Frakturrisiko von Wirbelkörpern unter Berücksichtigung von inhomogenen Dichteverteilungen und lokal unterschiedlichen Trabekelausrichtungen

• Applicant: Professor Dr. Hans-Joachim Wilke
• Subject Area: Orthopaedics, Traumatology, Reconstructive Surgery
• Term: from 2008 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 65432550

• Final Report Year: 2011

Final Report Abstract

Osteoporosefrakturen besonders im Bereich der Wirbelsäule stellen aufgrund unserer demografischen Entwicklung ein steigendes Problem dar. Stetig werden neue Behandlungsverfahren zur Versorgung solcher Frakturen entwickelt. Kosten und Belastung für den Patienten aufgrund solcher Versorgungen könnten reduziert werden, wenn das Frakturrisiko einzelner Wirbel diagnostiziert werden könnte. Ziel des Projekts war es, auf Basis klinischer CT-Datensätze anatomiespezifische Finite-Elemente-Modelle (FE-Modelle) einzelner Wirbelkörper zu generieren, um deren Frakturrisiko genauer abzuschätzen zu können. Wegen der Abhängigkeit solcher Simulationsmodelle von den verwendeten Materialparametern, wurden in einem kombinierten experimentellen und numerischen Mehrskalen-Ansatzes in-situ-nahe Materialeigenschaften der Wirbelsäulenspongiosa in Abhängigkeit von der Knochenmasse und der strukturellen Ausrichtung der Trabekel ermittelt. Hierzu wurde ein Vollkörperspender (88, ♂) und 104 humane Wirbelkörper (50 ♂, 54 ♀; 65 J., Min: 21 J., Max: 94 J.; T1 –L3) von 32 Spendern den Experimenten zugeführt. Aus den Wirbeln der 32 Spender wurden insgesamt 251 zylindrische Proben und 312 eingegossene Scheibenproben gewonnen. Mit den Scheibenproben wurden an einzelnen Trabekeln Nanoindenatationstests durchgeführt. Die Ergebnisse indizierten richtungsabhängiges Materialverhalten des Knochenmaterials einzelner Trabekel. Es wurde keine Abhängigkeit der Steifigkeit vom Alter oder Geschlecht gefunden. Dies galt bis auf die dissipierte Energie ebenfalls für die Indentationsarbeit. Die Ergebnisse der Nanoindentation wurden genutzt um Mikro-FE-Modelle (µFE-Modelle) einzelner Zylindrischer Proben zu erstellen. Die Ermittlung in-situ-naher Materialeigenschaften von trabekulärem Knochen der Wirbelsäule ist aufgrund der Zerstörung des trabekulären Netzwerks in vitro nicht möglich. Für 30 ausgewählte zylindrische Proben wurden deshalb µFE-Modelle durch eine Kombination der spezifischen Steifigkeit (Nanoindentation) und des jeweiligen µCT-Datensatzes erstellt und in Simulationen belastet. Parallel wurden die gleichen Belastungen experimentell auf die entsprechenden realen Zylinder aufgebracht. Die apparente Steifigkeit der Zylinder aus den Simulationen und den Experimenten war vergleichbar. Somit können diese Modelle als valide und für Simulationen unter komplexen Lasten geeignet erachtet werden. Auf Basis der µCT-Datensätze der 30 Zylinder wurden je zwei nichtlineare Sub-µFE-Modelle erstellt. An diesen wurden je 20 uniaxiale und multiaxiale Tests zur Ermittlung des effektiven Steifigkeitstensors und der effektiven Fließfläche durchgeführt. Diese beiden Materialparameter können aufgrund ihrer Abhängigkeit vom Knochen-Volumen-Fraktion und der trabekulären Ausrichtung patientenspezifisch identifiziert werden. Die Knochen-Volumen-Fraktion korreliert mit der im quantitativen CT messbaren Knochendichte. In einem Experiment am Ganzkörperspender konnte gezeigt werden, dass die Hauptausrichtung der trabekulären Struktur in klinischen Scansituationen ermittelt werden kann. Aufgrund der schlechten Auflösung der klinischen Datensätze war es nicht möglich zusätzlich zur Hauptausrichtung charakteristische Längen (durchschnittlicher Knochen-Pore-Abstand) zu ermitteln. Hier besteht weiterer Forschungsbedarf. An den 251 zylindrischen proben wurden In-vitro-Experimente zur Schädigung des trabekulären Knochens durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Schädigungsentwicklung asymmetrisch und anisotrop ist. Die so gewonnen Daten flossen in FE-Modelle von 30 Wirbelkörpern ein, welche die lokal unterschiedliche trabekuläre Struktur berücksichtigten. Parallel zur Erstellung wurden Druckversuche an den Wirbeln durchgeführt. Ziel war es hierbei die Versuche in silico nachzuempfinden und zu zeigen, dass die Modelle valide sind. Die Simulationen lassen sich derzeit noch nicht mit den Experimenten vergleichen. Der Grund hierfür dürfte in der Bildverarbeitung zur Erstellung der FE-Netze bei der Zusammenführung von Geometrie und Materialeigenschaften bestehen. Hier besteht weiterer Forschungsbedarf.

