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Seite 1© IAM 2006
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
Seite 4© IAM 2006
Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?
KnochenSehnenMuskeln
Quelle: Sobotta Quelle: Sobotta
Seite 5© IAM 2006
Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?
KnochenSehnenMuskeln
Quelle: Sobotta Quelle: Sobotta
Seite 6© IAM 2006
Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?
KnochenSehnenMuskeln
Quelle: SobottaQuelle: Sobotta
HüfteHüftgelenk
Seite 7© IAM 2006
Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?
KnochenSehnenMuskeln
Quelle: Sobotta
Quelle: Sobotta
Muskelursprünge und -ansätzeder unteren Extremität
Femur Links: von VorneRechts: von Hinten
Seite 8© IAM 2006
Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?
KnochenSehnenMuskeln
Quelle: Sobotta
Kniegelenk von lateral
Quelle: Sobotta
Kniegelenk von hinten
Seite 9© IAM 2006
Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?
KnochenSehnenMuskeln
Quelle: Sobotta
WirbelsäuleLinks: von ventralMitte: von dorsalRechts: von lateral
Quelle: Sobotta
Bänder der Wirbelsäule, von dorsal
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Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?
KnochenSehnenMuskeln
Quelle: Sobotta
Schultergelenk von vorne Schultergelenk von vorne
Quelle: Sobotta
Seite 11© IAM 2006
Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?
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
Seite 14© IAM 2006
Quelle: SobottaQuelle: Sobotta
Seite 15© IAM 2006
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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Was ist der „menschliche Bewegungsapparat“?
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
Seite 18© IAM 2006
Warum beschäftigen wir uns mit dem Thema?
Therapeutische Belange• Missformung (krankheits- oder geburtsbedingt)
Quelle: www.uphs.upenn.edu
Seite 19© IAM 2006
Warum beschäftigen wir uns mit dem Thema?
Therapeutische Belange• Missformung (krankheits- oder geburtsbedingt)
Quelle: Kummer. Biomechanik
Seite 20© IAM 2006
Warum beschäftigen wir uns mit dem Thema?
Therapeutische Belange• Abnutzungserscheinung
Quelle: www.deutsches-arthrose-forum.de
Quelle: www.rheuma-info.de
Seite 21© IAM 2006
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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Geschichtliche Aspekte
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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Geschichtliche Aspekte
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
Seite 25© IAM 2006
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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Fokus auf therapeutische Belange
Prothetik (Knochenersatz)• Hüfte
Oberflächenersatz
Quelle: www.medizin.uni-halle.de
Quelle: www.innolife.de
Seite 27© IAM 2006
Fokus auf therapeutische Belange
Prothetik (Knochenersatz)• Schulter
Quelle: www.isp-gmbh-luebeck.deQuelle: www.isp-gmbh-luebeck.de
Seite 28© IAM 2006
Fokus auf therapeutische Belange
Prothetik (Knochenersatz)• Knie
Quelle: www.amc.nl
Quelle: www.kuleuven.ac.be
Seite 29© IAM 2006
Fokus auf therapeutische Belange
Prothetik (Knochenersatz)• Finger
Quelle: www.ottobock.deQuelle: www.mathysmedical.com
Quelle: www.roteskreuzkrankenhaus.de
Seite 30© IAM 2006
Fokus auf therapeutische Belange
Prothetik (Weichteileersatz)• Bandscheibe
Quelle: www.stern.de
Quelle: www.biokinematik.de
Seite 31© IAM 2006
Fokus auf therapeutische Belange
Prothetik (Weichteileersatz)• Bandscheibe
Quelle: www.die-kuenstliche-bandscheibe.deQuelle: www.medical-tribune.at
Seite 32© IAM 2006
Fokus auf therapeutische Belange
Prothetik (Weichteileersatz)• Meniskus
Quelle: www.bvmed.de
Quelle: www.flash-light.de
Seite 33© IAM 2006
Fokus auf therapeutische Belange
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)
Seite 34© IAM 2006
Hilfestellung für die Chirurgie
Erkenntnis über Kraftverlauf und BeanspruchungenBewertung von Prothesen und deren EinbauverfahrenOptimierung von Prothesen (Form, Material, Einbau)
Seite 35© IAM 2006
Quelle: Kummer.Biomechanik
HüftgelenkersatzKraftverlauf
Richtung und Größe der Hüftgelenks-resultierenden in Abhängigkeit vom CCD-Winkel
Beispiele
NormalerCCD-Winkel
CCD-Winkelzu klein
CCD-Winkel zu groß
Seite 36© IAM 2006
Beispiele
Hüftgelenkersatz
Quelle: Kummer.BiomechanikQuelle: Kummer.Biomechanikl
Normale Biegebeanspruchung des Schenkelhalses
Axiale Beanspruchung des Schenkelhalses (CCD-Winkel zu groß)
Seite 37© IAM 2006
Beispiele
Hüftgelenkersatz
Dreidimensionale Architektur der Substantia Spongiosa im proximalen Femurende
Quelle: Kummer.Biomechanik
Quelle: Kummer.Biomechanik
Quelle: Kummer.Biomechanik
Seite 38© IAM 2006
Beispiele
Hüftgelenkersatz
Quelle: www.ortho-praxis.ch
Quelle: www.ortho-praxis.ch
Quelle: www.medizin.uni-halle.de
