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Diplom- und Master-Arbeiten (eigene und betreute):

A. Synek:
"A Specimen Specific Finite Element Validation Study of Distal Radius Fracture Osteosynthesis";
Betreuer/in(nen): D. H. Pahr; Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik, TU Wien, 2015; Abschlussprüfung: 26.03.2015.



Kurzfassung deutsch:
Hintergrund: Im Rahmen der Versorgung distaler Radiusfrakturen (DRF) mit volarer Platten-Osteosynthese kommt es immer wieder zu Komplikationen. Finite Elemente (FE) Analysen könnten helfen, existierende Behandlungsmethoden zu vergleichen und zu verbessern. Existierende FE Modelle sind allerdings unzureichend validiert. Ziel dieser Arbeit war es, Prüfstück-spezifische FE Modelle einer DRF-Osteosynthese mit Hilfe einer semi-automatischen Methodologie zu generieren und zu validieren. Der Einfluss der lokalen Knochendichte und -orientierung wurden im Rahmen einer Nebenstudie untersucht.

Material und Methoden: Biomechanische in-vitro Experimente und Prüfstück-spezifische FE Analysen wurden an 34 frisch eingefrorenen menschlichen Leichenknochen mit künstlichen, extra-artikuaren DRFs und volarer Platten-Osteosynthese durchgeführt. Die experimentelle Federsteifigkeit wurde in einachsigen Kompressionsversuchen bestimmt und mit der Federsteifigkeit der FE Modelle verglichen. Die FE Modelle aller Prüfstücke wurden hierbei mit Hilfe von QCT Scans der präparierten Knochen erstellt. HR-pQCT Scans der intakten Knochen erlaubten die Einbindung lokaler Materialeigenschaften. Drei Typen von FE Modellen wurden generiert, wobei (a) dichte- und fabric-abhängiges Knochenmaterial, (b) dichteabhängiges und (c) homogenes Knochenmaterial verwendet wurde. Die Federsteifigkeit der FE Modelle wurde von der Nachgiebigkeit der Prüfmaschine bereinigt und lineare Regressionsanalysen wurden durchgeuhrt um die Güte der Vorhersagen zu bestimmen.

Ergebnisse: Alle drei Typen von FE Modellen überschätzten die experimentelle Federsteifigkeit aber waren signifikant korreliert (p<0.0001). Das Bestimmtheitsmaß der Modelltypen (a) und (b) war in etwa gleich (R2=0.79), jedoch deutlich geringer bei Modelltyp (c) (R2=0.55). Die Schnittgrößen am Schrauben-Platten-Interface des Implantats wurden in allen Modellen des Typs (a) ausgewertet und zeigten eine gute Übereinstimmung mit dem experimentellem Versagen des Schrauben-Platten-Interfaces.

Schlussfolgerungen: Die Federsteifigkeit von FE Modellen mit dichte-abhängigem Knochenmaterial war mit den experimentellen Ergebnissen hoch korreliert. Die präsentierte Methodologie zur semi-automatischen Modellerstellung ebnet den Weg für zukünftige Parameter-Variations-Studien und damit für den Vergleich verschiedener Behandlungsmethoden.

Kurzfassung englisch:
Background: Volar plate osteosynthesis in distal radius fractures (DRF) is inherent to various complications. Finite element (FE) analysis could help to improve and compare current treatment approaches. Existing FE models do, however, lack adequate experimental validation. The goal of this study was to generate and validate specimen specific FE models of distal radius fracture (DRF) osteosynthesis in a semi-automatic fashion. The in influence of local bone density and orientation on the validation results was conducted as a side study.

Materials and Methods: Biomechanical in-vitro experiments and specimen specific FE analysis were conducted on 34 fresh frozen, cadaveric human specimen with artificially created extra articular DRFs and volar locking plate osteosynthesis. The experimental spring stiffness was measured in uniaxial compression tests and compared to the elastic response of the FE models. QCT scans of the prepared samples were used to create the Finite element models in rigorous accordance to the experiments. Local bone material data was incorporated based on HR-pQCT scans of the intact specimen. Three types of models were generated, with (a) density and fabric based bone material, (b) density based bone material and (c) homogeneous bone material. The Finite element model stiffness was corrected for the machine compliance and linear regression analysis was performed to quantify the goodness of the predictions.

Results: All three types of FE models over-estimated the experimental stiffness but were significantly correlated to the experimental results (p<0.0001). The coecient of determination was similar for types (a) and (b) (R2=0.79) but considerably lower for type (c) (R2=0.55). Section forces at the screw-plate interface of the implant were evaluated in the FE models of type (a) and showed good agreement with experimental observations of screw-plate interface failures.

Conclusion: The elastic response of FE models with density based bone material was highly correlated with the experimental spring stiffness. The proposed semi-automatic model generation methodology paves the way for future parameter variation studies which enables the comparison of multiple treatment

Erstellt aus der Publikationsdatenbank der Technischen Universitšt Wien.