Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6157
Main Title: The loading, shape and motion of the lumbar spine
Translated Title: Die Belastung, Form und Bewegung der Lendenwirbelsäule
Author(s): Dreischarf, Marcel
Advisor(s): Kraft, Marc
Referee(s): Kraft, Marc
Schmidt, Hendrik
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Low back pain (LBP) is one of the most challenging health-economic problems of modern societies that are subjected to demographic change. Due to its multifactorial causes and a lack of scientific knowledge, currently employed therapy concepts for LBP, for pain in the lumbar spine in particular, are insufficiently successful. However, recent clinical-biomechanical research has emphasized that a deeper understanding of lumbar spine loading as well as of lumbar spine shape and motion are the definitive biomechanical keys for achieving improved prevention, differentiated diagnosis and patient-specific therapy. A detailed understating and consideration of these factors in the evaluation of specific therapeutic approaches, currently does not exist. The basic objective of this cumulative dissertation is therefore a detailed analysis of lumbar spine loading, shape and motion. In the first part, lumbar spine loading is measured during selected activities that are recognized risk factors for low back pain. The specific focus was to evaluate relevant factors that specifically affect spinal loading. Furthermore, this work aimed to investigate lumbar spine shape and motion during short- and long-term measurements in large asymptomatic cohorts and to investigate age- and gender-related differences, in particular. The findings were subsequently employed in computational modeling studies to evaluate and further develop finite element models of the lumbar spine and to investigate an implant concept regarding spinal loading and motion that is currently very controversially discussed. The mechanical loading during upper body bending and weight lifting in the sagittal plane was determined and analyzed with an instrumented vertebral body replacement in 265 single measurements and five patients. In particular, the influence of different lifting techniques was thereby investigated. Additionally, a new non-invasive measurement system was further developed, validated and used to determine essential parameters, e.g., lumbar lordosis and range of motion, in standardized, short-term measurements (Standing/Flexion/Extension, number of subjects: n=323) in analogy to the standard procedure employed in a clinical setting. These shape and motion parameters were also determined in long-term measurements (n=208) and compared with values collected using the standard clinical procedure. In the computational section of the dissertation, worldwide currently employed finite element models (FEMs) of the lumbar spine that originated from eight research groups were systematically evaluated. Based on this validation study, the implantation of an artificial disc was investigated in a probabilistic study with several validated FE models in 4000 single simulations to reveal relevant mechanical risk factors. The spinal loading measurements revealed that a daily upper body inclination of approximately 50° alone can substantially increase the loading of the lumbar spine. Weight lifting resulted in the largest implant loads ever measured (approx. 1600 N) by an instrumented vertebral body replacement. The employed lifting technique did not substantially affect the resultant loading. The analysis of the spinal shape and motion revealed an enormous variability of these characteristics in the asymptomatic population. A characteristic gender-specific aging process could be demonstrated in standard clinical short-term measurements, which was characterized by a segment-specific reduction of the lumbar lordosis and motion. Furthermore, the specific interplay between the lumbar spine and pelvis during motion also showed age- and gender-specific differences. Using long-term measurements over 24 hours, it was possible to establish for the first time reference values for the daily number of spinal movements in the sagittal plane. The mean values determined for lumbar lordosis and range of motion over 24 hours, as well as the resultant age- and gender-related effects, differed significantly from the results obtained during classical clinical short-term measurements. The results of the computational analyses revealed that the FE models of the lumbar spine currently separately employed worldwide do not individually represent the natural large inter-subject variability of lumbar lordosis and motion shown here. However, a combination of all these models resulted in a valid prediction of loads and motion values measured in vivo and in vitro and of the inherent inter-subject variability. A computational analysis of an artificial disc identified several mechanical risk factors, e.g., lumbar spine shape and iatrogenic distraction, which can substantially affect spinal loading and motion. The here presented in vivo values of spinal loading and motion are an essential basis for realistic, preclinical implant testing for developing evidence-based prevention measures and for performing risk assessments for LBP patients. In particular, the presented results of different lifting techniques are in contradiction to current ergonomic guidelines, which can hence be doubted from a biomechanical perspective. Furthermore, the results reveal that a meaningful differential diagnosis and patient-specific therapy must consider the here presented age- and gender-related differences of spinal shape and motion. In particular, age-related reference values appear necessary for the sagittal profile reconstruction. Furthermore, the results obtained from the long-term measurements call into question the entire clinical concept of the standing “sagittal balance,” as actual daily lumbar spine shape and function significantly differ from those of the classical clinical perspective. Considering the here presented large inter-subject variability of lumbar spine loading, shape and motion, the generalizability of single FE models to a patient cohort remains a concern. However, by using several representative models in a probabilistic sensitivity study, mechanical risk factors of a total disc replacement could be validly predicted, clinically verified, and thus directly used for providing improved patient-centered care.
