Abschätzung von Muskelkräften aus einem virtuellen Probandengut für die patientenspezifische FEM-Simulation eines Unterkiefers

183 Pages·2014·12.449 MB·German

by  Müller, Christoph, Spath, Dieter, Bullinger, Hans-Jörg

S C H R I F T E N R E I H E Z U A R B E I T S W I S S E N S C H A F T
U N D T E C H N O L O G I E M A N A G E M E N T
Herausgeber
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. Dieter Spath
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. e. h. mult. Dr. h. c. mult. Hans-Jörg Bullinger
Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement IAT
der Universität Stuttgart, Stuttgart
Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO, Stuttgart
Band 14
Christoph Müller
Abschätzung von Muskelkräften aus einem virtuellen Probandengut für die
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F R A U N H O F E R V E R L A G
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keit oder Aktualität übern ehmen.
D 93
Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2014
Geleitwort
Grundlage der Arbeiten am Institut für Die im Rahmen der Forschungsarbeiten an
Arbeitswissenschaft und Technologiem ana- den Instituten entstandenen Dissertationen
gement IAT der Universität Stuttgart und werden in der »Schriftenreihe zu Arbeits-
am kooperierenden Fraunhofer-Institut für wissenschaft und Technologiemanagement«
Arbeitswirtschaft und Organisation IAO veröffentlicht. Die Schriftenreihe ersetzt die
ist die Überzeugung, dass unternehmerischer Reihe »IPA-IAO Forschung und Praxis«,
Erfolg in Zeiten globalen Wettbewerbs vor herausgegeben von H. J. Warnecke,
allem bedeutet, neue technologische Poten - H.-J. Bullinger, E. Westkämper und D. Spath.
zi ale nutzbringend einzusetzen. Deren er- In dieser Reihe sind in den vergangenen
folgreicher Einsatz wird vor allem durch die Jahren über 500 Dissertationen erschienen.
Fähigkeit bestimmt, kunden- und mitarbeiter- Die Herausgeber wünschen den Autoren,
orientiert Technologien schneller als die Mit - dass ihre Dissertationen aus den Bereichen
bewerber zu entwickeln und anzuwenden. Arbeitswissenschaft und Technologie -
Dabei müssen gleichzeitig innovative und an- mana gement in der breiten Fachwelt als
thropozentrische Konzepte der Arbeits - wichtige und maßgebliche Beiträge wahr-
organisation zum Einsatz kommen. Die syste- genommen werden und so den Wissens-
matische Gestaltung wird also erst durch die stand auf ein neues Niveau heben.
Bündelung von Management- und Technolo-
giekompetenz ermöglicht. Dabei wird durch
eine ganzheitliche Betrachtung der Forschungs-
und Entwicklungsthemen gewährleistet,
dass wirtschaftlicher Erfolg, Mitarbeiterinter-
essen und gesellschaftliche Auswir kungen
immer gleichwertig berücksichtigt werden. Dieter Spath Hans-Jörg Bullinger

Vorwort
»Zwei Dinge sind zu unserer Arbeit nötig: Frau Prof. Kober soll besonders erwähnt
Unermüdliche Ausdauer und die Bereitschaft, werden. Sie war eine kritische und deshalb
etwas, in das man viel Zeit und Arbeit gesteckt fördernde Diskussionspartnerin.
hat, wieder wegzuwerfen.« (Albert Einstein)
Der einfacheren Ausdrucksweise wegen wird
Auch wenn ein Zitat oft bemüht wird, möchte in dieser Arbeit nur von der maskulinen Form
ich meine Arbeit damit beginnen. Es fasst Gebrauch gemacht. Mit »Implantologen«
in wenigen Worten das zusammen, was ich sind beispielsweise weibliche und männliche
in den letzten Jahren, in denen ich mich mit Implantologen gleichermaßen angesprochen.
meinem Promotionsvorhaben beschäftigt habe,
erleben und lernen durfte. Nur die Ausdauer
hat mich zur Vollendung der Arbeit gebracht München, im Juli 2014
und oftmals war es schmerzlich, eingeschla- Christoph Müller
gene und zeitintensive Wege wieder zu verlas-
sen. Ohne die Unterstützung meiner Familie,
meiner Freunde und der fachlichen Betreuer
wäre diese Arbeit nicht möglich gewesen.
Ein großer Dank gebührt Herrn Prof. Spath,
der mich als Promotionsstudenten aufgenom-
men hat. Bewundernswert ist seine Motivati-
onskraft und das Engagement, das er seinen
Doktoranden entgegenbringt. Die zahlreichen
Doktorandenkolloquien helfen, den Blick für
das eigene Tun und Schaffen zu schärfen. Bei
Herrn Prof. Maier möchte ich mich bedanken,
dass er als Mitberichter meine Promotion
unterstützt hat.

