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2|2011
2. JahrgangISSN 2190-0698
cameComputer Aided Medical Engineering
P. Juergens, J. Beinemann, M. Reyes, C. Kunz, K. Schwenzer-Zimmerer, H.- F. Zeilhofer
Moderne 3D-Planungs- und Positionierungsverfahren in der klinischen Routine
M. Meingast, M. Eder, A. Volf, S. Raith, C. Müller, F. Gottinger, N. Günther, J. Mitternacht, R. Burgkart, L. Kovacs
Finite Elemente Simulation der Weichteildeformation zur Optimierung der Prothesenschaftkonstruktion bei Oberschenkelamputationen: eine Machbarkeitsstudie
A. Nolte
Berechnung der Muskel- und Gelenkkräfte in der Schulter mit dem AnyBody Modeling System
Leseprobe
P. Juergens, J. Beinemann, M. Reyes, C. Kunz, K. Schwenzer-Zimmerer, H.- F. ZeilhoferModerne 3D-Planungs- und Positionierungsverfahren in der klinischen Routine
F. Storek, S. Döbele, C. Müller, M. Eder, S. Raith, D. Haller, G. Herndl, U. StöckleMonokortikale oder bikortikale Verschraubung: FEM-Simulation der inter fragmentären Bewegung bei der Frakturversorgung mit winkelstabilen Platten
2. Jahrgang . 2 | 2011 3Computer Aided Medical Engineering
Inhalt
22
29
Serie FEM für Mediziner und Biomechaniker
Veranstaltungen
Vorschau
TitelEntwurf und Gestaltung: Ludwig-Kirn Layout, LudwigsburgBild: Prothesenschaft, Druckspannungsvergleich zwischen Simulation und Messung. Von Dipl.- Ing. (FH) Markus Meingast
364345
K.-M. Schebesch, C. Doenitz, R. Zoephel, A. BrawanskiComputational Fluid Dynamics (CFD) und Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) – Flusssimulation in Aneurysmen des Gehirns
A. NolteBerechnung der Muskel- und Gelenkkräfte in der Schulter mit dem AnyBody Modeling System
17
12
M. Meingast, M. Eder, A. Volf, S. Raith, C. Müller, F. Gottinger, N. Günther, J. Mitternacht, R. Burgkart, L. KovacsFinite Elemente Simulation der Weichteildeformation zur Optimierung der Prothesenschaftkonstruktion bei Oberschenkelamputationen: eine Machbarkeitsstudie
7
Aboservice/Veröffentlichungen
News
Impressum
246
Eingebunden in die Veranstaltung „AN-
SYS Conference & 29. CADFEM Users’
Meeting 2011“, die vom 19. bis 21. Okt-
ober 2011 im ICS Internationales Con-
gresscenter Stuttgart durchgeführt wird,
findet die caMe-Konferenz statt. Am
ersten Tag, Mittwoch 19. Oktober, wird
an einem Beispiel der gesamten Work-
flow von CT/MRT-Daten bis zur Erstel-
lung eines FEM-Modelles gezeigt. Am
Donnerstag präsentieren Anwender in
Vorträgen ihre Erfahrungen beim FEM-
Einsatz. Unter anderem werden Themen
aus der Unfallchirurgie/Orthopädie,
Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie, Gefäß-
chirurgie und plastischen Chirurgie be-
handelt. Am Freitag lernen „Nicht-Tech-
niker“ in einem kleinen Workshop, wie
eine FEM-Simulation durchgeführt
wird.
Auf der Insel Mainau findet vom 20. Mai
bis 4. September 2011 die interaktive Aus-
stellung „Entdeckungen 2011: Gesund-
heit“ statt, die für alle
Altersgruppen ge-
eignet ist. Sie
zeigt unter ande-
rem, welche Er-
folge es bei der
Prävention und
Behandlung der
Volkskrankheit
Diabetes gibt, wie
vielseitig die moder-
ne Biotechnologie einge-
setzt werden kann und weshalb Sport und
gesunde Ernährung noch immer die effek-
tivsten Präventionsmaßnahmen sind. 18
Pavillons, eine Info-Tour und eine Kunst-
installation wecken den Forschergeist und
Wissensdrang von Besuchern mit Expona-
ten zum Ausprobieren und Aktionen zum
Mitmachen. Auf verständliche und spiele-
rische Weise vermitteln die verschiedenen
Beiträge der Ausstellung einen Eindruck
von der Innovationskraft der Gesundheits-
forschung.
Im Bereich der angewandten interdiszipli-
nären Forschung präsentiert CAPS das
Austellungsthema „Ingenieurwesen trifft
Medizin“. Die Forschungsgruppe CAPS
(Computer Aided Plastic Surgery) von der
2. Jahrgang . 2 | 20114Computer Aided Medical Engineering
News
Klinik für Plastische Chirurgie und Hand-
chirurgie des Klinikums rechts der Isar und
der Fakultät für Medizin der Technischen
Universität München hat es sich als Ziel
gesetzt, Erkenntnisse aus der interdiszipli-
nären Zusammenarbeit der Ingenieurwis-
senschaften, Mathematik, Physik, Infor-
matik, Biomechanik, Computertechnolo-
gie und anderer medizinischer Fachgebie-
te zu nutzen, um komplexe, fachübergrei-
fende medizinische Fragestellungen zu lö-
sen. In einem Netzwerk verschiedener
Forschungseinrichtungen und enger Part-
nerschaft mit High-Tech-Unternehmen
werden diese innovativen Technologien
zur 3D-Erfassung, Digitalisierung, Visua-
lisierung und Simulation des mensch-
lichen Körpers an die Bedürfnisse der Me-
dizin angepasst.
