Dreidimensionale Finite-Element-Vernetzung Acetabuläre Komponente einer modularen Hüftendoprothese

 

Using Finite-Element-Methode for three dimensional meshing Modelling the acetabular components of a modular hip prosthesis

 

Christian Burkhardt

30.07.2007

 

Inhaltsverzeichnis

1. Übersicht

2. Einführung

3. Zum Stand Der Technik - State of the Art

4. Zur Theorie

5. Ergebnisse

6. Zusammenfassung

7. Ausblick

8. Quellen

9. Originalarbeit

10. Über den Autor

11. Impressum

 

Übersicht

Problemstellung

Für die acetabulären Komponenten – asymmetrisches Insert (extended rim liner) und Press-Fit-Pfanne – einer Hüftgelenkendoprothese ist eine Analyse auf der Basis der Finiten-Element-Methode durchzuführen. Zu diesem Zweck sind die Einzelteile so vorzubereiten, dass sie unter Verwendung von Ansys® bezüglich der Schubspannung im Implantat-Knochen-Interface analysiert werden können.
Daraus ergeben sich die folgenden Teilaufgaben:

  • Erstellung der dreidimensionalen Geometrie in CATIA® (CAD)
  • Überführung der Geometrie-Daten in ANSYS® (FEM)
  • Vernetzung in ein Volumen-Modell mittels Hexaeder-Elementen (SOLID45) unter Nutzung der Mapped-Meshing- und Sweeping-Funktionen in ANSYS®

Zielstellung

Im Rahmen der Analysevorbereitung für die benannten Teile einer Hüftgelenkendoprothese wird die Kontur in Catia®, in einer für den Ansysimport geeigneten Darstellung, dreidimensional modelliert und exportiert. Anschließend werden die Daten in Ansys® überführt und dort weiter bearbeitet. Im letzten Schritt wird für die Komponenten eine Volumenvernetzung mittels Hexaeder-Elemente (SOLID45) unter Nutzung der Mapped-Meshing- und Sweeping-Funktion in Ansys® durchgeführt.

 


 

Problem

An analysis on the basis of the Finite-Element-Method was carried out for the acetabular components – the asymmetric insert (aka “extended rim liner”) as well as the press-fit socket – of a hip prostheses. For this reason, the parts have been modelled and prepared for utilising it with the commercial finite-element-code Ansys® analysing it regarding the appearing shear stress of the implant-bone-interface.
This yields to the following three subtasks:

  • Building a three-dimensional model using Catia® (CAD)
  • Transferring the data to Ansys® (FEM)
  • Meshing the model with brick elements (SOLID45) using the feature for mapped meshing and sweeping

Goal

In the line with the preparations for the analysis of the above-mentioned parts of the hip prosthesis, the software package Catia® was used to model the contour and to convert the model. After the data have been transferred to Ansys® the model was three-dimensional meshed with brick elements (SOLID45) using the feature for mapped meshing and sweeping.

 

 

Einführung

Hüftendoprothesen werden zur Wiederherstellung der Mobilität bei auftretenden Einschränkungen oder Defekten durch Verschleißerkrankungen oder Unfälle des Hüftgelenkes verwendet. Da seit den letzten 10 Jahren zunehmend auch jüngere Menschen mit Hüftimplantaten versorgt werden [Voigt 2004], ist es notwendig diese Komponenten an steigende Anforderungen durch längere Tragezeit und somit höherer Belastung anzupassen um somit das Luxationsrisiko zu senken. Um eine Untersuchung der acetabulären Komponente, bestehend aus Pfanne und Insert (siehe Abbildung 1), anstellen zu können, muss diese adäquat modelliert und für die Analyse entsprechend dem verwendeten Berechnungsprogramm vorbereitet werden.


Abbildung 1

 

Zum Stand Der Technik - State of the art

Verschiedene Dateifomate sind für die Übertragung zwischen CAD- und FEM-Anwendungen bekannt. Bei der vorliegenden Arbeit wurde das IGES1-Format gewählt um die Informationen von Catia® nach Ansys® zu Übertragen.