Abschätzung von Muskelkräften aus einem virtuellen
Probandengut für die patientenspezifische FEM-Simulation
eines Unterkiefers

Von der Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik der
Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs
(Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung

Vorgelegt von
Dipl.-Ing. (FH), M. Sc. Christoph Müller
aus Stuttgart

Hauptberichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dieter Spath
Mitberichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Thomas Maier

Tag der mündlichen Prüfung: 30.06.2014

Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO
2014
Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung und Motivation ................................................................................................................ 12
2 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit ................................................................................................... 15
3 Grundlagen zum Kauapparat ........................................................................................................... 16
3.1 Terminologie und räumliche Orientierung................................................................................... 16
3.2 Anatomische Bestandteile des Kauapparates ............................................................................. 17
3.2.1 Der Kiefer ........................................................................................................................... 17
3.2.2 Das Kiefergelenk ................................................................................................................ 18
3.2.3 Die Kaumuskulatur ............................................................................................................. 18
3.3 Funktionsweise des Kauapparates .............................................................................................. 20
3.3.1 Die Unterkieferbewegung .................................................................................................. 20
3.3.2 Die Kau- bzw. Beißkräfte .................................................................................................... 21
3.3.3 Die muskuläre Aktivität ...................................................................................................... 21
3.4 Beispiel einer FEM-Simulation des Kauapparates ....................................................................... 22
4 Stand von Forschung und Technik ................................................................................................... 25
4.1 Prinzipielle Verfahren zur Bestimmung von Muskelkräften......................................................... 25
4.1.1 Idealisierung der Muskeln über Wirklinien ........................................................................ 25
4.1.2 Grundprinzip der Bestimmung von Muskelkraftbeträgen ................................................. 26
4.1.3 Bestimmung von Muskelkraftbeträgen mit der EMG-Messung ........................................ 27
4.1.4 Bestimmung von Muskelkraftbeträgen mit mathematischen Modellen ........................... 28
4.2 Forschungsarbeiten zur Bestimmung von Muskelkräften ........................................................... 30
4.2.1 Allgemeine Hinweise zu den Darstellungen ....................................................................... 30
4.2.2 Hatcher, Universität Alberta, Edmonton ........................................................................... 31
4.2.3 Koolstra, Universität Amsterdam ....................................................................................... 32
4.2.4 Korioth, Universität British Columbia, Vancouver ............................................................. 34
4.2.5 Iwasaki, Universität Nebraska ............................................................................................ 35
4.2.6 Rues, Universität Karlsruhe ................................................................................................ 38
4.2.7 Marc de Zee, Universität Aarhus........................................................................................ 40
4.2.8 Weitere Forschungsarbeiten.............................................................................................. 41
4.2.9 Alternative Verfahren zur Bestimmung von Muskelkräften .............................................. 42
4.3 Veröffentlichungen zur Modellierung von Muskelkräften in FEM-Modellen ............................... 42
4.3.1 Allgemeine Hinweise zu den Darstellungen ....................................................................... 42
4.3.2 Muskelkräfte nach Hatcher ................................................................................................ 43
4.3.3 Muskelkräfte nach Koolstra ............................................................................................... 43
4.3.4 Muskelkräfte nach Korioth................................................................................................. 45
4.3.5 Muskelkräfte nach Marc de Zee ........................................................................................ 48
4.3.6 Muskelkräfte nach weiteren Quellen und Verfahren ........................................................ 48
4.3.7 Muskelkräfte für patientenspezifische FEM-Modelle ........................................................ 52
4.4 Zusammenfassung, kritische Bewertung und Defizit ................................................................... 54
4.4.1 Zusammenfassung ............................................................................................................. 54
4.4.2 Kritische Bewertung und Defizit ........................................................................................ 56
5 Lösungsansatz: Abschätzung von Muskelkräften aus einem virtuellen Probandengut ................... 58
5.1 Grundidee .................................................................................................................................... 58
5.2 Erläuterung des Lösungsansatzes ................................................................................................ 60
5.3 Neuigkeit und Abgrenzung .......................................................................................................... 61
6 Schritt I: Das muskuloskelettale Modell ........................................................................................... 63
6.1 Referenzdatensatz ....................................................................................................................... 63
6.2 Verwendete muskuloskelettale Software .................................................................................... 64
6.3 Aufbau des muskuloskelettalen Ausgangsmodells ...................................................................... 64
6.4 Reduktion der Wirklinien ............................................................................................................. 66
6.5 Definition des Lastfalls für eine Implantatbelastung ................................................................... 67
7 Schritt II: Aufbau des virtuellen Probandengutes ............................................................................ 69
7.1 Charakterisierung eines virtuellen Probanden ............................................................................. 69
7.1.1 Auswahl der patientenspezifischen Parameter ................................................................. 69
7.1.2 Definition und Konstruktion der patientenspezifischen Parameter .................................. 69
7.1.3 Finaler Parametersatz eines virtuellen Probanden ............................................................ 75
7.2 Statistik des virtuellen Probandengutes ...................................................................................... 77
7.2.1 Datengrundlage des realen Probandengutes .................................................................... 77
7.2.2 Vermessung des realen Probandengutes .......................................................................... 78
7.2.3 Statistische Verteilungsfunktionen der gemessenen Parameter ....................................... 78
7.2.4 Korrelationen zwischen den gemessenen Parametern ..................................................... 80
7.2.5 Reduktion der patientenspezifischen Parameter .............................................................. 83
7.3 Erstellung des virtuellen Probandengutes ................................................................................... 84