Anwendung des Mehrkörper-Simulations (MKS)-Softwaresystems AnyBody zur Berechnung von Muskelkräften am menschlichen Hüftgelenk

 

Application of the multi-body simulation software system AnyBody to computation of the muscular forces of the human hip-joint

 

Alexander Golub

September 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

AnyBody® ist ein Mehrkörper-Simulations-Softwaresystem. Die Besonderheit besteht darin, dass AnyBody® Bewegungen des menschlichen Körpers darstellt und die Muskelkräfte berechnen kann.
Ein in der öffentlich zugänglichen Datenbank vorhandenes Modell wird zu einem Modell des linken Hüftgelenks umgebaut.
Das Einfügen von STL-Dateien ist einfach möglich, allerdings dienen sie nur der Darstellung. Sie haben keinen Einfluss auf die Berechnung.
Nachdem die Bewegungsdaten aus der Literatur an die Anforderungen AnyBodys® angepasst worden sind, gelingt das Integrieren problemlos.
Die Berechnung der Muskelkräfte ist unkompliziert, die Ausgabe der Daten muss für das FEM-Programm verändert werden.

 


 

AnyBody® is a multi-body simulation software system. Its speciality is the representation of the movement of the human body and the computation of the muscular forces of the human hip-joint.
A model, which is taken from the public accessible data bank, is being modified to a model of the left hip-joint.
The insertion of a STL-file is simple, but it is only represented. It has no influence on the computation of the muscular forces.
After adaptation of the movement data of the literature to the demands of AnyBody®, the integration of it is without any problems.
The computation of the muscular forces is simple. The output of the computated data has to be changed for the use with a FEM-program.

 

Einführung

Zur Bestimmung der Muskelkräfte an der menschlichen Hüfte wird das Mehrkörper-Simulationsprogramm AnyBody verwendet. Deshalb ist eine Einarbeitung in die Software notwendig.
Anschließend soll ein in der öffentlich zugänglichen Datenbank (www.anybody.aau.dk/Repository) vorhandenes Modell zu einem für die Berechnung geeigneten Modell umgewandelt werden.
Ob es möglich sei eine STL-Datei einzubinden, soll außerdem geprüft werden.
Bewegungsdaten aus der Literatur sollen eingelesen und dargestellt werden.
Zuletzt sollen die Muskelkräfte an der Hüfte berechnet werden.

 

Zum Stand Der Technik - State of the art

AnyBody® wurde von der Universtät Kopenhagen 2002 veröffentlicht. Das Programm kann Bewegungen des menschlichen Körpers darstellen und die dabei auftretende Muskelkräfte berechnen.

Zur Berechnung der Muskelkräfte sind die Bewegungen notwendig. Die der Berechnung zugrundeliegende Methode heißt Inverse Dynamic Analysis. Es werden also die Muskelkräfte berechnet, die zu der bestimmten vorgegeben Bewegung nötig gewesen sein müssen.

Die Bewegungen aus der Literatur wurden mittels des Motion-Capture-Verfahrens ermittelt. Dabei werden an bestimmten Punkten des Patienten Sensoren angebracht, deren Position während der Patientenbewegung durch mehrere Kameras aufgezeichnet wird.
Die Auswertung mit Hilfe eines Rechners ergibt jeweils die drei Raumkoordinaten für alle Punkte.

 

Zur Theorie

Ein Modell des linken Hüftgelenks ist nicht in der Datenbank enthalten. Da die Erstellung eines komplett neuen Modells mit einem großen Aufwand verbunden ist, wird die Modifizierung eines bereits vorhandenen Modells gewählt.
Dafür wird ein Modell verändert, das aus zwei Beinen und dem Becken besteht (Two-Legs-Modell).
Zur späteren Bestimmung der Muskelkräfte am linken Hüftgelenk sind nur der Beckenknochen und der linke Oberschenkel nötig, da an diesen die zu untersuchenden Muskeln befestigt sind. Deshalb wird von dem Two-Legs-Modell das rechte Bein sowie der linke Unterschenkel und Fuß entfernt (siehe Abbildung 1).
Dies geschieht durch Löschen oder Ausblenden der entsprechenden Textzeilen im Programmtext von AnyBody.


