Biomechanik mit viel
Simulationspotenzial

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Applitec Moutier SA

ATP Hydraulik AG

Mikron Switzerland AG, Division Tool

CADFEM Germany GmbH

Viel oder wenig Innovation?

Die letzten Jahre waren gekennzeichnet von ungebremstem Wachstum. Auch schlechte Anbieter profitierten davon. Es gab Arbeit für alle. In diesen Jahren wurde das Wort «Innovation» viel zu oft falsch verstanden. Eine kleine Veränderung am letztjährigen Modell war bereits eine «Innovation». Innovationen wurden mittels Schlagzeilen von Marketing und Verkauf gemacht, nicht in erster Linie von den Entwicklern und Konstrukteuren (es versteht sich, dass Innovation nicht nur aus dem Produkt alleine besteht). Die Unternehmen waren mit Verkaufen beschäftigt. Man akzeptierte (Fehl-)Entwicklungen, aus denen am Schluss Flickwerk wurde. Unter dem permanenten Zeitdruck litt die Innovationskraft. Für eine echte Innovation braucht es Zeit, Ruhe und vor allem Ideen.

Wo kommen diese Ideen her? Aus dem Erfahrungsschatz der Mitarbeiter. Diese Erfahrung ist begrenzt auf das, was bereits vorher bekannt war. Über den eigenen Tellerrand hinaus wird aus Kostengründen und aus Vorsicht, sich die Finger zu verbrennen, selten geschaut. Nicht zu unterschätzen sind an dieser Stelle die Verhinderer und Bremser, die es in jeder Firma gibt. An dieser Stelle bietet Simulation einen ganz neutralen Ansatz, den es zu prüfen gilt. Man nehme eine verrückte Idee und mache daraus einen virtuellen Prototypen, simuliere ihn, verbessere ihn und simuliere ihn wieder und wieder bis eine echte Neuerung vorliegt. Im Falle einer Optimierung (siehe illustriertes Beispiel der ETHZ), kann sogar die Software die «verrückte» Idee kreieren. Das Resultat lässt sich danach bis zum Endprodukt ausbauen oder das Projekt wird begraben. Die Kosten dafür sind gering (die Mannkosten sind im Vergleich zur Soft- und Hardware signifikant höher). Neben dem gewünschten Resultat ist viel neue Erfahrung und Know-how entstanden. Kostbare Zeit wurde gespart, denn die Nieten wurden frühzeitig aussortiert.

Durchgriff dank Simulation

Ein anschauliches Beispiel dafür, was virtuelle Produktentwicklung leisten kann, ist die Entwicklung eines Greifers als nachgiebige Struktur für die minimal-invasive Chirurgie. Ziel ist es, mittels eines möglichst geringfügigen Einschnittes in den Körper des Patienten, die Operation durchführen zu können. Insbesondere besteht kein Sichtkontakt ins Innere des Patienten. Der Greifer wird dazu benutzt, Fremdkörper aus dem Operationsbereich zu entfernen. Als Werkstoff ist eine spezielle Titanlegierung vorgesehen. Die Anforderungen an das Gerät sind folgende:

? Bei einem Ausgangsweg von drei Millimeter muss die Klemmkraft 200 Newton betragen

? Bei einem Eingangsweg (Greifbewegung des Arztes) von maximal 15 Millimeter soll die aufzubringende Kraft des Bedieners nicht höher als 100 Newton sein

? Während dem Greifen darf kein vertikaler Versatz stattfinden

? Wenig Wartungsaufwand, keine Gelen-ke, möglichst wenige Teile.

Aufgrund dieser Anforderungen hat ein Team vom Zentrum für Strukturtechnologien der ETH Zürich (Michael Winkler) und der EMPA Dübendorf (Dr. Michael Sauter) eine Optimierung durchgeführt. Das gefundene Design ist keineswegs offensichtlich, das heisst, ein Konstrukteur mit seinem gesamten Erfahrungsschatz wird eine solche Lösung nicht finden können. Der beste Konstrukteur kann nicht ohne geeignete Hilfsmittel in einer vernünftigen Zeit zur optimalen Form gelangen. Die Trial-and-Error-Methode versagt. Zu viele reale Versuche wären notwendig, um die geforderten Parameter einhalten zu können. Am Computer hingegen wurden mehrere tausend Varianten in wenigen Tagen Rechenzeit automatisch durchgespielt. Die direkten Kosten, welche die virtuellen Prototypen auslösen, sind sehr gering im Vergleich zu einem realen Prototypen. Der Zeitgewinn ist in diesem Falle hoch. Die gewonnenen Resultate und -Informationen lassen sich in echte Innovationen umsetzen.

