Experimentelle und numerische Untersuchung des mechanischen Verhaltens von Bandscheiben am Beispiel gesunder und geschädigter Wirbelsäulenfunktionseinheiten

Strampe, Malte; Büchs, Jochen; Stoffel, Marcus

doi:HT018512996

Experimentelle und numerische Untersuchung des mechanischen Verhaltens von Bandscheiben am Beispiel gesunder und geschädigter Wirbelsäulenfunktionseinheiten = Experimental and numerical investigation of the mechanical behavior of intervertebral discs using the example of healthy and damaged spinal function units

Strampe, Malte (Author)

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Malte Strampe

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangVIII, 183 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stoffel, Marcus (Thesis advisor) ; Büchs, Jochen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-12-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-53158
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/465407/files/5315.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Mechanik (411110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bandscheibe (Genormte SW) ; Finite-Elemente-Methode (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Zwischenwirbelscheibe (frei) ; Discus invertebralis (frei) ; Wirbelsäulenfunktionseinheiten (frei) ; Finite Elemente (frei) ; FEM (frei) ; intervertebral disc (frei) ; spinal disc (frei) ; finite element simulation (frei) ; spinal function units (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Auf Grund der steigenden Zahl von Wirbelsäulenerkrankungen und -beschwerden in der Bevölkerung von industriellen Ländern besteht großes Interesse, vertiefende Kenntnisse über die Funktionalität der Wirbelsäule und ihrer Komponenten, sowie über die Zusammenhänge zwischen mechanischer Belastung und den daraus resultierenden Auswirkungen auf das biologische Gewebe zu erhalten. Das Ziel dieser Arbeit besteht in der experimentellen Untersuchung und numerischen Nachbildung des Relaxationsverhaltens von Bandscheiben, welches beispielsweise beim Heben, Halten und wieder Absetzen von Lasten auftritt. An Hand der dabei vorherrschenden Reaktionen bei einer gesunden Bandscheibe wird ein Vergleich zu einer geschädigten Scheibe, bei der der Kern entfernt wurde, gezogen. Die Betrachtung der Unterschiede bezieht sich dabei sowohl auf die externen Reaktionen, als auch auf die intrinsischen Spannungsverhältnisse beider Konfigurationen. Die experimentelle Untersuchung der Bewegungssegmente von Schafen dient zum Nachweis des Auftretens von Relaxationseffekten bei konstanten Verformungszuständen und der Überprüfung des charakteristischen Belastungs-Verformungs-Verhaltens von Präparaten mit vorhandenem und entferntem Nucleus. Die Auswertung der Relaxationsversuche ergibt erwartungsgemäß eine deutlich höhere Belastungsfähigkeit bei den intakten Bandscheiben. Mit Zunahme der Schädigung verringert sich die Tragfähigkeit der Scheiben. Bei allen untersuchten Präparaten stellt sich während der Haltevorgänge Relaxation ein, wobei der Relaxationseffekt und die maximale Kraftaufnahme bei anhaltender zyklischer Belastung absinken bis ein quasi-stationärer Zustand erreicht wird. Die Experimente ermöglichen weiterhin die Festlegung von Materialkennwerten eines benutzerdefinierten Stoffgesetzes bei der anschließenden numerischen Modellierung. Damit wird es mit Hilfe von Finite Elemente Simulationen möglich, die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen der Bandscheiben wieder zu geben. Dieser Erfolg erlaubt es, Veränderungen, wie die Resektion des Kerns, an dem Modell vorzunehmen und somit die Auswirkungen dieses Eingriffs zu untersuchen. Die dabei verwendeten Strukturmodelle, an Hand derer FE-Netze generiert, Randbedingungen definiert, der lamellare Faserringaufbau mit orthotroper, umlaufender Materialorientierung realisiert und die Verformungsvorgabe festgelegt werden, basieren auf CT-Aufnahmen der untersuchten Präparate. Dadurch können die experimentell ermittelten nichtlinearen, viskoelastischen, diffusionsabhängigen mechanischen Reaktionen der Bandscheibe auf ihre korrekten physiologischen Geometrien bezogen werden. Mit Hilfe der Simulationen lassen sich nun die Veränderungen auf das mechanische Verhalten der Wirbelsäulenfunktionseinheiten infolge von Schädigungen der Bandscheibe darstellen und vorhersagen. Die externe Reaktion der Kern-Entfernung führt zu einer Reduzierung der maximalen Reaktionskräfte und somit der Tragfähigkeit der Scheibe. Die Betrachtung der intrinsischen Verhältnisse zeigt eine deutliche Beeinflussung der Interaktionen zwischen den einzelnen Komponenten. Die Resektion des Nucleus verändert den Mechanismus, auf dem die hohe Widerstandskraft gegen axiale Belastungen der gesamten Wirbelsäule beruht. Der Ring wird bei axialer Belastung nicht länger in Umfangsrichtung durch den Kern auf Zug belastet, so dass die hohe Steifigkeit der Fasern keinen Anteil an der Tragfähigkeit der Bandscheibe leisten kann.

Due to the increasing amount of spinal diseases and afflictions in the population of industrial countries, there is immense interest to obtain increasing knowledge about the functionality of the spine and its components, as well as the relationships between mechanical stress and its effects on the biological tissue. The aim of this work is the experimental investigation and numerical simulation of the relaxation behavior of the intervertebral discs, which occurs for example during lifting, holding and again putting down loads. A comparison is drawn between the reactions of a healthy disc and those of a damaged disc with removed core. The examination of the occurring differences relates both to the external reactions, as well as the intrinsic stress distributions of both configurations. The experimental investigation of motion segments of sheep is used to detect the relaxation effects at constant deformation states and to verify the characteristic stress-strain behavior of specimens with existing and removed nucleus. The analysis of the relaxation tests shows, as expected, a significantly higher load carrying capacity in the intact intervertebral discs. With increasing damage the bearing capacity of the slices reduces. In all investigated specimens relaxation occurs during the holding processes. The relaxation effect and the maximum force absorption decrease at ongoing cyclic loading until a quasi-stationary state is reached. Furthermore the experiments allow the determination of material parameters of a user-defined material law in the subsequent numerical modeling. Hence, it enables the reproduction of the results of experimental investigations of the intervertebral discs by means of finite element simulations. This success enables the user to perform changes such as the resection of the core of the model and therefore to examine the effects of this intrusion. The structural models, which allow generating the finite element meshes, defining constraints, realizing the lamellar structure of the fiber ring with orthotropic, circumferential material orientation and prescribing deformation, are based on CT-images of the investigated compounds. Thus, it is possible to relate the experimentally determined non-linear viscoelastic, diffusion-dependent mechanical reactions of the intervertebral disc to their correct physiological geometries. Using the simulations, the changes in the mechanical behavior of the spine functional units can now be shown and predicted due to damage of the intervertebral disc. The external reaction of the core removal consists of a reduction of the maximum reaction force and thus the bearing capacity of the disc. The examination of the intrinsic relations clearly shows the influence of interactions between the individual components. The resection of the nucleus alters the mechanism upon which the high resistance to axial loads of the entire spine is based. At axial stress the ring is not anymore loaded in tension in circumferential direction by the core, so that the high stiffness of the fibers cannot contribute to the bearing capacity of the disc.

Fulltext:
PDF