Numerische Simulation von Knochenumbauvorgängen um zahnärztliche Implantate mit der Finite-Elemente-Methode

Abstract

Zur Untersuchung der Knochenumbauvorgänge sind neben klinischen auch biomechanische Methoden, die den Hauptgegenstand der vorliegenden Arbeit bilden, von besonderer Bedeutung. Insbesondere numerische Simulationen der Knochenumbauprozesse können erheblich zum Erkenntnisgewinn über diese Prozesse beitragen. Die Einheilung von Implantaten ist entscheidend von diesen Prozessen abhängig. Da bei bisherigen Modellen die spongiöse Knochenstruktur nur sehr bedingt mit der realen Situation vergleichbar war, und gerade bei der Etablierung neuer numerischer Methoden auf eine geeignete Validierung geachtet werden muss, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit mit der Finite-Elemente-Methode ein komplett neues computergeneriertes Knochenmodell vorgestellt, welches nicht mehr nur rechnerisch, sondern auch optisch die realen Knochenumbauprozesse nachbildet. Die Auslenkung der Implantate und die Knochendichte sind die Hauptkriterien bei der Validierung der Modelle.<br /> Die experimentelle und numerische Untersuchung des Einheilverhaltens zahlreicher unterschiedlicher Implantattypen diente dabei als Grundlage für die Untersuchungen und die Modellgenerierung. Dabei wurden mehrere Finite-Elemente-Modelle für die numerischen Untersuchungen entwickelt. Diese Modelle umfassten verschiedene Komplexitätsgrade, angefangen bei idealisierten Knochenmodellen über nachmodellierte Präparate bis hin zu dem idealisiert-realistischen dreidimensionalen Modell, welches sich im Rahmen der FEM-Simulation zum Knochenumbau bildet. In systematischen Simulationen wurden die numerischen Modelle zur Implantateinheilung entwickelt, optimiert und mit Hilfe experimentell ermittelter Daten validiert und so konnte ein vergleichbares Verhalten erzielt werden. <br /> Um auch eine Validierung nicht nur der numerischen, sondern auch der experimentell gewonnenen Ergebnisse zu ermöglichen, waren auch in-vivo-Experimente erforderlich. Aus früheren Studien ist bekannt, dass sich Rentiergeweihe für diesen Zweck als Tiermodell besonders eignen, da sie ein sehr ähnliches physiologisches Verhalten zum menschlichen Kieferknochen aufweisen. <br /> Hierzu war die Entwicklung eines neuartigen Gerätes zur Simulation der im menschlichen Kiefer auftretenden Belastungen erforderlich. Der dabei entstandene Kausimulator bringt diese Belastungen als periodische Intervalle mittels eines Druckstempels auf ein im Rentiergeweih inseriertes dentales Implantat auf. Sein hochgradig optimierter Stromverbrauch erlaubt auch langfristige autonome Untersuchungen an frei laufenden Tieren. Die regelmässige Kontrolle und Rekonfiguration mehrerer zeitgleich eingesetzter Kausimulatoren kann über direkte Funkverbindung zu einem beliebigen Computer erfolgen. Ein Einfangen der Tiere ist nur für die Implantation der dentalen Implantate in das Geweih notwendig. Dabei wird ebenfalls der Kausimulator angebracht und in Betrieb genommen. Der Kausimulator konnte erfolgreich an zwei Tieren getestet und die gewonnenen Daten ausgewertet werden.