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- Original title:
- Die Wirbelsäulensegment-Steifigkeit
- Original subtitle:
- Biomechanische in vitro Untersuchungen
- Translated title:
- The stiffness of Spinal Functional Units
- Translated subtitle:
- A biomechanical in Vitro Investigation
- Author:
- Schreiber, Ulrich
- Year:
- 2004
- Document type:
- Dissertation
- Faculty/School:
- Fakultät für Maschinenwesen
- Advisor:
- Gradinger, Reiner (Prof. Dr. Dr. habil.)
- Referee:
- Gradinger, Reiner (Prof. Dr.); Heinzl, Joachim (Prof. Dr.)
- Format:
- Text
- Language:
- de
- Subject group:
- FEI Feinwerktechnik, Medizintechnik, Technische Optik, Reprographietechnik
- Keywords:
- Wirbelsäule; Biomechanik; in vitro; Versuchstand; Implantat; Wirbelkörperersatz
- Translated keywords:
- spine; biomechanics; in vitro; testing jig; implant; vertebral replacement
- Controlled terms:
- Wirbelsäulenverletzung; Implantat; Stabilität; Modell
- TUM classification:
- FEI 340d
- Abstract:
- Diese Arbeit leistet einen Beitrag zum verbesserten Verständnis der biomechanischen Eigenschaften von Implantatsystemen im Bereich des thorakolumbalen Überganges. Es wird die Konstruktion eines neuartigen Wirbelsäulenprüfstandes beschrieben, mit dem nach eingehender Validierung zum einen grundlegende Fragestellungen, wie sie für die Testung von biologischen Material von entscheidender Bedeutung sind, behandelt werden und des weiteren Implantatsysteme auf ihren biomechanischen Einfluss hin untersucht wurden. Dorsale (SOCON, Aesculap AG & Co. KG, Tuttlingen) und antero-laterale (macsTL, Aesculap) Implantate, wie sie in dieser Arbeit untersucht wurden, dienen der Rekonstruktion der anatomisch-physiologischen Verhältnisse sowie der Dekomprimierung und sollen dem betroffenen Wirbelsäulenabschnitt die nötige Stabilität liefern. Je nach Indikation haben diese Implantate die Aufgabe, dauerhaft oder lediglich bis zu einer knöchernen Konsolidierung von bis zu 12 Monaten postoperativ eine Immobilisation des geschädigten Wirbelsäulenabschnittes sicherzustellen. Wirbelkörperersatz-Implantate werden bei größeren Defektüberbrückung den autologen Knochenspänen vorgezogen und unterstützen durch ihre rigide Eigenschaft eine nachhaltige Rekonstruktionsposition. Ein derartiger Wirbelkörperersatz (GHG, ESKA Implants, Lübeck), wie er im Rahmen dieser Arbeit eingesetzt wurde, hat seinen Einsatzbereich in der Tumorbehandlung nach komplett Korporektomien. Die Aufgabe der vorliegenden Arbeit war es, mit einem Wirbelsäulenprüfstand die biomechanische Wirkungsweise der oben beschriebenen Implantate zu untersuchen. Anhand der zu erzielenden Stabilisierung sollen dem Wirbelsäulenchirurgen Anhaltspunkte für die aus biomechanischer Sicht gangbare operativen Eingriffe gegeben werden können. Neben der Simulation von Verletzungsmustern im thorakolumbalen Übergang (A-Fraktur von L1, mono- und bisegmental; B-Fraktur bisegmental) an humanen Wirbelsäulenabschnitten (T12-L2), welche zur besseren Reproduzierbarkeit von einem erfahrenen Wirbelsäulenchirurgen durchgeführt, wurde auch ein operativ radikaler Tumoreingriff einer kompletten Korporektomie (L2) an bovinen Präparaten (L1-L3) nachgestellt. Anhand des entwickelten Wirbelsäulenprüfstandes war es möglich, quasiphysiologische Belastungen (±7,5 Nm wechselnde Momentenbelastung bei ±20,0 N wechselnder axialer Last) an kurzstreckigen Wirbelsäulenabschnitten zu erzeugen. Es wurde dabei zur Reduktion von unwägbaren Randbedingungen bewusst auf die Simulation