Veranstalter der Ausstellung „Entdeckun-
gen 2011: Gesundheit“ ist die „Stiftung
Lindauer Nobelpreisträgertreffen am Bo-
densee“, die vom 26. Juni bis 1. Juli 2011
in Lindau die 61. Tagung der Nobelpreis-
träger als interdisziplinäre Veranstaltung
der Fächer Physiologie und Medizin orga-
nisiert. Zu dieser Veranstaltung werden
rund 25 Nobelpreisträger und über 500
Nachwuchswissenschaftler erwartet. Fo-
rumsdiskussionen, Vorträge, Seminare
und informelle Zusammenkünfte bieten
Gelegenheit für einen Austausch zwischen
CAPS beteiligt sich an„Entdeckungen 2011: Gesundheit“
caMe-Konferenz: FEM-Simulation in Medizin und Biomechanik
Die caMe-Konferenz bietet umfangrei-
che Informationen und vielfältige Mög-
den Nobelpreisträgern und der zukünfti-
gen wissenschaftlich-akademischen Elite.
Weitere Informationen finden Sie unter
folgenden Internet-Adressen:
http://www.mainau-entdeckungen.de/http://www.caps.me.tum.dehttp://www.lindau-nobel.org
Veranstaltungsteilnehmer, die aus-schließlich die caMe-Konferenz besu-chen wollen, erhalten einen Biomecha-nik-Pass mit Sonderkonditionen. Wirerwarten, dass wir 8 Fortbildungspunk-te für Ärzte vergeben werden können.
2. Jahrgang . 2 | 2011 5
Die Hochschule Ulm, 1960 als staatliche
Ingenieursschule gegründet, bildet zur
Zeit ca. 3000 Studierende in verschiede-
nen Ingenieursdisziplinen aus. Neben den
klassischen Studiengängen Maschinenbau
und Elektrotechnik wird am Campus Al-
bert-Einstein-Allee der Studiengang Me-
dizintechnik angeboten, welchen die
Hochschule Ulm bereits 1988 in die Lehr-
landschaft Deutschland einführte. Zusätz-
lich zum Studienabschluss „Bachelor of
Engineering“ (B. Eng.) wird ein konseku-
tiver Masterstudiengang Medizintechnik
mit Abschluss zum „Master of Enginee-
ring“ (M. Eng) angeboten.
Computer Aided Medical Engineering
News
Ab dem Wintersemester 2011/2012 wird
im Studiengang Medizintechnik die Ver-
tiefungsrichtung Biomechanik angeboten
werden. Studierende erhalten eine fundier-
te Ausbildung unter anderem in den Fach-
gebieten der höheren Technischer Mecha-
nik, der Biomechanik und der Simulation.
Technisch unterstützt wird die Ausbildung
beispielsweise durch die Firmen CAD-
FEM und Zwick Roell.
Der Bereich Drittmittelforschung ist stetig
wachsend. Im Jahr 2010 warb die Fakultät
Mechatronik und Medizintechnik etwa ein
Drittel der gesamten Drittmittel in Höhe
von rund 1,6 Mio. € ein, wovon ca.
290.000 € durch den Bereich Medizin-
technik beziehungsweise ca. 90.000 €
durch den Bereich Biomechanik einge-
worben wurden.
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Felix CapanniProdekan der Fakultät Mechatronik & MedizintechnikLabor für Biomechanik und [email protected]
Prof. Dr. Thomas EnglederSimulation in Mechatronik und [email protected]
Neue Vertiefungsrichtung Biomechanik an der Hochschule Ulm
Das Studium der Biomechanik vermittelt vielfältige Kenntnisse: links eine Tibia-Knochenplatte im 4-Punkt-Biegtest nach ASTMF 382, rechts der Prototyp eines telemetrischen Knochenimplantats.
lichkeiten zum Erfahrungsaustausch. Wei-
tere Details und ein Anmeldeformular sind
auf der Website www.usersmeeting.com
zu finden.
CADFEM GmbH Marktplatz 285567 Grafing bei MünchenTel.: 08092 7005-0E-Mail: [email protected]: www.cadfem.de
Kurzfassung
Die Schulter ist das komplexeste Gelenk
im menschlichen Körper. Wirkende Mus-
kelkräfte sind nur aus vereinfachten analy-
tischen Berechnungen, Gelenkreaktions-
kräfte nur aus vereinzelten Studien mit spe-
ziellen Endoprothesen bekannt. Um aber
Operationstechniken zur Schulterstabili-
sierung zu bewerten oder belastungsge-
recht Implantate zu konstruieren, ist es von
großem Vorteil, detailliertere Informatio-
nen über die entscheidenden Kräfte zu er-
halten. Das AnyBody Modeling System
bietet in dem mitgelieferten Model Repo-
sitory ein validiertes Simulationsmodell,
um diese Kräfte zu berechnen. Die Ergeb-
nisse für die Schulterreaktionskräfte bei ei-
ner Flexionsbewegung im glenohumeralen
Gelenk konnten durch Implementierung ei-
nes Shoulder Rhythms verbessert werden.
Dieser steuert automatisch – abhängig von
Flexions- und Abduktionswinkel – die
Stellung der Scapula. Das Einbeziehen die-
ser Faktoren liefert bessere Ergebnisse für
die Schultergelenksflexion.
Schlüsselwörter
AnyBody, Schulter, Gelenkreaktionskräf-
te, Muskelkräfte, glenohumerale Flexion
1 Einleitung
Das Schultergelenk, auch glenohumerales
Gelenk genannt, ist das komplexeste Ge-
lenk im menschlichen Körper. Stabilität
wird über die Steuerung von Muskeln und
Ligamenten der Rotatorenmanschette so-
wie einer faserknorpeligen Pfannenlippe
(Labrum glenoidale) gewährleistet. Knö-
cherne Strukturen spielen dabei eine unter-
geordnete Rolle. Verletzungen der Rotato-
renmanschette führen daher zu einer Insta-
bilität im Gelenk, die eine Luxation be-
günstigen kann. Um verschiedene Ver-
letzungs- und Krankheitsbilder zu behan-
deln und die Stabilität des Schultergelenks
wiederherzustellen, sind jeweils mehrere
Operationstechniken nutzbar. Die Kräfte
in der Schulter zu kennen, ist in diesem
Fall von großem Vorteil. Bis jetzt sind aber
nur wenige Möglichkeiten bekannt, um
diese genauer zu ermitteln. Die Mehrkör-
persimulations-Software AnyBody Mode-
ling System ist eine davon.
