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AuthorPietsch, Martindc.contributor.author
Date of accession2019-01-14T16:58:02Zdc.date.accessioned
Available in OPARU since2019-01-14T16:58:02Zdc.date.available
Year of creation2018dc.date.created
Date of first publication2019-01-14dc.date.issued
AbstractDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuen Modells zur Beschreibung von Frakturheilungsprozessen. Hierfür wird eine Interface Capturing Technik verwendet, welche das Verfolgen von sich bewegenden Oberflächen ermöglicht. Diese Methoden sind bereits im Bereich der Strömungs- und Verbrennungssimulationen etabliert, finden jedoch auch in der numerischen Biomechanik immer mehr Beachtung. In einem ersten Schritt zeigen wir die Funktionalität dieser Methoden und übersetzen diese in den Kontext der Frakturheilung. Darüber hinaus diskutieren wir die nötigen Anpassungen, um den Aufbau von neuem Gewebe richtig zu modellieren. Ein Vorteil dieser Methoden ist die Verbindung zwischen Modellparameter und den Observablen eines Experiments. Dies gilt insbesondere für die Aufbaugeschwindigkeit neuen Gewebes. Der Aufbauprozess in diesem Modell wird durch mechanische Reize geregelt. Hierfür folgen wir der in Ulm entwickelten Differenzierungshypothese, welche jedem Prozess einen bestimmten Bereich von mechanischen Reizen zuordnet. Zunächst verifizieren wir experimentell das Konvergenzverhalten des numerischen Modells und diskutieren Probleme, die für bestimmte Belastungszustände entstehen können. Darauffolgend überprüfen wir die Aussagekraft des Modells, indem wir dessen Ergebnisse mit deren des existierenden Ulmer Heilungsmodells vergleichen. Darüber hinaus untermauern wir die Relevanz der Ergebnisse, indem wir diese mit experimentellen Daten, erhoben an Schafen und Mäusen, vergleichen. Hierfür zeigen wir die Übereinstimmung der gemessenen interfragmentären Bewegungen mit den Vorhersagen des neuen Modells und vergleichen die berechneten Gewebeverteilungen mit den Erkenntnissen aus den experimentellen Daten. Wir schließen diesen Abschnitt mit einer Sensitivitätsanalyse für verschiedene Modellparameter. Des Weiteren präsentieren wir eine Machbarkeitsstudie für die Simulation resorbierbarer Implantate. Hierfür betrachten wir zwei unterschiedliche Abbaugeschwindigkeiten, eine bezogen auf die Knochenwachstumsgeschwindigkeit schnelle und eine langsame. Die verwendeten Materialen sind typischerweise biokompatibel und weisen meist Eigenschaften auf, die als Osteokonduktivität und Osteoinduktivität bezeichnet werden. In einem letzten Schritt zeigen wir, dass die Beschreibung solcher Eigenschaften ebenfalls mit dem entwickelten Modell möglich ist.dc.description.abstract
AbstractThe thesis at hand is concerned with the development of a novel model which describes the fracture healing process by utilizing interface capturing techniques. Such techniques have been proven to work efficiently in fields like fluid dynamics and combustion simulation, and have gained increasing attention in biomechanics as well. We illustrate their functionality, translate these techniques into the field of tissue formation and discuss problem specific adjustments. One benefit of using interface capturing techniques is the connection of model parameters to measurable values in experiments, especially for tissue growth velocities. The process of tissue formation is triggered via mechanical stimuli, following the well-established mechanotransduction hypothesis previously developed in Ulm. In a first step, we experimentally verify the convergence behavior of the numerical model and point out problem specific issues, observable for particular load conditions. Afterwards, we benchmark the predictions of the developed model with those of the existing Ulm healing model. Moreover, we corroborate the numerical results with measurements provided by animal experiments on sheep and mice. For this, we demonstrate the ability of the model to predict the progression of the interfragementary movement as well as a time-dependent tissue distribution. The numerical results appear similar to the experimental observations. We conclude this part with a sensitivity analysis of the numerical model with respect to parameter variations, recognizing the limited accuracy of measurements in animal experiments. Afterwards, we present a case study for the description of biodegradable implants. With such implants there is no need for a surgery to remove the stabilizing device. This might be the next step of fracture treatment. We simulate two cases: a fast and a slow degradation of the implant. Typically, the materials used for such devices are highly biocompatible which is often accompanied with the effect of osteoconductivity or osteoinductivity. In a final step, we demonstrate the ability of the model to capture such surface properties as well.dc.description.abstract
Languageen_USdc.language.iso
PublisherUniversität Ulmdc.publisher
LicenseStandarddc.rights
Link to license texthttps://oparu.uni-ulm.de/xmlui/license_v3dc.rights.uri
KeywordInterface capturingdc.subject
KeywordNumerical methoddc.subject
KeywordTissue differentiationdc.subject
Dewey Decimal GroupDDC 510 / Mathematicsdc.subject.ddc
Dewey Decimal GroupDDC 610 / Medicine & healthdc.subject.ddc
MeSHFracture healingdc.subject.mesh
MeSHNumerical analysis, Computer-assisteddc.subject.mesh
MeSHMechanotransduction, Cellulardc.subject.mesh
TitleModelling the fracture healing process with interface capturing techniquesdc.title
Resource typeDissertationdc.type
Date of acceptance2018-11-26dcterms.dateAccepted
RefereeUrban, Karstendc.contributor.referee
RefereeIgnatius, Anitadc.contributor.referee
DOIhttp://dx.doi.org/10.18725/OPARU-11273dc.identifier.doi
PPN1654710512dc.identifier.ppn
URNhttp://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:289-oparu-11330-2dc.identifier.urn
GNDFrakturheilungdc.subject.gnd
GNDNumerisches Verfahrendc.subject.gnd
GNDMotion Capturingdc.subject.gnd
GNDZelldifferenzierungdc.subject.gnd
GNDBiomechanikdc.subject.gnd
FacultyFakultät für Mathematik und Wirtschaftswissenschaftenuulm.affiliationGeneral
InstitutionInstitut für Numerische Mathematikuulm.affiliationSpecific
InstitutionUKU. Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanikuulm.affiliationSpecific
Grantor of degreeFakultät für Mathematik und Wirtschaftswissenschaftenuulm.thesisGrantor
DCMI TypeTextuulm.typeDCMI
CategoryPublikationenuulm.category


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