Dynamische Analyse des endoprothetisch versorgten Kniegelenks durch Hardware-in-the-Loop-Simulation

• Antragsteller: Professor Dr. Rainer Bader; Privatdozent Dr.-Ing. Daniel Klüß; Professor Dr.-Ing. Christoph Woernle
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 235922259

Nach der Implantation einer Knieendoprothese ist trotz ausgereifter Implantatdesigns etwa jeder vierte Patient mit dem klinisch-funktionellen Ergebnis nicht zufrieden. Die Unzufriedenheit zusammen mit dem Auftreten von Komplikationen äußert sich in einer eingeschränkten Mobilität im künstlichen Knie-gelenk und konsekutiv im Versagen und einer notwendigen Revisionsoperation. Etablierte biomecha-nische Methoden sind bislang nicht in der Lage, die Versagensursachen sowie Kinematik und Belas-tungen endoprothetisch versorgter Kniegelenke unter physiologischen Randbedingungen exakt zu beurteilen.Ziel des Antrags ist die Entwicklung einer neuartigen roboter-basierten Testumgebung, mit welcher endoprothetisch versorgte Kniegelenke mit den umgebenden Kapsel-Band-Strukturen mit hoher Ge-nauigkeit hinsichtlich Kinematik und dynamischer Stabilität analysiert und neue Implantatsysteme und OP-Techniken bewertet werden können. Der Vergleich der Bewegungsmuster zwischen endoprothe-tisch versorgten und nativen Kniegelenken soll Aufschlüsse über mögliche und häufige Versagensur-sachen liefern. Bisher ist es nicht möglich, relevante Bänder- und Kapselstrukturen sowie Muskeln in einem experi-mentellen Aufbau reproduzierbar abzubilden. Im vorliegenden neuen Ansatz sollen die Weichgewe-bestrukturen demzufolge in einem muskuloskelettalen Simulationsmodell implementiert werden, die Bewegungen und Belastungen erfolgen hingegen am realen Implantat und werden über einen Indust-rieroboter eingeleitet. Dabei kommuniziert das Simulationsmodell in einem Hardware-in-the-Loop (HiL) Regelkreis mit dem Roboter, wobei Daten über die Kinematik und die Kräfte in Realzeit ausgetauscht werden. Im Ergebnis können Bewegungen und Belastungen von Knieendoprothesen reproduzierbar abgebildet werden, erstmalig unter Berücksichtigung relevanter Weichteilstrukturen und Kontaktver-hältnisse am realen Implantat.In Vorarbeiten konnte am Beispiel des Hüftgelenks die HiL-Simulation bereits erfolgreich implementiert werden. Das Kniegelenk erfordert dagegen aufgrund seiner Komplexität einen optimierten Ansatz. Dazu sollen im Projekt die natürliche Kinematik sowie die mechanischen Eigenschaften der Band-Kapsel-Strukturen ermittelt werden, indem mit Hilfe des Roboters Bewegungen und Belastungen auf humane Kniepräparate aufgebracht werden. Mit diesen Daten wird das muskuloskelettale Simulati-onsmodell aufgebaut. Zudem wird das Robotersystem hinsichtlich Sensorik, Steuerung und Regelung an das Kniegelenk angepasst. Anschließend erfolgen der Aufbau und die Validierung der HiL-Umgebung. Mit Hilfe der HiL-Simulation werden Variationen bezüglich des Implantatdesigns, der -positionierung und der OP-Technik untersucht und deren Einflüsse auf die Kinematik und Kräftever-hältnisse analysiert. Zudem werden Finite-Elemente-Analysen mit aus der HiL-Simulation gewonnenen Randbedingungen durchgeführt, um neben der Kinematik auch die Spannungen, Dehnungen und Kontaktdrücke im künstlichen Kniegelenk bestimmen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen