Eindringsimulation zur Ermittlung der Knochenbeanspruchung während Gelenkoperationen

Moderne, schaftlose Schulterprothesen (Abbildung a) werden eingesetzt, um einen größeren Anteil der ursprünglichen Knochensubstanz zu erhalten und potenzielle Risiken konventioneller Schaftprothesen zu verringern (Herbster 2020). Sie sind so geformt, dass neu gebildetes Knochenmaterial durch sie hindurchwachsen kann, was eine gute Kraftübertragung zwischen Implanat und Knochen ermöglicht. Wie genau eine optimale Fixierung, also eine optimale Osseointegration erreicht bzw. stimuliert werden kann, ist jedoch nicht vollständig geklärt (Berth 2016).
Vor diesem Hintergrund besteht das Ziel dieses Projekts darin, die mechanische Beanspruchung im Oberarmknochen während der Operation unter Nutzung der Finite-Elemente-Methode zu simulieren. Mithilfe der Ergebnisse wird untersucht, ob eine oder mehrere mechanische Beanspruchungsgrößen, z.B. Spannungen oder elastische/plastische Dehnungen mit Messdaten der Zellaktivitiät im Knochen, die in Form vom SPECT/CT-Daten vorliegen, korrelliert werden können.
Der entwickelte Workflow sieht folgende Einzelschritte vor:

1. Ableitung der relevanten Knochengeometrien sowie der genauen Lage des Implantats aus SPECT/CT-Daten (Abbildung b).
2. Transformation der Geometrien sowie der Messdaten der Zellaktivität in eine Referenzlage für die Simulation.
3. Ableitung eines FEM-Modells aus den CT-Daten, die in Form einer Punktewolke im dreidimensionalen Raum sowie der dazugehörigen Intensität aus der CT-Messung vorliegen (Abbildung c).
4. Durchführung der Simulation mit geeigneten Materialmodellen und -daten (Abbildung d).
5. Auswertung der Simulationsgergebnisse und Korrelation mit Messdaten der Zellaktivität in der Nähe des Implantats.

Simulating the implantation process of endoprostheses to determine mechanical load in the bones during operation

Modern, shoulder arthroplasties with stemless implants (figure a) help to preserve larger parts of the original bone substance and to reduce potential risks of conventional implants. Their shape allows newly formed bone structures to grow directly through the implant. However, it is not fully explained how an optimal fixation of the implant can be achieved or stimulated.

In this context, the project aims to simulate the mechanical loading in the humerus during the operation using the finite element method. The results are used to investigate whether one or more mechanical parameter, e.g. stresses or elastic/plastic strains, can be correlated with measurement data of cell activity in the bone, which is available in the form of SPECT/CT data.
The derived workflow consists of the following steps:

1. Derive the relevant bone geometries as well as the exact location of the implant from SPECT/CT data (figure b) .
2. Transform the geometries as well as the measurement data to a reference position for the simulation.
3. Generate a finite element model from the data (3D point cloud and corresponding intensity from the CT measurement (figure a) .
4. Conduct FEM-Simulation with suitable material models and material data (figure d) .
5. Evaluation of the simulation results and correlation with measured cell activity in vicintiy of the implant.