Kosten und Probleme

Der Industriesektor Medizinaltechnik ist in der Schweiz ausgeprägt stark vertreten. Aus der Sicht der Anwendung von Simu-lationsmethoden (wie FEM und CFD) ist das Potenzial jedoch nur begrenzt genutzt. Wenige Biomechanikfirmen haben den Nutzen wirklich erkannt und setzen auf virtuelle Produktsimulation. Langsam -sickern Erfolge bis zu den Entscheidungs-trägern durch. Kein Wunder, an den Wirtschaftshochschulen lernt der angehende Manager über innovative Engineering-Tools rein gar nichts. Simulation gehört heute zur Grundausbildung eines Ingenieurs. Die Nutzenanalyse kommt jedoch bei den Ingenieuren zu kurz. Viel mehr Wert wird bei den zukünftigen Fachkräften auf Theorie und Anwendung gelegt. Kein Wunder, wenn zu viele Techniker später in der Praxis den rein technischen Aspekt ihrer Arbeit sehen. Im Gegenzug dazu sehen Betriebswirtschaftler den ökonomischen Aspekt. Wie lässt sich so der Wert von Simulation vom Ingenieur an den Manager vermitteln? Überspitzt gesagt; der eine sieht nur die Kosten, der andere nur die Probleme.

Hinzu kommt, dass man sich in der Medizintechnik gewohnt ist, durch langwierige Zulassungsverfahren zu gehen und eine unendliche Anzahl von Tests durchführen zu müssen. Tests kosten viel Geld, benötigen viel Zeit und liefern nur wenig neue Informationen über die Qualität des Bauteils. Oft ist die Information digital; es hält oder hält nicht. Wie gut die Produktqualität wirklich ist, bleibt offen. Welches das ungenutzte Potenzial ist, bleibt ein Geheimnis. Wichtig ist erstmal, dass das Produkt zugelassen wurde und nun auf den Markt kommt.

Den Patienten simuliert

Das Institut für Kiefer- und Gesichtschirurgie der Universität Basel ist intensiv damit beschäftigt, Visualisierungstechniken pre-operativ zu nutzen. Kann der Chirurg -heikle Operationen besser vorbereiten, so steigt die Chance für eine gute OP. Heute wird visualisiert, in Zukunft wird pre--operativ simuliert. Wird ein Teil des Kiefers entfernt (zum Beispiel aufgrund eines -Tumors) und wird ein künstlicher Kiefer eingebaut, dann ist die Frage: «Wie wirkt sich dies auf die anderen Gelenke aus?» Bei einer zu grossen Versteifung an einer Stelle ist ein Knochenschwund an einer anderen zu erwarten. In Folge treten neue Nebenwirkungen auf. Bei einer Gehirn-operation wird durch das Öffnen der -Schädeldecke der Gehirndruck verändert. Die Hirnmasse ist in einem unstabilen -Zustand. Wäre die Position des Hirns -nach dem Öffnen bekannt, so könnte der Chirurg bereits vorab die Operationsstrategien gegeneinander abwägen. Überraschungen werden reduziert.

Die Kosten im Gesundheitswesen explodieren ? da lohnt es sich an Effizienzstei-gerungen zu denken. Das US-Militär -obduziert mittlerweile jeden gefallenen US-Soldaten auch virtuell. Die Methoden, die seit geraumer Zeit eingesetzt werden, sind unter anderem an der Universität Bern entwickelt worden. Segmentierte Ganzkörper-Scans werden mit geeigneter Software visualisiert und am Computer untersucht. So lassen sich bequem be-liebige Untersuchungen durchführen, auch Jahre danach. Der nächste Schritt führt dahin, dass die grafischen Informa-tionen auch für Simulationen genutzt werden. Eine tödliche Schädelfraktur beispiels-weise kann zahlreiche Ursachen haben. Eine Rekonstruktion am Computer, wie der Bruch entstanden ist, wäre auch für Gerichtsmediziner sehr aufschlussreich. Die Forensik wird bald neben Tupfer, -Reagenzglas und Mikroskop auch Ansys und andere FEM-Simulationsprogramme nutzen. Noch ist es nicht ganz so weit. -Ein grafisches Modell, auch wenn es drei-dimensional ist, entspricht noch lange nicht einem physikalisch korrekten Abbild der Realität. Stoffeigenschaften, Einfluss von Muskulatur und Haut sind zu bestimmen, was nicht ganz so einfach ist. Inge-nieure haben sich mit Medizinern zu-sammengetan, das ist eine spannende Kombination.

