Modellierung und numerische Simulation der minimal invasiven Injektion von akrylischen Knochenzementen in osteoporotisch geschädigte Wirbelkörper innerhalb der Vertebroplastie

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Das Ziel des Gesamtvorhabens ist die modellbasierte Untersuchung des minimal invasiven Eingriffs zur Stabilisierung osteoporotisch geschädigter Wirbelkörper (Vertebroplastie) und die Analyse der damit verbundenen, in der Praxis auftretenden Komplikationen. Die klinische Relevanz besteht in einer Vergrößerung der Sicherheit des Operationsvorganges und der Möglichkeit, Modifikationen der Operationsmethoden und -techniken in der Simulation auf ihre Wirksamkeit hin zu untersuchen und durch ein verbessertes Verständnis der physikalischen Vorgänge gezielt zu entwickeln. Dies wird durch eine umfassende numerische Modellierung der dabei ablaufenden Prozesse mittels der Metho-den der Finiten Elemente und Finiten Volumen, basierend auf einer thermomechanisch-chemisch gekoppelten Materialmodellierung zur Abbildung des injizierten Materials erreicht.In der beantragten Förderperiode soll dazu der Injektionsvorgang von Knochenzement in einen osteo-porotisch erkrankten Wirbelkörper detailgetreu numerisch abgebildet werden. Während des ersten Antragszeitraumes wurde ein thermomechanisch-chemisch gekoppeltes Materialmodell, welches die Polymerisation von Knochenzement beschreibt, entwickelt und an thermochemische sowie thermo-mechanische Versuche angepasst. Darauf aufbauend soll dieses Materialmodell speziell um die phy-sikalischen Effekte, die für die Rheologie während des Injektionsvorgangs von zentraler Bedeutung sind, erweitert und parametrisiert werden. Zur Berechnung des Injektionsvorganges von Knochenze-ment in einen Wirbelkörper soll das entwickelte Materialmodell in ein leistungsfähiges Programmpaket zur Strömungssimulation integriert werden. Die Geometrie der geschädigten Wirbelkörper wird dazu in digitale Oberflächenmodelle, die aus Mikro-Computertomographie-Daten erstellt werden, überführt und in das Finite-Volumen- Programmpaket OpenFOAM® zur Strömungssimulation importiert. Um ein reales Oberflächenmodell erstellen zu können, wird auf die Expertise der Kooperationspartner K1 (Prof. C. Kober) und K2 (Prof. T. Blattert) zurückgegriffen. Die Ergebnisse des Einspritzvorganges in Form der sich einstellenden räumlichen Zementverteilung sowie der zugehörigen thermomechanischen Feldgrößen sind von zentraler Bedeutung für den Projektpartner P2 (Prof. J. Ihlemann), der darauf aufbauend den Aushärtevorgang mit der Methode der Finiten Elemente simuliert.