2 AnyBody ModelingSystem
Das AnyBody Modeling System wurde spe-
ziell zur Analyse menschlicher Bewegung
entwickelt und lässt sich zur Berechnung
von Muskel- und Gelenkreaktionskräften
auf Basis von Bewegungsdaten nutzen (In-
verse Dynamik). Die Bewegung wird
mittels sogenannter Driver-Funktionen defi-
niert, die jeden offenen Freiheitsgrad im
System ansteuern. Alltagsbewegungen, die
mehrere oder sogar alle Gelenke einbezie-
hen, können mit einem Motion Capture Sys-
2. Jahrgang . 2 | 2011 17Computer Aided Medical Engineering
Berechnung der Muskel- und Gelenkkräfte in der Schulter mit dem AnyBody Modeling Systemvon A. Nolte*
*
Dipl.-Ing. (FH) Alexander NolteCADFEM GmbH, Grafing b. München
Abstract
The shoulder is the most complex joint in
the human. Acting muscle forces are
known from simplified analytical calcula-
tions, joint reaction forces just from single
studies with special measurement endo -
prostheses. To verify surgery techniques
for shoulder joint stabilization or to im-
prove construction of implants appropria-
te to acting loads, it is necessary to know
these forces. The AnyBody Modeling Sys-
tem offers a model repository with a vali-
dated shoulder model to compute these
forces. The results for the joint reaction
forces during a flexion in the glenohume-
ral joint could be improved by implemen-
ting a shoul-
der rhythm.
This function dri-
ves automatically the
position of the scapula accounting the fle-
xion and abduction angle in the shoulder
joint. Using this rhythm leads to better re-
sults for the joint reaction forces during
shoulder flexion.
Keywords
AnyBody, shoulder, joint reaction forces,
muscle forces, glenohumeral flexion
tem aufgezeichnet und im C3D-Format in
AnyBody importiert werden.
Der menschliche Körper lässt sich als ein
mechanisch überbestimmtes System be-
schreiben, denn es sind weitaus mehr Mus-
keln als Freiheitsgrade im Körper verfüg-
bar. Bekannt ist, dass Muskeln zusammen-
arbeiten, die ein Gelenk überspannen. Dies
wird Synergismus genannt. Um dieses
System mathematisch lösen zu können,
definiert man ein Optimierungsproblem.
Das Minimieren der polynomischen Ziel-
funktion
(a)
mit
fi Set aller verfügbaren Muskeln,
f aktuelle Muskelkraft,
N maximale Muskelkraft und
p Exponent als Grad für den Synergismus
ergibt die Muskelkräfte jedes einzelnen
Muskels unter Berücksichtigung der ent-
sprechenden maximalen Muskelkraft. Der
Quotient wird als Muskelaktivität be-
zeichnet. Mit der Annahme, dass die Mus-
kelaktivität proportional zur Muskelermü-
dung ist, minimiert AnyBody somit die
Muskelermüdung.
Als Standardeinstellung wird p = 3 ver-
wendet.
Mit P → ∞ ergibt sich eine Min/Max-For-
mulierung, bei der Rasmussen et al [1] zei-
gen konnte, dass
(b)
zu maximalem Synergismus führt und die
geringstmögliche Muskelaktivität im Sys-
tem berechnet wird. Randbedingungen bei
jedem der genannten Optimierungskrite-
rien sind das Erfüllen des mechanischen
Gleichgewichts unter Berücksichtigung
der externen Lasten und der Massenträg-
heitsmomente zu jedem Zeitschritt, sowie
dass Muskeln ausschließlich ziehen kön-
nen (Damsgaard et al [2]).
In dieser Studie wurde das quadratische
Optimierungskriterium aus Gleichung (a)
mit p = 2 verwendet.
3 AMMRV1.3.1
Das AMMRV1.3.1 (AnyBody Managed
Model Repository Version 1.3.1) ist eine
kostenfreie Modellbibliothek, die unter
www.AnyScript.org zum Herunterladen
zur Verfügung steht. Inhalt sind die Mo-
delle in der AnyBody-eigenen Program-
miersprache AnyScript. Somit bekommt
der Anwender den Quellcode der Modelle,
den er in allen Aspekten modifizieren kann
(z.B. Körpergröße, Masse, Muskelansätze
und Hillsche Muskelparameter). Außer-
dem stehen bereits mehrere Modelle zur
Verfügung, die mit reellen Messdaten va-
lidiert worden sind, z.B. ein Ganganalyse-
Modell, ein Modell eines Rollstuhlfahrers
oder ein Modell zur Berechnung der Kräf-
te in der Schulter.
Zur Berechnung der Schulterreaktions-
kräfte wurde das AnyBody Modell „Berg-
mannGH“ aus dem AMMRV1.3.1 ver-
wendet (Bild 1).
a. Schultermodell
Der anatomische Datensatz zum Aufbau
des Menschmodells wurde von der Delft
Shoulder Group der Technischen Univer-
sität Delft, Niederlande, übernommen.
Bänder und knorpelige Strukturen wie das
Labrum glenoidale sind in dem Modell
nicht modelliert. Die Gelenkreaktionskräf-
te werden durch eine Zwangsbedingung so
berechnet, dass diese immer in die Ge-
lenkfläche fallen (Bild 2).Das Schultermodell wurde bereits in zwei
Studien validiert. In Dubowsky et al [3]
sind sehr gute chronologische Überein-
stimmungen der mittels Elektromyografie
gemessenen elektrischen Muskelaktivie-
rung sowie von AnyBody berechneten Ak-
tivierungen der einzelnen Muskelpartien
beschrieben worden. Rasmussen et al [4]
konnte in vivo gemessenen Daten von
Bergmann et al [5] bei einer 45° Abduktion
im glenohumeralen Gelenk mit berechne-
ten Gelenkreaktionskräften vergleichen.
Betrag und Richtung der Kraft stimmen
sehr gut mit den gemessenen Werten über-
ein. Des Weiteren konnte eine hohe Sensi-
tivität des Simulationsmodells gegenüber
Fehlfunktionen der Muskulatur der Rota-
torenmanschette nachgewiesen werden.
