Biomechanical investigation of posterior dynamic stabilization systems of the lumbar spine

Beckmann, Agnes; Markert, Bernd; Morlock, Michael

doi:40465

Biomechanical investigation of posterior dynamic stabilization systems of the lumbar spine = Biomechanische Untersuchung von posterioren dynamischen Stabilisierungssystemen der lumbalen Wirbelsäule

Beckmann, Agnes^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Agnes Sofia Beckmann gen. Riemke

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ReiheReport. IAM, Institute of General Mechanics ; 10

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Markert, Bernd (Thesis advisor)^RWTH* ; Morlock, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-05-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-05091
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/819468/files/819468.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Mechanik (411110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
FEM (frei) ; PCU (frei) ; PEEK (frei) ; PLIF (frei) ; in vitro test (frei) ; posterior dynamic stabilization systems (frei) ; spine fixation (frei) ; spine implant (frei) ; spine test rig (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In vitro Tests sind eine aktuelle Methode für die Evaluierung des biomechanischen Verhaltens von instrumentierten Kadaverwirbelsäulen. Da das Verhalten einiger biologischer und Implantatsmaterialien – z.B. Polycarbonat Urethan – von Temperatur, Feuchtigkeit und Belastungsraten beeinflusst wird, ist das erste Ziel dieser Arbeit die Entwicklung eines Prüfstandes mit integrierter Klimakammer. Posteriore dynamische Stabilisierungssyteme (PDSS) sollten eine angemessene Flexibilität aufweisen, dabei jedoch den zyklischen Belastungen im Körper standhalten. Derzeit werden Fälle von Ermüdungsbruch von Polyetheretherketon (PEEK)-Implantaten in klinischen Fachkreisendiskutiert. Darauf basierend ist die zweite Zielsetzung die Entwicklung eines Finiten Elemente (FE) Modells, um die Lastwechselzahl von PEEK-basierten PDSS vorherzusagen. Da eine günstige sagittale Balance das Ergebnis von Versteifungsoperationen verbessert, kann der Operateur den Lordosewinkel manuell durch eine dorsale Kompression korrigieren. Daher ist das dritte Ziel die Untersuchung des Effekts der dorsalen Kompression von instrumentierten lumbalen Wirbelsäulen mittels der FE Methode. Für diese Doktorarbeit wurde ein neuartiger Wirbelsäulenprüfstand entwickelt. Dieser enthält eine Klimakammer und ermöglicht das Belasten von multisegmentalen Kadaverwirbelsäulen mit reinen Momenten in Flexion-Extension, lateraler Biegung und axialer Rotation. Insgesamt werden drei in vitro Studien über instrumentierte Wirbelsäulen mit dem PEEK-basiertem BalanC PDSS, dem PCU-basiertem Transition PDSS und dem PCU-basiertem MOVE-P PDSS durchgeführt und evaluiert. Zusätzlich werden zwei Studien für die Kalibrierung von FE Modellen von PEEK und PCU durchgeführt. Auf diesen experimentellen Ergebnissen basierend, werden mittels FE Methoden ein natives und zwei instrumentierte Wirbelsäulenmodelle erstellt und validiert. Mit den instrumentierten Wirbelsäulenmodellen werden die Lastwechselzahl des BalanC PDSS und der Effekt der dorsalen Kompression mit dem Transition PDSS evaluiert. Die experimentellen Ergebnisse der BalanC Studie zeigen, dass das BalanC PDSS den Bewegungsumfang der instrumentierten Segmente reduziert, mit der Ausnahme der axialen Rotation von L3-L4. Das Transition und MOVE-P PDSS stabilisieren die Segmente in einem ähnlichen Ausmaß, obwohl der Flexion-Extensions Bewegungsumfang mit dem Transition PDSS stärker reduziert wird, während die axiale Rotiontion mit dem MOVE-P PDSS stärker reduziert wird. Die Prognose der Lastwechselzahl von dem BalanC PDSS beläuft sich auf 16.7·10^6 Zyklen, was einer Einsatzzeit von ca. 2 Jahren entspricht. Die Simulationen der Lordosewinkelkorrekturen ergeben, dass eine dorsale Kompression von 1 mm zu einem spannungsfreiem Implantat von stehenden Patienten führt.

In vitro tests are a state-of-the-art method to evaluate the biomechanical behavior of instrumented cadaveric spine models. However, some biological materials and some materials for medical devices – e.g. polycarbonate urethane (PCU) – are influenced by environmental parameters such as temperature, moisture and loading rates. Therefore, first scope of this thesis work is the development of a spine test rig including an environmental chamber. Posterior dynamic stabilization systems (PDSS) should have a considerable flexibility but nevertheless sustain dynamical high-cycle loadings in the body. Clinical cases of fatigue failure of devices containing polyether ether ketone(PEEK) material are discussed in the literature recently. Therefore, second scope of this thesis work is the development of a finite element (FE) model to predict the cycles to failure of PDSS containing PEEK material. As a favorable sagittal balance improves the outcome of fusion surgeries, the surgeon can manually correct the lordotic angle by applying a dorsal compression. Therefore, third scope is the investigation of the effect of dorsal compression procedures on the lumbar spine instrumented with a PCU-based PDSS using the FE method. For this thesis work, a novel spine test rig is developed including an environmental chamber that allows pure moment tests in flexion-extension (FlexEx), lateral bending (LatB) and axial rotation (AxRot) direction of multisegmental cadaveric spine specimens. In total, three in vitro studies of lumbar spines instrumented with thePEEK-based BalanC PDSS, PCU-based Transition PDSS and PCU-based MOVE-P PDSS are performed and evaluated. Additionally, two studies are undertaken to calibrate FE material models of PEEK and PCU material. Based on the experimental results, a native and two instrumented FE lumbar spine models are developed andvalidated. Using these instrumented FE spine models, the cycles to failure of the BalanC PDSS and effect of dorsal compression procedures on the spine instrumented with the Transition PDSS are evaluated. The experimental results of the BalanC study show that the BalanC PDSS reduces the range of motion (RoM) of the instrumented segments for all trials, except of AxRot at L3-L4. Also, the Transition and MOVE-P PDSS stabilize the segments to a comparable extent, although the FlexEx-RoM is higher reduced with the Transition PDSS while AxRot RoM is higher reduced with the MOVE-P PDSS. The predicted cycles to failure of the BalanC PDSS are 16.7·10^6 cycles which corresponds to a mission time of about 2 years. The simulation of the lordotic angle corrections suggest, that dorsal compression of 1 mm results in a Transition PDSS without initial pretension for standing postures of patients.

OpenAccess:
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