Subscribe to RSS
DOI: 10.1055/s-2000-10107
Georg Thieme Verlag Stuttgart · New York
Der Einfluss der Spongiosadichte auf das Load-Sharing der Lendenwirbelsäule. Eine Finite-Elemente-Analyse
Influence of Cancellous Bone Quality on Load-Sharing in Human Lumbar Spine. A Finite Element Analysis.Publication History
Publication Date:
31 December 2000 (online)
![](https://www.thieme-connect.de/media/zfo/200001/lookinside/thumbnails/10.1055-s-2000-10107-1.jpg)
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.
Schlüsselwörter:
Wirbelsäule - Biomechanik - Finite-Elemente-Methode - Knochen - Osteoporose
Key words:
Spine - Biomechanics - Finite element method - bone - osteoporosis
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
- 02 Adams M A. Spine Update. Mechanical testing of the spine. An appraisal of methodology, results and conclusions. Spine. 1995;; 20 2151-2156
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 09 Glaser D L, Kaplan F S. Osteoporosis. Spine. 1997;; 22 12s-16s
- 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
- 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
- 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
-
13 Harms J. Screw-threaded rod system in spinal fusion surgery.
State of the art reviews. Philadelphia,; SPINE: Hanley & Belfus, Inc. 1992; 6: 3 - 14 Huebener K H, Bryom T G. The finite element method for engineers. Wiley - Interscience Publication, New York; 1995:
-
15 Kummer B. Biomechanische Aspekte zur Instabilität der Wirbelsäule. In: Fuchs
Die instabile Wirbelsäule, . Thieme Verlag, Stuttgart; 1991: 8 - 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
- 17 Myers E R, Wilson S P. Biomechanics of osteoporosis and vertebral fractures. Spine. 1997;; 22 25s-31s
- 18 Roy-Camille R, Sailant G, Mazel G. Internal fixation of the lumbar spine with pedicle screw plating. Clin Orthop. 1986;; 203 7-17
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 24 Whitesides T R. Traumatic Kyphosis of the thoracolumbar spine. Clin Orthop. 1977;; 128 78-92
Dr. med. T. Pitzen
Neurochirurgische KlinikUniversitätskliniken des Saarlandes
66421 Homburg/Saar