Development and application of a three-dimensional finite element model of spino-pelvic complex

Abstract

After total sacrectomy, it is mandatory to reconstruct the continuity of the force flow between the lumbar spine and the pelvis. In only few biomechanical analyses different reconstructions were compared. The aim of the study was to compare four different reconstruction methods after total sacrectomy using a three-dimensional finite element model of spino-pelvic complex. A sacral-rod reconstruction, a four-rod reconstruction, a bilateral fibular flaps reconstruction and an improved compound reconstruction were simulated. A follower load and a pure moment which are common in in vitro studies were applied to the reconstruction models to simulate standing, flexion, extension, lateral bending and axial rotation of the spine. The deformation of the models and the stresses in the implants were calculated and evaluated. The decreasing order of the rotations between L5 vertebra and ilium as well as of the L5 shift-down displacement for the studied reconstruction methods was: four-rod reconstruction > sacral-rod reconstruction > bilateral fibular flaps reconstruction > improved compound reconstruction. The decreasing order of the maximum von Mises stress in the implants was: sacral-rod reconstruction > four-rod reconstruction > bilateral fibular flaps reconstruction > improved compound reconstruction. From the mechanical point of view, the improved compound reconstruction is superior to the other methods studied here as it shows the highest stability and the lowest maximum equivalent stresses. However, clinical aspects must also be regarded when choosing a reconstruction method for a specific patient. The dissertation was created based on the Thesis Regulation dated December 3, 2012, requiring “one peer-reviewed original publication as the first author in a leading international professional journal”. In two additional manuscripts submitted to peer- reviewed journals the applicability of the used model and of the commonly used load application method were justified. They are not part of this dissertation, but cited in the list of publications for completeness.

Nach einer vollständigen Sakrektomie ist es zur Wiederherstellung des Kraftflusses notwendig, die Verbindung zwischen Lendenwirbelsäule und Becken zu rekonstruieren. Es existieren nur wenige biomechanische Studien, in denen unterschiedliche Methoden der Rekonstruktion verglichen wurden. Das Ziel dieser Studie war es, mit Hilfe von dreidimensionalen Finite-Element-Modellen des Beckens und der Wirbelsäule vier unterschiedliche Methoden der Rekonstruktion nach vollständiger Sakrektomie zu vergleichen. Die folgenden vier Rekonstruktionsmethoden wurden simuliert: eine Sakral-Stab- Rekonstruktion, eine Vier-Stab-Rekonstruktion, eine Beidseitige-Fibulaspan- Rekonstruktion und eine Verbesserte-Verbund-Rekonstruktion. Zur Simulation der Standardlastfälle Stehen, Flexion, Extension, Seitneigung und axiale Rotation wurden eine sogenannte Geführte Kraft und ein reines Drehmoment in der jeweiligen Richtung auf die Finite-Element-Modelle mit Rekonstruktion appliziert. Diese Art der Lasten wird häufig in In-vitro-Studien verwendet. Anschließend wurden die in den Modellen berechneten Verformungen sowie die in den Implantaten auftretenden Spannungen berechnet und verglichen. Für die auftretenden Rotationen zwischen dem fünften Lendenwirbel und dem Darmbein sowie für die Abwärtsverschiebung des fünften Lendenwirbels ergab sich folgende, absteigend sortierte Reihenfolge der Rekonstruktionsmethoden: Vier- Stab-Rekonstruktion > Sakral-Stab-Rekonstruktion > Beidseitige-Fibulaspan- Rekonstruktion > Verbesserte-Verbund-Rekonstruktion. Die in den Implantaten auftretenden maximalen Vergleichsspannungen führten zu folgender, absteigend sortierter Reihenfolge: Sakral-Stab-Rekonstruktion > Vier-Stab-Rekonstruktion > Beidseitige-Fibulaspan-Rekonstruktion > Verbesserte-Verbund-Rekonstruktion. Aus mechanischer Sicht zeigt die Verbesserte-Verbund-Rekonstruktion die besten Ergebnisse mit der im Vergleich höchsten Stabilität und kleinsten auftretenden maximalen Vergleichsspannungen. Allerdings müssen bei der Wahl der Rekonstruktionsmethode für einen spezifischen Patienten auch klinische Aspekte berücksichtigt werden. Diese Dissertation wurde entsprechend der Promotionsordnung vom 3. Dezember 2012 auf der Basis „einer Peer-reviewed- Orginalpublikation als Erstautorin/Erstautor in einer international führenden Fachzeitschrift“ erstellt. In zwei weiteren, bei Fachzeitschriften eingereichten Arbeiten wurde die Eignung des verwendeten Modells sowie der applizierten Lasten begründet und diskutiert. Diese Arbeiten sind nicht Bestandteil dieser Dissertation, wurden aber zur Vollständigkeit in der Publikationsliste aufgeführt.