Simulation des Knochenneubildungsprozesses bei der Kallusdistraktion mit der Methode der Finiten Elemente und der Fuzzy Logic
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Knochendistraktion wird zur Verlängerung der langen Röhrenknochen oder zur Schließung großer Knochendefekte eingesetzt. Dieses klinische Verfahren soll – auch mit Hilfe numerischer Modelle – weiter optimiert werden, um die teilweise sehr langen Behandlungszeiten zu verkürzen und Komplikationsraten zu vermindern. In diesem Projekt ist es uns gelungen, ein vorhandenes Computermodell zur Frakturheilung so zu erweitern, dass Knochendistraktionsprozesse simuliert werden können. Die wesentlichen Erweiterungen waren: - Viskoplastisches Materialverhalten in Kombination mit transienten Analysen statt linearelastischem Material und statischer FE-Analysen. - Automatische Neuvernetzung bei plastisch stark verzerrten Heilungsgebieten und Übertragung der Zustandsgrößen vom alten in das neue Netz. - Neudefinition des mechanischen Reizes als gedächtnisbehaftete Integration der Dehnungsgeschichte statt des augenblicklichen Dehnungszustandes. Der Vergleich zu zwei tierexperimentellen Studien konnte die Gültigkeit des Modells bestärken. Insbesondere konnten aus dem Vergleich zur Platten-Lateral-Distraktion bei nichtosteotomiertem Knochen – einem neuen Experiment mit reinem Dehnungsreiz – folgende Erkenntnisse gewonnen werden: - Die Hypothese A eines spezifischen Dehnungsreizes wird unterstützt. Insbesondere wird erstmalig deutlich, dass ein periodischer mechanischer Reiz mit gangähnlicher Frequenz für die Stimulation der Knochenneubildung nicht essentiell zu sein scheint. - Vom Zeitpunkt des Dehnungsreizes bis zur daraus folgenden Reaktion in Form einer Erhöhung der lokalen Knochenmineraldichte vergeht eine Totzeit (? Gedächtniseffekt der mechanischen Stimuli), die etwa bei 25 Tagen liegt. Mit dem neu entwickelten Modell konnten dann noch die Einflüsse unterschiedlich steifer Fixationssystem sowie unterschiedlicher Störungen bei der Durchblutung untersucht werden. Die Ergebnisse dieser Simulationen zeigen in Übereinstimmung zu den Tierexperimenten, dass große (aber klinisch relevante) Verformungen des Fixationssytems zu erheblichen Verzögerungen bei der Kallusreifung nach Distraktion führen können. Tritt zusätzlich zur mechanischen Instabilität eine Komplikation bezüglich der Durchblutung hinzu, so sagt unser Modell gar eine Nichtheilung (Pseudarthrose) voraus. Die Ergebnisse lassen zusammen mit den tierexperimentellen Ergebnissen den Schluss zu, dass unter klinischen Bedingungen stabilere Fixationssysteme eingesetzt werden sollten. Wir werden das Modell zukünftig auch zur besseren Planung von Tierversuchen zur Knochendistraktion heranziehen, insofern kann es zur Reduktion der Anzahl von Tierversuchen beitragen. In diesem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt konnten wichtige grundlegende Erkenntnisse zur mechanisch stimulierte Distraktionsosteognese gefunden werden, die zusammen mit den hier erzielten Erweiterungen des numerischen Modells wichtige Bausteine für die zukünftige Entwicklung patienten-spezifischer Distraktionsmodelle zur Verfügung stellen. Nach noch durchzuführenden Anpassungs- und Bestätigungsrechnungen, soll das Simulationsmodell auch Analysen von Distraktionsfällen am Menschen ermöglichen und so Vorhersagen zum Distraktionsverlauf beim Patienten gestatten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- DKOU Berlin 2007
Claes, L.
