13. Jahrestagung der Deutsche Gesellschaft für Biomechanik e. V.

PD Dr.

Prof. Dr.

Wie beeinflussen Bandscheibendegeneration, Alter, Geschlecht und Level den lumbalen intradiskalen Druck? Auswertung einer In-vitro-Datenbank mit 107 Humanpräparaten

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Der intradiskale Druck (IDP) ist ein wesentlicher Parameter für die Abschätzung von Belastungen und Muskelkräften an der Wirbelsäule. Mit Hilfe eines umfangreichen In-vitro-Datenkollektivs sollten Effekte primärer Einflussparameter auf den IDP ermittelt werden. 107 humane Bewegungssegmente (32x L2-L3, 16x L3-L4, 59x L4-L5) von 68 Spendern (50±12 Jahre, 19-74 Jahre, 42 % weiblich) wurden standardisiert mit reinen Momenten von 7,5 Nm in Flexion/Extension, Seitneigung und axialer Rotation belastet [1]. Der IDP wurde mit flexiblen Drucksensoren gemessen (FMSPEZ50, MIPM GmbH). Bandscheibendegenerationsgrade wurden mit Hilfe eines validierten Klassifikationssystems ermittelt [2]. Statistische Unterschiede zwischen IDP-Werten wurden mittels Kruskal-Wallis-Test für Degenerationsgrad, Alter und Level sowie mittels Mann-Whitney-U-Test für das Geschlecht in SPSS 27 bestimmt. Der IDP war in allen Bewegungsrichtungen signifikant (p&lt;0,05) verringert für Degenerationsgrad 1 (leichte Deg.) und 2 (mittlere Deg.) gegenüber Grad 0 (keine Deg.). Der IDP korrelierte signifikant (p&lt;0,05) mit dem Alter, vor allem in Extension (Pearson&quot;s r=-0,687), und war signifikant (p&lt;0,05) reduziert für ein Alter &gt;40 Jahre. Das Geschlecht zeigte keinen signifikanten Einfluss auf den IDP (p&gt;0,05). Der IDP in L4-L5 war signifikant (p&lt;0,05) verringert gegenüber L2-L3. Die IDP-Moment-Kurven wiesen in Flexion/Extension und Seitneigung eine V-förmige Charakteristik für junge, nicht-degenerierte Bandscheiben auf, während sie eher flach für ältere, degenerierte Bandscheiben und axiale Rotationsbewegungen waren (Abb. 1). Zunehmende Bandscheibendegeneration, steigendes Alter sowie inferiores Level verringern den lumbalen IDP wesentlich. In stark degenerierten Bandscheiben (Grad 3) ist keine IDP-Messung möglich, da kein Nucleus pulposus mehr vorhanden ist. Das Geschlecht hat keinen Einfluss auf den IDP. [1] Wilke et al. (1994). Eur Spine J 3(2), 91-97. [2] Wilke et al. (2006). Eur Spine J 15(6), 720-730.

Bewegungsapparat (Gelenke, Wirbelsäule)

Vortrag

Wie beeinflusst die Länge einer Skoliose-Instrumentierung den Bewegungsumfang und den lumbalen Bandscheibendruck? Eine In-vitro-Studie mit kompletten thorakolumbalen Wirbelsäulen- und Brustkorb-Präparaten