Eine Berücksichtigung der Funktionsstö-
Muskel- und Gelenkkräfte in der Schulter
2. Jahrgang . 2 | 201118Computer Aided Medical Engineering
Bild 3: In vivo gemessene Gelenkreaktionskräfte im glenohumeralen Gelenk, Bild von www.orthoload.com [8]. Linke Seite oben: Kräfte in Prozent Körperge-wicht [%BW]; Linke Seite Mitte: Momente in Prozent Körpergewicht * Meter[%BW*m]; Linke Seite unten: Zusammenfassung der Messdaten und Patienten -daten; Rechte Seite oben: Richtung des Kraftvektors in verschiedene Körper -ebenen; Rechte Seite unten: Bild/Video der Bewegung.
Bild 2: Scapula und Humerus (transpa-rent gezeichnet). Die grünen Linien sinddie Kraftwirkungslinien der Komponentendes diskretisierten resultierenden Kraft-vektors. Diese bewirken, dass die Gelenk-reaktionskraft immer in die glenohume-rale Gelenkfläche fällt, welche von denblauen Punkten umrandet wird.
Bild 1: Modell BergmannGH aus derModellbibliothek AMMRV1.3.1.
f––N
rung des Musculus Supraspinatus bei dem
Probanden in dem Simulationsmodell
glich erst niedriger berechnete Kräfte aus
und zeigte eine endgültige Abweichung
von 863 N [5] zu 850 N [6], was ca. 1,5 %
entspricht.
b. Shoulder Rhythm
Ein sogenannter „Shoulder Rhythm“ über-
nimmt die automatische Steuerung der ro-
tatorischen Freiheitsgrade der Scapula und
Clavicula im acromioclavicularen, sterno-
clavicularem Gelenk sowie das Gleiten der
Scapula über den Thorax durch eine Kopp-
lung der Flexion/Extension, Abduk-
tion/Adduktion und der internen/externen
Rotation im glenohumeralen Gelenk [7].
Der Grund dafür ist, dass die Bewegung
der Scapula und somit der Öffnungswinkel
der Gelenkfläche relativ zum Humerus-
kopf sehr schwer zu ermitteln ist. Nolte et
al [6] konnte zeigen, dass AnyBody spe-
ziell bei einer Flexionsbewegung ohne Be-
rücksichtigung dieser Stellung stark über-
höhte Kräfte berechnet.
4 In vivo Messungender Schulter -reaktionskräfte
Bergmann et al [5] hat mit einer speziellen
Mess-Endoprothese die Gelenkkräfte im
glenohumeralen Gelenk in vivo gemessen.
Dabei treten hohe Kräfte selbst bei alltäg-
lichen Bewegungen auf [8]. Für isolierte,
rotatorische Bewegungen wie eine Flexion
oder Abduktion konnten maximale Kräfte
in Höhe von 80 bis 200 % des Körperge-
wicht (Abk. %BW) beobachtet werden,
was ca. 800 N bis über 1400 N entspricht.
Je nach Proband und Bewegung können
diese Werte stark schwanken. In Bild 3werden aufbereitete Messdaten gezeigt.
Dargestellt sind Gelenkkräfte, reibungsbe-
haftete Momente, die Richtung des Kraft-
vektors in verschiedenen Körperebenen,
eine Zusammenfassung der wichtigsten
Daten und ein Patientenvideo bzw. Bild
der Bewegung. Das Bild sowie der
schwarze Markierungsstrich in den Gra-
phen der Kräfte zeigen den Moment der
höchsten Messwerte. Die Rohdaten sind
als Textdatei ebenfalls auf www.ortholo-
ad.com [8] enthalten.
In Bild 4 ist die Messung für eine 90° Fle-
xion dargestellt. Der Betrag der Kraft ent-
spricht ca. 130 % des Körpergewichtes.
Der Proband wog in diesem Fall 103 kg
(1010 N). Die X- und Z-Komponente der
Kraft betragen ca. 520 N und 390 N. Die
größte Komponente ist die Y-Richtung mit
ca. 1100 N.
5 Simulations - ergebnisse
In AnyBody stehen mehrere frei wählbare
Funktionen bereit, um ein Modell zu ska-
lieren, z.B. unter Berücksichtigung der
Körpermaße, des Körpergewichtes und des
Körperfettanteils. Die hier verwendete Ska-
lierung berücksichtigt nur die Körpergröße
und das Gewicht. Bei dem verwendeten
Modell wurde nur das Körpergewicht ska-
liert, da die anderen notwendigen Eingabe-
parameter nicht verfügbar waren. Die ma-
ximale Muskelkraft des Musculus Supras-
pinatus wurde aufgrund der Diagnose einer
Dysfunktion beim Probanden in dem Si-
mulationsmodell um 50 % reduziert.
In dem Video von www.orthoload.com
sind eine Elevation der Scapula, eine leich-
te Ellbogenflexion und eine kleine gleno-
humerale Abduktion zu sehen. Das Any -
Body-Modell wurde daran angepasst (Ell-
bogenflexion von 20° und eine glenohu-
merale Abduktion von 10°), allerdings mit
abgeschätzten Werten und ohne verlässli-
che Messwerte dieser Größen.
Wie in Bild 5 zu sehen ist, berechnet Any -
Body die resultierende Kraft mit 1100 N
etwas zu niedrig. Die einzelnen Y- und Z-
Kraftkomponenten (rot und blau) entspre-
chen nicht exakt den gemessenen Kräften,
sind aber in einer ähnlichen Größenord-
nung. Die X-Komponente weicht tatsäch-
lich stark von den gemessenen Daten ab.
Muskel- und Gelenkkräfte in der Schulter
2. Jahrgang . 2 | 2011 19Computer Aided Medical Engineering
Bild 5: Vergleich der Bergmann-Daten mit den AnyBody-Simulationsergebnissenbei einer 90° Flexion im Schultergelenk mit 2 kg Gewicht in der Hand; durchgezo-gene Linien sind in vivo Messergebnisse, gestrichelte Linien sind die von AnyBodyberechneten Kräfte, in %BW dargestellt.
