Entwicklung einer Methode zur Untersuchung der Facettenartikulation der Wirbelsäule anhand CT-basierter Modelle und experimentell ermittelter Kinematik

Abstract

Bei der Kraftübertragung an der Wirbelsäule sind die Facettengelenke von großer Bedeutung. Rückenschmerzen im Lendenwirbelbereich sind häufig auf sie zurückzuführen, so dass es wichtig ist, die Facettenartikulation zu untersuchen. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde deshalb eine Methode entwickelt, um die Kinematik der Facettengelenke mit der im Labor für Biomechanik und Biomaterialien Hannover verfügbaren technischen Ausstattung untersuchen zu können. Dafür wurde in experimentellen in-vitro-Versuchen mit acht einzelnen bovinen Bewegungssegmenten des Lendenwirbelsäulenbereichs die Kinematik während der Flexion/Extension, lateralen Beugung und axialen Rotation mit und ohne Simulation von Muskelkräften aufgezeichnet. Die Rotationsbewegungen wurden durch einen Industrieroboter mit einem maximalen Moment von 10 Nm initiiert. Die Muskelsimulation wurde wie in vorangegangenen Versuchen mit Stahlseilen und Kraftzuführung durch einen Kinemator realisiert. Die Kinematikaufzeichnung erfolgte durch ein optoelektrisches Messsystem. Durch Abtasten von Landmarken an den Präparaten wurden anatomische Koordinatensysteme an den Wirbeln erzeugt, durch die die experimentelle Kinematik anschließend auf am Computer rekonstruierte 3D-Modelle aus CT-Daten (GE Lightspeed, Bildmatrix 512x512 Pixel, Voxelgröße 0,400391x0,400391x0,4 mm) registriert werden konnte. Mit Hilfe dieser Modelle wurde anschließend die experimentelle Kinematik in einem CAD-Programm simuliert. Anhand von Volumenmessungen im Gelenkspalt zu unterschiedlichen Bewegungszuständen wurde anschließend die Facettenartikulation untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, eine Methode zur Untersuchung der Facettengelenke zu entwickeln und ihre Anwendbarkeit zu zeigen. Sowohl die Ergebnisse des experimentellen als auch die des theoretischen Teils zeigen in Übereinstimmung mit der Literatur den Einfluss der Simulation von Muskelkräften während der in-vitro-Versuche. Die gegenüberliegenden Gelenkflächen liegen bei den Versuchen mit Muskelsimulation näher beieinander und die Gelenkflächen des kranialen Wirbels sind abgesenkt im Vergleich zu den nativen Messungen. Den größten Bewegungsumfang zeigen die Gelenkflächen während der lateralen Beugung. Durch die Volumenmessung im Gelenkspalt wird erkennbar, ob sich die Gelenkflächen während einer Bewegung tendenziell annähern bzw. entfernen oder sich parallel zueinander verschieben. Durch die in dieser Methode auftretenden Messunsicherheiten sollten die Ergebnisse der Volumenmessung nur qualitativ betrachtet werden.