Publications

• 2008. Alternative methods in determing local anisotropy of trabecular structures and their capabilities in-vivo. 8th International Symposium on Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering
  Wolfram U., Schmitz, B., Reinehr, M., Heuer F., Wilke H.-J.
  
• 2009. Orientation dependent elastic properties of vertebral trabecular bone matrix measured using microindentation (effects of age, gender and vertebral level). EuroSpine. No. P80
  Wolfram U., Wilke H.-J., Zysset P. K.
  
• 2009. Statistical osteoporosis models using composite finite elements: A parameter study. Journal of Biomechanics 42 (13), 2205 – 2209
  Wolfram U., Schwen L. O., Simon U., Rumpf M., Wilke H.-J.
  
• 2009. Transverse isotropic elastic properties of vertebral trabecular bone matrix measured using microindentation (effects of age, gender and vertebral level). 36th European Symposium on Calcified Tissue. No. P370
  Wolfram U., Wilke H.-J., Zysset P. K.
  
• 2009. Vertebral trabecular main direction can be determined from clinical CT datasets using the gradient structure tensor and not the inertia tensor – a case study. Journal of Biomechanics 42 (10), 1390 – 1396
  Wolfram U., Schmitz, B., Heuer F., Reinehr, M., Wilke H.-J.
  
• 2010. Damage behaviour of vertebral trabecular bone in compression, tension and torsion. 17th Congress of the European Society of Biomechanics. No. 401
  Wolfram U., Wilke H.-J., Zysset P. K.
  
• 2010. Rehydration of vertebral trabecular bone: Influences on its anisotropy, its stiffness and the indentation work with a view to age, gender and vertebral level. Bone 46 (2), 348 –354
  Wolfram U., Wilke H.-J., Zysset P. K.
  
• 2010. Transverse isotropic elastic properties of vertebral trabecular bone matrix measured using microindentation under dry conditions (effects of age, gender and vertebral level). Journal of Mechanics in Medicine and Biology 10 (1), 139 – 150
  Wolfram U., Wilke H.-J., Zysset P. K.
  
• 2010. Valid µFinite Element models of vertebral trabecular bone can be obtained using tissue properties measured with nanoindentation under wet conditions. 9th International Symposium on Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. No. SS3 SPIN1 10
  Wolfram U., Wilke H.-J., Zysset P. K.
  
• 2010. Valid µFinite Element models of vertebral trabecular bone can be obtained using tissue properties measured with nanoindentation under wet conditions. Journal of Biomechanics 43 (9), 1731 – 1737
  Wolfram U., Wilke H.-J., Zysset P. K.
  
• 2011. Damage accumulation in vertebral trabecular bone depends on loading mode and direction. Journal of Biomechanics 44, 1164 – 1169
  Wolfram U., Wilke H.-J., Zysset P. K.
  
• 2011. Multiscale Mechanical Characterisation of Vertebral Trabecular Bone. 24th European Conference on Biomaterials. European Society for Biomaterials
  Wolfram U., Zysset P. K., Wilke H.-J.