Investigation of the mechanical regulation of lumbar inter-corporeal spinal fusion
Final Report Abstract
Die Degeneration der Bandscheibe zählt zu einer der häufigsten Ursachen von spezifischen Rückenschmerzen. Durch multiple Ursachen bedingt, kann es im Zuge der Degeneration zu Segmentinstabilitäten kommen. Die derzeit effektivste operative Therapie zur Behebung einer Instabilität ist die ventrale interkorporale Fusion, bei der mittels autogener Spongiosa augmentierte Cages die dauerhafte knöcherne Fusion eines oder mehrerer Wirbelsegmente erreicht werden soll. Eine der häufigsten Komplikationen der Fusion ist die Bildung einer Pseudarthrose, die mechanische (z.B. Instabilitäten, Überbeanspruchung, stress shielding) und biologische Ursachen (z.B. verminderte Vaskularisation) haben kann. Dies kann zu frühzeitigem Implantatversagen, Stabilitätsverlust oder Fehlstellungen des Implantats und Schmerzen führen, was für den Patienten zum Teil mit erheblichen Gesundheitsrisiken und der Notwendigkeit von Re-Operationen verbunden ist. Über die Abläufe der Knochenbildung während der interkorporalen Fusion ist bisher nur wenig bekannt. Das Hauptziel des beantragten Forschungsvorhabens lag darin, den Fusionsverlauf an der Lendenwirbelsäule näher zu beleuchten. Hierzu wurden parametrische Finite-Elemente-Modelle lumbaler Bewegungssegmente des Menschen und des Schafes entwickelt, in welchen Mechanik und Biologie des Fusionsprozesses interagieren. Diese Modelle wurden an zunächst validiert. Die Validierung am Menschen konnte aufgrund geringer Datenaquise und schlechter Bildqualität der uns zur Verfügung stehenden Röntgenbilder jedoch nur unzureichend durchgeführt werden. Die Modellergebnisse bleiben somit spekulativ. Die Modellvalidierung am Schaf hingegen zeigte sich vielversprechender und kann die operativen Eingriffe am Tier gut wiedergeben und Einzeleffekt erklären. Die Erkenntnisse aus dem Schafsmodell geben unter anderem Aufschluss über die Gründe, warum bei manchen Tieren der knöcherne Durchbauungsprozess sehr lange dauert bzw. der Fusionsprozess ganz und gar aussetzt. In Zukunft sollen mit diesen Modellen Cage-Designs für die Lendenwirbelsäule optimiert werden, die den Zeitraum bis zur vollständigen knöchernen Fusion gegenüber bisher eingesetzten Implantaten deutlich verkürzen und die Verankerungsfestigkeit im Knochen erhöhen. Dadurch soll das Risiko von Pseudarthrosen gesenkt und die mit Revisionsoperationen verbundenen Krankheitskosten reduziert werden.
Publications
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Differences in 3D vs. 2D analysis in lumbar spinal fusion simulations. Journal of Biomechanics 72 (2018) , 262-267
Hsu H-W, Bashkuev M, Pumberger M, Schmidt H
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Is the sheep a suitable model to study the mechanical alterations of disc degeneration in humans? A probabilistic finite element model study. Journal of Biomechanics 84 (2019) 172–182
Bashkuev M, Reitmaier S, Schmidt H
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Is the sheep a suitable model to study the mechanical alterations of disc degeneration in humans? A probabilistic finite element model study. Julius Wolff Institute, Berlin, Germany, July 4–6, 2019, Journal of Biomechanics 84 (2019) 172–182
Bashkuev M, Reitmaier S, Schmidt H
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Numerical simulations of bone remodelling and formation following nucleotomy. Journal of Biomechanics 88 (2019) 138–147
Andrea Calvo-Echenique, Maxim Bashkuev, Sandra Reitmaier, Amaya Pérez-del Palomar, Hendrik Schmidt
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Review article on spine kinematics of quadrupeds and bipeds during walking. 2nd International workshop on spinal loading and deformation. Julius Wolff Institute, Berlin, Germany, July 4–6, 2019, Journal of Biomechanics 102 (2020):109631
Reitmaier S
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In vivo hip and lumbar spine implant loads during activities in forward bent postures. Journal of Biomechanics 102 (2020) 109517
Damm P, Reitmaier S, Hahn S, Waldheim V, Firouzabadi A, Schmidt H
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In vivo hip and lumbar spine implant loads during activities in forward bent postures. Julius Wolff Institute, Berlin, Germany, July 4–6, 2019, Journal of Biomechanics 102 (2020) 109517
Damm P
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Internal load-sharing in the human passive lumbar spine: Review of in vitro and finite element model studies. 2nd International workshop on spinal loading and deformation. Julius Wolff Institute, Berlin, Germany, July 4–6, 2019, Journal of Biomechanics 102 (2020) 109441
Ghezelbash F
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Relationship between intervertebral disc and facet joint degeneration: A probabilistic finite element model study. Journal of Biomechanics 102 (2020) 109518
Bashkuev M, Checa S, Postigo S, Duda G, Schmidt H
