Operative Behandlung von A3-Frakturen im Bereich des thorakolumbalen Übergangs – biomechanische Studie zur Evaluation unterschiedlicher Schraubendesigns unter zyklischer Belastung
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Philipps-Universität Marburg
Abstract
Die infolge eines Hochrasanztraumas entstandenen Berstungsfrakturen gehören bei jungen Menschen zu den häufigsten Frakturen des thorakolumbalen Wirbelsäulenüberganges, weshalb sich zahlreiche Behandlungsstrategien etablierten und anhaltende Debatten zur Einführung einer einheitlichen Versorgungleitlinie geführt werden. Je nach Institution und behandelndem Personal werden Typ A3- Frakturen, unter Berücksichtigung des Defektausmaßes, zumeist mit einer ausschließlich posterioren, beziehungsweise anterioren Stabilisierung oder in Form einer Verfahrenskombination behandelt. Aufgrund einer bei den einseitigen Verfahren auftretenden relevanten Höhenminderung werden derzeit vermehrt minimal-invasive kombinierte Methoden bevorzugt, welche mit geringeren Komplikationsraten, geminderten Schmerzen und einer deutlich gesteigerten Patientenzufriedenheit verbunden sind.
Ziel der Studie ist die Darstellung der vorteilhaften Kombination des neu entwickelten Prototyps mit einer posterioren Instrumentation, unter zusätzlicher Betrachtung des Implantatverhaltens infolge einer Zementaugmentation. Die Studie dient demnach der Weiterentwicklung bestehender Versorgungsstrategien von Typ A3-Verletzungen mit dem Schwerpunkt einer verbesserten Höhenrekonstruktion und einer möglichst genauen Wiederherstellung des ursprünglichen anatomischen und biomechanischen Zustandes.
Fragestellung
1. Welche operative Technik weist im Vergleich den besten Höhenerhalt des Wirbelkörpers
auf?
2. Wie wirkt sich die Zementaugmentation des Prototyps auf die Stabilität und die Höhe des
behandelten Wirbelabschnittes aus?
Nach der präzisen Präparation und Einbettung von 21 fresh-frozen humanen Wirbelsäulen, unter Einbeziehung des Bereiches vom elften thorakalen bis zum dritten lumbalen Wirbelkörper, wurden im Rahmen des Methodenvergleiches verschiedene diagnostische Techniken angewandt. Unter anderem diente die DEXA-Messung der individuellen Knochendichtebestimmung des jeweiligen Wirbelkörpers. In Kombination mit der darauffolgenden ergänzenden computertomografischen Darstellung konnten die Gruppeneinteilung vorgenommen und die Studienresultate verglichen werden. Die für den Methodenvergleich notwendige ausschließliche Generierung von Typ A3-Frakturen des ersten Lendenwirbelkörpers wurde ebenfalls anhand vorheriger Bildgebung und durch die Anwendung des Freefall-Towers der Philipps Universität Marburg sichergestellt. Darüber hinaus konnte unter stetiger Röntgenkontrolle die anschließende Implantation der drei unterschiedlichen perkutanen minimal-
invasiven Verfahrenskombinationen vorgenommen werden, welche infolge einer sachgerechten Implantatpositionierung zur möglichst präzisen Vergleichbarkeit der Ergebnisse beitrugen. Die in zwei Testgruppen angewandte Verfahrenskombination des Prototyps mit dorsaler Instrumentation, welche unter Augmentation und Verzicht von Zement implantiert wurden, sind zudem mit einer ergänzenden Versuchsgruppe dem rein posterioren Verfahren gegenübergestellt worden. Die abschließend durchgeführte postoperative Belastung der verschiedenen Techniken in einer hydraulischen Belastungsmaschine in 100000 Zyklen, mit 3HZ und 600N, ermöglichte die Aufzeichnung eines Kraft- Weg-Diagramms, welches in Kombination mit den allgemein erhobenen Daten zur anschließenden Ermittlung des Höhenverlustes der verschiedenen Säulen mit einbezogen wurde. Die in allen drei Gruppen nach der Frakturgenerierung festgestellten nicht signifikanten Unterschiede des Höhenverhaltens dienten als Grundlage für die Beurteilung der Höhenrekonstruktion in den verschiedenen Stadien der Studie. Im Vergleich der Methoden wurde im Bereich der zentralen und dorsalen Säule postoperativ und nach zyklischer Belastung bezüglich des Höhenverhaltens ein signifikanter Unterschied festgestellt. Die reine Implantation des Sextanten erzielte hingegen vergleichsweise geringere Parameter bezüglich der erwünschten Höhenrekonstruktionen im Zusammenhang der Verfahrenskombination und die Zementierung des Prototyps wies keinen positiven Effekt resultierenden Ergebnisse auf, weshalb aufgrund der Nebenwirkungen gegebenenfalls auf dessen Einsatz zu verzichten ist. Zusammenfassend stellt das neue Verfahren aufgrund seiner positiven Ergebnisse eine durchaus alternative und zielführende Methode zur zentralen und dorsalen Wirbelkörperhöhenrekonstruktion dar.
