Aus der Klinik für Orthopädie
der Medizinischen Fakultät der Charité –Universitätsmedizin Berlin

Dissertation

Bestimmung des Einflusses verschiedener Operationsverfahren auf das mechanische Verhalten der Lendenwirbelsäule

Zur Erlangung des akademischen Grades
Doctor rerum medicarum (Dr. rer. medic.)

vorgelegt der Medizinischen Fakultät der Charité –
Universitätsmedizin Berlin

von

Dipl.-Ing. Thomas Zander

aus Berlin

Prof. Dr. Joachim W. Dudenhausen

Prof. Dr. med. Martin Paul

Gutachter:
1. Prof. Dr.-Ing. Georg Bergmann
2. Prof. Dr.-Ing. Heinz Mertens
3. PD Dr. med. Holger Mellerowicz

Datum der Promotion:19.07.2004


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Zusammenfassung

Der Erfolg einer operativen Behandlung der Lendenwirbelsäule hängt von mehreren oft unbekannten Faktoren ab. Einen möglichen unbekannten Faktor stellen mechanische Größen dar, welche in In-vivo-Studien nur teilweise messbar oder in In-vitro-Versuchen nur eingeschränkt aussagefähig sind. Hier stellt die Finite-Elemente-Methode eine reproduzierbare numerische Möglichkeit dar, den mechanischen Einfluss verschiedener Operationsverfahren a priori zu ermitteln.

In dieser Arbeit ist ein Finite-Elemente-Modell der Lendenwirbelsäule erstellt worden, welches mit Hilfe vorhandener Ergebnisse aus In-vivo- und In-vitro-Untersuchungen validiert werden konnte und das die Simulation verschiedener Operationsverfahren ermöglicht. Weiterhin wurde eine Methode zur Abschätzung der Muskelkräfte entwickelt, die eine realistischere Belastung des Modells erlaubt als bisher üblich.

Die Anwendung des Modells erstreckte sich in dieser Arbeit auf Dekompressionsverfahren zur Entlastung des Spinalkanals und Fusionsverfahren zur Herstellung der lumbalen Stabilität. Der Einfluss der Variation verschiedener Modell- und Operationsparameter wurde ermittelt. Hierzu zählen insbesondere die Steifigkeiten der Bänder, der Resektionsgrad bei der Dekompression des Spinalkanals und die unterschiedlichen Charakteristika des für die Fusion nötigen Knochenspans.

Die Ergebnisse erweitern das biomechanische Verständnis der Wirbelsäule und geben Aufschluss über die Einflüsse wichtiger Operationsparameter.

Eigene Schlagworte: Biomechanik, Lendenwirbelsäule, Finite Elemente, Operationsverfahren


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Abstract

The success of a surgical treatment at the lumbar spine depends on several, often unknown, factors. Mechanical values are one possible unknown factor. During in vivo studies these values are often not measurable and their relevance during in vitro experiments is limited. The finite element method is a reproducible numerical method which allows to determine the mechanical influence of different surgical techniques a priori.

A finite element model of the lumbar spine has been created in this study. It was validated with existing values from in vivo and in vitro investigations and therefore makes the simulation of surgical techniques possible. Additionally, a method to estimate muscle forces was created. This method allows a more realistic loading of the model than usual.

In this study, the model was used to simulate decompressional procedures to release the spinal cord and fusional techniques to regain lumbar stability. The influence of variations in model and surgical parameters on the mechanical behaviour was determined. In particular, the effects of ligament stiffness, the degree of decompression and different bone graft characteristics was determined.

The results extend biomechanical knowledge about the spine and reveal the influence of important surgical parameters.

Keywords: biomechanics, lumbar spine, finite elements, operational techniques

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04.08.2004