Erfahrungen mit Berechnungen abgleichen

Einer, der beide Seiten kennt, ist Dr. Christian Wyss, Leitender Arzt an der orthopädischen Klinik des Kantonsspitals Aarau. Er hat neben seiner Ausbildung zum Mediziner auch einige Semester Maschinenbau studiert. Die ideale Kombination, um beide Welten verstehen zu können. An der Ansys und Cadfem Konferenz im Juni 2009 in Zürich hat Wyss nun zum zweiten Mal in Folge den Best-Paper-Wanderpokal für den besten Vortrag gewinnen können (siehe Bericht SMM 14/15). Dr. Wyss nutzt FEM-Simulationen um seine Erfahrungen aus der Arztpraxis mit seinen Berechnungen abzugleichen. Die Unbekannten bei den Simulationen am menschlichen Körper sind meist die effektiv wirkenden Kräfte, welche durch Annahmen und Normen bestimmt werden. Dr. Wyss benutzt sein Labor für Bewegungsanalysen, um genauere Angaben über die Lastfälle zu erhalten. Der Bewegungsablauf des Patienten wird mittels Sensoren abgegriffen, in Mathlab übertragen und von dort als «Antrieb» in der Software Anybody aufgebracht. Aus dieser inversen Kinematik resultieren die Gelenks- und Muskelkräfte, welche als Lasten für die FEM-Simulation zur Verfügung stehen.

Schöner dank FEM

Bei Cadfem wurde ein eigener Bereich aufgebaut, der sich nur um Themen der Biomechanik kümmert. Ein laufendes Projekt ist im Bereich der Dentalimplantate angesiedelt. Ziel ist es dabei, dass der Zahnarzt (ohne Kenntnisse der Simulationsmethoden) verschiedene virtuelle Varianten von Brücken miteinander vergleichen kann und die «beste» auswählt. Ein zu hoher Prozentsatz aller dem Patienten eingebauten Implantate versagt nach einiger Zeit. Der Patient muss zur Nachbehandlung. Kos-ten, Zeitverlust und Ärger sind die Folge. Der volkswirtschaftliche Schaden jedes Jahr geht in die Millionen. Das Image leidet, der Kunde wird meist den Arzt wechseln. Dies lässt sich mit einem FEM-Qualitäts-Check verhindern. Die Kunst dabei ist es, die wesentlichen Informationen so zu erfassen, dass die Anwendung mittels Black-Box-Lösung gelingen kann. Diese Lösun-gen werden in Zukunft die Anwendung der FEM revolutionieren. Bisher sprach man bei den Anwendern von Simulations-Tools immer von Spezialisten und FEM-Gurus. Diese werden auch weiterhin gebraucht, sogar immer mehr, und zwar für die anspruchsvollen Aufgabenstellungen. Auf der anderen Seite wird es eine zunehmende Menge an Anwendern (Ärzte, Lebensmittel-ingenieure, Prozesstechniker etc.) geben, die einen wiederkehrenden, klar definier-ten Task lösen müssen. Diese Aufgabe wird vom Profi so präpariert, dass die Benutzung sicher ist und in kurzer Zeit zu validierten Resultaten führt.

Numerische Weichteilsimulation

Die Schönheitschirurgie kennt das ewige Leben. Im Bereich der Simulationen steht diese Branche am Beginn ihres Potenzials. Immer öfters hört man in den Medien von Schönheitsfehlern. Die Simulation einer Brustvergrösserung würde sowohl dem Arzt als auch dem Patienten eine zusätzliche Sicherheit geben. Das Resultat einer zukünftigen Operation vorwegnehmen lau-tet das Ziel. Die Herausforderungen hierbei sind, vor Beginn der Berechnungen genaue Kenntnis über Materialkennwerte von Haut, Fett und Muskeln zu erlangen. Mit diesen Informationen lassen sich die Folgen der Gravitation und die Verzerrungen der Haut unter ästhetischen Gesichtspunkten beurteilen. Das Forschungsprojekt Sinus II wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert. Das Gesamtziel des Vorhabens besteht darin, ein Gesamtprodukt für die plastische Chirurgie zur patientenspezifischen virtuellen Operationsplanung unter Verwendung der Finite- Elemente-Methode zur numerischen Weich-teilsimulation zu entwickeln.

Die beschriebenen Anwendungen zeigen auf, dass die Simulation in der Medizintechnik immer noch am Anfang ihres potenziellen Anwendungsspektrums steht. Simulation wird in Zukunft zahlreiche neue Bereiche unseres täglichen Lebens tangieren. Die Simulation von Lebensmitteln ist nur eines von vielen noch unangetasteten Feldern. Dank virtueller Produktsimulation wird es möglich sein, dass mehr echte Innovationen entstehen können.

Autor

Markus Dutly, Geschäftsführer Cadfem (Suisse) AG

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