Zementfreie Standardhüftprothesen Kurzschaftprothese
Oberflächenersatz
Seite 39© IAM 2006
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
Seite 40© IAM 2006
Beispiele
KniegelenkersatzKinematik
Beugung (Flexion) und Streckung (Extension)Innen- und Außenrotation (nur in Beugestellung)
Quelle: www.urbanfischer.de
Seite 41© IAM 2006
Beispiele
KniegelenkersatzKinematik
Komplexes Gelenk, 3 Knochen miteinanderverbunden (Oberschenkelknochen, Kniescheibe, Schienbein
Quelle: www.arthros.de
Seite 42© IAM 2006
Beispiele
KniegelenkersatzKinematik
Durch Sehnen und Bänder geführt
Quelle: www.arthros.de
Seite 43© IAM 2006
Quelle: Kummer. Biomechanikl
KniegelenkersatzKinematik
Beispiele
Seite 44© IAM 2006
Beispiele
KniegelenkersatzStatik
Beanspruchung des Femoro-Patellar-Gelenks
Quelle: Kummer. Biomechanik
Beanspruchung von Hüft- und Kniegelenk in der Frontalebene
Quelle: Kummer. Biomechanik
Seite 45© IAM 2006
Beispiele
Kniegelenkersatz
Standard
Quelle: www.zimmergermany.de
Hohe Flexion möglich
Quelle: www.zimmergermany.de
knochenerhaltend
Quelle: www.zimmergermany.de
Seite 46© IAM 2006
Beispiele
• Kniegelenkersatz– Knieprüfstand
Seite 47© IAM 2006
Beispiele
MeniskusVergrößerung der femoralen AuflageReduktion axialer KräfteGelenkstabilisatorUnterstützung des SynoviaflussesSchutz des Knorpels
Quelle: Müller-Rath.Präsentation Meniskus
Seite 48© IAM 2006
Beispiele
Meniskus
Seite 49© IAM 2006
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
Quelle: Müller-Rath.Präsentation Biomechanik
Seite 51© IAM 2006
Beispiele
Bandscheibe
Quelle: www.montazem.de
Quelle: Huch/Bauer. Mensch Körper Krankheit
Seite 52© IAM 2006
Quelle: Kummer. Biomechanik
G: KörpergewichtM: MuskelkraftR: Resultierende aus G und M
Beispiele
Bandscheibe
Einfaches Modell der WirbelsäuleSchwarzer Pfeil: KörpergewichtGrün: BandscheibeRot: Muskeln
Quelle: Kummer. Biomechanik
Seite 53© IAM 2006
Beispiele
Bandscheibe
Zerlegung der Resultierenden in eine Vertikalkomponente V, die die Bandscheibe aufnimmt und eine schräg verlaufende Gelenkkraft G, die die Bogengelenke aufnehmen
Quelle: Kummer. Biomechanik
Seite 54© IAM 2006
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.
Seite 55© IAM 2006
Beispiele
Bandscheibe
Quelle: www.bauerfeind.nl
Seite 56© IAM 2006
Beispiele
Bandscheibe
Quelle: www.wdr.de
Quelle: www.die-kuenstliche-bandscheibe.de
Quelle: www.medical-tribune.at
Seite 57© IAM 2006
Beispiele
Wirbelkörper 1) 2)
3) 4)
Quelle: www.klinikum.uni-heidelberg.de
Schrittweise Aufrichtung des osteoporotisch, gebrochenen Wirbelkörpers durch Kyphoplastie
Seite 58© IAM 2006
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
Seite 59© IAM 2006
Wissenschaftliche Herausforderung für die Mechanik
Elemente des menschlichen Bewegungsapparates sind „lebend“. Dies bedeutet, dass bestimmte Annahmen der klassischen Mechanik nicht mehr zutreffen
Seite 60© IAM 2006
Wissenschaftliche Herausforderung für die Mechanik
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
amvmdt
vmdF rr&
rr+==
)(
Seite 61© IAM 2006
Wissenschaftliche Herausforderung für die Mechanik
KopplungseffekteFestkörpermechanik, Fluidmechanik, Chemie
Allgemein: Nur in interdisziplinärer Kooperation sinnvoll anzugehen
Seite 62© IAM 2006
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..
Seite 63© IAM 2006
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.
Seite 64© IAM 2006
Wissenschaftliche Herausforderung für die Mechanik
• Hooke’sches Gesetz
⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
=
⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
zx
yz
xy
zz
yy
xx
zx
yz
xy
zz
yy
xx
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
εεεεεε
τττσσσ
666564636261
565554535251
464544434241
363534333231
262524232221
161514131211
Seite 65© IAM 2006
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
Seite 66© IAM 2006
Beispiele
Mittlerer täglicherStimulus
Stimulus
Umbaurate
Anbau
Abbau
W W1 2
Fall 2Fall 1
Für Umbau verantwortliche
� �
��X
Tagni��mi
�A
�m
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)
Seite 67© IAM 2006
Beispiele
Osteoklasten
Aktivität der
Osteoblasten
Mittlerer täglicherStimulus
� � �� � ��
Knochenabbaurate
r � r� � �r � �t
Knochenanbau- /
Das Prinzip des Knochenumbaus nach Carter
Knochengeometrieund -struktur
Stimulus
Aktivität der
Seite 68© IAM 2006
Beispiele
Beispiel der berechneten Dichteentwicklung eines Femurs
FE-Modell des Femurs
Seite 69© IAM 2006
Beispiele
Seite 70© IAM 2006
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.
Seite 71© IAM 2006
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.
Seite 72© IAM 2006
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
Seite 73© IAM 2006
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.
Seite 74© IAM 2006
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.
Seite 75© IAM 2006
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