Festigkeitsberechnungen des Corpus sterni mittels Computertomographie und finiter Elemente

Abstract

Die Zielsetzung dieser Arbeit war die Untersuchung des Corpus sterni mittels Computertomographie und Finiter Elemente mit der Fragestellung inwieweit ein Teilbereich des Knochens das mechanische Verhalten des gesamten Knochens darstellt. Die Fragestellung resultiert aus der klinischen Problematik, dass bei herz- und thoraxchirurgischen Eingriffen oft eine mediane Sternotomie durchgeführt wird und bei Auftreten von postoperativen Komplikationen wie sternaler Dehiszenz eine hohe Mortalität besteht. Es konnten fünf humane, postmortem entnommene Sterna untersucht werden. Die Knochen wurden in gepufferter Formalinlösung fixiert und evakuiert. Computertomographische Bilder wurden mit dem XtremeCT der Firma Scanco bei einer Auflösung von 82 µm erstellt. Die Rekonstruktion und Nachbearbeitung des dreidimensionalen Strukturmodells erfolgte in Amira®. Der Processus xiphoideus wurde vom Corpus sterni abgetrennt. Insgesamt drei Würfel wurden aus jedem Sternum virtuell nach anatomischen Kriterien entnommen. Für insgesamt fünf Sterna und jeweils 3 Würfel wurde ein Finite Elemente Gitter erstellt. Diese Modelle wurden zur Durchführung der Finiten Elemente Analyse in das Programm Abaqus übertragen. Nach Festlegung der Randbedingungen und Materialeigenschaften erfolgte die Krafteinleitung für alle Knochen und Würfel. Die ermittelten Spannungen und Verformungen wurden graphisch durch Histogramme und Farbcodierungen dargestellt. Die Knochen und Würfel wurden bezüglich ihres Verhaltens auf die Krafteinleitung in einem Rankingsystem einander gegenübergestellt. Es konnte ermittelt werden, dass bei der Untersuchung der Von Mises Spannungen ein Würfel im Bereich des Ansatzes der fünften Rippe links (Würfel 3) am besten die Qualität der kompletten Knochen wiederspiegelt. Die Untersuchung durch Minimum principal strains sowie der Vergleich mit bei der Computertomographie ermittelter Strukturparameter ergaben geringe bis keine Übereinstimmungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Teilbereich des Corpus sterni das mechanische Verhalten des Knochens gut repräsentiert. Diese Beobachtung muss in klinischen Studien validiert werden. Die Beurteilung der Knochenqualität aufgrund der Untersuchung eines Teilbereiches des Knochens könnte die Einführung einer präoperativen Analyse zur Erkennung von Patienten mit hohem Risiko für postoperative Komplikationen wie sternaler Dehiszenz erleichtern.

The aim of this study was to analyze the Corpus sterni using computed tomography and finite element analysis with the question, “whether certain sections of the bone could represent the mechanical characteristics of the whole bone.” This approach results from the clinical problem, that in Cardiac- thoracic Surgery a median sternotomy is often used to access the mediastinal structures and if postoperative complications such as sternal dehiscence occurs, a high mortality rate exists. In this study five human sterna were analyzed postmortem. The bones were put in a buffered formalin solution and then evacuated. Computed Tomography images were generated with the XtremeCT (Scanco Medical) using a resolution of 82 µm. The reconstruction and post- processing of the three-dimensional structure models was performed with the program Amira®. The xiphoid process was separated from the Corpus sterni. A total of three cubes were virtually taken from each sternum considering anatomical criteria. A finite element grid was generated for all samples and whole bones. Performing the finite element analysis, all models were transferred to the program Abaqus. After defining boundary conditions and material properties, force application was performed on all whole bone and cube samples. The detected strains and deformations were measured and represented through histograms and color-coding images. The mechanical behavior of the whole bone samples were contrasted with the cube samples in a ranking system. It was determined that analyzing with Von Mises Stress one cube sample at the articulation with the fifth left rib (cube 3) made the best correlation with the structure of the whole bone. Analysis with “Minimum Principal Strains” and structural parameters of the computed tomography showed little or no correlation. In conclusion, one cube sample of the Corpus sterni is a good representation of the mechanical behavior of the whole bone. This observation has to be validated in clinical studies. The analysis of bone quality of only one section of the bone could facilitate the introduction of a preoperative analysis for identifying patients with high risk for postoperative complications such as sternal dehiscence.