Simulation von Umstellungsosteotomien an 3D-Finite Elemente Modellen des humanen Femurs

Diese Arbeit befaßt sich mit einer neuen Methode zur automatischen Erstellung von 3D-FE Modellen und deren Verwendung in einer voll parametrisierbaren und automatisierbaren Simulation von intertrochantären Umstellungsosteotomien. Die Methode der FE-Modellierung zeichnet sich dadurch aus, daß sie ein Hybridmodell erzeugt, das zum einen Teil aus einem individuellen, anhand von CT-Daten erstellten, Femurschaft und Schenkelhals (Voxelanteil) besteht, zum anderen Teil aus einem mit Hilfe des "Solid-Modelling" generierten, voll parametrisierbaren, Femurkopf mit Knorpelkappe und Kortikalisschicht (Tetraederanteil). Dieses Hybridmodell verbindet dadurch die Vorteile beider Modellierungstechniken, nämlich einfache Modellerstellung, Berücksichtigung individueller Patientendaten, glatte Kontakt- beziehungsweise Einleitungsflächen und hohe Elementenzahlen nur in den für die Auswertung interessanten Regionen. Die ersten Versuche einer Umstellungsosteotomie an einem Voxelmodell zeigten, daß die Technik funktionierte, aber die Auswertung durch Artefaktbildung nicht verwertbar war. Die in einem nächsten Schritt durchgeführten Vergleichsstudien mit einem nur auf Quaderelementen basierenden Voxelmodell und fünf verschieden konfigurierten Tetraedermodellen des Femurkopfes zeigten die große Bedeutung der Kortikalisschicht und der Knorpelkappe sowie deren Geometrie. Da es auf eine möglichst realitätsnahe Modellierung eben dieser drei Punkte ankommt, entfällt der weitere Einsatz der Modelle ohne die auslaufende Knorpelkappe und Kortikalisschicht. Die Verwendung des reinen Voxelmodelles entfällt alleine schon durch den notwendigen Mehraufwand bei der Modellerstellung, um ein Modell gleicher Qualität und Komplexität zu generieren. In den daraufhin durchgeführten Parameterstudien einer intertrochantären Umstellungsosteotomie zeigt sich die Verbindung des Osteotomiewinkel mit dem CE-Winkel als der wichtigste Faktor für die Belastung des Gelenkknorpels. Unter physiologischen Bedingungen, das heißt bei einem normalen CE-Winkel, ändert sich an den auftretenden Spannungen nur wenig, bei einer Hüftdysplasie (CE-Winkel=-15°) hingegen ist es möglich, durch eine varisierende 20° Osteotomie die maximal auftretende von-Mises-Vergleichsspannung am Knorpel von 25 MPa auf 11 MPa zu senken. Veränderungen der Parameter für die Osteotomiehöhe und den lateralen Versatz des proximalen Fragmentes zeigen dagegen nur einen minimalen Effekt auf die auftretenden Spannungen. Den größten Einfluß als alleiniger Faktor hat jedoch der CE-Winkel, der sich mit der hier simulierten Operation einer Umstellungsosteotomie des proximalen Femurs nicht beeinflussen läßt. Eine Weiterverwendung der bei dieser Arbeit entstandenen Werkzeuge an anderen Knochen des menschlichen Körpers ist ohne große Anpassungen möglich. Eine Weiterentwicklung zum Einsatz der Hybridtechnik bei der proximalen Tibiakopfumstellung ist bereits in Arbeit. Vor einem Praxiseinsatz der hier vorgestellten Methode steht noch die Notwendigkeit von größeren Studien mit dem Ziel, die Ergebnisse zu validieren, die Interpretierbarkeit zu verbessern und die Notwendigkeit der Individualisierung der einzelnen Parameter zu überprüfen