Bezüglich der Vernetzung von den vorliegenden Volumenkörpern – Halbkugelschalen – sind unterschiedliche Strategien bekannt. Hierbei handelt es sich, wie in Abbildung 2 zu sehen, um die (v.l.n.r.) polare [Scifert et al. 1998] bzw. bipolare [Maxian et al. 1996] Vernetzung und das Open Box Concept nach [Teoh et al. 2002]. Auf der Basis der Vorarbeit von Herrn Voigt wurde in dieser Arbeit die polare Vernetzung umgesetzt.


Abbildung 2


1 IGES...Initial Graphics Exchange Specification [Wikipedia 2005, NIST 2005]

 

 

Zur Theorie

Gemäß den oben aufgezeigten Teilaufgaben, wurde im ersten Schritt der Arbeit eine Umsetzung der Kontur in Catia® realisiert. Hierzu waren die folgenden Schritte notwendig:

CAD – Kontur Insert, Pfanne mit Tripodenrand
AbbildungKommentar
Im Catiamodul „Flächenerzeugung“ wurde mit dem Skizzierwerkzeug die Basiskontur erstellt.
Die rot markierten Linien stellen Trennlinien dar. Mit ihnen wird in den Bereichen, wo sie die Kontur schneiden (grüne Punkte), kongruente Berührungslinien zwischen den Komponenten erzeugt. Dadurch wird von einer Komponente auf die nächste ein Netzübergang mit gleichem Knoten (mesh seeds) erreicht.
CAD – Kontur Überhöhung
Die Kontur A stellt die Grundlinie der Überhöhung dar, welche sich bei einer Draufsicht auf das Insert ergibt. Die Linie B stellt bei Vorderansicht die sichtbare Körperkante des inneren Bogens der Überhöhung zweidimensional dar.

Auf der Basis dieser Konturen wurden sich schneidende Fläche X und Y erzeugt, anschließend voneinander subtrahiert und das Gebiet der Überhöhung erzeugt.
FEM – Import und Vorbereitung
Die Daten wurden im igs-Format in ANSYS® importiert. Dabei wurde für eine redundanzfreie Darstellung eine Verschmelzung der entsprechenden Knoten durchgeführt.
Nach der Zuordnung der Elemementtypen Shell | Elastic 4node 63 und Solid | Brick 8node 45 wurden die Flächen der einzelnen Komponenten erzeugt und diese entsprechend vernetzt.
FEM – Volumenkörper erzeugen
Durch Extrusion um die Rotationsachse der konzentrisch angeordneten Komponenten, wurden die Volumenkörper erzeugt. Dies geschah unter Verwendung von Extrude | Areas | About Axis. Anschließend erfolgte die Angabe zur Anzahl der Einheiten mit No. Elem divs.

Die Überhöhung wurde durch Extrusion mit einem Offset erzeugt (Extrude | Areas | By XYZ Offset), wobei ein zylindrischen Koordinatensystem zum Einsatz kam.

Ergebnisse

Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein vollständiges asymmetrisches Insert inklusive einer Press-Fit-Pfanne und ihrer Tripodenschicht. Das vorliegende Modell dieser acetabulären Komponenten einer Hüftendoprothese wurde gemäß den Anforderungen einer folgenden Spannungsanalyse vernetzt.

In der Abbildung 3 ist der finale Volumenkörper zu sehen.



Abbildung 3

Zusammenfassung

Die acetabulären Komponenten – asymmetrisches Insert (extended rim liner) und Press-Fit-Pfanne – einer Hüftgelenkendoprothese wurden in der CAD-Software CATIA® vorbereitete und anschließend in die FEM-Anwendung ANSYS® unter Verwendung des igs-Format übertragen.
Nach der Bereinigung und Vorbereitung der importierten Daten, wurde der Aufbau des Modells zu einem dreidimensionalen Volumenkörper durchgeführt. Dabei kamen Hexaeder-Elementen, sogenannte SOLID45, zum Einsatz.
Die vorangegangene Vernetzung und die folgende Extrusion der Komponenten ist nach den Anforderungen einer zukünftigen Spannungsanalyse des Inserts erfolgt.

Ausblick

In folgenden Arbeiten sollte die erwähnte Spannungsanalyse der acetabulären Komponenten durchgeführt werden. Dabei sollte geprüft werden, in wieweit die gewählte Vernetzung den Anforderungen einer solchen Analyse entspricht. Dabei ist besonderes Augenmerk auf die Struktur im Impingementbereich (Abbildung 4) zu richten.

