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„Das ist ziemlich spannend“

Robust Design: „Das ist ziemlich spannend“

08.11.2010

Foto: Doktor Tanja Clees

Doktor Tanja Clees;
© beta-web

Computersimulationen sind aus vielen Bereichen der Industrie heute nicht mehr wegzudenken. Der Vorteil liegt auf der Hand: Bevor ein Werkstück in Produktion geht, kann es in der Simulation bereits im Vorfeld auf „Herz und Nieren“ getestet werden. Mängel fallen so schneller auf und Produktionen können jederzeit angepasst werden.

Robust Design auf dem Weg in die Medizintechnik: MEDICA.de sprach mit Doktor Tanja Clees vom Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen über das noch junge Gebiet des Robust Design und welche Methoden aus dem Bereich Automobilindustrie für die Medizintechnik interessant sein können.


MEDICA.de: Frau Doktor Clees, was genau ist Robust Design?

Clees: Das ist eine relativ junge Disziplin – darunter fallen ganz verschiedene Bereiche und Aufgaben. Ziel des Robust Design ist es Produktionsprozesse und Produkte robust auszulegen. Nicht in dem Sinne, dass zum Beispiel etwas runterfällt und dabei möglichst wenig Schaden nimmt, sondern, dass Produkte gegenüber Produktionsschwankungen oder äußeren Einflüssen robuster werden. Denn oft stellt man in der Realität fest, dass ein Produkt aufgrund verschiedener Einflüsse nicht optimal ist, wenn Schwankungen nicht in den Optimierungsprozess miteinbezogen wurden. Ein so ermitteltes Optimum kann in der Praxis nicht oder nur schlecht erreicht werden.

MEDICA.de: Sie befassen sich auch mit Simulationen von Strömungs- und Strukturmechanismen von Produktionsprozessen. Wie muss man sich das vorstellen?

Clees: Als Beispiel kann man das Auto nehmen. Strömung tritt auf, wenn man das Auto in einen Windkanal fährt – das geschieht in der Simulation nur virtuell am Rechner – und sich anschaut, wie die Luft das Auto umströmt. Strömung muss sich aber nicht immer auf Luft beziehen, sondern kann auch zum Beispiel Mischer betreffen, die verschiedene flüssige Komponenten zusammenbringen sollen. In der Regel möchte man die Strömung optimieren, sodass zum Beispiel möglichst viel Durchmischung stattfindet oder, beim Auto, möglichst wenig Luftwiderstand auftritt. Struktursimulationen dienen anderen Zwecken: Man möchte etwa wissen, wie belastbar die Materialien und daraus gefertigte Strukturen sind, die man für seine Produkte benötigt. Im medizinischen Bereich testet man zum Beispiel Knochenersatzmaterialien mittels Simulation. Mathematische Methoden helfen dann die künstliche Knochenstruktur so zu berechnen, dass sie einerseits leicht ist und andererseits – im Gehprozess etwa – den gleichen Belastungen standhält, wie das beim normalen menschlichen Knochen der Fall ist. Auch unser Körper nimmt Optimierungen vor. Knochen wachsen so, dass sie ideal den Gehprozessen beziehungsweise seinen Belastungsanforderungen standhalten – und das versucht man nachzubauen. Man macht bei der Optimierung also im Grunde das, was der Körper auch selber versucht. Wer zum Beispiel permanent seine Hüfte falsch belastet, wird seine Knochenstruktur verändern. Denn wenn man nur eine Seite richtig belasten kann und die andere abstützen muss, dann wird der Körper darauf reagieren. Und versuchen, diesen Belastungszustand besser abfedern zu können.

MEDICA.de: Können Sie Beispiele für derartige Simulationen und ihre Berechnungsmodelle nennen?

Clees: Wir schauen uns zum Beispiel an, was bei einem Autocrash passiert. Wenn sie ein Auto in der Simulation gegen einen Menschen fahren lassen, dann können sie unter anderem sehen, was mit den Knochen und dem Gewebe geschieht. Hier werden Methoden, die wir für den Automobilbereich entwickelt haben, auf die Aufprallsimulation beim Menschen übertragen. Für diese Simulationen muss man zunächst das „menschliche Material“ modellieren. Denn das sogenannte Soft Tissue, also weiches Gewebe wie etwa Fleisch, verhält sich anders als Metall oder Aluminium. Ist das gelungen, kann man die gleichen Simulatoren wie im Automobilbereich benutzen. Man baut hierfür Materialmodelle ein und passt sie ein wenig an. Dann überprüft man, wie Belastungen auf den menschlichen Körper wirken.

