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Strukturmechanische Defektklassifikation und Modellierung der Halswirbelsäule (HWS)


Projektbeschreibung

Im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojekts wird eine Datenbasis mit Materialkennwerten zur Beschreibung der mechanischen Eigenschaften von Halswirbeln generiert, die zur Erstellung einer Defektklassifikation für degenerativ veränderte Halswirbel herangezogen wird. Darauf aufbauend wird ein Lösungsansatz für ein erweitertes Patientenmodell erarbeitet, welches Festigkeitskennwerte der Wirbel und Parameter zur Beschreibung der Gelenkbänder beinhaltet. Zur Integration der zusätzlichen Daten in den Planungsprozess wird eine geeignete Benutzerschnittstelle entwickelt, die ein effektives Arbeiten mit den Daten ermöglicht. Die Arbeitsschritte „Zugangsplanung“ und „Implantatdimensionierung“ haben einen großen Einfluss auf den Therapieerfolg und werden derzeit nur durch CT/MRT-Aufnahmen und Planungsprogramme mit Messfunktionalitäten und Implantatschablonen unterstützt. Dem Chirurgen fehlen bisher Informationen zur Wirbelfestigkeit und zum Einfluss von Gelenkbändern.
 

Problem

Bei altersdegenerativen Erkrankungen der Halswirbelsäule wird zur Wiederherstellung der ossären Anatomie die Osteosynthese durchgeführt. Eine sichere Verankerung des Implantats ist in diesen Fällen aufgrund der eingeschränkten Festigkeit der erkrankten Wirbelstrukturen besonders schwierig. Bei Überbeanspruchung kann es zur Lockerung oder sogar Ausbrechen des Implantates kommen, was eine Revisionsoperation bedingt. Im Bereich der subaxialen HWS sind bei den Hauptbewegungen Flexion/Extension die dorsalen Bandstrukturen sowie das vordere Längsband die hemmenden Strukturen und tragen somit zur Stabilität der Halswirbelsäule bei. Diese werden jedoch beim ventralen Standard-OP-Verfahren durchtrennt und reseziert.
Die genannten Arbeitsschritte „Zugangsplanung“ und „Implantatverankerung“ haben einen großen Einfluss auf den Therapieerfolg und werden derzeit nur durch CT/MRT-Aufnahmen und Planungsprogramme mit Messfunktionalitäten und Implantatschablonen unterstützt. Dem Chirurgen fehlen bisher Informationen zur Wirbelfestigkeit und zum Einfluss von Gelenkbändern.
 

Forschungsziel

Bereitstellung eines präoperativen Planungsmodells der Halswirbelsäule zur Ermittlung eines möglichst Gelenkband-erhaltenden Zugangsweges und optimaler Auslegung von Wirbelimplantaten zur Erhöhung der Ergebnisqualität bei Behandlung degenerativ veränderter Knochenstrukturen.
 

Thematische Schwerpunkte

  • Patientenmodell zur Halswirbelsäule mit strukturmechanischen Kennwerten und Parametern zur Bewertung von Bandstrukturen
  • Defektklassifikation degenerativ veränderter Halswirbel
  • Materialcharakterisierung für definierte Pathologiegruppen
  • Einfluss von Bändern auf die Stabilität der Halswirbelsäule
  • Mensch-Maschine-Schnittstelle zur Dateninteraktion
  • Modellbasierte Segmentierungsmethode zur Generierung patientenindividueller Wirbelkörper

 

Bisherige Forschungsergebnisse

  • Erstellung einer radiographischen Defektklassifikation zur Beschreibung degenerativ veränderter Halswirbelsäulen basierend auf über 150 MRT-Datensätzen
  • Evaluierung des ersten Entwurfs zur Defektklassifikation im Rahmen einer deutschlandweiten Studie unter Teilnahme von 53 Neurochirurgen
  • Erstellung eines ersten Entwurfs zur Metastruktur eines Patientenmodells für die Behandlung zervikaler Spinalkanalstenosen
  • Entwicklung einer Methode zur vollautomatisierten Segmentierung von Halswirbelkörpern im MRT-Datensatz basierend auf über 100 MRT-Datensätzen
  • Entwicklung einer Prozesskette zur experimentellen Untersuchung der Beweglichkeit von Halswirbelsäulensegmenten und zur Untersuchung des Einflusses von Bandstrukturen auf die Stabilität der Halswirbelsäule
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