Bild 4: 90° Flexion im Schultergelenk mit 2 kg Gewicht in der Hand. Kraft in X,Y,Z-Richtung und Betrag in % Körpergewicht [8] (Körpergewicht = Bodyweight = BW).
Die Richtungsänderung in X (AnyBody:
-76 %BW; Bergmann: +53 %BW) bedeu-
tet, dass der resultierende Kraftvektor bei
AnyBody eher in Richtung anterior anstatt
wie bei Bergmann eher in Richtung poste-
rior in die Gelenkfläche fällt.
6 Diskussion
Ein zu untersuchender Punkt ist die Sensi-
tivität des Modells auf gewisse Unsicher-
heiten oder fehlender Information bei der
Datenerhebung. Es wurde keine Skalie-
rungsfunktion zur Anpassung des Modells
verwendet, da die notwendigen Daten nicht
vorlagen. Das Körpergewicht hat Einfluss
auf die Kräfte im Schultergelenk, denn mit
dem Körpergewicht wird automatisch die
Einzelmassen der einzelnen Körperteile
aber nicht die Stärke des Modells verän-
dert. Die hier untersuchte Bewegung wurde
innerhalb von 8 Sekunden ausgeführt. Des-
wegen sind auftretende Massenträgheits-
momente vergleichsweise gering und spie-
len eine untergeordnete Rolle. Die Ände-
rung des Körpergewichts des Modells hat
zur Folge, dass trotz steigender Masse die
Höhe der Gelenkreaktionskraft relativ (auf
Körpergewicht normierter Wert) dazu sinkt
(Bild 6). Bei Analyse der reinen Kraftdaten
wird dieser Unterschied wieder relativiert.
Im Bereich zwischen der zweiten und sech-
sten Sekunde bewegt sich der Kraftwert auf
einem Plateau. Der Unterschied zwischen
dem leichtesten Modell (70 kg) und dem
schwersten Modell (110 kg) beträgt 170
%BW zu 147 %BW, die absoluten Kraft-
werte betragen 1167 N zu 1586 N.
Eine Skalierung, die Körpermaße, Masse
und Körperfettanteil berücksichtigt, passt
automatisch die Stärke des Modells an. Dies
ist in Bild 7 dargestellt. Die Abweichung der
auf das Körpergewicht normierten Kraft be-
wegt sich in einem niedrigerem Bereich als
bei dem unskalierten Modell: ca. 136 %BW
(70 kg) bis 105 %BW (110 kg). Auch hier
weist das leichteste Modell die höchste nor-
mierte Kraft auf. Die absoluten Kräfte liegen
zwischen 934 N bis 1140 N.
Um gute Simulationsergebnisse zu erhalten,
muss die Bewegung der Scapula sowie der
Abduktionswinkel im Schultergelenk und
die Ellbogenflexion speziell bei einer Fle-
xion im glenohumeralen Gelenk gemessen
und in die Modellierung mit einbezogen
werden. In Bild 8 ist die resultierende Ge-
lenkreaktionskraft bei einer Flexion mit ei-
ner Abduktion im glenohumeralen Gelenk
dargestellt. Je weiter der Arm abduziert
wird, desto geringer sind die berechneten
maximalen Kräfte. Dies liegt an den besse-
ren Hebelverhältnissen der Muskeln der Ro-
tatorenmanschette bei dieser Stellung. Aller-
dings ist ein großer Unterschied am Anfang
der Bewegung zu sehen, da die Abduktion
und somit die Position des Gewichtes von
Arm und externer Last bereits ein Moment
im Gelenk erzeugt, welches durch höhere
Muskelkräfte und somit Gelenkreaktions-
kräfte kompensiert werden muss.
Bei dem in Bild 9 dargestellten Verhältnis
einer Ellbogenflexion relativ zur Gelenk -
reaktionskraft ist die Wirkung eines länge-
ren Hebelarmes der externen Last gut zu
erkennen: wird die Flexion im Ellbogen er-
höht, verkleinert sich der Hebelarm des
Gewichtes in der Hand des Modells relativ
zum Schultergelenk. Besonders auffällig
ist der Unterschied zwischen einer 0°, 5°
und 10° Flexion. In diesem Bereich ver-
ringert sich die Kraft von 157 %BW über
128 %BW bis auf 118 %BW. Eine mögli-
che Ursache hierfür könnten sehr ungün-
stige Hebelverhältnisse der Ellbogen und
Schultergelenk überspannenden Muskula-
tur sein, z.B. Musculus Biceps Brachii.
Die Werte bei einer Ellbogenflexion von
10°, 20° oder 30° ändern sich zwar auch,
aber in einem wesentlich kleineren Rah-
men (118 %BW bis 106 %BW).
Aufgrund des Scapulagleitens unter der
Haut können optische Messsysteme wie
Motion Capturing nur stark eingeschränkt
verwendet werden. Der modellintegrierte
Shoulder Rhythm erleichtert den Messauf-
wand somit erheblich, da ein zeitaufwän-
diges Abtasten und Vermessen der Scapu-
laposition entfällt. Speziell bei Patienten
mit Bewegungseinschränkungen und für
sie kraftraubenden Übungen und Haltun-
gen kann dies entscheidend sein und
schmerzhafte Überlastungen ersparen.
Eine Flexion im Ellbogen und eine Abduk-
tion im glenohumeralen Gelenk haben einen
Muskel- und Gelenkkräfte in der Schulter
2. Jahrgang . 2 | 201120Computer Aided Medical Engineering
Bild 6: Änderung der resultierenden Gelenkkraft mit dem Körpergewicht von 70 kg bis 110 kg ohne Skalierung.
Bild 7: Änderung der resultierenden Gelenkkraft mit dem Körpergewicht von 70 kg bis 110 kg mit Skalierung.
großen Einfluss auf die entstehenden Ge-
lenkreaktionskräfte. Es ist wichtig diese Pa-
rameter möglichst genau zu erfassen. Das
Gewicht des Modells spielt besonders bei
leichten Modellen unterhalb von 80 kg eine
größere Rolle. Die Skalierung der Stärke hat
geringere Gelenkreaktionskräfte zur Folge.
