Biomechanische Simulation zur Optimierung von operativen Eingriffen in der orthopädischen Medizin

Anwendungen von Finite Elemente Modellierung in der biomechanischen Forschung und Medizin

Die in Zürich lokalisierte Universitätsklinik Balgrist ist führend im Bereich der Orthopädie. Sie bietet ihren Patienten hochspezialisierte Medizin mit Hilfe modernster technologischer Mittel. Zur Klinik gehört ein Forschungskomplex, in dem Wissenschaftler und Entwickler der ETH Zürich sowie der Universität Zürich gemeinsam patientenbezogene wie auch experimentelle Forschung betreiben. 

Eines der laufenden und vielversprechenden Projekte konzentriert sich auf die Verbesserung der klinischen Ergebnisse mit Hilfe biomechanischer Simulationen. Dabei wird die klinische Diagnose und Operationsplanung von patientenspezifischen Multibody Dynamics und Finite Elemente Simulationen unterstützt. Aus CT- und MRI-Bildern werden automatisiert biomechanische Modelle erstellt, mit deren Hilfe digital eine Analyse des Patienten durchgeführt wird. Damit kann der mechanische Einfluss von operativen Eingriffen präoperativ simuliert werden.

Optimierung einer Wirbelsäulenoperation durch biomechanische Simulation

Ziel ist es, Operationsparameter (z.B. Lage und Winkel der einzusetzenden Schraube bei einer Wirbelsäulenoperation) zu optimieren und potentielle Komplikationen des geplanten Eingriffs vorherzusehen und so den Chirurgen in seiner klinischen Arbeit zu unterstützen.

Diese medizinische Anwendung stellt hohe Anforderungen an die Berechnungs-Software: Komplexe nicht-lineare biologische Materialien müssen präzise und schnell abgebildet, Versagensverhalten von knöchernen Strukturen reproduziert werden. Zudem erfordert die Automatisierung eine hohe Stabilität der Berechnung.

Der Arbeitsprozess in der klinischen biomechanischen Medizin.

Um diese Kriterien zu erfüllen, wird das nichtlineare FEM-Programm RADIOSS aus dem Hause Altair verwendet. RADIOSS überzeugt durch seine hohe Flexibilität, durch seine grosse Vielfalt an Materialmodellen, durch seine Robustheit und auch durch seine praktisch uneingeschränkte Parallelisierbarkeit.

Mit Hilfe von RADIOSS ist es der Universitätsklinik Balgrist möglich, im Bereich der Orthopädie seinen Patienten mit modernsten Mitteln eine hochspezialisierte und damit bestmögliche Medizin anzubieten.

Beispiel einer Simulation für einen operativen Eingriff an der Wirbelsäule.
Die Reproduktion nichtlinearer und komplexer biomechanischer Strukturen stellt hohe Anforderungen an die Simulationssoftware.
Vladimir Trickov/ Jonas Widmer
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