Einsatzgebiete der numerischen Simulation in der muskuloskelettalen Forschung und ihre Bedeutung für die Orthopädische Chirurgie

In der muskuloskelettalen Forschung kommen für numerische Simulationen vorrangig die Finite-Elemente-Methode (FEM) und die Mehrkörpersimulation (MKS) zum Einsatz. Während mittels FEM meist lokale Feldprobleme wie Spannungs- und Dehnungsverteilungen berechnet werden, wird die MKS für kinematische Analysen z. B. zur Berechnung von Muskel- und Gelenkkräften angewendet. Die Modellierung von biologischem Gewebe kann je nach Anforderung von einfachem homogenem Materialverhalten bis zur Modellierung biochemischer Prozesse auf Mikro- und Nanoebene erfolgen. Einen wichtigen Meilenstein in der biomechanischen Forschung stellte die Analyse des „stress shielding“ dar, woraufhin Knochenumbauvorgänge in den Fokus der Simulation traten. Zahlreiche Modelle zur Verankerung von Implantaten mit Vorhersagen der Mikrobewegungen sind veröffentlicht. Die Einbeziehung komplexer Muskelkräfte aus der MKS in die FE-Analyse eröffnet neue Möglichkeiten zur Bearbeitung biomechanischer Fragestellungen. Ein numerisches Modell bedarf immer der experimentellen Validierung. Sofern die Ergebnisse experimentell bestätigt sind, können die zahlreichen Vorteile der Simulation genutzt werden: Probleme lassen sich isoliert von vielen Einflussfaktoren betrachten und Parameter können einfach und reproduzierbar variiert werden, wodurch Studien möglich sind, die auf experimentellem oder klinischem Wege meist unlösbar wären.