Im demographischen Wandel moderner Gesellschaften stellen Rückenschmerzen eine der größten gesundheitsökonomischen Herausforderung dar. Aufgrund ihrer multifaktoriellen Ursachen und des Fehlens gesicherter wissenschaftlicher Kenntnisse weisen derzeitige Behandlungskonzepte insbesondere im Bereich der Lendenwirbelsäule (LWS) jedoch nur einen unzureichenden Therapieerfolg auf. Klinisch-biomechanische Untersuchungsergebnisse der vergangenen Jahre konnten allerdings zeigen, dass eine tiefergehende Kenntnis der Belastung sowie der spezifischen Form und Bewegung der LWS die entscheidenden biomechanischen Schlüssel für eine verbesserte Prävention, differenzierte Diagnose und patientenspezifische Versorgung sind. Ein detailliertes Verständnis dieser drei Charakteristika und ihre Berücksichtigung bei der Analyse spezifischer Therapiemaßnahmen existiert jedoch bisher nicht. Das grundlegende Ziel dieser kumulativen Dissertation war daher die detaillierte Analyse der Belastung, Form und Bewegung der LWS. Im ersten Abschnitt sollte dazu die lumbale Wirbelsäulenbelastung bei Aktivitäten, die als Risikofaktoren für Rückenschmerzen gelten, vermessen sowie relevante Lasteinflussfaktoren untersucht werden. Ferner sollte die Form und Bewegung der LWS in Kurz- und Langzeituntersuchungen anhand großer asymptomatischer Kohorten analysiert werden. Hierbei sollten grundlegende alters- und geschlechtsspezifische Unterschiede herausgearbeitet werden. Das erworbene Wissen wurde anschließend zur Evaluierung und Weiterentwicklung aktueller mechanischer Simulationsmodelle der LWS genutzt und ein klinisch kontrovers diskutiertes Implantat hinsichtlich der auftretenden lumbalen Belastung und Bewegung in einer probabilistischen Studie untersucht werden. Die mechanische Belastung bei der Oberkörperneigung und beim Heben von Lasten in der Sagittalebene wurde mit Hilfe eines instrumentierten Wirbelkörperersatzes in 265 Messungen in fünf Patienten bestimmt, analysiert und insbesondere der Einfluss verschiedener Hebetechniken untersucht. Zur Analyse der Form und Bewegung der LWS wurde ein nicht-invasives Messsystem weiterentwickelt, validiert und essentielle Parameter (u.a.: Lendenlordose, Bewegungsausmaß) in standardisierten Kurzzeitmessungen (Stehen/Flexion/Extension; Anzahl Probanden: n=323) analog zum klinischen Standardvorgehen bestimmt. Erstmals wurden Form- und Funktionsparameter auch in Langzeituntersuchungen über 24 Stunden (n=208) vermessen und zum klinischen Standardverfahren in Relation gesetzt. Im numerischen Abschnitt der Dissertation wurden zunächst derzeit weltweit verwendete Finite-Element-Modelle (FEM) der LWS von acht internationalen Forschungsgruppen in einer Vergleichsstudie systematisch evaluiert. Darauf aufbauend, wurde mit Hilfe von mehreren validierten FE-Modellen die Implantation einer künstlichen Bandscheibe in 4000 Einzelsimulationen untersucht und mechanische Risikofaktoren erarbeitet. Die Belastungsmessungen zeigten, dass bereits eine alltägliche Inklination des Oberkörpers von ca. 50° eine substantielle Steigerung der spinalen Last zur Folge haben kann. Das Heben von Gewichten führte zu den höchsten jemals in vivo gemessen Kräften mittels eines instrumentieren Wirbelkörperersatzes. Überraschenderweise hatte die spezifische Hebetechnik keinen Einfluss