13. Jahrestagung der Deutsche Gesellschaft für Biomechanik e. V.

Prof. Dr.

Dr. Ing.

Prof.

Spatiotemporally unrestricted gait simulations at arbitrary speed or cadence: an inverse optimal control study

Numerische Methoden und Studien (FEM, CFD, MKS)

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction Simulation studies have previously identified movement objectives that represent human gait in optimal control simulations [1,2]. However, they had to employ speed constraints. Therefore, previous simulations could not predict the effect of interventions, such as prostheses, on walking speed and cadence simultaneously. Thus, we aimed to identify objective weights (OW) to create optimal control gait simulations without predefining spatiotemporal parameters. Methods We applied bi-level inverse optimal control (IOC) on gait cycles (GCs) with two different speeds [3]. Our goal was to find OW that minimized the difference between the resulting predictive 2D musculoskeletal optimal control simulations and the measured optical motion capture and force plate data. We optimized the OW for six movement objectives from [1,4] using Tree-Parzen Estimators [5]. Based on the weights resulting from IOC, we fitted a linear regression model that estimated OW from walking speed and GC duration. We solved predictive simulations of 48 grid-sampled combinations of speed and GC duration using the estimation from the fitted model and evaluated whether the desired speed and GC duration matched. Results &amp; Conclusion Fig. 1 shows that the GC duration matched well, while speed was often too low. Furthermore, 13 simulated GCs did not yield walking behavior, since for some the speed/duration was sampled out of distribution, while for others an unrealistic local minimum was found. In conclusion, our proposed approach did successfully create unconstrained gait simulations. However, accurate speed representation needs to be improved. References [1] Falisse et al., J R Soc Interface (2019) [2] Koelewijn et al., Comput Methods Biomech Biomed Engin (2018) [3] Mombaur et al., Auton Robots (2010) [4] Veerkamp et al., J Biomech (2021) [5] Akiba et al., KDD (2019) Fig. 1: Comparison of speed and GC duration between linear regression inputs and optimal control simulation results.

Vortrag

Dr.-Ing.

Effects of different loading approaches for in vivo-like Finite-Element (FE) models of total knee replacements on stress distribution and failure probability of ceramic tibial components

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction In vivo-like FE studies are used during the development of joint replacements to evaluate risks of in vivo failures. In vivo data often used to derive loading conditions were published for various activities1. This data was derived for a medium implant size of patients with a mean BMI of 30. Thus, the effects of two loading approaches were compared in terms of 1st principal stress distribution and prediction of failure probability for ceramic tibial components. Methods Quasi-static FE models (femoral, tibial component, insert, bony structures, bone cement) of four sizes, were loaded with Peak100 data as reference models1. Here, only moments were component-size scaled and a constant force was applied over the sizes. In comparison, a component-size scaled moment and force approach was used with increasing loads and moments from small to large sizes. This approach considers highly obese patients (BMI40). Failure probability was calculated based on analytical fracture mechanical algorithm. Results Using the scaled loading approach, the tibial components were more homogenously stressed over the portfolio instead of showing excessive stresses for smaller sizes and low stresses for larger sizes. Hence, worst-case size selection in terms of the largest failure probability was affected by the different loading approaches. The reference model revealed the smallest component size as worst case while the component-size scaled approach detected a large-mid size. Summary For risk mitigation of in vivo failures of knee implants, scaled moments and scaled forces shall be considered to avoid unrealistic high loading of small components and insufficient loading of large components. Especially for ceramic knee implants, the scaled loading approach should be considered as the failure probability analysis may reveal a different output in terms of worst-case sizes. References 1 Bergmann et al. PLoS ONE 2014 9(1):e86035

Numerische Studie zur Simulation des postoperativen Knochenumbaus nach endoprothetischer Versorgung mit verschiedenen mathematischen Modellen

