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19.03.1976 - 

Kraftfluß im Hüftgelenk: Gleichung mit 10000 Unbekannten

Knochen ist komplizierter als Jet-Heck

MÜNCHEN - Ein menschlicher Oberschenkelknochen ist mindestens so kompliziert wie das Rumpfheck des Alpha-Jet: Diese Feststellung machten Dornier-Datenverarbeiter, als sie das in 12jähriger Arbeit entstandene Programmsystem COSA (Computer-Struktur-Analyse zur Berechnung statisch und dynamisch belastbarer Strukturen) auf biomechanische Probleme anwandten.

Im Rahmen eines vom BMFT geförderten Forschungsvorhabens "Kraftflußberechnung in Knochenstrukturen und Prothesen" stellten sie fest, daß sich allein bei der Berechnung der Belastungen im "coxalen Femurende" - das ist der obere Teil des Oberschenkelknochers, der ins Hüftgelenk eingreift - 10000 "Freiheitsgrade" ergeben. Das entspricht einem System von 10 000 Gleichungen mit ebenso vielen Unbekannten -oder einem Rechenvolumen wie beim Rumpfheck eines modernen Düsenflugzeuges.

Zu ermitteln war, wie sich Beanspruchungen und Tragfähigkeit im menschlichen Skelett ändern, wenn durch Erkrankung oder Operation - beispielsweise Einsatz einer "Endoprothese" - die natürliche optimale "Leichtbaukonstruktion" verändert wird. Dazu war zunächst eine Untersuchung der Spannungsverhältnisse und des Kraftflußverlaufes im Knochen erforderlich. Ziel ist es, den Medizinern Hinweise für die richtige Befestigung einer Prothese und für die künstliche Anregung des Knochenwachstums durch entsprechende Vorspannung, etwa bei der Osteosythese, zu geben.

Angewendet wurde die aus Baustatik und Maschinenbau bekannte Methode der Finiten Elemente, die Dornier bisher bei Flugzeugkonstruktionen einsetzte, in Verbindung mit dem "Verschiebungsgrößen-Verfahren". Dabei wird aus Bausteinen, nämlich den "Finiten Elementen", ein Ersatzmodell der zu berechnenden Struktur aufgebaut, das in seinen Eigenschaften dem jeweiligen Problem möglichst nahe kommt. Zur Berechnung werden dann Daten über die Geometrie der Struktur, die Materialkennwerte der Bauelemente und die äußere Belastung der Struktur in den Rechner eingegeben.

In Zusammenarbeit mit den vier orthopädischen Universitätskliniken Bonn, Erlangen, München und Tübingen sollen im Rahmen des Forschungsvorhabens Richtlinien für die optimale Konstruktion von Knochenersatz und Implantaten erarbeitet werden. Dabei konzentrieren sich die Forscher zunächst auf das Hüftgelenk.