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Schwere Fälle von Skoliose erfordern eine operative Behandlung mittels posteriorer Fixierung, wobei die Instrumentierungslänge vom Grad der Deformität abhängt. In dieser In-vitro-Studie sollten Einflüsse der Instrumentierungslänge auf den segmentalen Bewegungsumfang und den intradiskalen Druck untersucht werden. N=6 humane Wirbelsäulenpräparate (C7-S) mit Brustkorb von jungen Spendern (26-45 Jahre, 2 w / 4 m) wurden quasi-statisch (1 °/s) mit reinen Momenten von 5 Nm in einem Wirbelsäulenbelastungssimulator [1] getestet (Abb. 1). Intersegmentale Bewegungsumfänge (ROM) wurden mittels optischer Bewegungsanalyse gemessen (Vicon MX13). Der lumbale intradiskale Druck (IDP) wurde mit flexiblen Drucksensoren bestimmt (FISO Tech). Die Präparate wurden in zwei Gruppen mit jeweils zunehmender Instrumentierungslänge in kaudaler und kranialer Richtung getestet (Abb. 2), basierend auf einer Umfrage unter Skoliosechirurgen [2]. Statistische Unterschiede wurden mittels Friedman's ANOVA und paarweisem Friedman-Test in SPSS 27 ermittelt. Alle Fixierungslängen verringerten den Gesamtbewegungsumfang signifikant (p&lt;0,05) gegenüber dem Intaktzustand sowie der jeweils kürzeren Länge. In den fixierten Segmenten nahm der ROM signifikant (p&lt;0,05) bis zu 0 % ab. Signifikante (p&lt;0,05) ROM-Zunahmen in den Anschlusssegmenten wurden in beiden Gruppen vor allem kranial der Fixierungen festgestellt (max. +72 % in Gruppe 1, max. +60 % in Gruppe 2). Der IDP nahm vor allem in Flexion und in den fixierten Segmenten signifikant (p&lt;0,05) um bis zu 562 % zu. Auch im kaudalen Anschlusssegment L1-L2 war der IDP in Flexion signifikant gegenüber dem Intaktzustand erhöht (max. +23 %). Skoliose-Instrumentierungen beeinflussen vor allem die kranialen, thorakalen Anschlusssegmente, was klinische Komplikationen wie Adjacent Segment Disease und somit Proximale Junktionale Kyphose nach Skolioseoperationen erklären könnte. [1] Wilke et al. (1994). Eur Spine J 3, 91-97. [2] Schlager et al. (2023). Spine Deform.

Prof.

Ass.-Prof., Dr., PhD

Dr. med. univ.

Thoracic pedicle screw anchorage using the new modified slide technique

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Background: Pedicle screws have earned high acceptance in a broad variety of spinal surgeries. Nevertheless, placement in the thoracic spine remains a challenge due to the difficult anatomical conditions, particularly if deformities are present. Several freehand insertion techniques have been described to identify the pedicle entry point and to minimize the risk of screw misplacement. However, some techniques might compromise pedicle screw anchorage, while allowing safe screw placement. Aims: This study investigated pedicle screw anchorage of screws placed with the new "Modified Slide"-technique (MS) and compared it to the Slide-technique by Vialle et al. and the conventional technique. Material and Methods: Thirty fresh frozen human thoracic vertebrae (Th4–Th11; mean age: 68 ± 15.6; mean BMD: 99.2 mg/ccm ± 23.8) were used in this study. For pairwise comparisons, one randomly selected pedicle of each vertebra was instrumented using the new MS-technique. The contralateral side was instrumented using either the Slide-technique or the conventional technique. Each screw was tested using cyclic cranio-caudal loading with an initial load ranging from -50N to +50N with stepwise increasing compressive load (5N every 100 cycles) until screw loosening. After loosening was detected, a pull-out test was performed. Results: Screws implanted using the MS-technique sustained significantly higher loads than those using the Slide-technique (460 N ±160.4vs. 253 N ± 95.2 ; p &lt; 0.01) but lower loads than screws conventionally implanted (442 N ± 94 vs. 546 N ± 177.4; p &lt; 0.01). Pullout tests did not differ between groups (p = 0.19), (p = 0.52). Conclusion: In terms of screw anchoring, the MS-technique is in between the conventional and the Slide-technique. It can sustain higher loads than those measured in daily activities while still allowing safe screw implantation. Therefore the "Modified Slide"-technique could be a helpful assistance technique for safe pedicle screw placement.

Prof. Dr. med.

Dr. med.