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung: Die Anpassung des Knochens an postoperativ veränderte mechanische Belastungen kann mit Hilfe math. Modelle in Verbindung mit der FEM simuliert werden. In der Literatur werden mehrere Theorien zur Vorhersage des Knochenverhaltens nach endoprothetischer Versorgung vorgeschlagen. Alle diese theoretischen Ansätze wurden innerhalb bestimmter Grenzen bzgl. der Vorhersagedetails für prognostische Studien angewandt. Ziele: Die vorliegende 3D-Studie dient dem Vergleich zweier Simulationen zur Dichteverteilungen in einer prothetisch versorgten proximalen Tibia nach Simulation des postoperativ einsetzenden Bone Remodelings (BR). Diese Dichteverteilungen resultieren aus dem an der Universität Nijmegen entwickelten Modell (NM) mit der SED als Umbau-Parameter sowie des NM mit Einbeziehung des Prinzips der zellulären Akkommodation (CA). Methoden: Die CT-Daten eines Kniegelenkes dienten als Basis des FE-Modells. Das 3D-Design des Implantates basiert auf einem handelsüblichen Implantat. Das Implantat wurde virtuell in neutraler Position implantiert. Sieben Belastungsfälle auf der Grundlage der Datenbank Orthoload wurden simuliert. Der preop. Belastungszustand im Knochengewebe diente als Referenz. Ergebnisse: Das Zusammenführen von NM und CA führt im Ergebnis der numerischen Simulationen zu klinisch relevanten Knochendichteverteilungen. Der CA-Term sorgt für eine Konvergenz der Simulation gegen einen stabilen Endzustand sowie realistischeren Dichteverteilungen im Knochen postop. (Abb. 1, c). Das reine NM neigt dazu, scharf abgegrenzte Bereiche mit hoher Dichte zu erzeugen, die mit Trabekelverstrebungen gleichgesetzt werden können (Abb. 1, d), incl. einer langen Simulationsdauer ohne Konvergenz mit Verlust der mechanischen Integrität des Modells. Abb. 1: Postop. FEM-Modell der prox. Tibia mit dargestellter Knochendichte [g/cm3]. a) 3D Modell, b) Schnittdarstellung unmittelbar postop., c) Knochendichte nach BR mittels NM + CA, d) Knochendichte nach BR mittels NM.

Dr.-med.

Correlation of knee joint stress patterns with cartilage damage using FE simulation

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Repetitive stress and axial misalignment are discussed in the context of changes in adolescent articular cartilage [1, 2]. It is still unclear whether the mechanically identifiable stress zones on the joint are associated with preclinical cartilage changes. In order to calculate the stresses in the articular surface of the knee, a finite element (FE) model of one left knee was created, containing the cartilage of the distal femur and the proximal tibia and both menisci. The bones were simplified as rigid bodies. The boundary conditions are the ground reaction forces and the respective position of the knee, which were measured over the gait cycle. The gait cycle was modelled using 10 quasi-static load cases. Independently of this, the cartilage status was determined using T2 mapping on 3T MRI. The result of the FE simulation is the stress distribution in the joint surface over the gait cycle. An increased load on the lateral compartment can be observed in stance, as well as during the "two-leg phases" of the gait cycle. The highest ground reaction force occurs in mid stance, the stress is distributed evenly over the medial and lateral compartments. In terminal stance, the ground reaction force has a second peak, the resulting stress is concentrated on the medial compartment. As a result, the highest stresses over the gait cycle occur in the terminal stance phase, although this is not the overall peak of the ground reaction force. The T2 mapping of the same patient shows only the final lesion of the cartilage. The location of this is congruent with the stress peaks in the medial femoral condyle from the FE simulation. The FE simulation is probably suitable as a method for determining the location of the cartilage changes. To verify this, it needs to be applied to data from more patients. References [1] Flanigan (2010); Med Sci Sports Exerc, 42(10) [2] Kriz (2011); Med. health, 94(7)

