Strukturmechanische Simulation von degenerativer Spondylolisthese und degenerativer Skoliose zur Ermittlung möglicher Entstehungsursachen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Sowohl die degenerative Spondylolisthese als auch die degenerative Skoliose sind erworbene Erkrankungen mit unklarer Pathogenese. Es ist jedoch naheliegend, die Ursachen dieser Erkrankungen in der Mechanik zu suchen, da die sichtbaren Symptome kinematischer Natur sind, da körperhaltungsbedingte Faktoren mit dieser Erkrankung in Zusammenhang gebracht werden und da sich alle diskutierten Faktoren auf ihren rein biomechanischen Effekt reduzieren lassen. Sowohl ursächlich als auch therapeutisch scheint dabei die Muskulatur eine besondere Rolle zu spielen. Deren Zustand wurde daher als möglicher Auslöser sowohl der degenerativen Spondylolisthese als auch der degenerativen Skoliose untersucht. Dabei lag die Hypothese zugrunde, dass sich durch die Schwäche bestimmter Muskelgruppen das statische Gleichgewicht verändert, so dass die passiven Strukturen (Bandscheiben, Ligamente, Facettengelenke) Dehnungs- und Belastungsveränderungen erfahren, um das Gleichgewicht wieder herzustellen. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde mit Hilfe eines Finite-Elemente-Modells der Lendenwirbelsäule die übermäßige Dehnung der Facettengelenkskapsel durch Misalignment der Wirbel nach Bandscheibenarthroplastie als entscheidender Faktor für den klinischen Erfolg ausfindig gemacht. Weiterhin wurden Empfehlungen für vereinfachte, aber international einheitliche Belastungen von Wirbelsäulenpräparaten und -modellen vervollständigt und die Bedingungen bestimmt, unter denen die aus invers-statischen Analysen bestimmten, realistischeren Wirbelsäulenlasten und Muskelkräfte auf Finite-Elemente-Modelle übertragbar sind. Das zur Ermittlung der Muskel- und Wirbelsäulenbelastung dienende invers-statische Modell wurde mit Invivo-Daten aus Patientenmessungen mit Messimplantaten validiert. Dabei konnte der iatrogene Einfluss von Wirbelsäulenimplantaten auf die Belastung der Wirbelsäule erklärt und bestimmt werden. Zur Simulation der degenerativen Erkrankungen wurden Muskelschwächen verschiedenen Ausmaßes in das Modell integriert und deren Einfluss auf die Entstehung zusätzlicher Schubkräfte in antero-posteriore bzw. laterale Richtung als Krankheitsverursacher untersucht. Weiterhin wurden Olisthesen durch Ventralverschiebung des Wirbelsäulenabschnitts oberhalb der betroffenen Bandscheibe simuliert, sowie der Einfluss der passiven Kräfte und verschiedener Sagittalprofiltypen ermittelt. Leider konnte durch keine der gemachten Ansätze belastbare Erklärungen für die Ursachen der Erkrankungen gegeben werden, so dass weiterhin unklar ist, ob die initialen Ursachen der untersuchten degenerativen Erkrankungen eher in einer Veränderung der Belastungen oder in einer Materialschwächung der passiven Strukturen zu suchen ist. Ein Zusammenwirken verschiedener biomechanischer und biologischer Faktoren ist daher als Erklärung wahrscheinlich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2012) An enhanced and validated generic thoraco-lumbar spine model for prediction of muscle forces. Med Eng Phys 34:709–716
Han K-S, Zander T, Taylor WR, Rohlmann A
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2011.09.014) - (2013) Considerations when loading spinal finite element models with predicted muscle forces from inverse static analyses. J Biomech 46:1376-1378
Zhu R, Zander T, Dreischarf M, Duda GN, Rohlmann A, Schmidt H
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2013.03.003) - (2013) Is it possible to estimate the compressive force in the lumbar spine from intradiscal pressure measurements? A finite element evaluation. Med Eng Phys 35:1385-1390
Dreischarf M, Rohlmann A, Zhu R, Schmidt H, Zander T
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2013.03.007) - (2013) Parameters influencing the outcome ofter total disc replacement at the lumbosacral junction. Part 1: misalignment of the vertebrae adjacent to a total disc replacement affects the facet joint and facet capsule forces in a probablilistic finite element analysis. Eur Spine J 22:2271-2278
Rohlmann A, Lauterborn S, Dreischarf M, Schmidt H, Putzier M, Strube P, Zander T
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00586-013-2909-z) - (2014) Discrepancies in anthropometric parameters between different models affect intervertebral rotations when loading finite element models with muscle forces from inverse static analyses. Biomed Technik 59:197-202
Zhu R, Rohlmann A
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/bmt-2013-0121)
