Ermüdungsfestigkeit von Segmenten der Wirbelsäule

G. Huber, K. Nagel, D.M. Skrzypiec, A. Klein, K. Püschel, M.M. Morlock

 

Im Bereich der Wirbelsäulenbiomechanik werden in-vitro Untersuchungen meist quasistationär durchgeführt, obwohl die langsam ansteigenden Belastungen die Situation in-vivo nicht gut wiederspiegeln. Im Berufsumfeld werden viel Menschen periodischen Schwingungen mit hohen Lastzyklen und hoher Dynamik ausgesetzt – zum Beispiel beim Umgang mit schweren Maschinen. Das Ziel dieser Studie ist es, die Ermüdungsfestigkeit von menschlichen Bewegungssegmenten der Lendenwirbelsäule mit Hilfe der Wöhler Gleichung abzuschätzen.  

41 Bewegungssegmente der Lendenwirbelsäule wurden 300.000 Zyklen axialer Kompression mit verschiedenen Laststufen ausgesetzt. Die Messdaten konnten mit Daten von 70 Brust- und Lendenwirbelkörpern von Brinkmann et al. (1988), welche mit bis zu 5.000 Zyklen belastet wurden, kombiniert werden. Die Ermüdungslast jedes Bewegungssegmentes wurde durch dessen Geometrie (Endplattenfläche) und einem materialspezifischen Parameter (Alter, Knochendichte) normalisiert (Fnorm), so dass der Einfluss der Präparat-Variation auf die Wöhler Approximation gering war.  

Die Ermüdungsfestigkeit von Bewegungssegmenten ist bei zyklischer Belastung signifikant kleiner als ihre Bruchfestigkeit bei einfacher Kompression. Bezieht man das maximale Lastniveau, die Endplattenfläche und das Alter mit ein, so lässt sich 28% der Variation der Ermüdungsfestigkeit (p<0,001) mit diesen Parametern erklären. Ersetzt man das Alter durch die Knochendichte so verbessert sich die Vorhersage auf 61% (p<0,001). 

Überlagerte Bewegungen (zum Beispiel Beugung nach vorn oder Verdrehung) würden vermutlich die Ermüdungsfestigkeit des Knochens oder der Weichteile deutlich verringern. Für die Bewertung von Berufskrankheiten ist es möglich diese individuellen Parameter auch bei lebenden Personen zu bestimmen, so dass das Risiko bei diversen beruflichen Aktivitäten mit numerischen Modellen abgeschätzt werden kann. Im Weiteren bildet dies auch eine Basis um das Dauerlastversagen von Wirbelsäulenimplantaten im Knochen vorherzusagen. 

Diese Studie wurde durch die Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) (F2059, F2069) finanziell unterstützt. 


Publikationen:

Huber G., Nagel K., Skrzypiec D.M., Klein A., Püschel K., Morlock M.M. (2016) A description of Spinal Fatigue Strength. Journal of biomechanics, 49, 875-880 

Huber G., Skrzypiec D.M., Klein A., Püschel K., Morlock M.M. (2010) High cycle fatigue behaviour of functional spinal units. Industrial Health, 48(5), 550-556