Abbildung 1: Umbau des Two-Legs-Modells zu einem Modell des linken Hüftgelenks



In den zur Verfügung stehenden Literaturdaten sind Diagramme enthalten, die einen Winkel am Hüftgelenk,
z. B. Flexion, über die Zeit der Patientenbewegung abbilden. AnyBody benötigt für die Bewegungserzeugung allerdings Zahlenwerte aus einer Liste. Deshalb werden die Kurven aus der Literatur in eine Tabelle mit 1000 Zeilen umgewandelt. Damit seien die Kurven hinreichend angenähert.
Bei einer Motion-Capture-Bewegung in AnyBody wird ein Punkt im Raum bewegt. Die Position dieses Punktes bestimmen die drei Koordinaten in der Liste immer zum jeweiligen dazugehörigen Zeitpunkt, der ebenfalls in der Liste gespeichert ist (siehe Abbildung 2).


Abbildung 2: Beispiel für eine Liste, die AnyBody für die Motion-Capture-Bewegung verwendet




Damit am Hüftgelenk die Bewegungen aus der Literatur dargestellt werden können, wird das Becken im Raum fixiert und ein Punkt an der Knieseite des Unterschenkels nimmt nacheinander alle Positionen aus der Liste ein. So entsteht die Bewegung (siehe Abbildung 3).


Abbildung 3: Eine mögliche Bewegung des linken Hüftgelenks



Während AnyBody die Bewegung darstellt, können die Muskelkräfte berechnet werden. Anschließend können alle berechneten Größen in Diagrammen dargestellt oder in Textdateien ausgegeben werden. Diese Größen sind z. B.:

  • Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung aller Körperpunkte im Laufe der Bewegung
  • die kinetische Energie
  • die Kräfte und Längen aller Muskeln

 

Ergebnisse

Die Modifizierung eines Modells aus der öffentlich zugänglichen Datenbank zu einem für die Aufgabe geeigneten war problemlos möglich.
Dabei wurden einem Modell, das aus dem Becken und zwei Beinen bestand, das linke Bein und der rechte Unterschenkel und Fuß entfernt. D. h. die Stellen im Programmtext, an denen diese Körperteile erstellt werden sollen, wurden ausgeblendet (siehe Abbildung 4).


Abbildung 4: Das linke Hüftgelenk nach der Modifizierung


Anschließend wurden aus den Daten aus der Literatur über das Motion-Capture-Verfahren Bewegungen erzeugt und im Programm dargestellt.
Die berechneten Größen sind in Diagrammen abrufbar (siehe Abbildung 5).


Abbildung 5: Ausgabe der berechneten Daten in Diagrammen


Es ist außerdem möglich STL-Dateien einzufügen (siehe Abbildung 6). Damit ist es möglich die Umgebung zu verschönern, indem z. B. Fitnessgeräte und Fahrräder oder auch Prothesen eingebunden werden.
Leider haben die STL-Dateien keinen Einfluss auf die Berechnung.


Abbildung 6: Eine eingefügte STL-Datei

 

Zusammenfassung

Das 2003 veröffentlichte AnyBody ist ein Mehrkörper-Simulations-Softwaresystem, bei dem der menschliche Körper und dessen Bewegungen im Fokus stehen. AnyBody ist der Marktführer bei Muskel-Skelett-Simulationsprogrammen. Die Hauptaufgabe des Systems ist die Berechnung der Muskelkräfte anhand einer vorgegebenen Bewegung. Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigte sich mit der Anwendung von AnyBody innerhalb einer Studie der orthopädischen Klinik und Poliklinik der medizinischen Fakultät der Universität Leipzig, bei der die Bestimmung der Spannungsverteilung im Knochen-Implantat-Interface einer künstlichen Hüftpfanne und die dabei auftretenden Kräfte am Hüftgelenk von Bedeutung sind. Im Vordergrund steht dabei die Ermittlung der Größe und Richtung der Kräfte bei bestimmten Bewegungen, die häufig zum erhöhten Verschleiß und/oder zum direkten Versagen des Hüftgelenkimplantats führen.

