Biomechanical simulations of the interfragmentary movement

Abstract

Interfragmentary motion (IFM) is a key factor in healing and is stimulated by the patient's movements. To optimize the healing process of bone fractures, it is important to understand how loads from muscle forces and rehabilitation exercises influence the mechanical environment at the fracture site. This paper presents a biomechanical simulation workflow designed to define patient-specific boundary conditions using musculoskeletal simulations based on motion capture and CT data. Our goal is to simulate patient-specific fracture mechanics across different healing phases by creating individualized digital twin models. We use finite element simulations to analyze local stress and strain distributions within the fracture gap and to evaluate the bone-implant interactions. We hypothesize that we can specify specific threshold values for fracture healing depending on the fracture type and phase, and that personalized mechanical conditions are required for optimal healing. Our results show that different movement patterns significantly influence the micromechanical conditions within the fracture zone. The attached publications cover the individual development steps towards a digital twin. Starting with a detailed description of the creation of patient-specific simulations, through the possibilities of patient monitoring, to the digital twin, and application examples for different patient-specific use cases. The challenges include precisely defining the mechanical healing window and incorporating additional biological and patient-specific factors.

Die interfragmentäre Bewegung (IFM) ist eine Schlüsselgröße für die Heilung und wird durch Bewegungen des Patienten stimuliert. Um den Heilungsprozess von Knochenbrüchen zu optimieren, ist es wichtig zu verstehen, wie Belastungen durch Muskelkräfte und Rehabilitationsübungen das mechanische Umfeld an der Frakturstelle beeinflussen. In dieser Arbeit wird ein biomechanischer Simulationsworkflow vorgestellt, der darauf ausgelegt ist, patientenspezifische Randbedingungen mit Hilfe von muskuloskelettalen Simulationen zu definieren, die auf Bewegungserfassung und CT-Daten basieren. Unser Ziel ist es, die patientenspezifische Frakturmechanik über verschiedene Heilungsphasen hinweg zu simulieren, indem wir individualisierte digitale Zwillingsmodelle erstellen. Wir verwenden Finite-Elemente-Simulationen, um lokale Spannungs- und Dehnungsverteilungen innerhalb des Frakturspalts zu analysieren und die Knochen-Implantat-Wechselwirkungen zu untersuchen. Wir stellen die Hypothese auf, dass wir je nach Frakturtyp und -phase spezifische Grenzwerte für die Frakturheilung festlegen können und dass für eine optimale Heilung personalisierte mechanische Bedingungen erforderlich sind. Unsere Ergebnisse zeigen, dass unterschiedliche Bewegungsmuster die mikromechanischen Bedingungen innerhalb der Frakturzone erheblich beeinflussen. Die beigefügten Veröffentlichungen behandeln die einzelnen Entwicklungsschritte hin zu einem digitalen Zwilling. Angefangen mit der detaillierten Beschreibung der Erstellung von patientenspezifischen Simulationen, über die Möglichkeiten des Patienten-Monitorings bis hin zum digitalen Zwilling und patientenspezifischen Anwendungsfällen. Zu den Herausforderungen gehört, das mechanische Heilungsfenster genau zu definieren und zusätzliche biologische und patientenspezifische Faktoren miteinzubeziehen.