Hier wurden nur Simulationen mit dem
quadratischen Optimierungskriterium
durchgeführt. Weiterführende Studien sol-
len den Einfluss des gewählten Kriteriums
auf die Gelenkreaktionskraft im Schulter-
gelenk untersuchen.
7 Fazit
AnyBody bietet eine hervorragende Mög-
lichkeit, das komplexe Gelenksystem der
Schulter bei einem hohen Detaillierungs-
grad zu untersuchen und ein Bild der reellen
Belastungsszenarien zu erhalten. Bewegung
und Körpermaße des Probanden müssen
bestmöglich auf das Modell übertragen wer-
den, da die Position der Scapula und somit
der Öffnungswinkel der Gelenkfläche gro-
ßen Einfluss auf die Berechnungsergebnisse
hat. Ebenfalls sollte eine Skalierungsfunk-
tion verwendet werden, die die Maximal-
kraft des Modells mit skaliert (z.B. AnyBo-
dy Datei „ScalingLengthMassFat.any“).
Dazu ist es von Vorteil, z.B. den Körperfett -
anteil des Probanden zu kennen.
Fragen wie
• Welche alltäglichen Belastungen wirken
auf eine Osteosynthese oder Endopro-
these am Schultergelenk?
• Wie beeinflusst die operative Schulter-
stabilisierung mittels Muskeltransfer
tatsächlich die Richtung und Höhe der
Gelenkreaktionskraft?
• Wo sollte sich das Drehzentrum einer
normalen oder inversen Schulterge-
lenks-Endoprothese befinden?
• Wie wirkt sich eine operationsbedingte
Durchtrennung von Muskeln auf die
Schulterstabilität aus?
• Welche Muskeln/Muskelgruppen müs-
sen speziell trainiert werden, um ein
bestmögliches Rehabilitationsergebnis
nach der Operation zu erhalten?
können mit der Software beantwortet wer-
den.
Literatur
[1] Rasmussen, J, Daamsgard, M and Voigt, M.
Muscle recruitment by the min/max criterion – a
comparative numerical study. Journal of Biome-
chanics. 2001, Vol. 34, 3, pp. 409-415.
[2] Damsgaard, M, Rasmussen, J, Christensen, S T,
Surma, E, de Zee, M. Analysis of musculoskele-
tal systems in the AnyBody Modeling System.
Simulation Modelling Practice and Theory.
2006, Vol. 14, 8, pp. 1100-11.
[3] Dubowsky SR, Rasmussen J, Sisto SA, Langra-
na NA. Validation of a musculoskeletal model of
wheelchair propulsion and its application to mi-
nimizing shoulder joint forces. Journal of Bio-
mechanics. 2008, Vol. 41, 14, pp. 2981-8.
[4] Rasmussen, J, de Zee, M, Tørholm, S, Dams-
gaard, M. Comparison of a musculoskeletal
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Rohlmann A, Westerhoff P. In vivo glenohume-
ral contact forces-measurements in the first pa-
tient 7 months postoperatively. Journal of Bio-
mechanics. 2007, Vol. 40, 10, pp. 2139-49.
[6] Nolte, A, Augat, P, Rasmussen, J. Analysis of the
muscle and joint forces in the shoulder joint
using the anybody simulation model. 16th Con-
gress of the European Society of Biomechanics,
Journal of Biomechanics. 2008, Vol. 41, 1, p.
492.
[7] Carbes, S. AnyScript Community. Wiki: An-
yBody Managed Model Repository: Body Mo-
dels. [Online] April 2011. http://wiki.an-
yscript.org/images/2/25/ShoulderRhythmRe-
port.pdf.
[8] Bergmann, G. Orthoload – Loading of Ortho-
paedic Implants. [Online] 2011 Julius Wolff In-
stitut. http://www.orthoload.com/. Database: Im-
plant Shoulder Joint; Activity Elevation (2 kg,
90°); Patient S1R.
Kurzbiografie
Dipl.-Ing. (FH) Alexander Nolte
2002-2007Fachhochschule Remagen: Studium derMedizintechnik und Sportmedizinische Technik
2006-2007Praxissemester und Diplomarbeit am Institutfür Biomechanik, BerufsgenossenschaftlicheUnfallklinik Murnau & Paracelsus MedizinischePrivatuniversität Salzburg
Juli 2007Abschluss Diplom Ingenieur (FH) für Medizin-technik und Sportmedizinische Technik
Seit Nov 2007Produktmanager AnyBody Modeling Systembei CADFEM GmbH
Seit Sept 2009ESoCAET Studium Master of Applied Computa-tional Mechanics
Muskel- und Gelenkkräfte in der Schulter
2. Jahrgang . 2 | 2011 21Computer Aided Medical Engineering
Bild 8: Änderung der resultierenden Gelenkkraft in Abhängigkeit vom Abduktions-winkel im Schultergelenk.
Bild 9: Änderung der resultierenden Gelenkkraft in Abhängigkeit vom Flexionswin-kel im Ellbogengelenk.
2. Jahrgang . 2 | 2011 43Computer Aided Medical Engineering
Veranstaltungen
Zum ersten Male wird die Albert-Lud-
wigs-Universität Freiburg zum Gastgeber
einer Jahrestagung der Deutschen Gesell-
schaft für Biomedizinische Technik
(DGBMT) im VDE, denn vom 27. bis 30.
September 2011 treffen sich Spezialisten
und Interessierte im Konzerthaus Freiburg.
Die Ausrichtung der BMT 2011 wird den
Aspekt der interdisziplinären Interaktion
zwischen klinischer Medizin, Biologie,
Technik und Naturwissenschaften und me-
dizinscher Industrie widerspiegeln und ei-
ne breite Kommunikationsplattform für
Mediziner, Ingenieure und Naturwissen-
schaftler bieten. Zudem wird die Förde-
rung junger talentierter Forscher im
Vordergrund stehen.
Aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet
der Point-of-Care Diagnostik und Lab-on-
Chip Systeme stellen neben den Entwick-
lungen für neurotechnische Schnittstellen
System sowie Materialien wichtige zu-
kunftsträchtige Themen dar. Als konkretes
Beispiel kann das Bernstein Center Frei-
burg dienen, in dem technische Entwick-
lungen mit neuesten Methoden der Com-
putational Neuroscience kombiniert und in
klinische Anwendungen überführt werden.
VDE Konferenz ServiceFrau Hatice AltintasStresemannallee 1560596 Frankfurt/MainTel.: 069 6308-477E-Mail: [email protected]: http://conference.vde.com/BMT-2011/
BMT 201145. Jahrestagung der DGBMT vom 27. bis 30. September
Am 25. und 26. Juli 2011 findet das
17. Symposium „Computational Biome-
chanics in Ulm“ (CBU) statt. Während den
letzten 16 Jahren hat sich diese Veranstal-
tung (früher als Workshop zur Finite-Ele-
mente-Methode in Biomedizinische Tech-
nik, Biomechanik und angrenzenden Ge-
bieten bekannt) zu einem hervorragenden
Forum für den Austausch von Wissen und
Erfahrung in verschiedenen Bereichen der
Forschung entwickelt. Das Symposium
soll alle Aspekte der computergestützten
Methoden – insbesondere die Finite-Ele-
mente-Methode – abdecken, die in der
Biomechanik, Biomedizinische Technik
und Biomedizin angewendet werden.
Insbesondere wird Nachwuchswissen-
schaftlern die Gelegenheit gegeben, ihre
Forschungsergebnisse in einem offenen
wissenschaftlichen Umfeld zu präsentieren
und zu diskutieren. Neben dem neuen Na-
men soll die Veranstaltung, die in der Ulmer
Villa Eberhard durchgeführt wird, von ei-
nem erweiterten Organisationsteam, zusätz-
lichen Diskussionen am Runden Tisch und
einem zweijährlicher Rhythmus profitieren.
Aber auch die Kombination mit dem Som-
merkurs über Grundlagen der Biomecha-
nik und biomechanischen Methoden zur
experimentellen Erforschung des Bewe-
gungsapparates vom 19. bis 22. Juli 2011
könnte für einige Interessierte attraktiv
sein. Das Ziel des Sommerkurses ist es, für
Kliniker und unerfahrene biomedizinische
Ingenieure grundlegenden Prinzipien der
Biomechanik zu erläutern. Dabei sollen
Kenntnisse in der Planung und Durchfüh-
rung biomechanischer Experimente in ei-
ner ausgewogenen Mischung von Vorträ-
gen und Laboratorien vermittelt werden.
Weitere Informationen zum Symposium
und zum Sommerkurs finden Sie unter:
http://www.uni-ulm.de/misc/cbuhttp://ufbweb.medizin.uni-ulm.de/ufb/Lehre/Summercourse
25. und 26. Juli
CBU 2011: Computational Biomechanics in Ulm
In order to account for the growing perfor-
mance and importance of numerical simu-
lation, the Symposium SimOrtho (August
26
th
– 27
th
, 2011) in Rostock (Germany)
will concentrate on relevant topics of the
field of Orthopaedic Biomechanics. All
interested scientists who perform finite-
element-analysis, multi-body-simulation,
static and dynamic approaches as well as
co-simulation are heartly invited to pre-
sent their current studies. Other parties
interested in numerical simulation, especi-
ally clinicians, are encouraged to join in.
However, making the results understanda-
ble and drawing clinical relevance from
numerical simulation is quite challenging.
Sharing experience in the cooperation of
scientists of different groups and clinicians
shall be a key topic of our meeting.
Biomechanics and Implant Technology Research Laboratory(FORBIOMIT)Department of Orthopaedics, University of RostockDoberaner Strasse 14218057 Rostock, GermanyTel.: +49 381 494 9335E-Mail: [email protected] Internet: http://www.SimOrtho.org
26. bis 27. August 2011 in Rostock
SimOrtho: Numerical Simulationin Orthopaedic Biomechanics
In dem Seminar „Einführung in die Simu-
lation von Gelenk- und Muskelkräften mit
AnyBody“ am 5. und 6. Oktober 2011 in
Grafing bei München werden die Teilneh-
mer mit der Idee hinter der muskoleskelet-
talen Simulation vertraut gemacht. An-
schließend wird an einfachen Beispielen
die Anwendung der Software AnyBody
vermittelt. Basierend auf der Mechanik
des menschlichen Körpers lernen die Teil-
nehmer unter anderem das AnyBody Mo-
deling System, die integrierte Modelbi-
bliothek, den Aufbau einer kinematischen
Berechnung sowie die ergonomische Op-
timierung kennen.
Das AnyBody Modeling System ist eine
Simulationssoftware um Muskelkräfte,
Gelenkkräfte oder die mechanische Arbeit
während eines Bewegungsablaufes zu be-
rechnen. Typische Anwendungsgebiete
sind: Biomechanische Forschung, Ergono-
mie, Sportgeräte Design oder Rehabilita-
tion.
Am 7. Oktober können sich Interessierte in
einem Tagesseminar zusätzlich über eine
effiziente Kopplung von AnyBody mit der
2. Jahrgang . 2 | 201144
Veranstaltungen
Die zweite OrthoTec Europe Konferenz
und Messe findet am 28. und 29. Septem-
ber 2011 in Zürich statt. Sie bietet einen
jährlichen Treffpunkt für Fachleute aus
Produktion und Entwicklung im Orthopä-
diesektor aus ganz Europa. Im letzten Jahr
fanden sich mehr als 900 Fachbesucher zur
Messe ein, während die Konferenz mit na-
hezu 200 Entwicklungs- und Fertigungs-
spezialisten aus der Implantatbranche voll-
ständig ausgebucht war. Teilnehmern wer-
den die neuesten Technologien von inter-
nationalen Ausstellern präsentiert. Die
Vorträge der Branchenexperten beschäf-
tigten sich unter anderem mit dem neues-
ten Stand der Technik in der Implantather-
stellung.
