Abstract-Text deutsch

Einleitung: Die Schraubenplatzierung an der oberen HWS stellt aufgrund der engen Beziehung zwischen knöchernen/neurovaskulären Strukturen eine besondere Herausforderung dar. Da ein hohes Risiko besteht, diese Strukturen zu gefährden, bietet die präoperative Schraubenplanung und insbesondere die navigierte Platzierung eine höhere Genauigkeit auf der Grundlage von 3D-Daten. Aufgrund der prä- und intraoperativ variierenden Patientenposition und der höheren Flexibilität der Halswirbelsäule ist die Bild ko-Registrierung und damit die Übertragung der vorgeplanten Schrauben bei einem starren Bildfusionsansatz jedoch durch potenzielle Ungenauigkeiten eingeschränkt. Ein semi-elastischer Bildfusionsansatz könnte diese Einschränkungen überwinden, indem er Translationen, Rotationen, und Deformationen nutzt, um die unterschiedliche räumliche Ausrichtung der Wirbelsäule in den prä- und intraoperativen Daten besser zu kompensieren.

Material/Methode: Es wurde eine retrospektive Studie an einem einzigen Zentrum mit 8 Patienten durchgeführt, die sich bei C2-Frakturen einer instrumentierten Fusion unterzogen. Bei allen Patienten wurden die Schraubentrajektorien in den präoperativen Datensätzen definiert und dienten als Orientierungspunkte für die Genauigkeitsanalyse. Bei allen Patienten wurde eine monosegmentale starre Fusion (Elements Image Fusion) und eine semi-elastische Fusion (Elements Curvature Correction Spine, BrainLAB AG, München, Deutschland) durchgeführt. Für beide Fusionstypen wurde der euklidische Abstand zwischen übertragenen Landmarken (Spitze und Eintritt) und Referenzlandmarken sowie die Winkelabweichung zwischen geplanter und endgültiger Trajektorie berechnet, um die Genauigkeit der verschiedenen Verfahren zu quantifizieren.

Ergebnisse: Bei 2 von 8 Patienten führte weder die rigide noch die semi-elastische Fusion zu ausreichenden Registrierungsergebnissen, da die Frakturen stark disloziert waren. Bei den verbleibenden 6 Patienten betrug der mittlere euklidische Abstand für die rigide und semi-elastische Fusion 1,39mm±0,77mm vs. 0,62mm±0,46mm (Spitze), 1,87mm±1,19mm vs. 0,56mm ±0,27mm (Eintritt), die mittlere Winkelabweichung betrug 3,48°±2,73°vs.1,27°±1,43°, was signifikante Unterschiede (p<0,01) zwischen der Registriergenauigkeit bei rigider und semi-elastischer Vorgehensweise zeigt.

Diskussion: Die semielastische Bildfusion zeigte eine signifikant höhere Registriergenauigkeit, gemessen auf der Ebene der Schraubenspitze, des Schraubeneingangs und der Angulation. Somit ermöglichen semi-elastische Fusionsansätze eine präzisere Zuordnung von präoperativ geplanten Schrauben zu intraoperativ gewonnenen Daten und überwinden damit einige Einschränkungen der standardmäßigen monosegmentalen starren Bildfusion. Dennoch bleibt die semi-elastische Bildfusion in einigen Fällen begrenzt, da intrinsische Beschränkungen starke Bildverformungen verhindern können, die z. B. bei stark dislozierten Frakturen erforderlich sind.

Abstract-Text englisch

Introduction: Screw placement in the upper cervical spine can be particularly challenging due to the close relationship between bony and neurovascular structures. As there is a high risk of compromising these structures and thus to protect and conserve the delicate anatomy, preoperative screw planning and especially navigated placement offers a higher accuracy based on 3D data. However, due to varying patient position pre- and intraoperatively and higher flexibility of the cervical spine, image co-registration and thereby transferring preplanned screws applying a rigid image fusion approach is limited by potential inaccuracies. A semi-elastic image fusion approach might overcome those limitations by not only using translations and rotations but also deformations to more precisely compensate for different spatial alignment of the spine in preoperative and intraoperative data.

Materials/Methods: A retrospective single-center study of eight patients who underwent instrumented fusion for C2 fractures was performed. In all patients, screw trajectories were preoperatively defined within the preoperative data sets serving as landmarks for accuracy analysis. Monosegmental rigid fusion (Elements Image Fusion) and semi-elastic fusion (Elements Curvature Correction Spine, BrainLAB AG, Munich, Germany) was performed in all patients. For both fusion types the Euclidian distance between transferred landmarks (tip and entry) and reference landmarks as well as angular deviation between planned and final trajectory was calculated to quantify the accuracy of the different procedures.

Results: In two out of eight patients, neither rigid nor semi-elastic fusion lead to sufficient registration results due to severely dispersed fractures. In the remaining six patients the mean Euclidean distance for rigid and semi-elastic fusion in relation to the ground truth was 1.39mm ± 0.77mm vs. 0.62mm ± 0.46mm (tip), 1.87mm ± 1.19mm vs. 0.56mm ± 0.27mm (entry), the mean angular deviation was 3.48° ± 2.73° vs. 1.27° ± 1.43°, showing significant differences (p < 0.01) between registration accuracy in rigid and semi-elastic approach.

Discussion: Semi-elastic image fusion demonstrated a significantly higher registration accuracy measured at the level of the screw tip, screw entry point and angulation. Thus, semi-elastic fusion approaches allow for a more precise mapping of preoperatively planned screws to intraoperatively acquired data overcoming some limitations of only standard monosegmental rigid image fusion. Nevertheless, within the recent implementation, semi-elastic image fusion remains still limited in some cases as intrinsic restrictions might inhibit to strong image deformations needed in case of e.g. severely dispersed fractures.