Der Einfluss der Spongiosadichte auf das Load-Sharing der Lendenwirbelsäule. Eine Finite-Elemente-Analyse

 

 Buy Article Permissions and Reprints

Zusammenfassung.

Fragestellung: Obwohl bekannt ist, dass ventrale und dorsale Anteile der Wirbelsäule unterschiedliche Funktionen erfüllen, existieren wenig aktuelle Hinweise über den exakten Kraftfluss in der Lendenwirbelsäule. Ziel dieser Arbeit war es, die Analyse des Load-Sharings der Lendenwirbelsäule und die Beeinflussung dieses Prinzips durch die Knochenqualität der Wirbelkörperspongiosa zu untersuchen. Methode: In einem Finite-Elemente-Modell eines humanen Segmentes L3/4 wurden das Load-Sharing-Prinzip der Lendenwirbelsäule und der Einfluss unterschiedlicher Spongiosaqualität auf die Belastungszonen der Wirbelsäule untersucht. Das Finite-Elemente-Modell wurde erstellt mit der Software ANSYS 5.4 und das Modell durch biomechanische Vergleichsmessungen validiert. Danach wurde das Load-Sharing in Kompression (600 N) bei 6 Finite-Elemente-Modellen, die sich nur durch den E-Modul der Wirbelkörperspongiosa unterschieden, bestimmt. Ergebnisse: Mit abnehmender Spongiosadichte steigt der Anteil der Kraft durch den dorsalen Abschnitt an und der Anteil der Kraft, die durch den ventralen Teil der Wirbelsäule neutralisiert wird, nimmt ab. Schlussfolgerung: Die Lastteilung zwischen dem ventralen und dorsalen Anteil der Lendenwirbelsäule ist abhängig von der Dichte der Wirbelkörperspongiosa. Eine Reduktion der Spongiosadichte führt zu einer vermehrten Belastung der dorsalen Anteile der Lendenwirbelsäule. Unter Berücksichtigung verschiedener Vereinfachungen des Modells können diese Ergebnisse in den klinischen Bereich übertragen werden.

Objective: Different parts of the human spine have to accomplish different functions. But little is known about the exact distribution of forces within the spine and whether this is influenced by bone quality. The purpose of this study was to predict fields and extent of greatest load in compression in a human lumbar spine motion segment using a finite element model. Methods: A threedimensional isothrophic finite element model was generated using the software ANSYS 5.4. Spinal loading was performed in axial compression (600 N). The model was validated by biomechanical analysis using 12 human spinal segments that were loaded with the same forces. Prediction was done with different E-modulus for cancellous bone, representing a wide range of bone quality between osteoporotic and strong bone quality. Results: Load-sharing was influenced by bone quality: the weaker bone quality is, the higher is the extent of load that is passed through the posterior part of the spine. Conclusion: This finite element model predicts that load-sharing in a lumbar spine segment with decreased bone mineral density is different from that in healthy segments. A decrease of bone mineral density is resulting in an increase of load that is passed through the posterior part of the lumbar spine. Keeping in mind the simplifications of this model, the results may influence surgical treatment of patients suffering from osteoporosis or osteolytic destructions of the lumbar spine.

