt Empfehlungen für weiterführende Schritte, insbesondere hinsichtlich der Modellgenauigkeit durch CT-Daten und der Implementierung nichtlinearer Materialmodelle.

Schlüsselwörter

Beinprothese, FEM-Modell, Stumpfmodell, Reverse Engineering, NURBS, T-Splines, ANSYS Workbench, Materialparameter, Biomechanik, Lastübertragung, Simulation, Validierung, Modellierung, Finite Elemente Methode, Unterschenkelamputation.

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?

Die Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines digitalen FE-Modells (Finite-Elemente-Modell) eines menschlichen Beinstumpfes, um die physikalische Interaktion in der Schnittstelle zu einer Beinprothese zu simulieren und zu optimieren.

Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?

Zentrale Themen sind die mathematische Modellierung von biologischem Gewebe, Methoden des medizinischen Reverse Engineering zur Erstellung von Geometriedaten sowie die Durchführung und Validierung von FEM-Simulationen.

Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?

Das primäre Ziel ist es, ein vereinfachtes, aber valides 3D-Stumpfmodell zu schaffen, das mit realen experimentellen Daten korreliert und einen Beitrag zur Verbesserung der Prothesenoptimierung leistet.

Welche wissenschaftliche Methode wird primär verwendet?

Die Arbeit basiert primär auf der Finite-Elemente-Methode (FEM), unterstützt durch Verfahren der Geometriedatenverarbeitung (Reverse Engineering) zur Umwandlung von 3D-Scandaten in verwertbare Volumenmodelle.

Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?

Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Aufarbeitung des Standes der Technik, die detaillierte Beschreibung des Modellierungsaufbaus (Netzvereinfachung, Flächenrückführung) und die Durchführung der mechanischen Simulation zur Validierung der Materialparameter.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren das Dokument?

Wichtige Begriffe sind unter anderem Beinprothetik, Finite-Elemente-Methode, NURBS-Modellierung, Biomechanik, Gewebe-Materialparameter und Validierung durch Kraftmessung.

Wie wurde das Problem der Geometrievereinfachung und Netzqualität gelöst?

Der Autor nutzte eine Kombination aus Meshlab, Mudbox und Fusion 360, um die Flächenanzahl der Scandaten zu reduzieren und durch T-Splines-Volumenkörper rechenbare Strukturen zu erzeugen.

Welche Rolle spielten die Kraftmessungen im Validierungsprozess?

Die Kraftmessungen am menschlichen Bein mittels eines Sauter-Kraftmessgerätes dienten als Referenzwert, um die aus der Simulation resultierenden Spannungen und Materialparameter (E-Modul) zu kalibrieren.