Multi-field modelling and simulation of the human hip joint

Die langsame Selbstheilungs- und Regenerationsfähigkeit des Knorpels ist ein aktuelles Problem in der Biomechanik. Grund dafür ist, dass Knorpelgewebe sehr anfällig gegen Degenerierung ist, was zu starken Schmerzen und Arbeitsunfähigkeit bei Menschen mittleren und höheren Alters führt. Insbesondere ist die Osteoarthrose (OA) eine verbreitete Form der Knorpeldegenerierung, an der weltweit etwa 630 Millionen Menschen leiden, was 15% der gesamten Weltbevölkerung entspricht. Das Robert-Koch-Institut für Gesundheit berichtet, dass in Deutschland über 1,6% der unter dreißigjährigen Menschen Symptome der OA aufweisen. Bis zum 50. Lebensjahr erreicht die Prävalenz von OA 14,9% und nach dem 60. Lebensjahr ist ein Drittel der weiblichen Bevölkerung und ein Viertel der männlichen Bevölkerung davon betroffen. Außerdem sind die eingetragenen OA-Fälle zwischen 2003 und 2010 von 22,6% auf 27,1% bei Frauen und von 15,5% auf 17,9% bei Männern gestiegen. Dieser deutliche Anstieg der OA-Fälle ist eng mit der Kostenerhöhung des Gesundheitssystems verbunden. Im Jahr 2004 belegten Krankheiten des Muskelknochensystems den dritten Platz in Bezug auf die verursachten Kosten von 24,46 Milliarden Euro nach den Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Verdauungsstörungen. Von den Kosten der Muskelknochensystem-Erkrankungen beziehen sich 6,77 Milliarden Euro auf die OA. Außerdem lassen sich 39% der Arbeitsunfähigkeitsfälle wegen OA im Jahr 2012 auf OA im Hüftgelenk zurückführen. Eines der Ziele dieser Arbeit besteht darin, dem Arzt eine neuartige Möglichkeit zu bieten, die Diagnose zu sichern. Zu diesem Zweck wurde ein numerisches Werkzeug entwickelt, um eine korrekte Darstellung des OA-Vorkommens und den Einfluss auf die Hüftgelenkanatomie zu gewährleisten. Dies setzt eine geometrisch und konstitutiv hochkomplexe Modellierung voraus, um die In-vivo-Eigenschaften, die entsprechenden Randbedingungen sowie die Beschreibung des anisotropen und heterogenen hydratisierten Weichgewebes darstellen zu können. Hierzu wird ein thermodynamisch konsistentes Modell im Rahmen der Theorie Poröser Medien (TPM) vorgestellt und für den speziellen Fall eines Knorpelgewebes angepasst. Dies führt zum zweiten Ziel der Arbeit, der Ausarbeitung einer konsistenten Kalibrierungsstrategie für das komplexe Rechenmodell. Im Rahmen der vorgestellten Kalibrierungsmethode werden wichtige Fragen über die Parameterindentifizierungstechniken und die Sensitivität des erhaltenen Satzes von Materialparametern angesprochen. Danach liegt der Fokus auf der Berücksichtigung von realen Randbedingungen für die Knorpeloberfläche des Femurkopfes. In diesem Zusammenhang werden die Kontaktspannungen an der Oberfläche untersucht, um den Einfluss der OA während normaler und pathologischer Ganganalysen auszuwerten.