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Y. Chevalier:
"Computer Tomography-Based Finite Element Analysis of the Human Vertebral Body";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): P.K. Zysset, Ch. Hellmich; Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik, TU Wien, 2008; Rigorosum: 30.09.2008.

Wirbelkörperfrakturen sind typische osteoporotische Frakturen die Gesundheit und Lebensqualität beeinträchtigen und sogar mit Schmerz sowie erhöhte Sterblichkeit verbunden sind. Die meisten Wirbelkörperfrakturen sind asymptomatisch: weniger als die Hälfte werden diagnostiziert und die heutigen klinischen Diagnosehilfsmitteln und Präventionsmethoden schätzen das Frakturrisiko mit ungenügender Genauigkeit. Computer Tomographie (CT) gestützte Finite Element (FE) Methoden haben im Bereich der Biomechanik und Orthopädieforschung mit dem bewiesenen Potential einer besseren Frakturrisikovorhersage als jetzige Diagnosehilfsmitteln an Ruf gewonnen. Trotzdem verlangen diese Methoden noch Verbesserungen und dessen Genauigkeit ist von methodologischen Annahmen begrenzt.

Diese These bringt aufeinanderfolgende Arbeiten zusammen die CT-gestützte FE Methoden zur Voraussage des mechanischen Verhaltens des Wirbelkörpers verbessern. Nach einem ausführlichen einleitenden Kapitel das biomechanische, klinische und rechnerische Aspekte der Wirbel beschreibt, berichtet das Manuskript Kapitel per Kapitel über die geführten Studien.
Eine erste Studie betrifft die Kalibrierung der Bilddaten die als Knochenmaterialeigenschaften für die FE Modelle benützt werden. Eine zweite Studie wendet sich an der Genauigkeit der FE Methoden zur Vorhersage des apparenten, elastischen Verhaltens von Spongiosaknochen, ein Hauptbestandteil des Wirbelkörpers. Anatomie-spezifische FE Modelle von Wirbelkörper werden in einer dritten Studie gebildet um das mechanische Verhalten mit experimentellen Prüfungen zu vergleichen und um die Strukturelle Eigenschaften sowie die SchÄadigungsverteilung unter verschiedenen Lastfällen vorauszusagen. Eine vierte Studie wird mit der gleichen Methodologie durchgeführt um besondere Fragen über die Vertebroplastie genannte chirurgische Prozedur zu beantworten. Die Vertebroplastie besteht darin den Wirbelkörper zur Verstärkung oder Stabilisierung mit Zement einzuspritzen und weist erhöhtes Frakturrisiko des benachbarten Wirbels auf. Die vorgestellte nichtlineare FE Modelle beschreiben den zugrunde liegenden Mechanismus und liefert wertvolle Richtlinien um die Prozedur zu verbessern. In einer fünften und letzten Studie, wird die FE Methodologie weiter verfeinert um die Geometrie der Kompaktaschale sowie die Spongiosamorphologie zuberücksichtigen. Diese Modelle sind bis heute die Besten um das nicht-lineare mechanische Verhalten von Wirbelkörper zu beschreiben und liefern ein vertieftes Verständnis der Beschränkungen der heutigen FE Methoden die auf klinische Daten angewendet werden.

Als Schlussfolgerung, sollen die Vollendungen dieser Arbeit zur Verbesserung der heutigen Kontinuum FE Methoden, zur Beschreibung der Schädigungsmechanismen in gesunde, kranke und behandelten Wirbelkörper beitragen, mit dem Endziel die Schätzung des Frakturrisikos zu unterstützen.

Fractures of the vertebral body, the most common type of osteoporotic fractures, seriously affect health and quality of life, and are associated with pain and increased mortality. Most vertebral fractures are asymptomatic: less than half of them are reported, and current clinical diagnosis tools and preventive methods to assess the risks of fractures lack precision. Computer tomography (CT)- based finite element (FE) methods have gained in popularity for the fields of biomechanics and orthopaedic research, with demonstrated potential to predict vertebral strength better than current risk assessment tools. However, these methods still require improvements, and their accuracy is limited by methodological assumptions.

This thesis brings together cumulated work on improving CT-based FE methods to predict the mechanical behaviour of vertebral body. Preceded by a comprehensive introductory chapter describing the biomechanical, clinical and computational aspects related to the vertebra, this manuscript reports the studies conducted in a stepwise approach.

A first study pertains to the calibration of the image data used as input to the material properties for bone in the FE models. A second study addresses specific accuracy issues of FE methods to predict the apparent elastic behaviour of trabecular bone, a major constituent of the vertebral body. Anatomy-based FE models of vertebral bodies are created in a third study, to compare their mechanical behaviour with experimental tests, and to predict their structural properties and damage distributions under various loading conditions. A fourth study is performed with the same methodology to address particular questions related to a procedure called vertebroplasty, consisting in the injection of bone cement in the vertebral body to reinforce or stabilize it. Vertebroplasty has associated risks of adjacent vertebral failures, and the presented nonlinear FE models describe the underlying mechanism behind such adverse effects, providing valuable guidelines to improve the procedure. In a fifth and last study, the FE methodology is further reffned to include topologically-conform geometry and account for trabecular fabric. These models are the best to date to describe the mechanical nonlinear behaviour of vertebral bodies and provide a refined understanding of the limitations of current FE methods applied to clinical data.

Finally, the accomplishments of this work contribute to the improvement of current continuum finite element methods, in describing the mechanisms of damage of healthy, impaired and treated vertebral bodies, with the ultimate goal to assist in the assessment of failure risks.