Finite Elemente Modelle

Univ.-Prof. biol. hum. Hendrik Schmidt

Finite-Elemente-Modelle zur mechanischen Analyse biologischer Strukturen sind unabhängig von Patienten, unblutig und kommen ohne Präparate aus. Die Simulationsergebnisse sind reproduzierbar und es können einzelne Parameter unter Konstanthaltung aller anderen variiert werden. Berechenbare Ergebnisse sind vor allem die Deformationen und Spannungen in den Bandscheiben und Wirbeln sowie die Kräfte in den Facettengelenken und Bändern. Zudem ist auch die Betrachtung der angrenzenden Brustwirbelsäule und des Sakralbereichs zur umfassenden Untersuchung von Becken und Wirbelsäule nötig.

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Modell der Lendenwirbelsäule

Das aktuelle Modell der Lendenwirbelsäule enthält die fünf Lendenwirbel, die vier dazwischen liegenden Bandscheiben sowie die lumbosakrale Bandscheibe. Weiterhin sind alle Bänder und die Facettengelenke modelliert. Es ist ein Modell zu Simulation statischer Körperpositionen. Insgesamt besteht das Modell aus etwa 60.000 Elementen mit insgesamt etwa 200.000 Knotenpunkten. Das Modell ist aufgrund der großen möglichen Verformungen, des meist progressiven Materialverhaltens der verschiedenen Strukturen und wegen des möglichen Kontakts in den Facettengelenken dreifach nichtlinear.

Modell der Brustwirbelsäule

Obwohl das Hauptaugenmerk der Wirbelsäulenforschung den Lendenbereich betrifft, ist auch die Betrachtung des Brustbereiches als der Bereich, von dem aus die Lasten in den Lendenbereich eingeleitet werden, nötig. Das Modell der Brustwirbelsäule besteht aus den zwölf Brustwirbeln, die als starre Körper modelliert wurden. Die Steifigkeiten der transvers isotrop modellierten Bandscheiben wurden so gewählt, dass die Rotationssteifigkeit des Modells in den anatomischen Hauptrichtungen mit und ohne Brustkorb experimentell ermittelten Daten entspricht. Die Rippen und das Sternum wurden als eindimensionale Balkenelemente modelliert. Der Brustkorb ist elastisch über die costotransversalen und costovertebralen Gelenke mit den Wirbeln verbunden. Die Facettengelenke sind mit Hilfe einer kinematischen Beziehung modelliert worden.

Gesamtmodell der Brust- und Lendenwirbelsäule mit Becken

Das Gesamtmodell, das aus dem Brustwirbelsäulenmodell und dem Lendenwirbelsäulemmodell zusammengesetzt ist und zusätzlich das Becken als Starrkörper für die Ansatzpunkte der Muskulatur enthält, ermöglicht es aufgrund der modellierten Muskelfasern physiologische Lasten zu simulieren. Weiterhin können multisegmentale Implantate in das Modell integriert werden.

Publikationen

2014
Comparison of eight published static finite element models of the intact lumbar spine: Predictive power of models improves when combined together.
M Dreischarf, T Zander, A Shirazi-Adl, CM Puttlitz, CJ Adam, CS Chen, VK Goel, A Kiapour, YH Kim, KM Labus, JP Little, WM Park, YH Wang, HJ Wilke, A Rohlmann, H Schmidt
Journal of Biomechanics 2014; DOI:10.1016/j.jbiomech.2014.04.002, 2.75 Impact Factor
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2013
Considerations when loading spinal finite element models with predicted muscle forces from inverse static analyses.

Zhu R, Zander T, Dreischarf M, Duda GN, Rohlmann A, Schmidt H
Journal of Biomechanics 2013 Apr 26;46(7):1376-8, 2.75 Impact Factor
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2012
Optimised in vitro applicable loads for the simulation of lateral bending in the lumbar spine.

Dreischarf M, Rohlmann A, Bergmann G, Zander T
Medical Engineering & Physics 2012 Jul;34(6):777-80, 1.84 Impact Factor
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2011
Optimised loads for the simulation of axial rotation in the lumbar spine.

Dreischarf M, Rohlmann A, Bergmann G, Zander T
Journal of Biomechanics 2011 Aug 11;44(12):2323-7, 2.75 Impact Factor
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Spinal muscles can create compressive follower loads in the lumbar spine in a neutral standing posture.
Han KS, Rohlmann A, Yang SJ, Kim BS, Lim TH
Medical Engineering & Physics 2011 May;33(4):472-8, 1.84 Impact Factor
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2010
A non-optimized follower load path may cause considerable intervertebral rotations.

Dreischarf M, Zander T, Bergmann G, Rohlmann A
Journal of Biomechanics 2010 Sep 17;43(13):2625-8, 2.75 Impact Factor
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2009
Applying a follower load delivers realistic results for simulating standing.

Rohlmann A, Zander T, Rao M, Bergmann G
Journal of Biomechanics 2009 Jul 22;42(10):1520-6, 2.75 Impact Factor
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Realistic loading conditions for upper body bending.
Rohlmann A, Zander T, Rao M, Bergmann G
Journal of Biomechanics 2009 May 11;42(7):884-90, 2.75 Impact Factor
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2006
Determination of trunk muscle forces for flexion and extension by using a validated finite element model of the lumbar spine and measured in vivo data.

Rohlmann A, Bauer L, Zander T, Bergmann G, Wilke HJ
Journal of Biomechanics 2006;39(6):981-9, 2.75 Impact Factor
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2001
Estimation of muscle forces in the lumbar spine during upper-body inclination.

Zander T, Rohlmann A, Calisse J, Bergmann G
Clin Biomech (Bristol, Avon). 2001;16 Suppl 1:S73-80, 1.88 Impact Factor
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1999
Estimation of trunk muscle forces using the finite element method and in vivo loads measured by telemeterized internal spinal fixation devices.

Calisse J, Rohlmann A, Bergmann G
Journal of Biomechanics 1999 Jul;32(7):727-31, 2.75 Impact Factor
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