Tel.: +49 (0)2247 7452 988E-Mail: [email protected]: www.orthoteceu.com
Konferenz und Messe am 28. und 29. September in Zürich
OrthoTec Europe 2011
5. und 6. Oktober 2011
AnyBody-Seminare zuGelenk- und Muskelkräften
Simulationslösung ANSYS Workbench
informieren. Dabei wird eine Finite-Ele-
mente-Analyse eines Implantates unter
komplexen in vivo Lastbedingungen
durchgeführt. Um osteosynthetische Im-
plantate konstruktiv optimal auslegen zu
können, müssen die wirkenden Belastun-
gen bekannt sein. Leider gibt es bis jetzt
kaum ausreichende Möglichkeiten um
diese Kräfte im lebenden Menschen be-
stimmen zu können. Eine gute Möglich-
keit komplexere Randbedingungen für die
Finite-Elemente-Analyse zu ermitteln, ist
die Simulation mit AnyBody. Dabei las-
sen sich Muskel- und Gelenkreaktions-
kräfte auf Basis reeller Bewegungsdaten
berechnen und können anschließend auf
ein FE-Modell aufgebracht werden. Der
Workflow vom Import der Bewegungsda-
ten bis zur FE-Simulation ist Inhalt des
Seminars.
CADFEM GmbHMarktplatz 285567 Grafing bei MünchenTel. 08092 7005-0E-Mail: [email protected]: www.cadfem.de
Computer Aided Medical Engineering
2. Jahrgang . 2 | 2011 45Computer Aided Medical Engineering
This contribution from PD Dr.-Ing. Bernd
Markert (Universität Stuttgart) presents a
multi-field continuum model for the des-
cription of the growth of new blood ves-
sels. Particular focus is on the angiogenic
process during the neovas-
cularization of undersupp-
lied tumor tissue.
Orthodontics is a field of dentistry that pre-
vents and treats teeth and face irregulari-
ties. To archive this, the Finite element me-
thod is a very helpful tool for improve-
ment of orthodontic treatments. Normally
surgically assisted maxillary expansion is
used to treat adults with a narrow upper
jaw. This study shows a combination of
numerical and experimental methods to
find a new treatment method that drasti-
cally reduces the risk associated with the
surgical assisted maxillary expansion. The
work was conducted by Dr. Andrew Bory-
or (Klinik für Kieferorthopädie und Or-
thodontie, Ulm) under the supervision of
Prof. Dr. F.G. Sander.
The finite element method helps to improve maxillary expansiontreatment in orthodontics
FE Analysis of Tumor-Induced Angiogenesis
VorschauHeft 3 | September 2011
lokalen Elementsteifigkeit im Knochen
untersucht und verglichen. Außerdem wird
untersucht, wie Kräfte auf ein Schulterim-
plantat bei bestimmten Bewegungen, wie
z. B. eine 90° Abduktion, aufgebracht wer-
den können.
Aus der Praxis der Schultersimulation:Modellierung der Knochensteifkigkeit und KrafteinleitungDer Beitrag von Werner Pomwenger
untersucht die Korrelation der Knochen-
dichte mit den Elementsteifigkeiten, sowie
die Krafteinleitung auf ein Schulterim-
plantat. Dazu werden verschiedene Theo-
rien beleuchtet. Mehrere, in der Wissen-
schaft diskutierte Theorien zur Korrelation
von CT-Daten (Hounsfield-Units) mit der
2. Jahrgang . 2 | 20112Computer Aided Medical Engineering
Aboservice /Veröffentlichungen
Redaktionsprogramm
Methoden – Strukturmechanische Simulation (FEM) in der Prothetik– Strömungssimulation (CFD) in Blutgefäßen und Organen
wie Herz und Lunge– FEM-Modellierung komplexer anatomischer Strukturen– Patienten-spezifische FEM/CFD-Simulation– Bestimmung von Muskel- und Gelenkkräften– Materialgesetze und Materialparameter für hartes und
weiches Gewebe, z.B. Knochen, Fett- oder Muskelgewebe– Design und Herstellung (Rapid Prototyping) von patienten-
spezifischen Implantaten– Der Entwicklungsprozess unter Einsatz von Simulationstools– Sicherheit und Zuverlässigkeit in der Medizintechnik– Datengewinnung und Messmethoden in der Medizintechnik
Anwendungen– Implantate für Hüfte, Schulter, Knie und Wirbelsäule– Osteosynthesen– Deformation von Fett- und Muskelgewebe– Stents, Herzklappen– Ergonomie– Belastungstests, Lebensdauerermittlung
Fax 07159-92 6520 Fon 07159-92 65-0 [email protected] www.expertverlag.de
Die Zeitschrift wendet sich an Entscheider, Entwickler, Forscher und Ärzte in Unternehmen, Kliniken und Hochschulen sowie an Doktoranden und engagierte Studierende technischer und medizinischer Studiengänge. caMe – Computer Aided Medical Engineering erscheint 4 x jährlich mit aktuellen Beiträgen aus Forschung und Praxis.Leseprobe unter www.expertverlag.de/download/9997
An Beiträgen, passend zu unserem Redaktionsprogramm (s.o.), sind wir sehr interessiert. Wenn Sie in caMe – Computer Aided Medical Engineering veröffentlichen wollen, schicken Sie Ihren Beitrag bitte an: Christoph Müller, M.Sc., Marktplatz 2, 85567 Grafing b. München, Tel.: +49-(0)8092-7005-43, E-Mail: [email protected] erhalten Sie unter: E-Mail: [email protected], www.cadfem.de oder www.expertverlag.de – Downloads
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Richtungsweisende Praxisinformation aus Wissenschaft, Forschung und Entwicklung
1| 2011
2. JahrgangISSN 2190-0698
cameComputer Aided Medical Engineering
A. Marzo, D. Sweeney, M. Murphy
Computer Modelling of Haemodynamics and Morphology in Patient-Specific Intracranial Aneurysms
C. Wyss
Muscle Modelling und FEM-Einsatzin der Fusschirurgie
C. Bourauel, A. Rahimi, L. Keilig, S. Reimann, I. Hasan, M. Abboud, G. Wahl
Biomechanik sofortbelasteter Dentalimplantate
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