Abbildung 4: Der grüne Pfeil zeigt den Ort des Impingement


Quellen

Maxian et al. 1996
Maxian, T.A.; Brown, T.D.; Pedersen, D.R.; Callaghan, J.J.; The Frank Stinchfield Award. 3-Dimensional sliding/contact computational simulation of total hip wear. Clin Orthop. 1996 Dec, (333):41-50.
NIST 2005
National Institute of Standards and Technology (NIST) IGES. http://www.nist.gov/iges/ (22.08.2005).
Scifert et al. 1998
Scifert, C.F.; Brown, T.D.; Pedersen, D.R.; Heiner, A.D.; Callaghan, J.J.; Development and Physical Validation of a Finite Element Model of Total Hip Dislocation. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 1999, 2(2):139-147.
Teoh et al. 2002
Teoh, S.H.; Chan, W.H.; Thampuran, R.; An elasto-plastic finite element model for polyethylene wear in total hip arthroplasty. J of Biomechanics. 2002, 35:323-330.
Voigt 2004
Voigt, Ch.; Anwendung der FEM zur Untersuchung der Auswirkungen des Impingement-Mechanismus auf die Verankerung künstlicher Hüftgelenkspfannen. Hochschule für Technik Wirtschaft und Kultur Leipzig, 2004 [Diplomarbeit].
Wikipedia 2005
Wikipedia IGES. http://de.wikipedia.org/wiki/IGES (22.08.2005).

 

Originalarbeit

Download der Originalarbeit.

 

Über den autor

Über den Autor


 

Christian Burkhardt BSc, geboren am 03.11.1977 in Lobenstein.

1984-94Staatliche Regelschule Hirschberg (Saale)
1994-97Berufsausbildung Industriemechaniker Fachrichtung Betriebstechnik
1997-99Fachhochschule
2000Maschinenbaustudium HTWK Leipzig und University of Paisley

 

Impressum

Autor

Christian Burkhardt
Straße des 18. Oktober 27/914
D 04103 Leipzig
support(at)japday.com
Betreuer (HTWK)

Prof. Dr.-Ing. Carsten Klöhn
Technische Mechanik / Rechneranwendung
FB Maschinen- und Energietechnik / HTWK Leipzig
Koburger Str. 62,
D 04416 Markkleeberg
kloehn(at)me.htwk-leipzig.de
Betreuer (Biomechanik)

Christian Voigt
Technischer Leiter am Labor für Biomechanik
Orthopädische Klinik und Poliklinik der Medizinische Fakultät der Universität Leipzig
Liebigstr. 20
D 04103 Leipzig
Christian.Voigt(at)medizin.uni-leipzig.de

State of the Art - Zum Stand der Technik

Charakterisierung von Hybridstrukturen

Ein Hybrid besteht aus mindestens zwei oder mehreren Komponenten, die durch den gleichzeitigen Einsatz in einem Systemverbund ein neues Eigenschaftsprofil besitzen. Je unterschiedlicher die Werkstoffkategorien ursprünglich sind, desto größer ist das erzielbare Verbesserungspotenzial, wenn dabei jeweils die Vorteile der einen Komponente die Nachteile der anderen ausgleichen können. Ein solches unterschiedliches Portfolio an Eigenschaften zeigen Kunststoffe und Metalle. Zum Beispiel weisen Metalle hohe Festigkeiten und Steifigkeiten auf, hingegen sind Kunststoffe mit hohen Bruchdehnungen gutmütiger für Verformungen. Die Automobilindustrie erkannte das Potential der Werkstoffkombination. Audi führte mit dem Frontend des Audi A6 1998 das erste Großserien-Hybridbauteil ein. Damit konnten Gewichtseinsparungen von 15 % erreicht werden, bei gleichzeitiger Verringerung der Herstellungskosten um 10 % [3].

Das Ziel der Hybridkonstruktion liegt darin, eine kosten- und ressourcensparende Lösung zu entwickeln, die Vorteile kombiniert und Nachteile kompensiert. In Tabelle 2.1 sind die Eigenschaften der beiden Verbundpartner dargestellt.

 

Tab. 2.1: Eigenschaften von Metallen und Kunststoffen [4,5]