Simulationsgestützte Entwicklungsumgebung für Prothesenfüße

Fragestellung: Wie jedes andere innovative medizintechnische Produkt ist die Entwicklung eines Prothesenfußes ein zeitintensiver Prozess. Neue und verbesserte Prothesen müssen vor ihrer Zulassung umfangreiche, sorgfältige und damit langwierige Belastungstests bestehen. Versagt ein Fuß im Test, so verzögert sich seine Entwicklung oft um Monate. Ziel ist es eine virtuelle Entwicklungsumgebung, ein sogenanntes "Virtual Orthopedic Lab" zu entwickeln, das realitätsnahe simulierte Tests an virtuellen Prototypen durchführen kann. Eine solche Entwicklungsumgebung soll dem Entwicklungsingenieur helfen, die Qualität der Prothese bereits vor der experimentellen Erprobung eines physikalischen Prototyps beurteilen zu können. Methoden: Für die simulationsgestützte Entwicklung eines Prothesenfußes sind verschiedene zeit- und ortsabhängige Eingangsdaten nötig. In der hier beschriebenen Arbeit wird der natürliche menschliche Gang und der Gang einer Person mit Beinprothese mit einem optischen Motion-Capture-System der Firma Qualisys aufgezeichnet. Nach der Registrierung der virtuellen Prothese im Motion Capture Koordinatensystem, wurden die Gangdaten als Randbedingungen der FE-Simulation übergeben, um damit Spannungsanalysen am virtuellen Prothesenfuß mit Hilfe des Softwaretools LS-DYNA durchzuführen. Ergebnisse: Der Datenaustausch zwischen Motion-Capture-System und Simulationstools erfolgt über einen XML-basierten Workflow, der über eine intuitive grafische Oberfläche mittels eines Standardwebbrowsers (Chrome, Firefox) vom Entwicklungsingenieur bedient werden kann. Vordefinierte Gangdaten, Materialmodelle und Belastungssituationen können "per Click" ausgewählt und virtuell durchspielt werden. Über das grafische Interface lassen sich außerdem verschiedene Simulationsszenarien einander gegenüberstellen und mit einem Videobild überlagern. Schlussfolgerungen: Mit Hilfe der Simulationsumgebung soll dem Entwicklungsingenieur ermöglicht werden, innerhalb kurzer Zeit verschiedene virtuelle Prototypen unter unterschiedlichen alltäglichen Belastungsbedingungen testen und miteinander vergleichen zu können. Mit den Ergebnissen der FESpannungsanalysen können dann Geometrie und Materialeigenschaften der Prothese optimiert werden. Erst dann wird auf Basis der Simulationen ein Prototyp gebaut und am Roboter experimentell erprobt.