Literatur

• 01 Acaroglu  E R, Iatridis  J C, Setton  L A, Foster  R J, Mow  V C, Weidenbaum  M. Degeneration and aging affect the tensile behaviour of human lumbar disc.  Spine. 1995;;  20 2690-2701
  Google Scholar
• 02 Adams  M A. Spine Update. Mechanical testing of the spine. An appraisal of methodology, results and conclusions.  Spine. 1995;;  20 2151-2156
  Google Scholar
• 03 Anderson  G BJ, Bostrom  P G, Eyre  D R, Glaser  D L, Hu  S S, Lane  J M, Melton  L J, Myers  E R, Seeger  L L, Weinstein  J N. Conensus summary on the diagnosis and treatment of osteoporosis.  Spine. 1997;;  22 63s-65s
  Google Scholar
• 04 Andresen  R, Radmer  S, Banzer  D. Sone mineral density and spongiosa architecture in correlation to vertebral body fracture.  Acta Radiol. 1998;;  39 538-542
  Google Scholar
• 05 Antonacci  M D, Hanson  D S, Leblanc  A, Heggeness  M H. Regional Variation in vertebral bone density and trabecular architecture are influenced by osteoarthritic change and osteoporosis.  Spine. 1997;;  22 2393-2402
  Google Scholar
• 06 Caspar  W, Papavero  L, Sayler  M K, Harkey  H L. Precise and limited decompression for lumbar spinal stenosis.  Acta Neurochir. 1994;;  191 130-136
  Google Scholar
• 07 Dambacher  M A, Olah  A J, Maurer  H, Gampp  R, Rüegsegger  P. Pathogenese, Prophylaxe und Therapie der Steroid-Osteoporose.  Z Orthop. 1990;;  128 234-239
  Google Scholar
• 08 Dolan  P, Farley  M, Adams  M A. Bending and compressive stresses acting on the lumbar spine during lifting activities.  J Siomech. 1994;;  27 1237-1248
  Google Scholar
• 09 Glaser  D L, Kaplan  F S. Osteoporosis.  Spine. 1997;;  22 12s-16s
  Google Scholar
• 10 Goel  V K, Monroe  B T, Gilbertson  L G, Brinkmann  P. lnterlaminar shear stresses and lamina separation in a disc. Finite element analysis of the L3 - L4 motion segment subjected to axial compressive loads.  Spine. 1995;;  20 689-698
  PubMedGoogle Scholar
• 11 Goel  V K, Gilbertson  L G. Applications of the finite element method to the thoracolumbar spinal research-past, present and future.  Spine. 1995;;  20 1719-1727
  PubMedGoogle Scholar
• 12 Goel  V K, Clausen  J D. Prediction of load sharing among spinal components of a C5 - C6 motion segment using the finite element approach.  Spine. 1998;;  23 684-691
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 13 Harms  J. Screw-threaded rod system in spinal fusion surgery. State of the art reviews. Philadelphia,; SPINE: Hanley & Belfus, Inc. 1992; 6: 3
  Google Scholar
• 14 Huebener  K H, Bryom  T G. The finite element method for engineers. Wiley - Interscience Publication, New York; 1995:
  Google Scholar
• 15 Kummer  B. Biomechanische Aspekte zur Instabilität der Wirbelsäule. In: Fuchs Die instabile Wirbelsäule,. Thieme Verlag, Stuttgart; 1991: 8
  Google Scholar
• 16 Mosekilde  L, Mosekilde  L, Danielson  C C. Biomechanical competence of vertebral trabecular bone in relation to ash density and age in normal individuals.  Bone. 1987;;  8 79-85
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 17 Myers  E R, Wilson  S P. Biomechanics of osteoporosis and vertebral fractures.  Spine. 1997;;  22 25s-31s
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 18 Roy-Camille  R, Sailant  G, Mazel  G. Internal fixation of the lumbar spine with pedicle screw plating.  Clin Orthop. 1986;;  203 7-17
  PubMedGoogle Scholar
• 19 Schwittwalle  M, Eysel  P, Oberstein  A, Degreif  J, Kirkpatrik  C J. Bestimmung der Knochenqualität vor Wirbelsäuleninstrumentationen - Stellenwert verschiedener in vivo-Methoden.  Z Orthop. 1997;;  135 217-221
  PubMedGoogle Scholar
• 20 Shirazi-Adl  A, Ahmed  A M, Shrivastava  S C. A finite element study of a lumbar motion segmentsubjected to pure sagittal plane moments.  J Biomech. 1986;;  19 331-50
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 21 Silva  M J, Wang  C, Keaveny  T M, Hayes  W C. Direct and computed tomography thickness measurements of the human lumbar vertebral shell and endplate.  Bone. 1994;;  15 409-414
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 22 Silva  M J, Keaveny  T M, Hayes  W C. Load sharing between the shell and centrum in the lumbar vertebral body.  Spine. 1997;;  22 140-150
  CrossrefPubMedGoogle Scholar
• 23 von Strempel  A, Kühle  J, Plitz  W. Stabilität von Pedikelschrauben. Teil 2: Maximale Auszugskräfte unter Berücksichtigung der Knochendichte.  Z Orthop. 1994;;  132 82-86
  PubMedGoogle Scholar
• 24 Whitesides  T R. Traumatic Kyphosis of the thoracolumbar spine.  Clin Orthop. 1977;;  128 78-92
  PubMedGoogle Scholar

Dr. med. T. Pitzen

Neurochirurgische KlinikUniversitätskliniken des Saarlandes

66421 Homburg/Saar