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 Produktent-wicklungcapanni@hs-ulm.de

Prof. Dr. Thomas EnglederSimulation in Mechatronik und Medizin-technikengleder@hs-ulm.de

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: info@cadfem.deInternet: 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

shoulder model with invivo joint forces. Inter-

national Society of Biomechanics 11th congress.

2007, p. 67.

[5] Bergmann G, Graichen F, Bender A, Kääb M,

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: bmt-info@vde.comInternet: 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: tina.schacht@med.uni-rostock.de 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: orthoteceu@ubm.comInternet: 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: info@cadfem.deInternet: 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 expert@expertverlag.de 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: cmueller@cadfem.deManuskriptvorgaben erhalten Sie unter: E-Mail: cmueller@cadfem.de, www.cadfem.de oder www.expertverlag.de – Downloads

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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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