von Muskelkräften und axialer Kompressionskraft verzichtet und die Belastungen auf die in der Literatur vielfach beschriebenen Hauptbewegungsebenen (sagittal, frontal und transversal) beschränkt. Der Vergleich der prä- und postoperativen Bewegungsmuster (maximaler Bewegungsumfang [°], neutrale Zone [°], Translation [mm], absorbierte Arbeit [Nm°]) wurde durch ein optisches, berührungsloses 3D-Bewegungsanalysesystem (SimiMotion, Oberschleißheim) ermöglicht. Mittels zwei digitaler Kameras wurde die interkorporelle Bewegung durch an den Wirbeln angebrachte Pinmarker verfolgt und mit den Belastungsdaten synchronisiert. Der Vergleich der erhaltenen Daten mit Literaturangaben von Wirbelsäulenprüfständen anderer Forschungsgruppen erlaubte eine Validierung des eigenen Wirbelsäulenprüfstandes. Es konnte eine gute Korrelation der eigenen Ergebnisse zu Versuchsergebnissen, die mittels reinen Moment-Belastungsprüfständen erzeugt wurden, festgestellt werden. Eine Überprüfung des Einflusses von Tiefkühllagerung (-18°C) und Variation der axialen Belastungskomponente (±16,3 N, ±20,0 N und ±32,6 N) auf die Bewegungsmuster erfolgte in gesonderten Versuchsreihen. Die Ergebnisse ließen den Schluss zu, dass zum einen die stattgefundene Dehydrierung der Präparate durch die Lagerung und Handhabung einen großen Einfluss auf deren biomechanische Verhalten hatte und zum anderen die Höhe der axialen Last, wie sie durch diesen Prüfstand erzeugt wurden, keinen Einfluss hatte. Die disco-ligamentären Strukturen verloren ihre Elastizität durch die Tiefkühllagerung und längerer Exposition an Luft, was anhand von Kriechversuchen belegt werden konnte. Jedoch wurden die Fasern der Weichteile durch zyklische Belastungen geschädigt und erlaubten somit einen höheren Bewegungsumfang. Der Zuwachs der neutralen Zone ging damit einher. Deshalb ist es bei derartigen, vergleichenden Untersuchungen erforderlich, die Versuche im gleichen Lagerungsintervall und somit unter gleichen Randbedingungen durchzuführen. In einer weiteren Versuchsreihe, in der eine Bewegungsanalyse von mehreren Belastungszyklen (bis zu 10 Zyklen) durchgeführt wurde, ergab sich ein leichter, asymptotischer Anstieg des Bewegungsumfanges in allen Hauptbewegungsebenen. Diese Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass Setzvorgänge innerhalb des Wirbelsäulenprüfstandes sehr gering sind. Die Einflüsse unterschiedlicher operativer Wirbelsäulenfusionen auf die Biomechanik wurde in zwei unterschiedlichen Versuchsreihen untersucht. Mit der bovinen Versuchsreihe konnte gezeigt werden, dass der schwerwiegende Defekt, den die komplette Korporektomie darstellt, nur mittels der kombinierten dorso-ventralen Stabilisierung, in Zusammenhang mit dem Wirbelkörperersatz (GHG) sicher ruhiggestellt werden konnte. Lediglich in dieser Konfiguration konnte auch die als "worst case" zu bezeichnende axiale Rotation auf ein Minimum reduziert werden. Sowohl die reine ventrale Versorgung mit den an die anatomischen Verhältnissen angepassten Wirbelkörperersatz, als auch der in situ zusätzlich verspannte Wirbelkörperersatz konnten die axialen Rotation gegenüber dem intakten Zustand nicht einschränken. Die alleinige transpedikuläre Versorgung gewährleistete in axialer Torsionsbelastung keine ausreichende Stabilisierung, so dass es zum Verkippen des Wirbelkörperersatzes kam. Die Fragestellung der Auswirkung auf die Biomechanik bei einem in situ gegen die Endplatten verspannten Implantat ergab, dass eine nur geringe Bewegungsreduktion