In dieser Arbeit wird ein Aufbauprozess des Stumpfmodells erläutert. Der Stumpf wird im Modell mittels vier Werkstoffe vereinfacht: Haut, Knochen, Muskel und Weichgewebe. Bei dem Modell handelt es sich um Freiformflächen, d.h. um NURBS-Flächen. Um die Scandaten in NURBS-Volumenkörper zu konvertieren, werden Meshlab, Mudbox und Fusion 360 verwendet. Es gibt auch andere Software mit ähnlichen Funktionen, z. B. CATIA, FreeCAD, ANSYS Space Claim und Rhino. In der Modellierung sind alle Materialien als linear elastisch, isotrop und homogen vereinfacht angesehen. Die Materialparameter von menschlichem Körper werden durch Recherche und Ersatzgewebe aus Schweinefleisch bestimmt. Um die Funktion des Modells zu überprüfen, werden in ANSYS Workbench Simulationen durch-geführt, bei denen acht Stahlkugeln als Werkzeuge verwendet werden, um Druck auf die Haut auszuüben. Die Ergebnisse werden mit Experimenten verglichen. Das Modell wird bei der Prothesen-Optimierung und Liner Entwicklung meistens sehr hilfreich.
Inhaltsverzeichnis
- Einleitung und Problemstellung
- Stand der Technik
- Geschichte der Entwicklung von Beinprothesen
- Medizinisches Reverse Engineering
- Freiformflächen Modellierungstechnik
- Modellierungstechnik Vergleich
- Modell-Datentypen STL/ OBJ/ STEP/ IGES
- Vergleich des Aufbauprozesses von Körpermodellen
- Vergleich von Flächenrückführungssoftware
- Unterschenkelamputation Technik
- Materialparameter
- Weichgewebeparameter
- E-Modul, Dichte und Querkontraktionszahl
- Hautparameter
- In vivo Test
- In vitro Test
- Das linear-elastische Modell
- E-Modul, Dichte und Querkontraktionszahl
- Das bi-lineare elastische Modell
- Das viskoelastische Modell
- Muskelparameter
- Skelettmuskel-Struktur
- Das Skelettmuskel-Modell
- E-Modul, Dichte und Querkontraktionszahl
- Knochenparameter
- Die Knochenstruktur
- E-Modul, Dichte und Querkontraktionszahl
- Weichgewebeparameter
- Modellierungsansatz
- Finite Elemente Methode
- FEM-Software
- Modellierung
- Vorbereitung des Stumpfnetzes
- Stumpfbaugruppe aus Polygon-Volumenkörpern
- Strukturvergleich mit der Realität
- Stumpf-Bauteil-Netz Export
- Vergleich von Quadnetz Neue-Topologie-Methoden
- Flächenanzahl-Reduzierung von T-Splines Volumenkörpern
- Umwandlung von Quadnetz in T-Splines-Volumenkörper
- Kollisions-Prüfung
- Heften offener Strukturen
- Heften der Tibia und Fibula
- Heften des Stumpfendes
- Begrenzungsfüllung des Weichgewebes
- Verdicken der Haut
- Vorbereitung des Stumpfnetzes
- FEM-Simulation und Validierung
- Statisch-mechanische Analyse in ANSYS Workbench
- Geometrievorbereitung
- Aufbau der Testkugeln
- Boolesche Operation nach Import in DesignModeler
- Gemeinsame Topologie in DesignModeler
- Skalierung und Verschiebung in Fusion nach der Vernetzung
- Einordnung des Materials
- Kontaktvereinfachung als Verbund
- Nichtlinearitäten
- Vernetzung
- Globale Vernetzung
- Physikvoreinstellung
- Elementansatzfunktion in Diskretisierung
- Elementgröße
- Lokale Vernetzung
- Vernetzungsmethoden
- Elementgröße der ausgewählten Geometrien
- Einflussbereich
- Adaptive Verfeinerung in Lösung
- Netz-Qualität und -Statistik
- Elementqualität und Statistik
- Seitenverhältnis und Schiefe
- Globale Vernetzung
- Randbedingungen und Belastungen
- Randbedingungen
- Belastungen
- Lösungen und Ergebnisse
- Vergleich der Reaktionskräfte für Konvergenz-Prüfung
- Validierung des Stumpfmodells
- Validierung durch Kraftmessung
- Anpassung der Materialparameter
- Vergleich der Reaktionskräfte
- Gesamtverformungen und Vergleichsspannungen
- Zusammenfassung und Ausblick
- Aufbau des Modells aus Scandaten
- Hinzufügen von Nichtlinearität
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Arbeit zielt darauf ab, ein detailliertes FEM-Beinmodell zu entwickeln, das die Interaktion zwischen einem Stumpf und einer Prothese simuliert. Dieses Modell dient dazu, die Belastungen und Spannungen in den Geweben des Stumpfs während der Verwendung einer Prothese zu untersuchen und so die Prothesen- und Linerentwicklung zu optimieren.
- Entwicklung eines FEM-Beinmodells
- Simulation der Interaktion zwischen Stumpf und Prothese
- Analyse von Belastungen und Spannungen im Stumpf
- Optimierung von Prothesen- und Linerdesign
- Validierung des Modells durch Vergleich mit experimentellen Daten
Zusammenfassung der Kapitel
Die Arbeit beginnt mit einer Einleitung, die die Problemstellung des Themas erläutert und einen Überblick über die relevanten medizinischen und technischen Hintergründe gibt. Kapitel 2 präsentiert den Stand der Technik, mit einem Fokus auf die Geschichte der Beinprothesenentwicklung, die verschiedenen Modellierungstechniken im medizinischen Reverse Engineering, die Unterschenkelamputation und die Materialparameter verschiedener Gewebe. Kapitel 3 beschreibt den detaillierten Modellierungsprozess des Stumpfs, ausgehend von Scandaten bis hin zur Erstellung eines T-Splines-Volumenkörpers. Kapitel 4 behandelt die FEM-Simulation und Validierung des Stumpfmodells. Hierbei werden verschiedene Einstellungen, Materialparameter und Kontakttypen diskutiert und die Simulationsergebnisse mit experimentellen Daten verglichen.
Schlüsselwörter
Die Arbeit befasst sich mit den folgenden Themen: Beinprothesen, FEM-Modellierung, Stumpfmodell, Materialparameter, Haut, Knochen, Muskeln, Weichgewebe, Simulation, Validierung, Reverse Engineering, T-Splines, ANSYS Workbench, Kontakttypen, Nichtlinearität, Vernetzung, Belastungen, Spannungen.
- Quote paper
- Guangxu Chen (Author), 2023, Entwicklung eines FEM-Beinmodells zur Simulation der Interaktion mit einer Prothese, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1484912