2025-12-022025-12-02https://hdl.handle.net/11420/59315Wirbelsäulendeformitäten erfordern häufig einen chirurgischen Eingriff mit Implantaten, um die Ausrichtung und Stabilität wiederherzustellen. Aufgrund der Komplexität dieser Eingriffe und der sich daraus ergebenden biomechanischen Herausforderungen kommt es häufig zu proximalem junktionalem Versagen (PJF), einschließlich proximaler junktionaler Kyphose (PJK) und Frakturen. Trotz umfangreicher Untersuchungen der Risikofaktoren und der zunehmenden Anwendung von intraoperativen Prophylaxetechniken zeigen Studien eine hohe Inzidenz von PJK, wobei 31,3% innerhalb von zwei Jahren revidiert werden. Unser Ziel ist es, die jüngsten Fortschritte in der Finite Cell Methode (FCM), der Finite Elemente Analyse (FEA) und der Phasenfeldmethode (PFM) zu nutzen, um das biomechanische Verhalten von mit Implantaten behandelten Wirbelsäulendeformitäten zu bewerten und durch Experimente zu validieren. Wir werden detaillierte 3D-Modelle von einzelnen Wirbeln, funktionellen Wirbelsäuleneinheiten (FSU), Wirbelsäulensegmenten und Implantatkomponenten wie Stäben und Schrauben anhand von Daten aus CT- und Mikro-CT-Scans erstellen. Die Makro-FEA wird zur Analyse des gesamten biomechanischen Verhaltens eingesetzt, während die FCM hochauflösende Simulationsergebnisse auf Lamellenebene liefert, wobei der Schwerpunkt auf den Wechselwirkungen zwischen Implantat und Lamellen liegt. Die Makro- und Mikroebene werden durch den Austausch von Daten zwischen FEA und FCM miteinander verbunden. Die durch numerische Homogenisierung von Mikro-CT-Modellen ermittelten inhomogenen und anisotropen Materialeigenschaften der Wirbel werden in die Makro-FEA integriert, um eine genauere Simulation des mechanischen Verhaltens von Wirbeln und FSUs zu ermöglichen. Es wird ein neuartiger Ansatz zur Verknüpfung von Makro- und Mikroanalysen zur Vorhersage potenzieller Wirbelschäden vorgeschlagen. Auf der makroskopischen Skala wird ein FE-Modell mit homogenisierten Materialeigenschaften verwendet, um die FSU und einzelne Wirbel zu analysieren und schadensanfällige Regionen auf der Grundlage von Hauptdehnungskriterien zu identifizieren. Diese Regionen werden weiter mit der FCM, angewendet auf Mikro-CT-Scans, untersucht, und das PFM-Materialmodell auf der Makroskala wird mit FCM-Simulationen kalibriert. Dieser integrierte Mikro-Makro-Ansatz ermöglicht eine detaillierte Bewertung des potenziellen Implantatversagens und des Beginns des Versagens benachbarter Segmente. Die Berechnungsergebnisse werden sowohl durch experimentelle Tests als auch durch klinische Beobachtungen validiert, um eine genaue Simulation der realen Bedingungen zu gewährleisten. Diese umfassende Methode bietet eine solide Basis für die Optimierung der patientenspezifischen präoperativen Planung und der chirurgischen Techniken, was letztlich zu besseren Ergebnissen bei der Behandlung von Wirbelsäulendeformitäten führt.Spinal deformities often require surgical intervention with implants to restore alignment and stability. Due to the complexity of these procedures and the biomechanical challenges that follow, proximal junctional failure (PJF) is common and it includes proximal junctional kyphosis (PJK) and fractures. Despite extensive research examining risk factors and increasing utilization of intraoperative prophylaxis techniques, studies demonstrate a high incidence of PJK with 31.3% being revised within two years. Our goal is to leverage recent advancements in the finite cell method (FCM), finite element analysis (FEA), and the Phase-Field Method (PFM) to evaluate the biomechanical behavior of spinal deformities treated with implants, validated through experimental testing. We will create detailed 3D models of individual vertebrae, functional spine units (FSUs), spine segments, and implant components such as rods and screws, using data from CT and micro-CT scans. Macro-FEA will be applied to analyze overall biomechanical responses, while FCM will provide high-resolution insights at the lamellae level, with a focus on implant-lamellae interactions. The macro- and micro-scales will be interconnected by exchanging data between FEA and FCM. The inhomogeneous and anisotropic material properties of the vertebrae, calculated via numerical homogenization of the micro-CT model, will be integrated into the macro FEA for enhanced structural analysis of vertebrae and FSUs. A novel approach is proposed to link macro- and micro-scale analyses for predicting potential vertebral damage. On the macroscopic scale, a FE model incorporating homogenized material properties will be used to analyze the FSU and individual vertebrae, identifying regions prone to damage based on principal strain criteria. These regions will be further examined using FCM applied to micro-CT scans, and the PFM material model on the macro scale will be calibrated using FCM simulations. This integrated micro-macro approach will allow for a thorough evaluation of potential implant failure and the onset of adjacent segment failure. The computational results will be validated through both experimental testing and clinical observations, ensuring accurate simulation of real-world conditions. This comprehensive method provides a solid framework for optimizing patient-specific pre-surgical planning and surgical techniques, ultimately leading to better outcomes in the treatment of spinal deformities.