Reproduzierbarkeit und dynamischer Frakturverlauf bei A3 und A4 Frakturen – eine biomechanische Analyse

Abstract-Text deutsch

Einleitung

Insbesondere für die chirurgische Ausbildung ist die reproduzierbare Simulation von Wirbelkörperfrakturen an menschlichen Präparaten anzustreben. Ziel der vorliegenden Studie war es daher, Berstungsfrakturen (A3 und A4) als Kompressionsfraktur eines einzelnen Wirbelkörpers in einem kompletten Wirbelsäulensegment zu simulieren und dabei den dynamische Frakturverlauf mittels High-Speed Video zu verfolgen.

 

Materialien und Methoden

6 Lendenwirbelsäulensegmente von Spenderpräparaten wurden mit Hilfe eines speziell angefertigten Frakturmaschine gebrochen (4 komplette Lendenwirbelsäulensegmente (L1-5), eines unterteilt in (Th12-L2) und (L3-5). Die oberen und unteren Endplatten wurden eingebettet, und die Wirbelsäulensegmente wurden in einer Kyphose von 15° positioniert. Der axiale Impuls wurde durch freien Fall ausgelöst. Vor der Fraktur wurden CT-Scans zur Messung der Knochendichte (HU) durchgeführt. Nach der Fraktur wurden Röntgenaufnahmen und CT-Scans durchgeführt, um die genauen Frakturkonfigurationen und die Klassifizierung zu bestimmen. Die Frakturen wurden nach der AO-Spine Klassifikation eingeteilt..  Mit Hilfe von High-Speed Imaging wurden die einzelnen Schritte des Frakturprozesses bei drei Probanden überwacht.

 

Ergebnisse

In allen 6 Lendenwirbelsegmenten wurden lebensechte Berstungsfrakturen (A3 und A4) festgestellt (4 L3-Frakturen, 1 L1 und 1 L4). Drei A3- und drei A4-Frakturen wurden beobachtet. Alle Frakturen waren bei Anwendung der gleichen Simulationsparameter zuverlässig reproduzierbar.  Das High-Speed Imaging der Fraktursimulation zeigte identische Schritte des Frakturmechanismus. Zunächst wurde eine Fraktur der Vorderkante beobachtet, wobei das obere Fragment kreisförmig um den Wirbelkörper herum ausbrach und das untere Fragment überragte. Dann drückte eine weitere axiale Kompression beide Endplatten vor allem vom ventralen Teil her zusammen. Im Anschluss an diese Kompression wurde die Hinterkante des Wirbelkörpers gebrochen. Die CT-Scans zeigten vollständiger Berstungsfrakturen, die Vorder-  und Hinterkante einschlossen.

 

Schlussfolgerung

Mit einem hochenergetischen axialen Impuls konnten realistische lumbale Berstungsfrakturen eines einzelnen Wirbelkörpers in einem kompletten Wirbelsäulensegment erzeugt werden. Der dynamische Frakturverlauf war in allen Fällen identisch. Somit steht mit der vorgestellten Technik eine suffizienten Möglichkeit zur Verfügung, identische Präparate für die praktische chirurgische Ausbildung zu produzieren.

Abstract-Text englisch

Introduction To induce reproducible life-like vertebral body fractures in human cadaveric specimens is desirable to understand fracture morphology and surgical training of  reduction techniques using spinal instrumentation as well as any kyphoplasty. The aim of the present study was to develop a technique that allows reproducible and reliable simulation of compressive burst fractures  (A3 and A4) of a single vertebral body in a complete spinal segment and to observe the fracturing process.

 

Materials and Methods

Six cadaveric lumbar segments were fractured using a custom-made drop-test bench (4 complete lumbar spine segments (L1-5) one divided into (Th12-L2) and (L3-5). The upper and lower endplates were embedded and the spinal segments were positioned at 15° of kyphosis. Axial impact was induced by free-fall. Pre-fracture CT scans were performed to measure the bone density (HU). Post-fracture x-rays and CT scans were performed to define the exact fracture configurations and classification. The general AO Spine classification for thoraco-lumbar burst fractures was applied.  High-speed imaging was used to monitor steps of fracture process of three specimens.

 

Results

In all six lumbar vertebral segments life-like burst fractures (A3 and A4) were achieved (4 L3 fractures, 1 L1 and 1 L4). Three A3 and three A4 fractures were observed. All fractures were reliably reproducible when applying the same simulation parameters.  High-speed imaging of the fracture simulation revealed identical steps of fracture mechanism. Initially, fracturing of the front edge was observed with the upper fragment blowing out circularly around the vertebral body and overhanging the lower fragment. Then, further axial compression depressed both endplates primarily from the ventral part. Following this compression, the trailing edge of the vertebral body was broken. CT scans showed characteristics of complete burst fractures including both edges.

 

Conclusion Using a custom-made test bench, we were able to induce reproducible lumbar burst fractures of a single vertebral body in a complete spinal segment. Following this reproducible simulation, the fracturing process can characterised in details as well as the specimens can be available for surgical training.