Analyse der Stabilität von navigierten subaxialen Pedikelschrauben am Humanpräparat in Abhängigkeit von der Schraubenlage: eine biomechanische Untersuchung

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung: Instabilitäten der Halswirbelsäule erfordern häufig eine chirurgische Intervention. Bei der dorsalen Stabilisierung zeigen Pedikelschrauben die höchste biomechanische Stabilität. Allerdings ist ihre Platzierung aufgrund der Nähe zu neurovaskulären Strukturen anspruchsvoller. Um die Genauigkeit der Schraubenplatzierung zu erhöhen, werden zunehmend Navigationssysteme verwendet. Ziele: Ziel dieser Studie war die Analyse der biomechanischen Stabilität von navigierten subaxialen Pedikelschrauben in Abhängigkeit der Schraubenlage. Methoden: Fünf humane subaxiale Wirbelsäulen wurde mittels Pedikelschrauben dorsal instrumentiert. Hierzu wurden zwei Navigationssysteme (Navi1 und Navi2) je Humanpräparat unilateral verwendet. Die endgültige Schraubenlage wurde bewertet und eine Einteilung in eine optimale/suboptimale Schraubenlage (Perforation &gt;1mm) vorgenommen. Die einzelnen Wirbelkörper wurden entnommen, präpariert und mit Gießharz in Formen fixiert, um biomechanisch getestet zu werden. Über einen Längsträger wurde eine zyklische Flexion/Extension simuliert, auf die eine Zugfestigkeitsprüfung folgte. Ergebnisse: Es konnten 36 Schrauben auf ihre Zugfestigkeit geprüft werden. Diese waren unterteilt in 27 optimal und 9 suboptimal platzierte Schrauben. Die statistische Analyse zeigt keinen signifikanten Unterschied zwischen den Navigationssystemen bezüglich der Genauigkeit der Schraubenplatzierung (p=&gt;0.99). Der Vergleich der Zugfestigkeit zwischen optimaler (Navi1:624.2±231.8, Navi2:598.4±364.7) und suboptimaler Schraubenlage (Navi1:Median=335.0, Navi2:Median=352.5) zeigt keinen signifikanten Unterschied (p=0.05). Zusammenfassung: Diese Studie konnte einen deutlichen Unterschied der Zugfestigkeit zwischen optimal und suboptimal platzierten Schrauben zeigen. Eine genauere Schraubenplatzierung könnte demnach biomechanische Vorteile bringen. Zur weiteren Einordnung dieser Ergebnisse sollten weitere Testungen anhand größerer Fallzahlen erfolgen.

PD Dr. med. habil

Limitierte vs. vollständige Einbettung von Wirbelkörpern bei Range-of-Motion-Testungen (RoM)

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung: Bei biomechanischen Analysen an der Wirbelsäule, wie ROM-Tests, stellt die Anbindung der Präparate an den Prüfstand eine Herausforderung dar. Etabliert hat sich das Einbetten der Präparate in Gießharz um eine feste Einspannung zu erreichen. Ziel der Arbeit ist die Evaluation zweier Einbettmethoden, wobei jeweils nur 2 Wirbel pro Bewegungssegment (BWS) benötigt werden. Dabei wird eine vollständige Einbettung aller 3 Säulen (vgl. 3 Säulenmodell nach Denis [Q1]) der Wirbelsäule mit einer limitierten Einbettmethode verglichen, bei der nur die vordere Säule eingebettet wird, um die Bewegungsfreiheit anschließender Facettengelenke zu berücksichtigen. Methoden: In einem multiaxialen Wirbelprüfstand werden insgesamt sechs BWS von drei Körperspendern (84±3 Jahre) untersucht. Die BWS werden während gleichzeitiger axialer Kompression isoliert in Flexion/Extension (7,5 Nm) laterale Flexion (7,5 Nm) und axialer Rotation (5 Nm) belastet. Die BWS werden in Gießharz fixiert, wobei die Pedikel und die Wirbelfortsätze nicht miteingeschlossen werden (s. Abb. 1, ①). Es folgt die erste Testung wie oben beschrieben. Anschließend werden die BWS vollständig eingebettet (s. Abb. 1 ,② ) und es folgen zwei weitere ROM-Tests. Ergebnisse / Diskussion: In allen Bewegungsrichtungen zeigen die Präparate mit halber Einbettung im Mittel eine um 20,7±1,9 % größere RoM, sowie größere Bewegungen am kaudalen und kranialen Segment (81,9±8,5 % und 66,6±26,9 %) als mit vollständiger Einbettung. Die Art der Einbettung während biomech. Tests hat Einfluss auf die Beweglichkeit der Wirbelsäule und Verformung der Wirbel und kann so zu Spannungsspitzen führen, welche Implatatauslockerung begünstigen. Der Einfluss von Einbettungsmethoden sollte bei biomech. Tests berücksichtigt werden. Q1: Denis F. Spinal instability as defined by the three-column spine concept in acute spinal trauma. Clin Orthop Relat Res. Oktober 1984;(189):65–76.

