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

L. Steiner:
"A Comparison of Different Bone Remodelling Simulation Algorithms based on micro Finite Element Analysis";
Betreuer/in(nen): D. H. Pahr; Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik, TU Wien, 2015; Abschlussprüfung: 03.11.2015.



Kurzfassung deutsch:
Algorithmen zur Knochenremodellierung zielen darauf ab Veränderungen der Knochenstruktur durch unterschiedliche Belastungen, physiologische Veränderungen, Krankheiten oder Behandlungen zu simulieren. Der mechanische Stimulus ist üblicherweise die Verzerrungsenergiedichte (SED) der belasteten Struktur und basiert auf Finiten Elemente Analysen. Die Remodellierungsergebnisse sind dabei abhängig von der Auflösung und Struktur der Ausgangsgeometrie, Materialeigenschaften, Randbedingungen sowie den verwendeten Remodellierungsalgorithmen. Diese Ein ussfaktoren sind Gegenstand dieser Arbeit und werden an vereinfachten Geometrien getestet.

Vier in der Literatur beschriebene Knochenremodellierungsalgorithmen wurden in der hauseigenen Software medtool implementiert. Alle Finite Elemente Analysen wurden mit ParOsol durchgeuhrt. Die Algorithmen wurden an einem Referenzmodell kalibriert indem die jeweiligen Eingangsparameter so variiert wurden dass eine vordenierte SED erreicht wurde. Im Anschluss daran wurden schrittweise die Parameter des Referenzmodells verändert und die Auswirkungen auf die Verteilung der mittleren SED, den Knochenvolumenanteil (BV/TV) und die Mikrostruktur in Abhängigkeit vom jeweiligen Algorithmus untersucht. Parametervariationen waren die Voxelgröße und Form der Ausgangsstruktur, die Randbedingungen des Modells, der Elastizitätsmodul der Einbettung sowie der maximal erreichbare Elastizitätsmodul des Knochengewebes.

Alle Algorithmen konnten erfolgreich kalibriert werden. Parameterabangige Veränderungen bezüglich der mittleren SED (Zielwert der Optimierung) konnten nur in wenigen Fällen festgestellt werden. Die Verringerung der maximalen Knochenelastizität und die Erhöhung der Belastung führten zur Steigerung des Knochenvolumenanteils. Die Veränderung der Steifigkeiten der Einbettung führte zu deutlichen strukturellen Veränderungen durch das Remodelling.

SED basierende Knochenremodellierungsalgorithmen verhalten sich robust hinsichtlich der erreichten Ziel-SED. Dagegen sind Knochenvolumenanteil und Struktur stark von der Wahl der Modellparameter - vor allem den Randbedingungen und verwendeten Algorithmen - abhängig. Dies schränkt die derzeitige Verwendbarkeit solcher Simulationen stark ein.

Kurzfassung englisch:
Bone remodelling algorithms are designed to simulate transformations in bone structures caused by changes in loading, physiological changes, diseases or treatments. The mechanical stimulus is usually the strain energy density (SED) of the loaded structure based on Finite element analysis. The results of bone remodelling are dependent on the resolution and structure of the initial geometry, material properties, boundary conditions and the used remodelling algorithms. The subject of this work is the investigation of these factors based on simplied digitized geometries.

Four bone remodelling algorithms from the literature were implemented into the inhouse script manager medtool. All Finite Element Analyses were performed with ParOsol. The algorithms were calibrated on a reference model by varying their respective input parameters so that a predefined SED and similar mean bone volume fraction (BV/TV) were reached. The parameters of the reference model were gradually changed afterwards and the influence on the SED distribution, the BV/TV, and the micro-structure of each algorithm was investigated. The varied parameters were the voxel size and the shape of the initial structure, the boundary conditions of the model, the elasticity modulus of the embedding and the maximum attainable elasticity modulus of the bone tissue.

All algorithms could be successfully calibrated. Changes in the mean SED (target value of the optimization) could be detected only in few cases. Decreasing the maximum bone elasticity and increasing the applied loading resulted in an increase of BV/TV. Changing the stiffness of the embedding led to signicant structural changes by the remodelling.

SED based bone remodelling algorithms are robust in terms of reaching a target SED. In contrast, bone volume fraction and structure strongly depend on the choice of model parameters - especially the boundary conditions and the used algorithms. These facts severely limit the current use of such simulations.

Erstellt aus der Publikationsdatenbank der Technischen Universitšt Wien.