Entwicklung eines CT-basierten diskontinuierlichen Galerkin-Verfahrens für biomedizinische Anwendungen

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Stefan Diebels
• Subject Area: Applied Mechanics, Statics and Dynamics ; Mechanics ; Medical Physics, Biomedical Technology
• Term: from 2011 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 198788475

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

Als akademisches Testbeispiel zur Entwicklung des DG-FEM Lösers wurde das Beispiel eines Viertelkreises mit zwei unterschiedlichen Materialien gewählt. Die Materialparameter innerhalb des Viertelkreises wurden analog zu Weichgewebe gewählt, während für die Platte die Materialparameter des Titan-Implantats angenommen wurden. Diese Wahl spiegelt die maximalen Verhältnisunterschiede innerhalb der CT-Daten sehr gut wider. Das Ergebnis zeigt, das mit der gewählten freien FE-Software, deal.II, eine geeignete Software-Entwicklung prinzipiell möglich ist, allerdings zukünftig sehr tiefgreifend in die Implementierung eingegriffen werden müsste. Potentielle Vorteile eines DG-FEM Lösers gegenüber einer konformen FE-Diskretisierung auf Voxelgittern basierend auf Bilddaten lassen sich allerdings erkennen. Die eingehende Analyse sowohl der kommerziellen als auch der frei verfügbaren Software zeigte, dass für medizinische Anwendungen nur ein eigenständig entwickelter DG-FEM Löser in der Lage ist, die unfallchirurgischen Fragestellungen vollständig abzubilden. Insbesondere lassen Fragestellungen bzgl. der Frakturheilung, der Knochen-Implantat-Wechselwirkung, der Verschraubung von Implantaten oder der Behandlung von Weichgewebe nur schwierig in gängige Software integrieren. Roland, M., Diebels, S., Optimierungsstrategie für das Verfüllen von Schienbeinfrakturen mit körpereigenem Knochengewebe, Magazin Forschung 2/13 der Universität des Saarlandes, 2013

Publications

• Numerical Simulation of Al-Si alloys with and without a directional solidification, Image Analysis and Stereology, 33:29-37, 2014
  Roland, M., Kruglova, A., Harste, N., Mücklich, F., Diebels, S.
  
• An automated workflow for the biomechanical simulation of a tibia with implant using computed tomography and the finite element method. Computers & Mathematics with Applications Volume 70, Issue 5, September 2015, Pages 903-916
  Dahmen, T., Roland, M., Tjardes, T., Bouillon, B., Slusallek, P., Diebels, S.
  
• Less than full circumferential fusion of a tibial nonunion is sufficient to achieve mechanically valid fusion - Proof of concept using a finite element modeling approach. BMC Musculoskeletal Disorders, 2015, 15:434
  Roland, M., Tjardes, T., Otchwemah, R., Dahmen, T., Bouillon, B., Diebels, S.
  
• Numerical simulation and comparison of a real Al-Si alloy with virtually generated alloys. Archive of Applied Mechanics, August 2015, Volume 85, Issue 8, pp 1161–1171
  Roland, M., Kruglova, A., Gaiselmann, G., Brereton, T., Schmidt, V., Mücklich, F., Diebels, S.
  
• 3D connectivity of eutectic Si as a key property defining strength of Al–Si alloys. Computational Materials Science, Volume 120, July 2016, Pages 99-107
  Kruglova, A., Engstler, M., Gaiselmann, G., Stenzel, O., Schmidt, V., Roland, M., Diebels, S., Mücklich, F.