Local remodelling and mechanoregulation of bone fracture healing in healthy, aged, and osteoporotic humans
Final Report Abstract
Frakturen des distalen Radius zählen beim Menschen zu den häufigsten Frakturen (etwa 17% aller Frakturen). Die verbleibende Komplikationsrate betrifft daher eine große absolute Anzahl an Patienten. Diese Rate weiter zu senken und die Heilung zu beschleunigen ist daher wichtig. Dazu müssen die mechano-biologischen Grundlagen gründlicher untersucht und besser verstanden werden, um sie dann in optimierte Behandlungsmethoden einfließen lassen zu können. In diesem D-A-CH-Projekt wurde der Heilungsverlauf von Frakturen des distalen Radius von über 70 Patienten in Innsbruck hochauflösend und mit enger zeitlicher Folge gescannt. Dabei haben die Patienten täglich eine Greifübung mit dokumentierter Last durchgeführt. Basierend auf diesen Daten wurden in Zürich Mikro-FE-Modelle auf trabekulärer Ebene zum Knochenabund -aufbau entwickelt und untersucht. In Ulm haben wir zwei seriell aufeinanderfolgende numerische Modelle entwickelt und validiert. Zum ersten ein invers-dynamisches, muskuloskelettales Modell von Hand und Unterarm sowie zum zweiten ein Knochenheilungsmodell auf Gewebeebene für den metaphysären Bereich. Mit Hilfe beider Modelle ist es uns gelungen, die Heilung patientenspezifisch in Abhängigkeit von der Greifübung zu simulieren. Die Ergebnisse passen gut zu den klinischen Befunden. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Handübung einen stimulierenden Effekt auf die Heilung hatte. Patienten mit einem sonst niedrigen Aktivitätslevel können davon natürlich stärker profitieren, als Patient mit einem ohnehin hohen Aktivitätslevel. Genauere Ergebnisse zum Remodeling werden dazu noch von den Züricher Kollegen publiziert werden. Der Gewinn dieser genaueren Daten und Modelle zu den mechanischen Faktoren zusammen mit den räumlich und zeitlich extrem gut aufgelösten klinischen Daten wird zu einem deutlich besseren Verständnis der Mechanobiologie sowie zu zuverlässigeren Vorhersagen beitragen. In nachfolgenden Projekten soll nun in Ulm diese Arbeit derart fortgesetzt werden, dass wir möglichst automatisch 3D Heilungsmodelle aus CT-Daten generieren und damit in Serie numerisch untersuchen können.
Publications
- A musculoskeletal inverse-dynamics model of the human hand including intrinsic muscles, World Congress of Biomechanics 2018, Dublin
Engelhardt L, D Vogelaar, K Urban, U Simon
- Modelling the fracture-healing process as a moving-interface problem using an interface-capturing approach. Computer methods in biomechanics and biomedical engineering, 21 (8), 512-520, 2018
Pietsch M, F Niemeyer, U Simon, A Ignatius, K Urban
(See online at https://doi.org/10.1080/10255842.2018.1487554) - A New Musculoskeletal Anybody™ Detailed Hand Model, 25th Congress of the European Society of Biomechanics 2019, Vienna
Engelhardt L, M Melzner, L Havelkova, P Fiala, M Rybarova, P Christen, S Dendorfer, U Simon
- Computational Healing Simulation of Compression Fractures in the Distal Radius. 25th Congress of the European Society of Biomechanics 2019, Vienna
Engelhardt L, F Niemeyer, T Seger, L Zanotti, P Christen, R Müller, K Simon, M Blauth, A Ignatius, U Simon
- Patientenspezifisches invers-dynamisches Handmodell mit allen extrinsischen und intrinsischen Muskeln, Deutsche Gesellschaft für Biomechanik 2019, Berlin
Engelhardt L, A Ignatius , P Christen , R Müller, U Simon
- A new musculoskeletal Anybody detailed hand model, Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering 2020
Engelhardt L, M Melzner, L Havelkova, P Fiala, P Christen, S Dendorfer and U Simon
(See online at https://doi.org/10.1080/10255842.2020.1851367) - 3D Fracture Healing Simulations of Metaphyseal Distal Radius Fractures, Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering 2021, Bonn (online)
Engelhardt L, L Wundke, F Niemeyer, A Ignatius, U Simon
- Hand Motion Capture from a 3D Leap Motion Controller for a Musculoskeletal Dynamic Simulation, MDPI Sensors, SI: Sensors in Biomechanics 2021
Fonk R, S Schneeweiss, U Simon and L Engelhardt
(See online at https://doi.org/10.3390/s21041199) - Simulating Metaphyseal Fracture Healing in the Distal Radius, MDPI Biomechanics 2021
Engelhardt L, F Niemeyer, P Christen, R Müller, K Stock, M Blauth, K Urban, A Ignatius and U Simon
(See online at https://doi.org/10.3390/biomechanics1010003) - Wrist Load During Hand Grip Exercises with a New Inverse Dynamics Hand Model, European Society of Biomechanics, 2021, Milan (held online)
Engelhardt L, J Schwer, M Melzner, P Christen, S Dendorfer, U Simon