Nach der Einarbeitung in AnyBody sollte ein online verfügbares Ganzkörpermodell zu einem geeigneten Hüftgelenk umgebaut werden. Zur Erstellung des linken Hüftgelenks wurden aus einem vorhandenen Unterkörpermodell das rechte Bein sowie der linke Unterschenkel und Fuß gelöscht.

Weiterhin sollten die Bewegungskurven aus der Literatur in einen Bewegungsablauf umgewandelt werden, von dem die Muskelkräfte berechnet werden sollten. Von einer Datei aus dem AnyBody-Tutorial wurde die Bewegung, die einem Pendel ähnelte, auf das Modell des linken Hüftgelenks angewendet. Diese Pendelbewegung beruhte auf der Eingabe von Koordinaten. Für die Bewegung aus der Literatur wurden diese Koordinaten verändert. Es wurden die Pendelbewegung und die Bewegung aus der Literatur am linken Hüftgelenk berechnet und dargestellt. Leider funktionierte die Muskelberechnung nur bei der Pendelbewegung, während die Bewegung aus der Literatur mit einer Fehlermeldung abbrach und keine Ergebnisse lieferte. Aus den ermittelten Muskelkräften konnten die resultierenden Kräfte am Hüftgelenk nicht direkt weder in graphischer noch in tabellarischer Form ausgegeben werden. Damit fehlt die Möglichkeit die Kräfte in einer zur Eingabe in ein FEM-Programm nötigen Form auszugeben.

Außerdem galt es zu überprüfen, ob ein vorhandenes Beckenknochenmodell im STL-Format in das Programm eingebunden werden kann. Der Import einer STL-Datei funktioniert problemlos, allerdings können für ein solches Beckenknochenmodell keine Muskelkräfte berechnet werden. Es wird nur in der Modellansicht dargestellt. Für die Berechnung ist ein in AnyBody erstelltes Hüftmodell notwendig. Es existiert keine Schnittstelle zwischen AnyBody und einem FEM-Programm.

Ausblick

Die Hauptaufgabe des Forschungsprojektes der orthopädischen Uniklinik Leipzig besteht darin die Spannungsverteilung im Knochen-Implantat-Interface einer künstlichen Hüftpfanne zu bestimmen.
Die Berechnung der bei bestimmten Patientenbewegungen auftretenden Muskelkräfte ist nur ein Teilproblem. Diese Bachelorarbeit sollte eine Probe sein, was und wie AnyBody® bei diesem Teilaspekt behilflich sein kann. Nun müssen die wichtigsten in der Literatur vorhandenen Bewegungen in das Programm integriert werden und die dabei auftretenden Muskelkräfte ausgegeben werden. Diese in ein für ein FEM-Programm kompatibles Format zu überführen, sollte die nächste Aufgabe sein. Dabei ist die kürzlich präsentierte Lösung sicher von großem Nutzen: Cadfem® ist es gelungen eine Schnittstelle von AnyBody® und ANSYS® zu kreieren.

Quellen

AnyBody Tutorial 2007
AnyBody Tutorial; Driving models by motion capture marker trajectories. www.anybodytech.com/677.0.html
Nadzadi 2001
Mark E. Nadzadi; Formulation advancements for finite element investigation of total hip arthroplasty. University of Iowa, 2001 [M. Sc.].
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].

 

Originalarbeit

Download der Originalarbeit leider nicht verfügbar.

 

Über den autor

Über den Autor


 

Alexander Golub, geboren am 27.10.1984 in Leipzig.

 

  • bis 2003 : Humboldt-Schule, Gymnasium der Stadt Leipzig
  • seit 2004 : Maschinenbau-Studium HTWK Leipzig
  • WS 06/07: Praktikum Gratz Engineering GmbH

 

Impressum

Autor

Alexander Golub


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)

OA Dr. med. Roger Scholz
Ärztlicher Leiter am Labor für Biomechanik
Orthopädische Klinik und Poliklinik der Medizinische Fakultät der Universität Leipzig
Liebigstr. 20
D 04103 Leipzig




Dipl.-Ing.(FH) 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]