Biomechanik der Wirbelsäule

Rückenschmerz ist die erstgenannte Volkskrankheit Deutschlands. Die Lebenszeitprävalenz von akuten Rückenschmerzen liegt bei etwa 70%. Die Prävalenz chronischer Rückenschmerzen wird mit 8 bis 21% angegeben. Das Julius Wolff Institut forscht, um Schmerzursachen vorzubeugen und die Schmerzbehandlung weiter zu optimieren.

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Finite Elemente Modelle

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.

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.