 
 
Foto: Frau Clees am Computer

Verschiedene Bedingungen können in der Computersimulation dargestellt werden; © beta-web

MEDICA.de: Wie gehen Sie vor, um einen Herstellungsprozess zu analysieren beziehungsweise zu optimieren, etwa bezogen auf die Herstellung einer Hüftprothese?

Clees: Zunächst parametrisieren wir den Prozess. Das heißt, wir beschreiben Einflussgrößen, die man verändern kann, etwa im Produktionsprozess. Es gibt allerdings andere Parameter, die schreibt die Natur vor, man kann sie nicht beeinflussen. Insgesamt versuchen wir also, den Effekt eines Prozesses durch Parameteränderungen zu fassen. In der Produktion bezieht sich das meist auf Parameter wie Dicke, Länge, Temperatur oder Druck. Das gilt natürlich auch für Hüftprothesen, die man sehr unterschiedlich bauen kann. Als Nächstes überlegt man, wie diese einzelnen Parameter schwanken. Denn man kann sie nicht fest einstellen. Wenn ein Metall zum Beispiel eine gewisse Dicke haben soll, dann heißt das in der Praxis plus/minus einer Toleranz. Am sinnvollsten ist es deshalb, Experimentaldaten oder physikalische Annahmen mit einzubeziehen. Was als Nächstes passiert ist, dass man den Raum der Möglichkeiten ausleuchtet. Wir machen zwar Experimente, aber in der Simulation. Dort kann man die Parameter verändern oder man kann einen Versuchsplan aufsetzen, ablaufen lassen und im Anschluss bewerten. Wir spielen quasi viele verschiedene Konstellationen durch. Durch die Versuche lernen wir etwas über das Verhalten – zum Beispiel über den Belastungszustand einer Hüftprothese. Zum Beispiel, ob sie die Belastung, die auf sie einwirkt, trägt. Das kann man in Zahlen fassen. Sie bewerten einfach verschiedene Kriterien: das Belastungsniveau, die Masse, den Preis. Wir interpolieren anschließend das Verhalten. Und dank dieser interpolierten Daten können wir optimieren. Als Mathematiker versucht man, das sogenannte Pareto-Optimum zu finden. Denn hier gibt es nie nur ein Optimum, sondern immer mehrere gleichwertige Kompromisse. Als Mathematiker kann man nicht wissen, ob das Gewicht zum Beispiel mehr Bedeutung hat als der Preis oder die Belastung. Das muss der Kunde selbst bestimmen.

MEDICA.de: Welche Neuerungen gibt es von Ihrer Seite aus für den Bereich Medizintechnik?

Clees: Wir tragen bei zur Forschung im Bereich der Zertrümmerung von Nierensteinen oder auch der Behandlung von Tumoren. Die Idee ist folgende: Nehmen wir zum Beispiel ein Gerät, das durch Strahlen auf den menschlichen Körper einwirkt. Für ein solches Gerät versuchen wir ähnliche Bewertungen wie im Crash-Bereich der Automobilindustrie zu machen. Wir prüfen, was mit dem menschlichen Gewebe aufgrund von Strahlung passiert und versuchen das zu bewerten. Gerade haben wir zu diesem Thema ein Projekt begonnen, indem wir diese Bewertungen nun erstmals übertragen. Das ist ziemlich spannend.

MEDICA.de: Das Organ ersetzt in der Berechnung also quasi das Automobil?

Clees: In der Tat. Statt von einem Auto gehen wir vom Menschen beziehungsweise seinen Organen aus. Wir betrachten die physikalischen Auswirkungen von Wellen auf den Körper, so wie wir beim Auto den Aufprall auf eine Wand betrachten. Denn wir wollen wissen, wie die Veränderungen „innen drin“ ablaufen. Ein Beispiel ist die Zertrümmerung eines Nierensteins durch Stoßwellen. Natürlich muss man die Niere vernünftig modellieren, unter anderem durch die Untersuchung von Tiernieren. Anschließend können wir die Einwirkung auf das Gewebe am Computer analysieren. Sinn und Zweck ist dann zum Beispiel die Bestimmung einer optimalen Dosis oder der optimalen Dauer einer Behandlung. Das wird jedoch nur erreichbar sein, wenn die Modelle vorher sauber validiert wurden – das ist mit das schwierigste an diesem Projekt, da wir die Versuche eben nicht am Menschen durchführen können.

Das Interview führte Simone Ernst
MEDICA.de

 
 

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