auf die Belastung. Die Analyse der Form und Bewegung der LWS offenbarte die enorme Vielfalt dieser Charakteristika in der Bevölkerung. In klinisch üblichen Kurzzeitanalysen im Stehen konnte ein charakteristischer, geschlechtsspezifischer Alterungsprozess nachgewiesen werden, welcher eine segmentspezifische Verringerung der Lordose und des Bewegungsausmaßes aufwies. Auch das Bewegungszusammenspiel zwischen LWS und Becken zeigte signifikante alters- und geschlechtsspezifische Unterschiede. Durch die Analyse im 24-h-Alltag konnten erstmals Referenzwerte zur Anzahl der Bewegungen in der Sagittalebene definiert werden. Die mittleren Werte über 24 Stunden zur Lordose und lumbalen Bewegung als auch die ermittelten Einflüsse des Alters und Geschlechts zeigten signifikante Unterschiede im Vergleich zu klassischen Kurzzeitanalysen. Die numerischen Untersuchungen offenbarten, dass weltweit separat eingesetzte FE-Modelle der LWS, die hier aufgezeigte natürliche Variabilität der Form und Bewegung nicht abbilden. Eine Kombination der Modelle führte jedoch zu einer validen Vorhersage von in vitro und in vivo gemessenen Lasten, Bewegungen und interindividueller Variationen. In der numerischen Analyse einer künstlichen Bandscheibe konnten Risikofaktoren (u.a.: LWS-Form, iatrogene Distraktion) identifiziert werden, welche die spinale Last und Bewegung substantiell beeinflussen. Die hier aufgezeigten In-vivo-Werte zur LWS-Belastung und -Bewegung sind wesentliche Grundlagen für eine realistische präklinische Implantattestung, für die Entwicklung evidenzbasierter Präventionsmaßnahmen sowie zur Risikobewertung von Rückenschmerzpatienten. Insbesondere die Ergebnisse zu unterschiedlichen Hebetechniken stehen in Widerspruch zu gängigen ergonomischen Empfehlungen, welche daher aus biomechanischer Sicht angezweifelt werden können. Die Ergebnisse legen ferner nahe, dass eine aussagekräftige Differentialdiagnose und patientenspezifische Therapie (u.a. Rekonstruktion des sagittalen Profils), die hier aufgezeigten alters- und geschlechtsspezifischen Unterschiede der lumbalen Form und Funktion berücksichtigen sollten. Die erworbenen Langzeitergebnisse stellen jedoch insgesamt das klinische Konzept der stehenden „sagittalen Balance“ in Frage, da sich die alltäglich auftretende Form und Funktion der LWS signifikant von der klassischen, klinischen Perspektive unterscheidet. Unter Beachtung der hier aufgezeigten großen interindividuellen Unterschiede in Last, Form und Bewegung verbleibt die Aussagekraft einzelner FE-Modelle für Patientenkohorten fragwürdig. Unter Verwendung repräsentativer Modelle in probabilistischen Sensitivitätsuntersuchungen konnten jedoch Risikofaktoren einer künstlichen Bandscheibe valide vorhergesagt, klinisch verifiziert und so direkt für eine verbesserte Patientenversorgung genutzt werden.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6731
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6157
Exam Date: 1-Jun-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 20-Sep-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): lumbar spine
spinal motion
spinal shape
spinal loading
sagittal balance
Lendenwirbelsäule
Wirbelsäulenbeweglichkeit
Wirbelsäulenform
Wirbelsäulenbelastung
sagittale Balance
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