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Fragestellung: Durch die steigende Lebenserwartung nehmen auch Frakturen des Beckenringes zu. Diese reduzieren die Mobilität der Patienten und können zu schweren Komplikationen führen. Daher entstand der Wunsch eine realitätsnahe experimentelle Prüfung für Implantate der operativen Beckenrekonstruktion zu entwickeln einschl. der Muskelkräfte des langsamen Gehens. Die Auslegung dieses neuartigen Prüfstandes wird erläutert und mit Literaturdaten verglichen [1], [2].

Methodik: Ein biomechanischer Teststand zur Simulation der physiologischen Belastungen beim langsamen Gehen wird zuerst durch numerische Simulation ausgelegt und danach gebaut (siehe Abbildung 1 [Abb. 1]).

Die Auslegung beginnt mit der numerischen Simulation (sogen. Inverse Dynamik) des langsamen Gehens mittels der Software AnyBody, zur Ermittlung all der zeitlich variablen Muskel- und Gelenkkontaktkräfte.

Diese Kräfte werden dann auf ein Finite Elemente (FE) Modell des Beckens übertragen. Ein zweites FE-Modell des Beckens im Prüfrahmen wird generiert, um iterativ die große Zahl der Muskel- und Kontaktkräfte im Experiment zu reduzieren. Am Ende gelang es mit nur 4 Aktuatoren zu arbeiten: zwei für die Hüftkontaktkräfte und zwei weitere für äquivalente Muskelkräfte. Das Auslegungsziel war dabei stets einen ähnlichen Spannungs-Zeitverlauf an kritischen Stellen des Beckens für wichtige Momente des Gangzyklus zu erzielen, wie wenn alle Muskel- und Kontaktkräfte modelliert wären [3]. Danach wurden 3 SAWBONES der 4. Generation getestet und dort Dehnungen an 8 kritischen Stellen, sowie die Einspannkräfte am Lumbosakral-Gelenk und die Verschiebung des Beckens im Prüfrahmen gemessen, was insgesamt die vorausgegangenen Simulationen und somit auch eine gute Wiederholbarkeit bestätigte.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Der simulierte und später auch der reale Test mit wenigen Aktuatoren und einer Einspannung schafft es recht gut vergleichbare Spannungsniveaus an kritischen Stellen des Beckens zu erzielen, im Vergleich zur Simulation mit allen Muskel- und Kontakt-Gelenk-Kräften. Tabelle 1 [Tab. 1] zeigt einige Spannungen an wichtigen Positionen zum Zeitpunkt des linken Fersenauftrittes.

Das experimentelle Set-Up wurde per Simulation iterativ mit nur 4 Aktuatoren im Prüfrahmen ausgelegt und dann über Dehnungs- Kraft- und Verformungsmessungen validiert. Weiterhin bestätigen klinische Beobachtungen die berechneten und experimentellen Ergebnisse. Der Prüfstand wird derzeit für die Testung von Implantaten zur operativen Behandlung von Schambeinfrakturen benutzt.