Effects of the Rib Cage on Thoracic Spine Flexibility / Einfluss des Brustkorbs auf die Flexibilität der Brustwirbelsäule

Abstract

Besides protecting the internal organs of the thorax, the rib cage is the site of numerous muscle attachments. It also decreases the overall flexibility of the thoracic spine. This study developed finite element (FE) models of the thoracic spine with and without the rib cage, and the effects of the rib cage on thoracic spine flexibility were determined. The numerical models were validated by comparing the maximum rotation of the models for several loading cases with experimental data in the literature. After adapting the material properties for the discs and ligaments, the calculated maximum rotations differed from the measured median values by less than 1° without the rib cage and by less than 2.5° with it. The rib cage decreased the mean flexibility of the thoracic spine by 23 % to 47 %, depending on the loading plane. Assuming the ribs to be rigid beams required a corresponding reduction of ligament stiffnesses in order to achieve the same agreement of the maximum rotations with the measured median values. Interconnecting the FE thoracic spine model plus rib cage with the existing detailed FE lumbar spine model improves the simulation of force directions of muscles attached to the rib cage or thoracolumbar spine. In addition, such a model is suitable for determining the effects of lumbar spine implants on spinal balance.

Die Rippen schützen die inneren Organe im Brustkorb und sind Ansatzpunkte für eine Vielzahl von Muskeln. Der Brustkorb reduziert die Flexibilität der Brustwirbelsäule. In dieser Studie wurden Finite-Elemente-Modelle der Brustwirbelsäule mit und ohne Brustkorb entwickelt. Der Einfluss des Brustkorbs auf die Flexibilität der Brustwirbelsäule wurde bestimmt. Die Rechenmodelle wurden validiert durch den Vergleich der maximalen Rotation bei verschiedenen Belastungen mit experimentell ermittelten Werten aus der Literatur. Nach einer Anpassung der Materialwerte für die Bandscheiben und Bänder wichen die berechneten maximalen Rotationen beim Modell ohne Brustkorb um weniger als 1° und bei Modell mit Brustkorb um weniger als 2,5° von den entsprechenden Medianwerten einer publizierten experimentellen Studie ab. Der Brustkorb verringerte die mittlere Flexibilität der Brustwirbelsäule um 23 % bis 47 %, abhängig von der Belastungsebene. Wenn die Rippen als starr angenommen wurden, mussten die Bandsteifigkeiten entsprechend reduziert werden, um eine gleich gute Übereinstimmung mit den gemessenen Werten bei der maximalen Rotation zu erreichen. Die Verbindung des Brustwirbelsäulenmodells mit einem existierenden Finite-Elemente-Modell der Lendenwirbelsäule erlaubt eine realistischere Simulation der Kraftrichtung der Muskeln, die an den Rippen bzw. an der Brustwirbelsäule ansetzen. Außerdem kann mit diesem Modell der Einfluss von Implantaten im Bereich der Lendenwirbelsäule auf die Balance der Wirbelsäule untersucht werden.