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Main Title: Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Dekubitusproblematik am Beispiel des Fersen-Schaumstoff-Kontaktbereiches
Translated Title: Mechanical analysis of the bedsore problem exemplified by the contact area between a heel and soft foam support
Author(s): Schrodt, Michael
Advisor(s): Müller, Wolfgang H.
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Das Wundliegen (Dekubitus) von Patienten verursacht jährlich Kosten in Höhe von 1-2 Milliarden Euro allein durch die verlängerte Verweildauer in Krankenhäuser. Spezielle Anti-Dekubitus-Matratzen aus weich-elastischen Schaumstoffen erfüllen zwar gewisse medizinische Qualitätsansprüche, setzen aber nicht die einen Dekubitus initiierende Druck- und Scherspannungsbeanspruchung auf Prädilektionsstellen im gewünschten Maße herab. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Verfahrens auf Basis der Finiten Elemente Methode (FEM) zur Simulation der Verformung kompletter Körperregionen aus Weichgewebeverbünden bei Interaktion mit einer elastischen Unterlage. Das Verfahren beinhaltet eine aus drei Blöcken bestehende Auswertekette, nämlich einer Digitalisierung der interagierenden Materialien mittels bildgebender Verfahren (CT, MRT), der Verarbeitung dieser Daten durch CAE-Technologien (3D-Rekonstruktion, Flächenrückführung) und der kontinuumsmechanischen Beschreibung inklusive numerischer Berechnung und Simulation mittels der FEM. Die mechanische Beschreibung der Weichschaumauflage sowie der humanen Weichgewebe erfolgt hierbei durch ein dreidimensionales hyperelastisches Materialgesetz (OGDEN, HILL). Die Identifikation der hierfür benötigten Materialparameter wird zum einen anhand von uniaxialen Druck- und Indenterversuchen (Schaumstoff) und zum anderen durch Anpassung von in in-vivo Experimenten ermittelten Kraft-Verformungs-Daten der Ferse (humanes Weichgewebe) durchgeführt. Durch die Simulation des Gesamtsystems kann zum ersten mal gezeigt werden, dass sich die höchste Belastung im humanen Gewebe (Druckspannung) infolge einer Weichschaumauflage direkt unterhalb des Knochens (Fersenbein) ausbildet. Diese Darstellung von Spannungen in Geweben bietet somit die Möglichkeit einer gezielten Entwicklung Druck-optimierter Auflagesysteme durch Computersimulation, welche zur einer Minderung möglicher Dekubiti führen könnte.
Patients suffering from bed sores induce costs in the amount of 1 – 2 billions Euros yearly, only by the extended resting time in hospitals. Though special anti decubitus soft elastic foam mattresses fulfill certain medical quality requirements, they do not lower pressure and shear stress in the desired extent, initiating decubitus in regions of preferred spots. The thesis aims at the development of a procedure based on the Finite Element Method (FEM), simulating the deformation of entire body regions of soft-tissue groups interacting with an elastic support. This procedure is based on a three step analysis chain, consisting of a digitisation of the interacting human soft tissue by means of imaging methods (CT, MRI), the CAE-based analysis (3D surface reconstruction and generation) and a continuum mechanical modelling, including numerical simulation based on FEA. The mechanical properties of the human soft tissues, as well as the soft foam support are described by a 3D hyperelastic material law (Ogden and Hill). The identification of the required material parameters is performed firstly for the soft foam material on the basis of uniaxial pressure and indenter experiments; secondly for the human soft tissue on the basis of in-vivo force-displacement experiments in the heel region. The result of the stress and strain simulation of entire body system introduced by a soft foam support shows, that the maximum pressure was observed below the calcaneus heel bone. Moreover, the visualisation of stress and strain in the interior of the human soft-tissue by means of computer simulation allows the targeted development of pressure optimised soft foam supports for the first time, thus reducing the probability of decubiti.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-13429
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1703
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1406
Exam Date: 20-Mar-2006
Issue Date: 10-Aug-2006
Date Available: 10-Aug-2006
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): 3D-Rekonstruktion
Dekubitus
Finite Elemente Methode
Polymere Weichschaumstoffe
Weichgewebe
3D reconstruction
Decubitus
Finite element method
Soft foam
Soft tissue
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