Ausbreitung von Knochenzement während der Vertebroplastie

Das menschliche Skelett durchläuft über den gesamten Lebenzyklus einen Prozess namens Knochengeweberemodellierung. Hierbei wird altes Knochenmaterial abgebaut und durch neu aufgebautes Gewebe ersetzt. Steht dieser Prozess nicht mehr im Gleichgewicht und Knochengewebe wächst nicht in ausreichender Menge nach, kommt es zum Knochenschwund und zur Abnahme der Knochendichte. Diese häufig im Alter auftretende Krankheit wird Osteoporose genannt und kann zu massiven Einschränkungen in der Stabilität des gesamten Skeletts führen und mit einer stark erhöhten Frakturanfälligkeit einhergehen. Im Bereich der Wirbelsäule kann die Schwächung der Knochenstruktur zu Sinterungsbrüchen der Wirbelkörper und zu schwerwiegende Beschwerden der Betroffenen führen. 

Eine Therapiemaßnahme zur Stabilisierung von osteoporotischen Wirbelkörpern ist die Vertebroplastie. Dies ist eine minimalinvasive Operation, bei welcher sogenannter Knochenzement in den Wirbelkörper perkutan injiziert wird und diesen nach dem Aushärten des zuvor flüssigen Knochenzements wieder festigt. Bei der Operation muss insbesondere darauf geachtet werden, dass kein Injektionsmaterial aus dem Wirbelkörper austritt. Mögliche schwerwiegende Folgen einer solchen Zementleckage sind etwa das Verursachen einer Embolie oder die Kompression des Rückenmarks.

Die numerische Simulation von Vertebroplastie kann dabei helfen, Komplikationen während dieses Eingriffs zu vermeiden und Vorhersagen über die Ausbreitung des Knochenzements innerhalb des Wirbelkörpers zu treffen. Großes Ziel ist es hierbei, den Operationsablauf zu optimieren, indem Faktoren wie die Lage der Injektionsnadel, die Wahl des Knochenzements und der notwendige Injektionsdruck in präoperativen Simulationen getestet werden. Dies bietet den operierenden Ärzten die Möglichkeit, einerseits Risiken schon im Vorfeld abzuschätzen und andererseits das bestmögliche Therapieergebnis zu erreichen. Ein weiteres Ziel bei der Simulation von Vertebroplastie ist es, ein tiefergehendes Verständnis über die entstehenden Kräfte und Drücke innerhalb des Wirbelkörpers während der Knochenzementinjektion zu erfahren. Dadurch können Vorhersagen getroffen werden, ob die vorhandene trabekuläre Knochenstruktur durch die entstehenden Spannungen deformiert oder zerstört wird. 

Das hier verwendete kontinuumsmechanische Modell auf Basis der Theorie Poröser Medien (TPM) beruht auf der Formulierung von beschreibenden Gleichungen für das Festkörperskelett des Knochens, des eingespritzten Knochenzements sowie des Knochenmarks, welches den Knochen zu Beginn ausfüllt. Dies ermöglicht die direkte Berücksichtigung von wichtigen Parametern, wie der Knochenzementviskosität und der anisotropen Permeabilität der Knochenstruktur im Wirbel. Das resultierende Gleichungssystem wird vollständig gekoppelt gelöst und erlaubt die gleichzeitige Untersuchung des Einspritzvorgangs und der Ausbreitung des Knochenzements mit der damit einhergehenden Verdrängung des Knochenmarks sowie der dabei auftretenden Spannungen und Deformationen der Knochenstruktur.

Credits: Universität Stuttgart / Christian Bleiler