Karl-Heinz Hoffmann

Numerische Simulation (FEM) des menschlichen Unterkiefers: Validierung der Umsetzung der Kaumuskulatur - Numerical Simulation of the Human Mandible - Validation of the Activity of the Masticatory Muscles

The article describes part of a research project aiming to develop a new modular software tool for the individual dynamic numerical simulation of the human mandible using the finite element method (FEM). Its planned use in the clinical setting makes it very important to validate the results of the simulations. Here, the function of the masticatory muscles is to be tested. On the basis of biomechanical data from the literature, standard movements, such as closing the mouth, forward movement, lateral movement or backward movement, were dynamically simulated. Apart from muscle activity, the movements of the mandible are defined by the temporomandibular joint. At present, translating the condylar dynamics to the simulation still poses problems. For this reason, therefore, simulations of the two extreme cases fixed and force-free condyles are compared. While in the case of fixed condyles, some of the movements could be reproduced either not at all or only weakly, in the case of force-free condyles, all standard movements were reproduced qualitatively, albeit without the guiding effect of the joint capsule or the articular disc.

Ein modulares Software-Konzept für individuelle numerische Simulation (FEM) des menschlichen Unterkiefers - A Modular Software Concept for the Individual Numerical Simulation (FEM) of the Human Mandible

A new modular software concept for individual numerical simulation of the human mandible using the finite element method (FEM) is presented. The main task is an individual analysis of regional stress and stress-compatibility on the basis of computed tomographic data in individual patients. Simulation should, however, also be possible in parallel with biomechanical experiments, or for further research projects. For this purpose, rapid and uncomplicated generation of the FEM model, easy modification of input data, and short computation times are required. Practical use in the clinical setting makes appreciable additional demands on the individual software components.

Computer-assisted selection of donor sites for autologous grafts

A new method is proposed for a precise planning of autologous bone grafts in cranio- and maxillofacial surgery. In patients with defects of the facial skeleton, autologous bone transplants can be harvested from various donor sites in the body. The preselection of a donor site depends i.a. on the morphological fit of the available bone mass and the shape of the part that is to be transplanted. A thorough planning and simulation of the surgical intervention based on 3D CT studies leads to a geometrical description and the volumetric characterization of the bone part to be resected and transplanted. Both, an optimal fit and a minimal lesion of the donor site are guidelines in this process. We use surface similarity and voxel similarity measures in order to select the optimal donor region for an individually designed transplant.

Diagnostic possibilities with multidimensional images in head and neck area using efficient registration and visualization methods

For several diseases in the head and neck area different imaging modalities are applied to the same patient.Each of these image data sets has its specific advantages and disadvantages. The combination of different methods allows to make the best use of the advantageous properties of each method while minimizing the impact of its negative aspects. Soft tissue alterations can be judged better in an MRI image while it may be unrecognizable in the relating CT. Bone tissue, on the other hand, is optimally imaged in CT. Inflammatory nuclei of the bone can be detected best by their increased signal in SPECT. Only the combination of all modalities let the physical come to an exact statement on pathological processes that involve multiple tissue structures. Several surfaces and voxel based matching functions we have tested allowed a precise merging by means of numerical optimization methods like e.g. simulated annealing without the complicated assertion of fiducial markers or the localization landmarks in 2D cross sectional slice images. The quality of the registration depends on the choice of the optimization procedure according to the complexity of the matching function landscape. Precise correlation of the multimodal head and neck area images together with its 2D and 3D presentation techniques provides a valuable tool for physicians.

Simulation des elastomechanischen Verhaltens des menschlichen Unterkiefers mithilfe einer individuellen Finite—Element—Modellierung

Moderne Simulationswerkzeuge ermöglichen auf relativ bequeme Art die Simulation elastomechanischer Vorgänge bei komplexen dreidimensionalen Objekten wie dem menschlichen Kiefer, siehe Abb. 1. Allerdings ist es damit nur in recht beschränktem Umfang möglich, in das verwendete mathematische Modell einzugreifen. Gerade dies ist aber notwendig, um inhomogene Effekte berechnen zu können, z.B. die un? terschiedlichen biomechanischen Knocheneigenschaften, die in der Gewebanisotropie (unterschiedliche mechanische Eigenschaften von Spongiosa und Kortikalis, Vorzugsrichtungen der Geometrie) begründet liegen. Wir berücksichtigen solche notwendigen Spezifikationen durch Verwendung des am Lehrstuhl für Anger wandte Mathematik und Statistik entwickelten Softwarepaketes FeliCs (Finite Element Interpretation and Execution Language). FeliCs ist ein Programm zur numerischen Behandlung von partiellen Differentialgleichungen mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente. Dabei ist FeliCs keine Implementierung der Finite-Element-Methode für eine bestimmte Klasse von Gleichungen, sondern eine Sprache, zur Beschreibung und Lösung von Gleichungen, die mit Methoden der Finite-Elemente behandelt werden können. Der Sprachumfang deckt hierbei die meisten Problemstellungen ab. Dies sind im besonderen das Verwalten von FE-Gittern für benutzerdefinierte Geometrien und Ansatzräume und ihrer Freiheitsgrade sowie das automatische Erstellen der Elementmatrizen durch symbolische Differentiation der Ansatzfunktionen und symbolische Angabe 4er Differentialgleichungssysteme in schwacher Formulierung. Aus diesem Grund eignet sich FeliCs besonders zur eigentlichen Simulation anisotroper und inhomogener Gewebe. Dabei ist es unter anderem nötig, den Knochen in geeigneter Auflösung zu diskretisieren. Teilschritte wie dieser werden mit leistungsfähigen Standardprogramman, etwa P3/Patran, durchgeführt. Basis der Mo·? dellierung ist eine 3D-spiralcomputertomographische Aufnahme des Gesichtsschädels. Nach Segraentation der knöchernen Strukturen (Unterkiefer) erfolgt eine Konvertierung des 3D-CT-Datensatzes in ein STLFormat. Anschließend wird der Datensatz reduziert, die geometrische Modellierung des Unterkiefers basiert so auf ca. 20.000 Tetraedern. Auf der Grundlage dieses Datensatzes ist es möglich, unter Berücksichtigung der individuellen Knochenstruktur des Patienten und der ansetzenden Muskulatur und ihrer Kraftvektoren ein individuelles Finite-Element-Modell zu erstellen. Die Modellierung des Knochens erfolgt als elastisches orthotropes und inhomogenes Material, was zu den elastischen Gleichungen