Multi-scale modeling of bone remodeling

Abstract

The number of hip operations performed by inserting implants has continuously increased in recent years. In Germany 110 673 femoral head fractures of female persons were diagnosed in the year 2004. To minimize the surgical intervention, the femoral head is saved whenever possible and fixated by screws or nails. Thereby, the induced stiffness change leads to an adaptation of the material with respect to the new loading situation. The very same adaptation can cause a repeated failure of the femoral head. The present work introduces a numerical model, which is able to anticipate the adaptation process so that it is possible to make a statement about the failure probability in advance. The model considers the anisotropy of the bone material as well as the influence of its microstructure. The model will be implemented into two different Finite Element codes. Finally, the capability of the model is demonstrated on some numerical examples.

Die Zahl der Hüftoperationen, bei denen Implantate eingesetzt werden, ist in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen. Allein in Deutschland wurde im Jahr 2004 bei 110 673 weiblichen Personen eine Oberschenkelhalsfraktur festgestellt. Um den chirurgischen Eingriff so gering wie möglich zu halten, wird — wenn möglich — der Femurkopf erhalten und mittels Schrauben oder Nägeln fixiert. Die dadurch implizierte Steifigkeitsänderung geht einher mit einer Anpassung des Materials bezüglich der neuen Belastungssituation. Eben diese Anpassung kann jedoch zu einem abermaligen Versagen führen. Die vorliegende Arbeit stellt ein numerisches Modell vor, das in der Lage ist, die Anpassung zu antizipieren, so dass sich bereits im Vorfeld Aussagen über die Versagenswahrscheinlichkeit machen lassen. Das Modell berücksichtigt dabei sowohl die Anisotropie als auch die Mikrostruktur des Knochenmaterials. Dieses Modell wird in zwei unterschiedliche Finite Elemente Codes umgesetzt. Abschließend demonstrieren einige Beispiele die Leistungsfähigkeit des Modells.