in allen Ebenen zu verzeichnen war. Die zweite Versuchreihe zur Wirbelsäulenfusion, durchgeführt mit humanen Präparaten zeigte, dass im Fall einer monosegmentalen A-Fraktur eine Stabilisierung mit einem trikortikalen autologen Knochenspan in Kombination mit dem antero-lateralen Implantat eine für alle Bewegungsrichtungen ausreichende Primärstabilität erreicht werden konnte. Bei einer ausgedehnten A-Fraktur, die bisegmental mit einem antero-lateralen System versorgt wurde, zeigte sich, dass der Defekt zwar für die Flexions-/Extensions- sowie Seitneigung ausreichend stabilisiert, jedoch die axiale Rotation gegenüber der präoperativen Situation nicht erreicht werden konnte. Im Fall einer B-Fraktur, d.h. Durchtrennung der Ligamente Inter- und Supraspinalia und zusätzlich des Zwischenwirbelgelenkes zwischen T12 und L1, vergrößerten sich die interkorporellen Bewegungsumfänge gegenüber der in gleicher Art und Weise versorgten bisegmentalen A-Fraktur. Aber auch hier wurde eine Ruhigstellung des Defektes durch das verwendete antero-laterale Implantat ausschließlich in der Sagittal- und Frontalebene erreicht. Versah man diese Defektsituation mit der klinisch allgemein praktizierten kombinierten dorso-ventralen Versorgung, so erreichte man in allen Bewegungsebenen ein gegenüber der intakten Situation rigideres Konstrukt. Der direkte Vergleich einer rein dorsalen vs. einer rein ventralen Instrumentierung im Falle einer B-Fraktur zeigte, dass das getestete dorsale Implantat (SOCON) dem ventralen Implantat (macsTL) in Hinblick auf Ruhigstellung der defekten Segmente überlegen war. Mit den gewonnen Erkenntnissen ist es möglich, biomechanische Aspekte der Wirkungsweise von Implantatsystemen und deren Operationstechniken näher zu analysieren. Entwicklungsbegleitend können so zukünftige Produkte schon vor der klinischen Anwendung auf ihre Praktikabilität hin geprüft werden. Durch die Richtlinien der Europäischen Wirtschaftsgemeinschaft (CE-Kennzeichnungspflicht, 93/42/EWG) und dem am 14. Juni 1998 in Kraft getretenen deutschen Medizin Produkte Gesetz (MPG) sind die Firmen verpflichtet, neben den in den diversen Normen vorgeschriebenen Prüfungen zum Teil auch weiterführende Untersuchungen vorzunehmen. Die hier dargestellten in vitro Versuche können die unmittelbar postoperative Situation wiedergeben, wobei die Limitation der Aussagefähigkeit ist, dass biologische Zeitabläufe nicht nachgestellt werden können. Um eine Aussage über das Langzeitverhalten treffen zu können, sind daher weiterhin klinisch kontrollierte Patientenstudien notwendig.
- Translated abstract:
- Traumatic or degenerative disorders of the spine with neurologic symptoms induce the need of surgical treatment. Different implant systems enable the affected spine to be stabilized mechanically, in order to gain a biological, bony situation at last. Prior to clinical use the rigidity of new implants or surgical techniques the is a indicator of their effectiveness. This thesis describes the development of a special testing jig, which allows an in vitro validation of spinal implants for the thora... »
- Publication :
- Universitätsbibliothek der TU München
- WWW:
- https://mediatum.ub.tum.de/?id=601922
- Date of submission:
- 02.06.2004
- Oral examination:
- 08.12.2004
- File size:
- 9237997 bytes
- Pages:
- 146
- Urn (citeable URL):
- https://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:91-diss2004120818720
- Last change:
- 17.07.2007
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