Ein validiertes Finite-Elemente-Modell der menschlichen Halswirbelsäule - Modellbeschreibung und erste Anwendung

Zusammenfassung.

Studienziel: der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Finite-Elemente-Modelles der menschlichen Halswirbelsäule und eine erste Anwendung des Modells durch vergleichende Analysen an Implantaten. Methode: Aus computertomographischen Daten wurde der Halswirbelsäulenabschnitt C4 - C7 mit dem Programm ANSYS 5.4 aufgearbeitet und ein dreidimensionales, anisotrophes, lineares Finite-Elemente-Modell C4 - C7 erstellt. Eine ventrale Fusion und Plattenosteosynthese mit mono- und bikortikalen Schrauben wurde chirurgisch korrekt simuliert. An allen Modellen wurde eine Belastung mit reinen Momenten von ± 2.5 Nm unter Flexion/Extension, Links-/Rechtsrotation und Links-/Rechtsseitneigung simuliert und der Bewegungsumfang im Bewegungsegment C5/6 errechnet. Die errechneten Werte wurden mit den Ergebnissen eines methodisch parallel durchgeführten In-vitro-Versuches verglichen. Ergebnisse: Für alle Bewegungsebenen aller Finite-Elemente-Modelle lagen die Ergebnisse immer innerhalb der einfachen Standardabweichung des In-vitro-Versuches. Schlussfolgerung: Unter Berücksichtigung der Grenzen von Finite-Elemente-Modellen kann dieses Modell für erste Analysen (Initialstabilität, äußere Form, Geometrie) an neuen Implantaten für die Halswirbelsäule Anwendung finden.

Aim: To generate a finite-element model of the human cervical spine and evaluate the first application of the model to the analysis of new c-spine implants. Methods: CT-data were used to generate a three-dimensional, anisotrophic, linear model of the human C4 - C7 motion segments using the software ANSYS 5.4. As a next step, anterior cervical fusion and plate fixation using mono- and bicortical screws was simulated in the model. Loading of the finite-element models was simulated using pure moments of ± 2.5 Nm in flexion/extension, axial left/right rotation, and left/right lateral bending. The range of motion was calculated. The results were compared to the results of an in vitro study using human cadaveric c-spine segments C4 - C7, with the same implants and moments on both the intact and surgically treated specimens. Results: The results obtained by the finite-element model were always within one standard deviation of the results of the in vitro study. Conclusion: Keeping in mind the simplifications of such a mathematical model, it may be used for a first analysis of the shape of new c-spine implants or to predict the initial stability of a new device.

Schlüsselwörter:

Biomechanik - Halswirbelsäule - Computersimulation - lmplantate

Key words:

biomechanies - cervical spine - computer simulation - implants

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