Zusammenfassung der Dissertation von Herrn Dr. biol. hum. Hendrik Schmidt (Absolvent des Studiengangs CE im Jahr 2003)

Finite-Elemente-Analyse zur Bestimmung des mechanischen Verhaltens der gesunden und degenerierten Bandscheibe unter komplexer Belastung

Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Humanbiologie (Dr. biol. hum.)
der Medizinischen Fakultät der Universität Ulm

1. Berichterstatter: Prof. Dr. Hans-Joachim Wilke, Universität Ulm, Institut für Unfallchirurgische Forschung und Biomechanik
2. Berichterstatter:Prof. Dr. Georg Bergmann, Charité - Universitätsmedizin Berlin, Biomechanik-Labor
Tag der Promotion: 14.12.2006

Lumbale Bandscheibenvorfälle sind eine mögliche Ursache starker Rückenschmerzen. Sie können durch mechanische Einflüsse besonders unter dem zusätzlichen Einwirken einer Bandscheibendegeneration ausgelöst werden. Man geht davon aus, dass das Risiko durch Belastungskombinationen, wie sie im alltäglichen Leben häufig auftreten, vermutlich erhöht wird; welche Kombinationen am schädlichsten sind, ist sowohl experimentell als auch numerisch nicht bekannt. Über die bei komplexen Belastungen auftretende Belastungsverteilung innerhalb der Bandscheibe ist ebenfalls noch relativ wenig bekannt. Kenntnisse darüber könnten uns helfen, den Mechanismus des mechanischen Bandscheibenversagens besser zu verstehen und möglicherweise Empfehlungen zur Therapie und Prophylaxe zu geben.

Das Ziel dieser Arbeit war es daher, mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode, die Belastungskombinationen zu ermitteln, die in der gesunden Bandscheibe und in unterschiedlich stark degenerierten Bandscheiben zu den höchsten mechanischen Beanspruchungen führen und damit möglicherweise für Rissbildungen im Anulus und für Bandscheibenvorfälle verantwortlich gemacht werden können.

Zu diesem Zweck wurde ein geometriegetreues, dreidimensionales Finite-Elemente-Modell eines gesunden L4-L5 Bewegungssegments erstellt. Das Modell orientiert sich in allen Eigenschaften an der Anatomie des Menschen und berücksichtigt sowohl die geometrischen als auch die materiellen nichtlinearen Charakteristika der Wirbelsäule. Die besondere Bedeutung des in dieser Arbeit entwickelten Modells liegt in der Kalibrierung. Für diese wurde im Vorfeld eine In-vitro-Studie durchgeführt, die für das intakte Modell und für unterschiedliche Defektzustände Vergleichsparameter lieferte, die das Modell nach der Kalibrierung mit einer Genauigkeit von 99% erfüllte. Ausgehend von dem Modell der gesunden Bandscheibe (Grad 0) wurden durch Änderungen der Geometrie und der Materialeigenschaften drei unterschiedlich starke Bandscheibendegenerationen (Grad 1-3) nachempfunden. Als geometrische Änderungen wurden die Höhenminderung, die Bildung von Osteophyten und die Verminderung der Endplattenkrümmung berücksichtigt. Als degenerationsbedingte Änderung der Materialeigenschaft ist die Kompressibilität des Nukleus erhöht worden.

Das Modell wurde mit reinen Momenten von ±7,5 Nm belastet. Um Belastungskombinationen wie beispielsweise eine Flexion mit einer Seitneigung nachzuempfinden, wurde die Richtung des wirkenden Momentes um 15° schrittweise zwischen jeweils zwei der drei anatomischen Hauptebenen geändert. Ausgewertet wurden der intradiskale Druck im Nukleus, die Scherdehnungen zwischen dem Annulus und den angrenzenden Endplatten, das Dehnungsverhalten der Kollagenfasern sowie die Zug- und Scherdehnungen innerhalb der Anuluslamellen.

Der intradiskale Druck zeigte sowohl in der gesunden als auch in der degenerierten Bandscheibe ein Maximum in Flexion. Grad 1 resultierte im Vergleich zur gesunden Bandscheibe in axialer Rotation zu einem Druckanstieg von 25%. Alle anderen Belastungsrichtungen zeigten nur geringfügige Änderungen des Druckes. Ab dem zweiten Degenerationsgrad fiel der Druck in allen Belastungsrichtungen stark ab.

Der Anulus wurde im gesunden und degenerierten Zustand unter kombinierten Belastungssituationen am stärksten beansprucht. In der gesunden Bandscheibe führten hauptsächlich Belastungskombinationen, die an eine Seitneigung gekoppelt waren, vor allem die Kombination Flexion mit Seitneigung, zu den höchsten mechanischen Beanspruchungen. In den degenerierten Bandscheiben wurde der Anulus maßgeblich unter den Belastungskombinationen Seitneigung mit Flexion oder Extension und axiale Rotation mit Flexion aber auch unter der reinen axialen Rotation maximal beansprucht. Meist traten die höchsten Beanspruchungen im posterioren und posterolateralen Annulusbereich auf. Dies kann erklären, warum Bandscheibenvorfälle in früheren Untersuchungen hauptsächlich in dieser Region lokalisierten wurden. Das größte Risiko eines Bandscheibenvorfalls besteht im ersten Degenerationsgrad. Hier ist der intradiskale Druck im Nukleus noch gut erhalten, während der Anulus aufgrund starker Beanspruchungen der Gefahr einer Rissbildung ausgesetzt ist. Bei Patienten mit Bandscheibenerkrankungen könnte möglicherweise eine Reduktion kombinierter Bewegungen die Inzidenz eines Prolapses senken.