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Dependence of spinal segment mechanics on age and posture

Einleitung: Die Prävalenz von Lendenwirbelsäulenbeschwerden kann durch Ganzkörper-Vibrationen, z. B. am Arbeitsplatz, erhöht werden. Finite-Elemente (FE) Modelle könnten bei der Analyse des Schädigungsmechanismus helfen, müssen jedoch verbessert und validiert werden. Ziel war es, die Schubfestigkeit, dynamische Schubund Kompressionssteifigkeit und Ermüdungsfestigkeit von menschlichen Wirbelsäulenbewegungssegmenten (WBS), abhängig von Alter, Haltung und individuellen Eigenschaften, zu bestimmen. Diese Erkenntnisse flossen in individualisierte FE-Modelle der WBS ein.

Charakterisierung: Präparate von Spendern im Alter von 20-44 Jahren (Jung) und 48-64 Jahren (Alt) wurden anhand anthropometrischer Daten und CT-Parametern wie Endplattenfläche (AREA) und Knochendichte (BMD) charakterisiert. Die Präparate wurden unter 0° (Neutral) oder 10° (Flexion) getestet.

Schubfestigkeit: L2-L3 WBS wurden unter physiologischer Kompressionslast mit anteriorem Schub beaufschlagt. Untersucht wurde Jung-Neutral, Jung-Flexion, Jung-Creep (Kriechvorgang für 1 h) und Alt-Neutral. Unter Flexion tendierten die WBS zu höheren Versagenswerten; in neutraler Haltung zeigte sich mit größerer BMD eine höhere Schubfestigkeit.

Dynamische Steifigkeit: L4-L5 WBS wurden frequenzabhängig (bis 12 Hz) getestet. Für Jung-Neutral, Jung-Flexion und Alt-Neutral wurden Offset und Amplituden für anterior-posterioren Schub und Kompression variiert. Der Anteil der absorbierten Energie und die linearisierte Steifigkeit waren bei quasistatischer Kompression für Jung-Flexion am höchsten. Schubvorlast reduzierte die Axialsteifigkeit. Kompressionsvorlast erhöht jedoch die quasistatische Schubsteifigkeit. Die Axial- und Schubsteifigkeit stieg mit steigender Frequenz; die Axialsteifigkeit verringerte sich mit steigender Amplitude.

Modellierung: Ein FE-Modell eines L4-L5 WBS, dessen Geometrie anhand 23 Parameter angepasst werden kann, wurde erstellt. Der Annulus wurde als mit vorgespannten Fasern durchzogene Grundsubstanz modelliert, der Nukleus als viskoelastische Flüssigkeit. Die Individualisierung verbesserte die Simulation, jedoch konnte das experimentell bestimmte Verhalten nicht vollends wiedergegeben werden. Individuelle Materialparameter und individuelle Modellierung der Facettengelenke sollten zusätzlich berücksichtigt werden.

Ermüdung: L4-L5 WBS wurden zusätzlich durch 300.000 Zyklen komprimiert (5 Hz). Die Ermüdungsfestigkeit bei jungen Spendern war unerwartet hoch, von Jung-Neutral versagte keines. Vier WBS aus Alt-Neutral mit niedriger BMD versagten. Ein exponentieller Zusammenhang zwischen Ermüdungsdauer und dem Produkt aus AREA und BMD wurde festgestellt. Aus Jung-Flexion versagten nur zwei Präparate. Eines davon wies eine geringe BMD auf; passend zu dem für Alt-Neutral ermittelten Zusammenhang. Alter und individuelle Parameter sollten bei der Analyse der Ermüdungsfestigkeit und damit bei durch Ganzkörper-Vibrationen induzierten Schädigungen berücksichtigt werden.

Schlussfolgerungen: Grundlegende Daten über das Verhalten der Wirbelsäule unter verschiedenen Lasten wurden bestimmt. Individualisierbare FE-Modelle sind ein wichtiger Schritt hin zu besseren Beurteilungen. Dies kann schlussendlich zu höherer Arbeitsplatzsicherheit führen.

Bibliografische Angaben

G. Huber, Ch. Mischke, D. M. Skrzypiec, H. Seidel (eds.):
Dependence of spinal segment mechanics on age and posture. 
1. Auflage. Dortmund: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin 2010. 
ISBN: 978-3-88261-112-0, Seiten 173, Projektnummer: F 2069, Papier, PDF-Datei

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