Multi-field modelling and simulation of the human hip joint

Abstract

A major biomedical problem is the poor self-healing and regeneration of cartilage. Therefore, cartilage tissues are easily prone to degenerate, leading to pain and working disabilities in middle-aged and older people. In particular, osteoarthritis (OA), a commonly occurring form of cartilage degeneration, is estimated to affect 630 million people worldwide, representing 15% of the global population. In Germany, the Robert-Koch Institute, responsible for national health data reporting, mentions only 1,6% of the under 30-year-old population displaying symptoms of OA. Until the age of 50, the OA prevalence reaches 14,9%, and after the age of 60, one-third of the female population and one-fourth of the male population suffer from OA, respectively. Moreover, between 2003 and 2010, the registered OA cases increased from 22,6% to 27,1% for women and from 15,5% to 17,9% for men. Obviously, the overall increase of OA cases is intimately connected to the rising cost of the healthcare. In 2004, diseases of the muscle-skeleton system occupied the third position in terms of generated costs at 24.46 billion euros, after cardiovascular and digestive diseases. From the costs related to muscle-skeleton diseases in 2012, 6.77 billion euros were incurred for OA, and 39% of the cases of missed work due to OA disease referred to hip-joint OA.

In this general context, OA appears as a well-known clinical syndrome related to cartilage degeneration. Still, the mechanisms responsible for OA remain poorly understood. Up to now, the diagnoses are based on a combination of clinical, radiological and anamnestic criteria, mainly concentrating on the statistical occurrence of OA without a strong focus on the characteristics of the patient.

One goal of this monograph is to extend the range of available possibilities for clinicians to strengthen their diagnoses. For this purpose, a numerical tool is provided to guarantee a valid representation of the OA occurrence for a real hip-joint anatomy. This process naturally requires a highly complex geometrical and constitutive modelling in order to represent the patient-specific, highly anisotropic and heterogeneous features of the hydrated cartilage tissue. Therefore, a thermodynamically consistent model of soft biological tissue based on the Theory of Porous Media (TPM) is presented and adapted to the specific case of articular cartilage. In this connection, a consistent calibration strategy for the complex computational model is elaborated, which is the second objective of this work. Next, the focus lies on the consideration of realistic boundary conditions applied at the cartilage surface of the femoral head. Based on the contact stresses at the articular surface, a novel visualisation tool is introduced to evaluate the influence of OA during normal and pathological walking processes.

Die langsame Selbstheilungs- und Regenerationsfähigkeit des Knorpels ist ein aktuelles Problem in der Biomechanik. Grund dafür ist, dass Knorpelgewebe sehr anfällig gegen Degenerierung ist, was zu starken Schmerzen und Arbeitsunfähigkeit bei Menschen mittleren und höheren Alters führt. Insbesondere ist die Osteoarthrose (OA) eine verbreitete Form der Knorpeldegenerierung, an der weltweit etwa 630 Millionen Menschen leiden, was 15% der gesamten Weltbevölkerung entspricht.

Das Robert-Koch-Institut für Gesundheit berichtet, dass in Deutschland über 1,6% der unter dreißigjährigen Menschen Symptome der OA aufweisen. Bis zum 50. Lebensjahr erreicht die Prävalenz von OA 14,9% und nach dem 60. Lebensjahr ist ein Drittel der weiblichen Bevölkerung und ein Viertel der männlichen Bevölkerung davon betroffen. Außerdem sind die eingetragenen OA-Fälle zwischen 2003 und 2010 von 22,6% auf 27,1% bei Frauen und von 15,5% auf 17,9% bei Männern gestiegen. Dieser deutliche Anstieg der OA-Fälle ist eng mit der Kostenerhöhung des Gesundheitssystems verbunden. Im Jahr 2004 belegten Krankheiten des Muskelknochensystems den dritten Platz in Bezug auf die verursachten Kosten von 24,46 Milliarden Euro nach den Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Verdauungsstörungen. Von den Kosten der Muskelknochensystem-Erkrankungen beziehen sich 6,77 Milliarden Euro auf die OA. Außerdem lassen sich 39% der Arbeitsunfähigkeitsfälle wegen OA im Jahr 2012 auf OA im Hüftgelenk zurückführen.

Eines der Ziele dieser Arbeit besteht darin, dem Arzt eine neuartige Möglichkeit zu bieten, die Diagnose zu sichern. Zu diesem Zweck wurde ein numerisches Werkzeug entwickelt, um eine korrekte Darstellung des OA-Vorkommens und den Einfluss auf die Hüftgelenkanatomie zu gewährleisten. Dies setzt eine geometrisch und konstitutiv hochkomplexe Modellierung voraus, um die In-vivo-Eigenschaften, die entsprechenden Randbedingungen sowie die Beschreibung des anisotropen und heterogenen hydratisierten Weichgewebes darstellen zu können. Hierzu wird ein thermodynamisch konsistentes Modell im Rahmen der Theorie Poröser Medien (TPM) vorgestellt und für den speziellen Fall eines Knorpelgewebes angepasst.

Dies führt zum zweiten Ziel der Arbeit, der Ausarbeitung einer konsistenten Kalibrierungsstrategie für das komplexe Rechenmodell. Im Rahmen der vorgestellten Kalibrierungsmethode werden wichtige Fragen über die Parameterindentifizierungstechniken und die Sensitivität des erhaltenen Satzes von Materialparametern angesprochen. Danach liegt der Fokus auf der Berücksichtigung von realen Randbedingungen für die Knorpeloberfläche des Femurkopfes. In diesem Zusammenhang werden die Kontaktspannungen an der Oberfläche untersucht, um den Einfluss der OA während normaler und pathologischer Ganganalysen auszuwerten.