Einfluss von chirurgischen Resektionsschritten auf den Bewegungsumfang bei adoleszenten idiopathischen Skoliosen – Eine Finite-Elemente-Analyse

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung Die chirurgische Versorgung von adoleszenten idiopathischen Skoliosen (AIS) ist ein komplexer Eingriff, bei dem versucht wird die Wirbelsäule zu begradigen. Hierzu werden im Bereich der stärksten Wirbelsäulenkrümmung (Apex) meist Resektionsschritte durchgeführt, um die Mobilität der Wirbelsäule für die Korrektur zu erhöhen. Die Art der Resektionsschritte variiert zwischen Wirbelleveln und Chirurgen, während die Wirksamkeit dieser Resektionsschritte in der Literatur umstritten ist. Ziele Ziel dieser Studie war daher, den Einfluss von Resektionsschritten an skoliotischen Wirbelsäulen mittels patienten-spezifischen Finite-Elemente-Modellen zu untersuchen. Methode In einer vorangegangenen Studie wurden die von Chirurgen durchgeführten Resektionsschritte an ausgewählten AIS-Patienten dokumentiert. Diese Resektionsschritte wurden mittels eines parametrischen Finite-Elemente-Modells (FEM) simuliert. Hierfür wurden von einem gesunden und fünf AIS-Patienten FE-Modelle des Wirbelsegmentes am Apex erstellt, die anhand von In-vitro-Versuchen kalibriert wurden. Der Einfluss der Resektionsschritte wurden mittels reinen Momenten von 2,5 Nm in Flexion-Extension, Seitneigung und axialer Rotation untersucht. Zusätzlich wurde die Morphologie der Wirbelsäulen-Deformitäten quantifiziert und mit dem berechneten ROM verglichen. Ergebnisse Facettektomien bei nicht-deformierten Wirbelsäulen führten zu einem Anstieg des ROM in axialer Rotation von 110% (+/- 10%) verglichen mit dem intakten Zustand. Facettektomien am Apex-Level (hier T8-T9) von AIS-Deformitäten erhöhten den ROM im Schnitt um 200% (+/- 68%) in axialer Rotation nach links. Je höher der Cobb-Winkel, desto größer war der Einfluss der kompletten Facettektomien (Abb. 1). Zusammenfassung Der Ergebnisse deuten daraufhin, dass der Einfluss der Resektionsschritte von der Stärke der Wirbelsäulen-Deformität abhängt. Hauptgrund hierfür scheinen die stark deformierten Facetten im Bereich des Apex zu sein.

PD Dr. med.

Univ.-Prof. Dr. med.

Dr.  Ing.

Experimentelle und numerische Untersuchung der biomechanische Eigenschaften von Pedikelschrauben mit doppeltem Gewinde bei Osteopenie und Osteoporose