EMG-based clustering analysis for crouch gait management in cerebral palsy

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction Electromyography (EMG) serves as a noninvasive and clinically relevant method for assessing muscle activity. In individuals with cerebral palsy (CP), simultaneous 3D gait analysis coupled with EMG measurements is frequently employed to understand muscle function and aiding in treatment decision-making. Integrating EMG data from the rectus femoris (RF) muscle with gait and clinical data, surgeons developed a predictive model for RF transfer surgery outcomes. However, there is still a need for an approach that can assist clinicians by providing an objective analysis and interpretation of the EMG signals. Aim This study aimed to analyze the EMG data of patients with CP using cluster analysis, and to evaluate the relationship between common CP gait abnormalities, changes in gait over time, and the identified clusters. Methods The retrospective gait data of CP patients were divided into two groups: initial examination (E1, 881patients) and subsequent examination (E2, 377patients). Envelope-style EMG data for the RF were collected. Using PCA and a PSO-K-means algorithm, main clusters were identified. Patients were then categorized into crouch, jump, recurvatum, stiff, and mild gait for further analysis. Results Clusters displayed distinct EMG patterns: a notable peak during mid-swing (L1), sustained activity in stance (L2), and another peak during loading response (L3) (Table 1). L2 contained 76% (E1) and 92% (E2) of crouch patients. Comparing crouch patterns in L2-E1 and L2-E2 revealed two groups: persistent crouch (G1) and improved patients at E2 (G2). G1 showed significantly higher RF activity (20-45% gait cycle) than G2 (p=0.025)(Table 2). Conclusion A higher probability of improvement in crouch gait may be linked to decreased RF activity during the stance phase. Our findings offer a potential approach to enhance clinical decision-making in the treatment of CP patients. This research was funded by German Research Foundation (DFG) (no:WO1624/8-1).

Optimizing tension band implant positioning for guided growth in adolescents with leg malalignment: A preliminary finite element study

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) In the case of guided growth, positioning of the tension band implant is crucial and subject to significant variability [1]. This directly impacts treatment success, as it influences growth in the blocked joint by altering stress distribution in the growth plate (GP) [2]. The influence of the implant on stress distribution was investigated in a previous study [3] using a personalized finite element (FE) simulation for three patients; however, the model was not validated and the influence of different implant positions not analysed. In this study after FE model validation, the GP stress distribution was evaluated based on different tension band implant positioning. For model validation, six porcine knees were subjected to loads up to twice their body weight, with GP deformation measured using MRI [4]. An FE model was generated from the MRI images of the unloaded knee and simulated using known boundary conditions from the test setup. For the study of the positioning parameters, surgical data from guided growth treatments of 34 patients with malalignment were evaluated [1] and the minima and maxima of each parameter were determined and applied to the validated FE model. Stress distributions resulting from these implant positions were compared to those observed when the implant was positioned according to the manufacturer&quot;s recommendations. Initial FE simulation results indicated that different implant and screw positions affected stress across the entire GP, not just on the implant side. The study identified the positioning parameters that have a significant influence on the stress in the GP. This study was conducted using the same geometry to isolate the influence of the positioning parameters from the geometrical influence; it may help better understand the influence of implant positioning. [1] Brau(2023); Children-Basel,10(4) [2] Willegger(2022); Orthopädie,51(5) [3] Hucke(2023); Front. Bioeng. Biotechnol.;11 [4] Schwer(2020); Front. Bioeng. Biotechnol.;8

Dr.  Ing.

Univ.-Prof. Dr. med.

Univ.-Prof. Dr.

PD Dr. med.

Analyse der Biomechanik der Wirbelsäule nach einer Vertebral Body Tethering (VBT) Operation mittels Mehrkörpersimulation

