Biomechanical investigation of posterior dynamic stabilization systems of the lumbar spine

  • Biomechanische Untersuchung von posterioren dynamischen Stabilisierungssystemen der lumbalen Wirbelsäule

Beckmann, Agnes; Markert, Bernd (Thesis advisor); Morlock, Michael (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Report. IAM, Institute of General Mechanics 10
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

In vitro Tests sind eine aktuelle Methode für die Evaluierung des biomechanischen Verhaltens von instrumentierten Kadaverwirbelsäulen. Da das Verhalten einiger biologischer und Implantatsmaterialien – z.B. Polycarbonat Urethan – von Temperatur, Feuchtigkeit und Belastungsraten beeinflusst wird, ist das erste Ziel dieser Arbeit die Entwicklung eines Prüfstandes mit integrierter Klimakammer. Posteriore dynamische Stabilisierungssyteme (PDSS) sollten eine angemessene Flexibilität aufweisen, dabei jedoch den zyklischen Belastungen im Körper standhalten. Derzeit werden Fälle von Ermüdungsbruch von Polyetheretherketon (PEEK)-Implantaten in klinischen Fachkreisendiskutiert. Darauf basierend ist die zweite Zielsetzung die Entwicklung eines Finiten Elemente (FE) Modells, um die Lastwechselzahl von PEEK-basierten PDSS vorherzusagen. Da eine günstige sagittale Balance das Ergebnis von Versteifungsoperationen verbessert, kann der Operateur den Lordosewinkel manuell durch eine dorsale Kompression korrigieren. Daher ist das dritte Ziel die Untersuchung des Effekts der dorsalen Kompression von instrumentierten lumbalen Wirbelsäulen mittels der FE Methode. Für diese Doktorarbeit wurde ein neuartiger Wirbelsäulenprüfstand entwickelt. Dieser enthält eine Klimakammer und ermöglicht das Belasten von multisegmentalen Kadaverwirbelsäulen mit reinen Momenten in Flexion-Extension, lateraler Biegung und axialer Rotation. Insgesamt werden drei in vitro Studien über instrumentierte Wirbelsäulen mit dem PEEK-basiertem BalanC PDSS, dem PCU-basiertem Transition PDSS und dem PCU-basiertem MOVE-P PDSS durchgeführt und evaluiert. Zusätzlich werden zwei Studien für die Kalibrierung von FE Modellen von PEEK und PCU durchgeführt. Auf diesen experimentellen Ergebnissen basierend, werden mittels FE Methoden ein natives und zwei instrumentierte Wirbelsäulenmodelle erstellt und validiert. Mit den instrumentierten Wirbelsäulenmodellen werden die Lastwechselzahl des BalanC PDSS und der Effekt der dorsalen Kompression mit dem Transition PDSS evaluiert. Die experimentellen Ergebnisse der BalanC Studie zeigen, dass das BalanC PDSS den Bewegungsumfang der instrumentierten Segmente reduziert, mit der Ausnahme der axialen Rotation von L3-L4. Das Transition und MOVE-P PDSS stabilisieren die Segmente in einem ähnlichen Ausmaß, obwohl der Flexion-Extensions Bewegungsumfang mit dem Transition PDSS stärker reduziert wird, während die axiale Rotiontion mit dem MOVE-P PDSS stärker reduziert wird. Die Prognose der Lastwechselzahl von dem BalanC PDSS beläuft sich auf 16.7·10^6 Zyklen, was einer Einsatzzeit von ca. 2 Jahren entspricht. Die Simulationen der Lordosewinkelkorrekturen ergeben, dass eine dorsale Kompression von 1 mm zu einem spannungsfreiem Implantat von stehenden Patienten führt.

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