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung: Insbesondere bei osteoporotischen Wirbeln ist die Lockerung und Versagen von Pedikelschrauben eine große Komplikationen und führt zu schlechten Therapieerfolgen. Ziele: In dieser Studie wurden die biomechanischen Eigenschaften von Pedikelschrauben mit Mono (ST)- und Doppelgewinde (DT) ohne Zementverstärkung miteinander verglichen und ein numerisches Modell validiert. Material &amp; Methoden: Zwei Varianten, kommerziell erhältlicher polyaxialer Pedikelschrauben wurden biomechanisch getestet und verglichen. Die Abmessungen von Bohrloch und Schraube (l:45 mm, dm: 6,5 mm) waren standardisiert. Auszugskraft und Haltekraft wurden in normalem Knochen (n=12) sowie bei simulierter Osteopenie (n=12) und Osteoporose (n=12) bestimmt und verglichen. Die Kraft-Verschiebungskurven dienten als Grundlage zur Bestimmung der numerischen Parameter des Cohesive-Zone-Models. Ergebnisse: Die maximale Haltekraft Fmax unterschied sich im normalen Knochen statistisch nicht signifikant zwischen den Gruppen (ST: 2271N ± 197N und DT:2196N ± 178N, p=0,5). Im osteoporotischen Knochen weisen die Kurvenverläufe der beiden Schrauben jedoch große Unterschiede auf. Fmax betrug bei ST -296,4N ± 20,46N, bzw. -291,7± 10,10N bei DT, siehe Abb. 2 a). Bis zum Versagen der Schrauben weißt jedoch die ST-Schraube einen deutlich steileren Gradienten als die DT-Schraube auf, siehe Abb. 2 b)/c) Zusammenfassung: Es konnte gezeigt werden, dass sich die biomechanischen Eigenschaften unterscheiden. Mit Hilfe der Experimente war es möglich ein numerisches Cohesive-Zone Modell zu entwickeln und zu validieren um damit die optimale Wahl der Pedikelschrauben für Patient:innen zu bestimmen.

Ein neuer Wirbelsäulenbelastungssimulator "TO GO"

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung Oft stellt sich nach Tierversuchen in der Wirbelsäulenforschung die Frage – Biomechanik oder Histologie? Für Flexibilitätstests müssen die Proben an Institute mit speziellen Wirbelsäulenbelastungssimulatoren verschickt werden, da diese zu immobil sind. Für den Versand werden die Proben meist eingefroren und erst nach Wochen getestet. Dadurch werden diese Proben für die Histologie unzureichend. Ziele Als Lösung und um die Anzahl der benötigten Tiere zu verringern, wurde eine portable Prüfmaschine entwickelt und evaluiert. Methoden Die neue Maschine leitet über 3 Motoren reine Momente in Flexion-Extension (FE), Seitneigung (SN) und axialer Rotation (AR) am Präparat kranial ein (Abb1). Gleichzeitig erfasst sie Kräfte und Momente (kaudal) sowie Bewegungen (Bewegungsanalysesystem) in allen 6 Freiheitsgraden. Eine erste Evaluierung erfolgte im Vergleich zu einer bisherigen Maschine (Wilke et al. 1994) mit frischen bovinen Schwanzbandscheiben (n=10). Hierbei wurden die Segmente mit 3,5 Zyklen und einem Maximalmoment von ±1Nm belastet und der Bewegungsumfang (ROM) im letzten Zyklus bestimmt. Statistik: Bestimmtheitsmaß R2. Ergebnisse Die Maschine ermöglichte die ROM-Messung für alle Präparate und führte zu typischen Bewegung-Momenten-Hysteresekurven (Abb2A). Die ermittelten ROM der beiden Prüfmaschinen bildeten eine hohes Bestimmtheitsmaß von 0,97 bis 0,99 je nach Bewegungsebene (Abb2B). Der ROM der neuen Prüfmaschinen war größer als bei der bestehenden Prüfmaschine (16,8% für FE, 13,1% für SN und 4,6% für AR). Zusammenfassung Dank der neuen Prüfmaschine ist nun eine mobile Bestimmung des ROMs von Wirbelsäulenpräparaten möglich. Die neue Maschine misst möglichweise einen höheren ROM aufgrund der geringeren Reibung der Luftlager, welche mehr translatorische Bewegung zuließen und somit höheren ROM erklären. Der Simulator "TO GO" wurde bereits für eine erste Messung in Rom eingesetzt und ist nun für Messungen an beliebigen Orten bereit. Danksagung iPSpine (825925)

Session 7
Bewegungsapparat – Wirbelsäule

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Session 7Bewegungsapparat – Wirbelsäule

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