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung: Vertebral Body Tethering ist eine innovative, wachstumsgestützte und bewegungserhaltende Operationstechnik zur Skoliosekorrektur. 1 Das Tether wird auf der konvexen Seite der Wirbelsäulenkrümmung gespannt, wodurch die Wirbelsäule begradigt und gleichzeitig die Beweglichkeit erhalten wird. Die biomechanischen Auswirkungen einer solchen Operation sind jedoch weitgehend unbekannt. Ziele: Zur Analyse der biomechanischen Auswirkungen wird ein Mehrkörpersimulationsmodell verwendet. Material &amp; Methoden: Basierend auf einem bestehenden, validierten Wirbelsäulenmodell wurde ein komplett bewegliches Wirbelsäulenmodell mit implantiertem VBT-System zwischen T7 und L3 entwickelt, Abb. 1. 2 Die Tetherzug- und intervertebralen Kompressionskräfte werden während verschiedener Bewegungen analysiert. Abb. 1: Bewegliches VBT-Wirbelsäulenmodell Ergebnisse: Die Tether-Vorspannung hat einen signifikanten Einfluss auf die intervertebralen Kompressions- und Tetherzugkräfte. (Abb. 2) In aufrechter Position erhöht eine Vorspannung von 200N die Kompressionskraft zwischen L1-L2 um bis zu 156,59% im Vergleich zu einer gesunden Wirbelsäule. Die höchste Tetherzugkraft (923,54N) tritt zwischen L1-L2 bei einer lateralen Biegung von 50° zur ungetetherten Seite und einer Vorspannung von 200N auf. Diese Kraft kann potenziell zum Tetherbruch führen, was die häufigste postoperative Komplikation, erklären würde. Abb. 2: Kompressions- und Tetherzugkraft bei unterschiedlichen Vorspannungen Zusammenfassung: Das entwickelte flexible VBT-Wirbelsäulenmodell kann die Tetherzug- und intervertebralen Kompressionskräfte bei verschiedenen Bewegungen ermitteln. Dieser numerische Ansatz führt zu einem besseren biomechanischen Verständnis der Wirbelsäule inklusive des VBT-Systems und kann dazu beitragen, Komplikationen wie bspw. Tetherbruch zu vermeiden. Referenzen: Baker CE, Milbrandt TA, Larson AN. Orthop Clin North Am 2021;52:137–147 Ignasiak D, Dendorfer S, Ferguson SJ. J Biomech 2016;49:959–966

Prof. Dr.-Ing.

Dr. med.

M.Sc.

Biomechanik des instabilen Thorax: Atemarbeit und intrathorakale Volumenveränderungen bei segmentalen Rippenfrakturen

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Instabile Thoraxverletzungen (flail chest) bei schwerstverletzten Patient*innen durch multiple segmentale Rippenfrakturen sind mit hoher Morbidität und Mortalität vergesellschaftet. Bislang gibt es keine einheitliche Empfehlung zur Versorgung, jedoch scheint eine frühzeitige operative Stabilisierung die invasive Beatmungszeit und Krankenhausverweildauer zu verkürzen und die Pneumonieinzidenz zu reduzieren. Konservative Behandlung kann ggf. zu zufriedenstellenden Ergebnissen führen, wodurch Operationskomplikationen vermieden werden können. Das Ziel ist ein besseres Verständnis der mechanischen (In-)Stabilitäten in einem verletzten Thorax durch biomechanische Modelle aufbauend auf realistischen Verletzungsdaten. Mit den Ergebnissen soll die Validität der Definition instabiler knöcherner Thoraces überprüft sowie objektive Kriterien ermittelt werden, wann eine chirurgische Stabilisierung zu erwägen ist. Aus Verletzungsmustern in 11 schwerstverletzten Patient*innen haben wir einen biomechanischen "digital sibling" erstellt. Ein individuelles Finite-Elemente-Modell von Thorax und Lunge wurde erstellt. Materialeigenschaften, Randbedingungen sowie Druckgradienten wurden aus der Literatur abgeschätzt. Für ein Spektrum an Fraktursituationen unter In- und Exspiration werden die Verformungen bestimmt und einer unverletzten Thorax-Lunge gegenübergestellt. Quantitative Vergleichsparameter sind die notwendige Atemarbeit und Volumenänderung abhängig von der Frakturkonfiguration. Erste Simulationen eines repräsentativen Patienten zeigen die während der Inspirationsphase typische paradoxe Bewegung der Knochensegmente im Frakturbereich der 3.-5. Rippe links (Abb. 1) mit Einsinken von 3,6-12,0 mm. Dieser Ansatz erlaubt die patientenspezifische Abschätzung der lokalen Mechanik als Grundlage für einen Versorgungsstandard. In Zukunft möchten wir die verschiedenen an Patienten durchgeführten Versorgungen retrospektiv analysieren und der Idealversorgung gegenüberstellen.

Session 4
Numerische Methoden und Studien

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