Durch die verhältnismäßig geringe Fallzahl und das erhöhte durchschnittliche Spenderalter der rein männlichen Donatoren resultiert jedoch eine mangelhafte Vergleichbarkeit der Ergebnisse in Anbetracht der derzeit klinisch betroffenen Patient/-innen Die unter anderem bestehenden Fehlerquellen aufgrund der Nutzung von fresh-frozen Präparaten ohne Weichteilmantel, die nur schwer zu standardisierende computertomografische Auswertung und die Belastung in nur einer Ebene gehören ebenfalls zu den in vitro vorherrschenden Verhältnissen der Studie und führen gleichermaßen zu einer eingeschränkten Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die in vivo vorliegenden Situationen. Infolgedessen ist der weiterführende Ausbau der Studie anzustreben, welcher mit einer Fallzahlerhöhung, dem zusätzlichen Vergleich vorherrschender etablierter Verfahren und der Einbeziehung verschiedener Zementsorten in vitro einhergeht. Nach systematischer ergänzender Forschung ist letztendlich die Etablierung eines zielgerichteten Verfahrens im klinischen Bereich anzustreben, um langfristig eine entsprechende Versorgungsrichtlinie für Frakturen des thorakolumbalen Überganges einzuführen.
Incomplete burst fractures due to high-speed trauma are among the most common fractures of the thoracolumbar junction sustained by young people, whereupon numerous treatment strategies have become established and ongoing debates are underway to establish a uniform treatment guideline. Depending on the hospital and attending staff, type A3 fractures have usually been treated with exclusively posterior or anterior stabilization, or a combination of both, depending on the extent of the defect. Due to a relevant height reduction occurring in the course of the exclusively posterior or anterior stabilization procedures, minimally invasive combined methods are currently increasingly preferred, which are associated with lower complication rates, reduced pain and significantly increased patient satisfaction.
The aim of the study is to demonstrate the advantages of combining the newly developed prototype with posterior instrumentation, with additional consideration of implant behavior as a result of cement augmentation. Accordingly, the study serves to further develop existing treatment strategies for type A3 injuries, with a focus on improved height reconstruction and the most accurate possible restoration of the original anatomical and biomechanical condition.
Resulting questions
1. Which surgical technique shows in comparison the best vertebral body height
preservation?
2. Does the cement augmentation of the prototype affect the stability and the vertebral
elevation of the treated vertebral spine segment?
After precise preparation and embedding of 21 fresh-frozen human vertebrae, including the eleventh thoracic to the third lumbar vertebral body, different diagnostic techniques were used to compare different diagnostic methods. Among others the DEXA measurement was performed to determine the individual bone density of each vertebral body and the additional computed tomographic imaging allowed a target-oriented classification for a best possible comparability of the results. The subsequently conducted generation of controlled type A3 fractures of the first lumbar vertebral spine was ensured by the use of the freefall tower designed by the Philipps University of Marburg.
During the following implementation of the three different combinations of surgical procedures, the proper positioning of the implants was made possible under constant X-ray control. Two trained doctors from Philipps University performed all percutaneous minimally invasive interventions for a
better comparability. The prototypes were implanted with and without cement, under additional use of the dorsal instrumentation, which was compared with a pure outcome of the exclusive posterior procedure in the third test group. The implantation was followed by the postoperative loading of all included vertebrae in a hydraulic machine in 100000 cycles, with 3HZ and 600N, while recording a force-displacement diagram. The data documented in the meantime has been included to determine the height loss of the vertebral elevation, in consideration of the height loss of the ventral, medial and posterior columns, and stabilisation. The insignificant results of the height behavior after generating the fractures, which obtained in all three groups, has been used as the evaluation basis of the height reconstruction at different stages of the study. Comparing the methods, there is a significant difference of the height behaviour due to the various techniques, while facing central and dorsal column. After the surgical treatment and cyclical loading a significance can therefore be assumed in relation to the height reconstructions. In contrast, the implantation of the sextant alone achieved only insufficient results and is subject to the combination of the newly designed prototype. Furthermore, the cementation of the prototype proved to be irrelevant, which is why its use should be abandoned due to the side effects. Based on the positive results of the new procedure, it can certainly be considered as an alternative and oriented method for height reconstruction of the central and dorsal column, in comparison to currently existing procedures.
In context to the relatively small number of cases and the increased average donor age of the male donors, the comparability of the results is poor in view of the initially affected clientele. The sources of error due to the use of fresh-frozen preparations without soft tissue, the non-standardized computed tomographic evaluation, with possible measurement inaccuracies and the exclusive loading in only one level also belongs to the in vitro conditions of the study and are again accompanied by a questionable transferability to normally presented in vivo occurrences. Consequently, the further extension of the study is to be aimed at, which is accompanied by an increase in number of cases, the extensive additional comparison of common consolidated procedures and the inclusion of different cement types in vitro. After further research, the ultimate goal should be to settle a targeted procedure for the daily clinical setting, in order to achieve best long-term outcomes and to establish a treatment guideline for fractures of the thoracolumbar spine.
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