Topologische Abbildung der Hüftgelenkspfanne unter Berücksichtigung realistischer Lastannahmen, mit Hilfe von Simulationswerkzeugen

Abstract

Biomaterialien wie knöchernes Gewebe sind typischerweise inhomogen. Knöchernes Gewebe kann beispielsweise aus einem feinen Bälkchengeflecht (Substantia spongiosa)aufgebaut sein, ausgerichtet nach der Hauptrichtung der einwirkenden Kräfte, oder aber aus kompakter Knochensubstanz bestehen. Zudem besitzt Knochengewebe die Fähigkeit, sich geänderten Belastungssituationen anzupassen. Dies geschieht durch Zuwachs oder Abbau von Knochenmaterie und ist im Bereich der Endoprothetik ein wichtiger Aspekt für die Haltbarkeit einer Prothese. Es wird vermutet, dass sich Knochen im Laufe der Evolution hinsichtlich minimalen Gewichts und höchstmöglicher Steifigkeit optimiert haben. Im Rahmen dieser Masterthesis soll eine topologische Betrachtung der Hüftgelenkspfanne erfolgen. Ausgehend von einer homogenen Materialverteilung und unter Berücksichtigung geeigneter Lastannahmen soll untersucht werden, ob durch eine Topologieoptimierung die natürliche Inhomogenität der knöchernen Hüftpfanne abgebildet werden kann. Das Ergebnis der Topologieoptimierung ist eine relative Materialverteilung welche mit der natürlichen Dichteverteilung im Acetabulum verglichen wird. Es werden im Einzelnen die folgenden Punkte bearbeitet: - Recherche des natürlichen Beckens / Hüftgelenks: Wie ist der Aufbau bzgl. Steifigkeit, Dichte und weitere Eigenschaften? Welche Lastfälle existieren (Gehen, Sitzen, Springen, etc.) und welche Muskeln sind beteiligt? Sind die Muskel- und Kontaktkräfte bekannt. Was ist noch zu berücksichtigen? - Modellbildung: Aufbau eines Berechnungsmodells – FEM. Definition der Randbedingungen und Lastannahmen anhand der oben genannten Überlegungen. - Topologische Untersuchung: Führen die getroffenen Lastannahmen auf eine ähnliche natürliche Dichteverteilung der Hüftgelenkspfanne und können somit verifiziert werden? Prozesssteuerung durch Variation der Lasten und Parametereinstellungen (Zielfunktion, Restriktionen, Designvariablen, etc.) - Überprüfung des Modells / Lösung auf Plausibilität