Entwicklung eines in vitro- und Finite-Element-Modells (FE-Modells) für biomechanische Skolioseuntersuchungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit Hilfe von Kalbspräparaten wurde ein In-vitro-Skoliosemodell entwickelt. Hierzu wurden die Bandscheiben und Wirbelkörper thorakolumbaler Kalbswirbelsäulen so modifiziert, dass eine rechts thorakolumbale C-förmige Skoliose mit einem Cobb-Winkel > 40° entstand. Mit Hilfe dieses Modells wurden rigide und dynamische Implantat-Konfigurationen biomechanisch getestet. So konnte an einem rigiden Implantat gezeigt werden, dass das Modell funktioniert und sich die Krümmung korrigieren lässt. Messungen mit einem dynamischen Implantat haben ergeben, dass diese Implantate erwartungsgemäß mehr Bewegung zulassen und bei entsprechender Anwendung eine sichtbare Korrekturwirkung erzielen können. Weiter wurde ein Finite-Elemente-Modell der humanen Brust- und Lendenwirbelsäule entwickeln. Die spezifische Geometrie wird basierend auf wenigen Parametern algorithmisch generiert. Bei diesen Parametern kann es sich z.B. um die Wirbelkörperhöhen handeln, die sich leicht aus lateralen Röntgenaufnahmen gewinnen lassen. Ein Satz nichtlinearer Regressionsgleichungen stellt den Zusammenhang zwischen Eingabeparametern und weiteren benötigten anatomischen Längen- und Winkelmaßen her. Dieses parametrische Modell bietet die Möglichkeit zur Untersuchung nahezu beliebiger gesunder als auch pathologisch veränderter morphologischer Varianten der Wirbelsäule. In einer ersten probabilistischen Studie konnten wir zum einen die Sensitivität des Modells bezüglich einzelner Geometrieparameter als auch die zu erwartende Vorhersageunsicherheit quantifizieren. Diese Ergebnisse werden uns bei der weiteren Kalibrierung und der gezielten Validierung des Modells helfen. In Zukunft wird das Modell den Vergleich verschiedener Skoliose-Behandlungen und deren Optimierung ermöglichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- A new approach for generating geometrically parameterized models of the human thoracic and lumbar spine for scoliosis research. 15th Workshop on the Finite Element Method in Biomedical Engineering, Biomechanics and Related Fields. Proceedings of the 15th FEM Workshop; 2008 16-17. July; Ulm; 2008. p. 34-40
Kunkel ME, Schmidt H, Wilke HJ
- Time efficient 3D reconstruction of the thoracic and lumbar vertebrae using the posterior height of the vertebral bodies from conventional lateral radiography. 4 Deutscher Wirbelsäulenkongress, Jahrestagung der Deutschen Wirbelsäulengesellschaft; 2009 10.-12. Dezember; München: Eur Spine J; 2009. p. 1752
Kunkel ME, Schmidt H, Wilke HJ
- A new regression model for predicting thoracic and lumbar vertebral morphometry. 17th Congress of the European Society of Biomechanics (ESB). Edinburgh, UK, 2010
Kunkel ME, Schmidt H, Wilke HJ
- Anatomical and radiographic study on the relationships between intervertebral disc and vertebral body measurements in the thoracic spine. 5 Deutscher Wirbelsäulenkongress, Jahrestagung der Deutschen Wirbelsäulengesellschaft; 2010 16.-18. Dezember; Bremen: Eur Spine J; 2010. p. 2003
Kunkel ME, Herkommer A, Wilke HJ
- Predicting the anatomical dimensions of the thoracic and lumbar articular factes on the basis of vertebral body height from conventional radiographs. 5 Deutscher Wirbelsäulenkongress, Jahrestagung der Deutschen Wirbelsäulengesellschaft; 2010 16.-18. Dezember; Bremen: Eur Spine J; 2010. p. 2003-2004
Kunkel ME, Schmidt H, Wilke HJ
- Prediction equations for human thoracic and lumbar vertebral morphometry. J Anat 2010;216:320-8
Kunkel ME, Schmidt H, Wilke HJ
- Einfluss der Thielfixierung an Wirbelsäulensegmenten. 7 Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomechanik; 2011 19.- 21.05.2011; Murnau; 2011. p. 100-101
Wilke HJ, Werner K, Häußler K, Reinehr M, Böckers TM
- Morphometric analysis of the relationships between intervertebral disc and vertebral body heights: an anatomical and radiographic study of the human thoracic spine. J Anat 2011;219:375-87
Kunkel ME, Herkommer A, Reinehr M, et al.
- Prediction of the human thoracic and lumbar articular facet joint morphometry from radiographic images. J Anat 2011;218:191-201
Kunkel ME, Schmidt H, Wilke HJ
- Thiel-fixation preserves the non-linear load-deformation characteristic of spinal motion segments, but increases their flexibility. J Mech Behav Biomed Mater 2011;4:2133-7
Wilke HJ, Werner K, Haussler K, et al.
- Flexibilität von Wirbelsäulenpräparaten gewährleisten. Orthopädische Nachrichten 2012; 11:13-14
Wilke HJ, Werner K, Böckers TM
- Geometry strongly influences the response of numerical models of the lumbar spine--a probabilistic finite element analysis. J Biomech 2012;45:1414-23
Niemeyer F, Wilke HJ, Schmidt H
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2012.02.021) - The impact of uncertain geometry parameters on the reliability of numerical simulations of the lumbar spine. 18th Congress of the European Society of Biomechanics; 2012 01.-04.07.2012; Lisbon; 2012
Niemeyer F, Wilke HJ, Schmidt H
- The influence of uncertain anatomical parameters on the response of finite element models of the human lumbar spine. 10th International Symposium on Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering; 2012 11.-14.04.2012; Berlin; 2012
Niemeyer F, Wilke HJ, Schmidt H
- Thiel-fixation preserves the nonlinear load-deformation characteristic of spinal motion segments, but increases their flexibility. 18th Congress of the European Society of Biomechanics (ESB). Lisbon, Portugal: J Biomech, 2012. p. S592
Wilke HJ, Werner K, Häussler K, Reinehr M, Böckers TM
- Which influence has the fixation according to thiel to the flexibility of the spinal motion segments. 7. Deutscher Wirbelsäulenkongress, Jahrestagung der Deutschen Wirbelsäulengesellschaft; 2012 6.-8. Dezember; Stuttgart; Eur Spine J; 2012. p. 2337
Wilke HJ, Werner K, Häussler K, Reinehr M, Böckers TM
- InstantSpine: An Open Source Spine Model Generator. 18th International Symposium on Computational Biomechanics in Ulm; 2013 13.- 14.05.2013; Ulm; 2013
Niemeyer F, Schmidt H, Ignatius A, Wilke HJ
