A novel approach to three-dimensional crack propagation in XFEM with application to bilateral sagittal split osteotomy

  • Ein neuer Ansatz um dreidimensionale Rissausbreitung in XFEM mit Anwendung auf bilaterale sagittale Spaltosteotomie

Baydoun, Malak; Behr, Marek (Thesis advisor)

1. Aufl.. - München : Hut (2014)
Doktorarbeit

In: Biomechanik
Seite(n)/Artikel-Nr.: XVII, 146 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Kurzfassung

Diese Dissertation ist ein Ergebnis eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten interdisziplinren Projektes, um einen Virtuellrealitätssimulator der bilateraler sagittalen Spaltosteotomie (BSSO) aufzubauen. Die Forschung wurde von der Gruppe für virtuelle Realität, der Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie und der XFEM (erweiterte Finite-Element-Methode)-Gruppe in der RWTH durchgefürt. In diesem Simulator wird der Splatvorgang des Kiefers untersucht. Der Schnitt wird als Riss betrachtet und die Aufgabe wird zu einem linear elastischen Bruchmechanikmodell (LEBM) mit induzierter Ausbreitung unter chirurgischen Lasten vereinfacht. Nach Kenntnis der Autorin, ist dies die erste Studie, die sich mit der rechnerunterstützen Untersuchung des Rissausbreitungs in BSSO befasst. Die Arbeit gliedert sich im drei Hauptabschnitte: (i) die neue Hybridbeschreibung wird in Zusammenhang mit der XFEM für zwei und drei-dimensionale Rissausbreitung näher erläutert. (ii) Die neuen Ausbreitungskriterien werden eingeführt und analiziert. Schließlich, (iii) wird die XFEM mit einem mit haptischen Geräten ausgestatteten Virtuellrealitätssimulator verbunden, um einen chirurgischen BSSO-Simulator aufzubauen. Die neue XFEM-Hybridmethode vereinigt die Vorteile der expliziten und impliziten Rissbeschreibungen. Im Rahmen der Level-Set-Methode ist eine implizite Beschreibung für die Simulation vorteilhaft, andererseits vereinfacht eine explizite Beschreibung mit Hilfe eines Polygons in zwei Dimensionen und eines Polyeders in drei Dimensionen die Aktualisierung des Risses während der Ausbreitung. Einer der großen Vorteile der Hybridmethode ist der einfache Übergang von zwei zu drei Dimensionen. Mit dieser Vorgehensweise ermöglicht die explizite Beschreibung oder Rissaktualisierung erstmalig die Verwendung von verschiendenen Rissausbreitungkriterien für die XFEM: Das maximale Umfangsspannungskriterium (MUSK), das Kriterium der maximalen Freisetzungsrate der Formnderungsarbeit (MFRFAK), das minimale Belastungsenergiedichte-Kriterium und das materielle Kräfte-Kriterium. Die vier Ausbreitungskriterien werden in zwei und drei Dimensionen verglichen und es konnte festgestellt werden, dass Kriterium verglichen werden in zwei und drei Dimensionen und gefunden wird, dass Kriterien MUSK und MFRFAK die besten Ergebnisse zeigen. Das Ziel der Arbeit ist es, ein stabiles Rissausbreitungstool für die XFEM mit einer Hybridbeschreibung zu entwickeln. Im letzten Teil der Arbeit wird dieses XFEM-Tool in Zusammenhang mit einer virtuellen Umwelt mit zwei haptischen Geräten verwendet, um einen chirurgischen Simulator aufzubauen. Um eine echtzeitfähige Interaktion der haptischen Geräte mit dem BSSO-Simulator möglich zu machen, wird eine Parallerisierungsstrategie des XFEM-Tools vorgeschlagen. Desweiterens werden die Komponenten des VR-Simulator für eine BSSO verwendet und die Ergebnisse werden erläutert.

Identifikationsnummern