Biomechanical Modelling of a Human Thorax using the Finite Element Method

Carola Lebschy, Dieter Pahr
2021
Motivation: Eine Resektion von Tumoren in der Brustwand führt oftmals zu einem Verlust der Stabilität des Brustkorbes wodurch eine Brustkorbrekonstruktion erforderlich ist. Bei großen Defekten kommen Titanplatten zum Einsatz, die bei 84.6% der Patienten aufgrund eines Implantatbruchs eine chirurgische Revision erfordert. Die Konstruktion der Rippenimplantate sowie deren Fixierung stellt eine große Herausforderung dar und muss für jeden Patienten individuell gestaltet werden. Die Kenntnis über
more » ... e biomechanische Belastung einer Rippe wäre ein wesentlicher Fortschritt bei der Entwicklung von Rippenimplantaten. In dieser Masterarbeit wird daher ein FE-Modell des Brustkorbs erstellt, um die Rippenkinematik zu simulieren und die Spannungen innerhalb der Rippen auszuwerten. Material und Methoden: Um die Biomechanik des Brustkorbes mittels FEM korrekt abbilden zu können, wurde die Steifigkeit und das Deformationsverhalten von dem gesamten Brustkorb, den Rippenknorpeln und den Rippenwirbelgelenken an drei frischen Leichen an der Medizinischen Universität Graz gemessen. Für das FE-Modell wurde die Geometrie des Brustkorbes anhand von CT Daten abgeleitet und die Materialparameter wurden aus den Messungen übernommen. Kleinere FE Test Modelle von der Bandscheibe, den Rippenwirbelgelenken sowie dem Rippenknorpel wurden erstellt, um das Modellverhalten mit den Daten aus den Messungen und aus der Literatur zu validieren. Ergebnisse: Die Biegemessungen der Rippenknorpel haben ergeben, dass der mediane E-Modul in kranialer/kaudaler Richtung (E = 23.4MPa) größer ist als in ventraler/dorsaler Richtung (E = 15.3MPa). Der Schubmodul der Proben ist in ventral-kaudaler und dorsal-kaudaler Richtung identisch. Ein medianer Schubmodul von 9.4MPa wurde gemessen. Das Deformationsverhalten des Knorpels konnte mit dem FE-Modell nicht korrekt abgebildet werden. Der Fehler zwischen den simulierten und gemessenen Deformationen in kranialer Richtung beträgt 42%. Bei den Rippenwirbelgelenken wurde ein gemittelter ROM in der neutralen Zone von 15.5 [...]
doi:10.34726/hss.2021.65203 fatcat:xwj7ex5awvfjjn5dq7x6be72eu