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Forschungsprojekte
Die Gruppe Spine Biomechanics besteht aus Ingenieuren der ETH Zürich und Chirurgen der Universitätsklinik Balgrist. Gemeinsam betreiben sie translationale Forschung an der Schnittstelle zwischen biomechanischer Grundlagenforschung und der Entwicklung von klinischen Anwendungen. Der interdisziplinäre Ansatz garantiert ein hohes Maß an Expertise, um relevante klinische Fragestellungen zu untersuchen. Die Gruppe hat ein voll ausgestattetes Wirbelsäulenlabor mit maßgefertigten Versuchsaufbauten für biomechanische In-vitro-Experimente etabliert, welches dem Standard der weltweit führenden Biomechanik-Labore entspricht. Die Einrichtungen wurden für eine Vielzahl von biomechanischen Studien an menschlichen Wirbelsäulen-Kadavern genutzt, um die menschliche Anatomie und Gewebeeigenschaften zu untersuchen und zu charakterisieren. Die daraus gewonnenen Ergebnisse und Erkenntnisse fliessen in patientenspezifische, biomechanische Modelle ein, die zur Optimierung der präoperativen Operationsplanung genutzt werden.
Finite Elemente Modell für degenerierte Bandscheiben
Ziel dieses Projektes ist es, ein robustes, kosteneffizientes und zuverlässiges Finite Elemente (FE) Modell zu entwickeln, um das mechanische Verhalten von Bandscheiben in verschiedenen Degradationsstadien zu untersuchen.
Die Bandscheiben bestehen aus einem äusseren Kollagenfaserring (annulus fibrosus) und einem inneren gallertigen Kern (nucleus pulposus). Damit sie sorgen für die notwendige Flexibilität und Polsterung zwischen den Wirbelkörpern. Allerdings führen fortschreitendes Alter, Überbeanspruchung oder pathologischen Veränderungen zu graduellen Abnutzungserscheinungen (Abbildung 1). Immer häufiger werden physiologische FE-Modelle eingesetzt, um das mechanische Verhalten der Bandscheiben für patientenspezifische Studien und medizinische Anwendungen zu untersuchen. Hierbei stellen sowohl die Komplexität der physiologischen Geometrie als auch die statischen und dynamischen Belastungsszenarien eine besondere Herausforderung bei der Wahl geeigneter FE-basierter Diskretisierungs- und Analyseansätze dar.
Abbildung 1: Verschiedene Stadien der Bandscheibendegeneration.
Die Entwicklung eines geeigneten FE-basierten Modells umfasst die folgenden Schritte:
- Generierung von 3D-Volumen der Wirbelsäulensegmente auf Grundlage von physiologischen Informationen und statistischen Modellen (Abbildung 2).
- Numerische Simulation der Lastfälle Flexion/Extension, laterale Biegung und axiale Rotation mit der vorgeschlagenen Wahl der Diskretisierung (d.h. tetraedrische Elemente) und expliziten Lösungsmethode.
- Vergleich der Ergebnisse mit denen, die mit dem üblicherweise verwendeten Diskretisierungs- und Analyseansatz sowie mit mehrachsigen experimentellen Daten erzielt wurden.