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Entwicklung von vorwärtsdynamischen Mehrkörper-Modellen individueller Patientenwirbelsäulen zur prä- und postoperativen Belastungsanalyse auf der Basis von klinischen CT-Daten

  • Degenerative Veränderungen der Wirbelsäule sowie Rückenschmerzen können als Volkskrankheit betrachtet werden. Ein falsches Belasten der lumbalen Rückenstrukturen wird häufig als einer der Faktoren angesehen, die degenerative Prozesse beschleunigen können, was zu Rückenschmerzen führt. Eine degenerative Veränderung kann bspw. das Auftreten einer Spinalkanalstenose in Folge von Wirbelgleiten sein. Die chirurgische Behandlung der Spinalstenose konzentriert sich hauptsächlich auf die Dekompression des Spinalkanals mit oder ohne zusätzliche Fusion mittels dorsaler Spondylodese. Dabei gibt es unterschiedliche Meinungen darüber, ob eine Fusion zusammen mit der Dekompression einen potenziellen Nutzen für Patienten hat oder eine Überbehandlung darstellt. Konventionelle Therapien als auch chirurgische Methoden zielen darauf ab, eine “gesunde” (oder zumindest schmerzfreie) Lastverteilung wiederherzustellen. Dementgegen ist überraschend wenig über die interindividuelle Variabilität der Lastverteilung in “gesunden” Lendenwirbelsäulen bekannt. Da medizinische Bildgebungen keine Informationen über innere Kräfte liefern, könnte die Computersimulation individueller Patienten ein Instrument sein, um eine Reihe neuer Entscheidungskriterien für diese Fälle zu gewinnen. Der Vorteil liegt dabei in der Berechnung der inneren Belastungsverteilung, was zum Beispiel in in-vivo Untersuchungen nicht möglich ist, da Messungen der inneren Kräfte am lebenden Menschen ethisch sowie teilweise auch technisch nicht umsetzbar sind. In der vorliegenden Forschungsarbeit wurde der vorwärtsdynamische Ansatz zu Berechnung der Belastungsverteilung in Mehrkörper-Modellen von individuellen Lendenwirbelsäulen verwendet. Die Arbeit gliedert sich dabei in drei Teile: (I) Zum einen wird die Belastungsverteilung in Abhängigkeit der individuellen Krümmung der Lendenwirbelsäule quantifiziert. (II) Des Weiteren werden Konfidenzbereiche des zeitlichen Verlaufs von Drehzentren bestimmt, mit welchen das Bewegungsverhalten von gesunden Lendenwirbelsäulen beschrieben werden kann. (III) Drittens werden die Auswirkungen von Dekompressionsoperationen auf die Belastungsverteilung von Lendenwirbelsäulen bestimmt.
  • Degenerative changes in the spine as well as back pain can be considered a common ailment. Incorrect loading of the lumbar spine structures is often considered as one of the factors that can accelerate degenerative processes, leading to back pain. For example, a degenerative change could be the occurrence of spinal stenosis following spondylolisthesis. Surgical treatment of spinal stenosis mainly focuses on decompressing the spinal canal with or without additional fusion through dorsal spondylodesis. There are differing opinions on whether fusion along with decompression provides potential benefits to patients or represents an overtreatment. Both conventional therapies and surgical methods aim to restore a “healthy” (or at least pain-free) distribution of load. Surprisingly little is known about the interindividual variability of load distribution in “healthy” lumbar spines. Since medical imaging does not provide information on internal forces, computer simulation of individual patients could be a tool to gain a set of new decision criteria for these cases. The advantage lies in calculating the internal load distribution, which is not feasible in in-vivo studies, as measurements of internal forces in living subjects are ethically and partially technically unfeasible. In the present research, the forward dynamic approach is used to calculate load distribution in multi-body models of individual lumbar spines. The work is structured into three parts: (I) Load distribution is quantified depending on the individual curvature of the lumbar spine. (II) Confidence intervals of the instantaneous center of rotation over time are determined, with which the motion behavior of healthy lumbar spines can be described. (III) Lastly, the effects of decompression surgeries on the load distribution of lumbar spines are determined.

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Metadaten
Author:Andreas Müller
URN:urn:nbn:de:hbz:kob7-24804
Referee:Karin Gruber, Ameet Aiyangar
Advisor:Karin Gruber, Ameet Aiyangar
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of completion:2024/06/21
Date of publication:2024/06/28
Publishing institution:Universität Koblenz, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz, Fachbereich 3
Date of final exam:2024/06/13
Release Date:2024/06/28
Tag:Biomechanik; Computersimulation; Modellierung; Wirbelsäule
Biomechanics
Number of pages:xvii, 152
Institutes:Fachbereich 3 / Institut für Sportwissenschaft
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 50 Naturwissenschaften / 500 Naturwissenschaften und Mathematik
BKL-Classification:30 Naturwissenschaften allgemein
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG