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Technische Universität München Fakultät für Medizin Klinik für Orthopädie und Sportorthopädie (Direktor: Univ.-Prof. Dr. med., Dr. med. habil Reiner Gradinger)
Die Wirbelsäulensegment-Steifigkeit
Biomechanische in vitro Untersuchungen
Ulrich Schreiber
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. mont. habil. Ewald Werner
Prüfer der Dissertation:
- Univ.-Prof. Dr. med., Dr. med. habil. Reiner Gradinger
- Univ.-Prof. Dr.-Ing. Joachim Heinzl
Die Dissertation wurde am 02. Juni 2004 bei der Technischen Universität München
eingereicht und durch die Fakultät für Maschinenwesen
am 06. Dezember 2004 angenommen.
Mia
Lili
Colette
- Einleitung............................................................................................................ Biomechanische in vitro Untersuchungen
- Funktionelle Anatomie
- 2.1. Wirbel
- 2.2. Verbindungen der Wirbel....................................................................................
- 2.2.1 Bandscheibe ....................................................................................................................
- 2.2.2 Bänder.............................................................................................................................
- 2.2.3 Muskeln ........................................................................................................................
- Klinische Betrachtung von Wirbelsäulenverletzungen
- 3.1. Epidemiologie und Prävalenz
- 3.2. Verletzungsmuster und Tumoren
- 3.3. Behandlungsstrategien nach traumatischen Verletzungen und Tumoren
- 3.3.1. Dorsale Stabilisierung ...................................................................................................
- 3.3.2. Ventrale Stabilisierung..................................................................................................
- 3.3.3. Kombinierte dorso-ventrale Stabilisierung ...................................................................
- 3.3.4. Wirbelkörperersatzimplantate .......................................................................................
- 3.4. Biologie der Frakturheilung
- Biomechanische Grundlagen
- 4.1. Kinematik und Kinetik der lumbalen Segmente
- 4.2. Biomechanik der Wirbelfusion..........................................................................
- Wirbelsäule....................................................................................................................... 4.3. Experimentelle und theoretische Betrachtungen zur Biomechanik der
- 4.3.1. In vivo Versuche ...........................................................................................................
- 4.3.2. In vitro Versuche...........................................................................................................
- 4.3.3. Numerische Methoden ..................................................................................................
- 4.4. Auswahl und Handhabung von Wirbelsäulenpräparaten
- 4.4.1. Einfluss der Knochenqualität ........................................................................................
- 4.4.2. Bovine lumbale Segmente ............................................................................................
- 4.4.3. Humane thorakolumbale Segmente ..............................................................................
- 4.4.4. Präparation und Behandlung der Wirbelsäulensegmente..............................................
- Wirbelsäulenprüfstandes 5. Entwicklung eines für biomechanische in vitro Untersuchungen geeigneten
- 5.1. Konzept................................................................................................................
- 5.2. Konstruktion
- 5.3. Messtechnik
- 5.3.1. Kraft- und Momentenmessung
- 5.3.2. Bewegungsanalyse........................................................................................................
- Versuche an bisegmentalen Wirbelsäulenabschnitten ....................................
- 6.1. Validierung des Wirbelsäulenprüfstandes
- 6.2. Effekte von mehreren zyklischen Belastungen.................................................
- 6.3. Effekte des Einfrierens und Auftauens
- 6.3.1. Statische Flexionsbelastung..........................................................................................
- 6.3.2. Dynamische Belastung in allen Bewegungsebenen......................................................
- 6.4. Einfluss unterschiedlicher Stabilisierungsverfahren.......................................
- 6.4.1. Versuchsreihe zur operativen Tumorversorgung..........................................................
- 6.4.2. Versuchsreihe zur operativen Versorgung von A- bzw. B-Frakturen...........................
- Zusammenfassung und Ausblick....................................................................
- Literaturverzeichnis.........................................................................................
- Anhang.............................................................................................................
- 9.1. Glossar
- 9.2. Konstruktionszeichung.....................................................................................
- 9.3. Datenerfassungssoftware..................................................................................
- 9.4. Datenauswerteskript.........................................................................................
- 9.5. Versuchsreihe zur operativen Tumorversorgung..........................................
- 9.6. Versuchsreihe zur operativen Versorgung von A- bzw. B-Frakturen
- Danksagung .................................................................................................
1. Einleitung
Verletzungen und degenerative Veränderungen der Wirbelsäule sind in den westlichen Gesellschaften häufige Erkrankungen des Bewegungsapparates. Die große volkswirtschaftliche Bedeutung erschließt sich aus der Tatsache, dass ca. 85% der Bevölkerung einmal im Laufe des Lebens davon betroffen sind. Aufgrund einer Steigerung von hochenergetischen Unfallmechanismen (z.B. im Straßenverkehr oder durch sportliche Aktivität), haben die Verletzungen der Wirbelsäule in den letzten Jahrzehnten zugenommen. Dabei stellt die nichtoperative Behandlung die häufigste Therapieform des thorakolumbalen Überganges dar. Die Notwendigkeit und Dringlichkeit eines aktiven chirurgischen Vorgehens ist bei neurologischen Ausfällen, Instabilität und Fehlstellung gegeben. Wesentliche Operationsziele sind die Reposition der Fehlstellung, die effektive Dekompression des Spinalkanals und die dauerhafte Stabilisierung des verletzten Abschnittes. Für die Fusionierung stehen dorsale, transpedikuläre Implantate sowie ventrale Plattensysteme zur Verfügung, die meist in Kombination mit Knochenspänen oder Wirbelkörperersatzimplantaten Verwendung finden. Die Aufgabe der Implantate ist es, die Primärstabilität des entsprechenden Wirbelsäulenabschnittes bis zu einer knöchernen Konsolidierung des Defektes zu gewährleisten. Je nach Art und Größe des Defektes sowie dessen operativer Versorgung ist eine geänderte postoperative Biomechanik zu erwarten.
Unter der Vielzahl der zur Verfügung stehenden Verfahren, um die Wirkungsweise von Wirbelsäulenimplantaten beurteilen zu können (u. a. mathematische Modelle, Tiermodelle, klinische Multi-Center-Studien), gelten in vitro Versuche an Wirbelsäulenpräparaten als etabliert.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen Wirbelsäulenprüfstand zu entwickeln, mit dessen Hilfe quasiphysiologische Bedingungen reproduzierbar an kurzstreckigen Präparaten aufgebracht werden können. Neben der Beantwortung biomechanischer Fragestellungen, wie der Art der Belastung, der Lagerung von Präparaten oder der Effekte zyklischer Belastungen, sollten Implantate mit den zugehörigen Operationstechniken evaluiert werden. Aufgrund der Tatsache, dass Stabilisierungen vornehmlich im thorakolumbalen Übergang indiziert sind, beschränkten sich die Untersuchungen auf diese Segmenthöhe. In den Versuchsreihen wurden Verletzungen (mono- bzw. bisegmentale A-/B-Fraktur) sowie ein Tumorfall (totale Korporektomie) simuliert und operativ versorgt. Als Präparate fanden sowohl bisegmentale bovine als auch humane Wirbelsäulenabschnitte Verwendung.
Neben den klinischen Faktoren sind die biomechanischen Aspekte von Implantaten für den Erfolg der operativen Versorgung mit entscheidend. Mit der hier beschriebenen berührungslosen Messmethodik sollten 3D-Bewegungsanalysen der Präparate durchgeführt und so die Auswirkung der Implantate auf deren Primärstabilität quantitativ untersucht werden. Diese Erkenntnisse sollen dem behandelnden Wirbelsäulenchirurgen als Grundlage bei der operativen Versorgung für die hier vorgestellten Indikationen dienen.
benachbarten Wirbelkörpern mit ihren ligamentären, vaskulären und neurologischen Strukturen [Junghanns 1955].
Die Struktur der Wirbelsäule dient des Weiteren dem Schutz des empfindlichen Rückenmarks, welches innerhalb des Wirbelbogens verläuft. Durch die knöcherne Umschließung werden äußere Einwirkungen weitgehend abgehalten.
2.1. Wirbel
Das tragende Element der Wirbel ist der Wirbelkörper (Corpus vertebrae), der im Halsbereich eine viereckige, im Brustbereich eine dreieckige und im Lendenbereich eine bohnenförmige Grundfläche (Abb. 2-2) besitzt [Rohen90]. Die Unterschiede in der Gestalt ergeben sich durch die von kranial nach kaudal zunehmende Belastung. An den Wirbelkörper schließt sich dorsal der Wirbelbogen an. Von ihm gehen sieben Fortsätze aus: zwei Paare von Gelenkfortsätzen, ein nach hinten gerichteter Dornfortsatz und zwei seitwärts gerichtete Querfortsätze.
Abb. 2-2 Humaner Lendenwirbel von oben (li.) und von der Seite [nach Kahle84]
Der Wirbelbogen umschließt den Wirbelkanal, in dem das Rückenmark mit seinen Hüllen und Gefäßen untergebracht ist. Im hinteren Bereich liegen auch die Wirbelgelenke, in denen die Gelenkfortsätze miteinander artikulieren. Jeweils ein Paar von Gelenkfortsätzen geht vom Wirbelbogen nach unten und oben ab. Die Anatomie der Gelenkfortsätze (Gelenkfacetten) ist für jede Region der Wirbelsäule charakteristisch und bestimmt mit ihrer Ausrichtung und Geometrie die Beweglichkeit der Segmente. Der untere Gelenkfortsatz des oberen Wirbels bildet mit dem oberen Gelenkfortsatz des unteren Wirbels jeweils ein Zwischenwirbelgelenk [Frick87, Putz81, White90].
Um eine optimale statische Funktion mit gleichzeitiger Materialersparnis zu erreichen, sind die Spongiosabälkchen vertikal und horizontal ausgerichtet. Die Höhe und Flächengröße der Wirbel nimmt von kranial nach kaudal belastungsbedingt zu, so dass eine optimale Anpassung der primär axial beanspruchten Knochenmasse
sichergestellt ist. Im Alter kommt es besonders bei Frauen in mechanisch stärker beanspruchten Anteilen des Bewegungsapparates wie dem proximalen Femur oder der Wirbelsäule zu hormonell bedingten, osteoporotischen Abnahme der Knochendichte, was zu vermehrten Frakturen und spontanen Wirbeleinbrüchen führt [Riede95]. Wahner et al. beschreiben den Abbau der Knochensubstanz in Wirbelkörpern in Abhängigkeit vom Alter. Zwischen dem 30. und 40. Lebensjahr geht bei Männern pro Jahr 0,5-0,8%, bei Frauen 0,8-1,0% der Knochenmasse verloren [Wahner89]. Während der Menopause steigt der jährliche Anteil auf 2–3% an. Danach stabilisiert sich der Knochenstoffwechsel wieder. Eine jahreszeitlich bedingte Schwankung der Knochendichte mit einer Dichteerhöhung im Sommer und Verlust von Knochenmasse im Winter (gilt für die nördliche Hemisphere) konnte bestätigt werden [Rico94, Woitge00].
2.2. Verbindungen der Wirbel
Interkorporelle Verbindungen sind die nachfolgend näher beschriebenen Zwischenwirbelscheiben (Kap. 2.2.1), Bänder (Kap. 2.2.2, S.9) und Muskeln (Kap. 2.2.3, S.10). Auf das Rückenmark mit seinen Nervenwurzeln und den zugehörigen Begleitgefäßen soll hingegen nicht näher eingegangen werden.
2.2.1 Bandscheibe
Die Bandscheiben (Disci intervertebralis), auch Zwischenwirbelscheiben genannt, sind gefäßlose, nervenfreie "Stoßdämpfer", die vom zweiten Halswirbel bis zum Sakrum die Körper zweier benachbarter Wirbel verbinden. Dabei verteilt der Nucleus pulposus den eingeleiteten Druck. Die Bandscheiben bestehen aus einem Faserring ( Anulus fibrosus ), der aus konzentrisch ausgerichteten Bindegewebslamellen und Faserknorpel aufgebaut ist, sowie aus einem galertartigen Kern (Nucleus pulposus) , siehe Abb. 2-3. Am Rand der Endplatte sind die Fasern direkt mit dem Knochengewebe verwachsen, wohingegen in der zentralen Region die Verbindung über hyalines Knorpelmaterial erfolgt [Inoue81]. Die Zwischenwirbelscheiben sind zusätzlich über das vordere und hintere Längsband in ihrer Lage gesichert, wobei sie mit dem hinteren Längsband flächenhaft verwachsen sind. Grundsätzlich nimmt die Dicke der Bandscheiben von kranial nach kaudal zu [Kahle84]. So können die höheren Belastungen der unteren Segmente aufgefangen werden. Die Scheiben tragen zur normalen Krümmung der Wirbelsäule bei, da sie nicht plan parallel, sondern schwach keilförmig gestaltet sind [Benninghoff03].
Wirbelbögen einteilen (Abb. 2-4). Das vordere Längsband (Lig. longitudenale anterior) erstreckt sich über die gesamte Länge der Wirbelsäule auf der ventralen Fläche der Wirbelkörper, mit der es fest verschmolzen ist. Es verhindert eine extreme Extension
Abb. 2-4 Die sieben Bänder eines Bewegungssegmentes [nach White90]
der Wirbelsäule. Das schwächere hintere Längsband (Lig. longitudenale posterior) verläuft auf der dorsalen Fläche der Wirbelkörper. Im Gegensatz zum vorderen Längsband ist es mit den Zwischenwirbelscheiben und dem Ober- und Unterrand der Wirbelkörper verwachsen. Die Aufgabe des Bandes liegt in einer Begrenzung der Flexionsbewegung. Beide Ligamente haben entscheidenden Einfluss auf die Eigenform der Wirbelsäule [Schendel93, Graichen99, Hedtmann89].
Die Bänder der Wirbelbögen sind:
- Ligg. flava
- Ligg. interspinalia
- Ligg. supraspinalia
- Ligg. intertransversaria
Die Ligg. flava erstrecken sich auf beiden Seiten der Wirbelbögen zwischen benachbarten Wirbeln auf der gesamten Länge der Wirbelsäule. Sie bestehen zum Großteil aus elastischen Fasern und sind in der Lage, sich bei entsprechenden Bewegungen zu verkürzen oder zu dehnen. Durch eine Vorspannung kann dieses Band die Bandscheibe unter einer ständigen Vorlast halten [Wilke93]. Die Bänder der Kapseln sind senkrecht zu den Gelenkfortsätzen ausgerichtet und sind im lumbalen und thorakalen Bereich straffer als im Bereich der Halswirbelsäule [White90].
2.2.3 Muskeln
Im Gegensatz zu dem passiven Bewegungsapparat (Knochen und Gelenke) stellen die Muskeln den aktiven Bewegungsapparat dar. Mit intaktem Bandapparat, aber
ohne Muskeln würde die Wirbelsäule eine instabile Struktur darstellen [Solomonow98]. So übernehmen die Muskeln zweierlei Aufgaben: einerseits ermöglichen sie die Beibehaltung einer Position und andererseits initiieren sie die nötigen Kräfte für eine Bewegung. Grundsätzlich unterscheidet man an der Wirbelsäule zwei Muskelgruppen: posteriore und anteriore. Es ist eine Vielzahl von Muskelgruppen, die in ihrem Zusammenspiel Bewegungen in allen Ebenen sowie Rotationen ermöglichen. Während die Agonisten die Bewegung ausführen, fungieren andere Muskelgruppen gleichzeitig als Antagonisten und kontrollieren so die Bewegung.
Die autochthone Muskulatur wird in ihrer Gesamtheit als M. erector spinae bezeichnet, siehe Abb. 2-5. Sie liegt dem Achsenskelett direkt auf. Neben der autochthonen Muskulatur gibt es Rückenmuskeln, die zum Schultergürtel gehören, aber auch der Stabilisierung des Rumpfes dienen. Diese mehrere Wirbel überspringende Muskeln bestehen aus hintereinandergeschalteten, zu höheren Einheiten verschmolzenen Segmenten. Auf diese Weise werden größere Bereiche der Wirbelsäule von zusammenhängenden Muskelbündeln überspannt und zu einheitlicher Funktion zusammengefasst [Benninghoff03].
Abb. 2-5 Tiefe Schicht der autochthonen Rückenmuskulatur [nach Benninghoff03]
Während Flexionsbewegungen passiv beeinflusst werden, sind Extension und axiale Rotation aktive Vorgänge. Die verschiedenen Anteile der ventralen Muskeln (z.B. Mm. intertransversarii) dienen vor allem der Streckung. Anteriore Muskeln verlaufen vor der Wirbelsäule und erlauben eine Flexion. Rotation mit gleichzeitiger Flexion wird ermöglicht, indem sich schräg verlaufende Muskeln ohne Antagonist kontrahieren. Für die Rotation sind maßgeblich die Mm. rotatores verantwortlich. Laterale Muskeln (Mm. multifidus) sind in der Lage, die Wirbelsäule seitlich zu beugen. Sie setzen an den Querfortsätzen an und ziehen schräg aufwärts über 2-
Die Anzahl der Brustwirbel ist beim Menschen und bei den einzelnen Haussäugetieren unterschiedlich. Der Mensch besitzt 12, die Fleischfresser und Wiederkäuer 13 Brustwirbel. Während die Wirbelkörper beim Menschen nach kaudal immer größer werden, sind sie bei den Haussäugetieren vor allem in der Mitte der Brustwirbelsäule kürzer und schwächer. Im Gegensatz zu den kranial gelegenen Wirbelkörpern weisen die kaudalen Wirbelkörper der Quadrupeden deutlich Gelenkfortsätze auf. Ihre Ausrichtung erlaubt ein dorsoventrales Auf- und Durchbiegen ähnlich dem Lendenwirbelbereich des Menschen [Nickel92a].
Fleischfressende Haussäugetiere besitzen in der Regel sieben, das Schwein, die Wiederkäuer sowie das Pferd sechs und der Mensch fünf Lendenwirbel. Unten stehende Abbildung zeigt die kaudalen Abschnitte der humanen und bovinen Wirbelsäule (Abb. 2-7). Durch die interkorporelle Verzahnung mit den Gelenkfortsätze besitzt die Wirbelsäule in diesem Bereich die Möglichkeit für die Übertragung des Bewegungsimpulses der Beckengliedmaßen auf den gesamten Körper. Die lumbalen Gelenkfortsätze des Menschen und Rindes besitzen, wie die der letzten Brustwirbel, sagittal gestellte Gelenkflächen [Nickel92a]. Durch diese Ausrichtung ist eine seitliche Bewegung eingeschränkt und lässt eher ein Aufkrümmen der Lendenwirbelsäule zu [König01].
Abb. 2-7 Humane und bovine Wirbelsäule [nach Nickel92b]
Grundsätzliche Unterschiede des menschlichen und tierischen Skelettaufbaus ergeben sich aus dem Zwei- bzw. Vierfüßlerstand. So sind aufgrund der Orientierung der Wirbelsäule die Belastungen auf die einzelnen Wirbelkörper völlig divergent. Ist die Wirbelsäule beim Menschen von kranial nach kaudal einer immer größer werdenden axialen Lastkomponente (Körpergewicht) ausgesetzt, so steigt beim Tier der Anteil an Scherung und Biegung zu den Extremitäten hin. Die Gesamtbandscheibenhöhe entspricht beim Kalb 10% und beim Menschen 25% der Gesamtlänge der Wirbelsäule [König01]. Bei Kälbern entsprechenden Alters (6- Wochen) ist jedoch die Länge des thorakolumbalen Überganges mit der des Menschen vergleichbar [Cotterill86]. Wie Swartz und Mitarbeiter herausfanden, sind
Anatomie und Knochendichte der bovinen Präparate mit humanen Werten junger Individuen vergleichbar [Swartz91].
Auftretens in dem ventralen bzw. dorsalen Anteil der Wirbel haben Eysel und Mitarbeiter aufgestellt (Abb. 3-1) [Eysel98a].
Abb. 3-1 Prozentuale Verteilung der pathologischen Wirbelsäulenprozesse unterteilt in vordere und hintere Säule [nach Eysel98a]
Verletzungen der Wirbelsäule bei Erwachsenen haben in den letzten Jahrzehnten zugenommen. Grund dafür ist vor allem eine Steigerung von hochenergetischen Unfallmechanismen. So lässt sich in Deutschland die Hälfte aller Wirbelsäulenverletzungen auf Unfälle im Straßenverkehr zurückführen. Etwa ein Viertel entsteht durch sportliche Aktivität (Reiten, Skifahren, Paragliding etc.). Dazu kommen noch Stürze, Sprünge ins seichte Wasser, Haushalts- und Arbeitsunfälle sowie direkte Traumen (Pfählung, Schuss etc.). Männer erleiden 2,5mal so häufig wie Frauen eine Wirbelsäulenverletzung. Eine Ausnahme stellen dabei die osteoporotisch bedingten Wirbelkörperfrakturen dar, die bei Frauen häufiger vorkommen.
Wie Ritzert und Mitarbeiter berichten, verschwinden in etwa 90% der Fälle die Schmerzen innerhalb einer Woche von allein. Eine Behandlung bei akutem Schmerz ist deshalb oft unnötig. Bei nur acht bis zehn Prozent der Patienten haben die Schmerzen einen ernst zu nehmenden Hintergrund, wie Tumoren, Infektionen oder geschädigte Nervenwurzeln. 50% der Erwachsenen haben veränderte Bandscheiben, sind aber schmerzfrei. Die Schmerzursache sind nicht geschädigte oder zerschlissenen Bandscheiben nach denen Ärzte mit aufwändigen Bild gebenden Verfahren fahnden, sondern häufig Fehlhaltungen und verspannte Muskelpartien [Ritzert01].
3.2. Verletzungsmuster und Tumoren
Nach dem Zweisäulenkonzept von Whitesides et al. wird die ventrale Wirbelsäule vorwiegend auf Druck, die dorsale Säule auf Zug beansprucht [Whitesides77]. Beruhend auf diesem Konzept werden von Magerl et al. die auftretenden Verletzungsmuster in Kompressions- (Typ A) Distraktions- (Typ B) oder Rotationsverletzungen (Typ C) eingeteilt (Abb. 3-2) [Magerl94].
50%
50% 50%
10% 90%
100%
30% 70%
50%
Fraktur
Entzündung
Tumor
Degeneration
Deformität
Abb. 3-2 Fraktureinteilung der Wirbelsäule [nach Magerl94]
Am häufigsten, mit einem prozentualen Anteil von 66,1% aller Wirbelsäulentraumata, treten Typ A Frakturen auf, welche auf Stürze aus großer Höhe (50%) oder Verkehrsunfälle (22%) zurückzuführen sind. Typ B Verletzungen haben einen Anteil von 14,5% und Typ C von 19,4% an der Verletzungsverteilung. Jedoch lassen die große Anzahl von unterschiedlichen Verletzungsmustern und die existierenden Übergangsformen verschiedene Interpretationen der Verletzungen zu. Eine Einordnung auf Grund initialer Röntgendiagnostik ist daher oft nicht möglich [Blauth99].
Die Häufigkeit von neurologischen Ausfallerscheinungen nimmt von Typ A (14% der Fälle) über Typ B (32%) bis Typ C (55%) signifikant zu. Frankel und Mitarbeiter haben für die Bestimmung der Neurologien eine Verletzungsklassifikation erstellt [Frankel69]. Neben der statistischen Verteilung kann die Häufigkeit einer Verletzung auf das Wirbelsäulenniveau bezogen angegeben werden. So nimmt die Anzahl der Typ A Verletzungen von kranial nach kaudal ab, während C-Verletzungen im lumbalen Bereich öfter auftreten. B-Verletzungen können vorwiegend im thorakolumbalen Übergang diagnostiziert werden. Die Verletzungswahrscheinlichkeit des ersten Lendenwirbels und der direkt angrenzenden Strukturen ist mit 49% aller Wirbelsäulenverletzungen am größten [Bühren01, Magerl94, Knop99b]. Männer dominieren mit einem Anteil von 2 / 3 und einem deutlichen Altersgipfel zwischen 20 und 40 bei der Häufigkeitsverteilung von Wirbelkörperfrakturen [Bühren01].
Wirbelsäule und Becken stellen die häufigsten Lokalisationen von Skeletttumoren dar, da sie den größten Anteil an rotem Knochenmark aufweisen [Scutellari00]. Wie in unterschiedlichen Veröffentlichungen berichtet wird, sind bis zu 70 % aller Skeletttumoren Metastasen, die, wie in Abb. 3-1 zu sehen, zunächst vornehmlich im ventralen Bereich der Wirbelsäule lokalisiert sind [Dahmen87, Eysel98a]. Die Leitsymptome der Wirbelmetastasen sind Schmerz, Stabilitätsverlust mit Wirbelkörpereinbruch und spinale Kompression [Aebi94].
3.3. Behandlungsstrategien nach traumatischen Verletzungen und Tumoren
Eine konservative Therapie von Verletzungen der Wirbelsäule wird überwiegend bei stabilen Frakturen ohne neurologische Ausfälle angewendet [Daniaux99, Gradinger88, Roy-Camille80]. Als stabil gelten nach Magerl und Mitarbeiter nur
erfordert eine Dekompression innerhalb weniger Stunden. Im Rahmen eines Polytraumas geht von Wirbelsäulenverletzungen keine vitale Gefährdung aus. Akut lebensbedrohliche Verletzungen genießen deshalb Vorrang. Ohne Neurologie kann verzögert innerhalb von 24-48h operiert werden. Mit zunehmendem Abstand vom Verletzungszeitpunkt werden Reposition und Aufrichtung komprimierter Anteile schwerer, wobei problemloses Handeln in einem Zeitfenster von ca. 1 Woche möglich ist [Bühren01, Weckbach98].
Tumoroperationen stellen an der Wirbelsäule weitaus höhere Anforderungen an die Stabilität einer Spondylodese als Frakturen, Instabilitäten und degenerative Veränderungen. Indikationen sind zunehmende neurologische Defizite, Instabilitäten und therapieresistente Schmerzen, wenn konservative Therapieverfahren (Bestrahlung, Chemo-, Schmerztherapie) ausgeschöpft sind, oder Primärtumoren bzw. Solitärmetastasen vorliegen. Oftmals kommt es dabei zur Resektion des kompletten ventralen Anteils des Wirbels (Korporektomie) mit Beteiligung des vorderen und hinteren Längsbandes. In schwerwiegenden Fällen ist eine Vertebrektomie indiziert. Ventrale, dorsale Implantate oder eine Kombination beider übernehmen sodann den Grossteil der Lastübertragung. Der gesetzte Defekt kann je nach Anforderung durch unterschiedliche Methoden, wie Knochenzement, Titan-, Keramik-, Keramik-Glas-, Kohlefaser- oder auch ein distrahierbares Wirbelkörperersatzimplantat überbrückt bzw. stabilisiert werden [Harms84, Hosono95, Matsui94, Vahldiek02, Yamaruro94]. Allogene oder autogenene Knochentransplantate erscheinen für Tumoroperationen als nicht ideal, da eine endgültige Stabilität erst nach 4–6 Monaten erreicht wird und eine adjuvante Strahlentherapie eine verzögerte Knochenheilung oder Pseudarthrosenbildung begünstigen kann [Bouchard94]. Als autologe Knochenüberbrückung dient entweder ein trikortikaler Beckenkammspan oder ein Fibulasegment. Die Wirbelkörperersatzimplantate sind konstruktiv zum Teil so ausgeführt, dass sie mit autologen Spongiosachips aufgefüllt werden können, siehe Kap. 3.3.3.
Abb. 3-3: Schematische Darstellung der Lokalisation von dorsalen (li.), kombinierten (mitte) und ventralen (re.) Stabilisierungsimplantaten an zwei Segmenten
Die Frage nach dem adäquaten Vorgehen bei instabilen Frakturen wird kontrovers diskutiert [Been99, Blauth97, Daniaux97, Ketterl97, Knop97ab, Schultheiss97, Wagner97, Wawro97, Wenda97]. Es stehen dorsale, ventrale und kombiniert dorso- ventrale Techniken zur Verfügung, die, wie oben beschrieben, nicht zuletzt durch die traumatische Verletzung oder Tumoren ausgewählt werden (siehe auch Abb. 3-3). Welche Merkmale Verfahrensspezifisch sind, wird in den folgenden Kapiteln (Kap. 3.3.1, Kap. 3.3.1, Kap. 3.3.3, Kap. 3.3.4) beschrieben.
3.3.1. Dorsale Stabilisierung
Ende des 19. Jahrhunderts (1887) war es Wilkins, der eine Fraktur im Bereich des thorakolumbalen Überganges bei einem Kind mit einem um die Pedikel geschlungenen Silberdraht versorgte. Eine transartikuläre Facettenschraubenosteosynthese zur Stabilisierung lumbaler Segmente wurde von King (1944) veröffentlicht. Die erste transpedikuläre Verankerung von Schrauben wurde erstmals durch Boucher (1959) durchgeführt [Wagner00]. Roy-Camille war 1963 der erste, der Pedikelschrauben in Kombination mit Platten benutzte [Roy- Camille85]. In den darauffolgenden Jahrzehnten sind eine Vielzahl von unterschiedlichen Lösungsansätzen für dorsale Stabilisierungen entwickelt worden und in den klinischen Einsatz gekommen; zur Zeit sind etwa 200 Fixateurformen in Verwendung [Konermann03]. Sie basieren auf unterschiedlichen Gewindestangen-, Metalldraht- oder auch Plattensystemen, deren Gemeinsamkeit die Fixierung an Pedikelschrauben ist. Die Weiterentwicklung des "Fixateur interne" von Dick (1975) bestand in der Konstruktion von winkelstabilen Systemen, die sich spätestens seit den 90er Jahren etabliert haben [Wagner00]. Es wurden weiterhin Versuche unternommen, durch eine alleinige Verschraubung der Facettengelenke mit Spongiosaschrauben eine Fusion zu erreichen. Aufgrund des schmalen Indikationsspektrums konnte sich dieses Verfahren jedoch nicht für die Masse der Fusionen durchsetzen [Jeanneret94].
Heute ist die Operationsmethode mit dem "Fixateur interne" weit verbreitet, da sie die stabilste Fixierungstechnik im Bereich der Wirbelsäule darstellt. Die Indikationen zur transpedikulären Instrumentierung umfassen z.Z. Tumoren, Frakturen, Skoliosekorrekturen und Spondyloslisthesen. Als Längsträger können Platten (z.B.: VSP - Acromed; System2000 - Medinorm), Stäbe (z.B. TSRH - Sofamor Danek; MOSS - Miami-DePuy) oder auch externe Fixationen verwendet werden [Berlemann97]. Der Fixateur externe (external spinal skeletal fixation: ESSF) ist seit 1977 im klinischen Einsatz [Magerl84]. Er besteht aus einer Rahmenkonstruktion, die zwei Paar Schanz`sche Schrauben verbindet und wird verwendet, wenn die direkte Stabilisierung an der Wirbelsäule selbst vermieden werden muss. Dies ist bei offenen Verletzungen, Infekten oder in solchen Fällen, bei denen eine operative Freilegung der Wirbelsäule nicht zumutbar ist, indiziert. Vorteile dieser Stabilisierung sind eine mögliche Nachkorrektur und die perkutan mögliche Entfernung der Implantate ohne zweite Operation. Die Nachteile sind mögliche Schraubenkanalentzündungen und die erschwerte Lagerung und Pflege der Patienten
