Biomechanische Analyse der Cagebewegung im 360° -Verbund während der postoperativen Frühphase bei Osteoporose

Abstract-Text deutsch

Einleitung

Eine 360°-Versorgung mit Cage als ventrale Abstützung und Pedikelschrauben-Stabsystem als dorsale Stabilisierung stellen eine gängige Operationspraxis für Versteifungsoperationen dar. Vereinzelt kommt es dabei in der postoperativen Frühphase, besonders bei Osteoporose, zum Einsinken des Cages in den Wirbelkörper. Ein möglicher Faktor könnten translatorische und rotatorische Bewegungen des Cages entlang der Wirbelkörperdeckflächen sein, die zu einem hindurcharbeiten des Cages durch die Deckflächen führen. Ziel dieser Studie war diese Relativbewegungen von zwei unterschiedlichen Cagedesigns zu untersuchen.

Material und Methode

14 Kadaver, mit den Bewegungssegmente L2/L3 und L4/L5, im Mittel 80,6 ± 9,14 Jahre alt und mittleren BMD von 0,95 ± 0,17 g/cm², wurden präpariert mit einer 360°-Versorgung instrumentiert. Dabei wurden randomisiert die Hälfte der Proben mit zwei PLIF Cages und die andere Hälfte mit einem schrägen-Cage versorgt. Um die Bewegung der Cages mit einem optischen Bildkorrelationssystem (DIC) messen zu können, wurden 3D-gedruckte Marker an den Cages angebracht und durch die Foramina nach außen geführt (Abb. 1).  Nach der Einbettung in Kunstharz wurden die Bewegungssegmente in einem Mehrachs-Prüfstand eingespannt und mit 30.000 Zyklen belastet. Die Zyklen ergaben sich aus jeweils 10.000 Zyklen Extension-Flexion (5Nm), laterale Flexion (5Nm) und axiale Rotation (2Nm) bei einer konstanten axialen Druckkraft von 60% der Masse des Körperspenders.

Ergebnisse

Ein Sinterung des Cages in den Wirbelkörper konnte nur bei einer Probe beobachtet werden. Die Bewegungsanalyse ergab, dass die Cages maßgeblich der eingeleiteten Bewegung folgten. Bei der Extension /Flexion rotierten sie ebenfalls um die Transversalachse im Mittel um 0.59° ±0.27°. Bei der lateralen Biegung rotierten die Cages im Durchschnitt mit 1.02° ± 0.55° um die Sagittalachse und bei der Torsion 0.47°±0.43° um die Longitudinalachse.

Einen signifikanten Unterschied zwischen schrägem-Cagedesign und PLIF-Cages konnte nicht festgestellt werden.

Fazit

Die Bewegungen der Cages konnte mit dieser neuen Methodik per DIC vermessen werden. Die Hauptbewegungsrichtung der Cages innerhalb eines Bewegungszyklus stimmte mit der eingeleiteten Bewegung überein. Dabei trat die größte Rotationsbewegung bei der lateralen Biegung auf, was vor allem bei den PLIF Cages der Längsachse der Cages entspricht, welche besonders Kippanfällig zu sein scheint.  Die Methodik scheint zur weiteren Untersuchung der Mechanismen der Cage-Sinterung geeignet zu sein, jedoch müssten die Belastungen oder die Belastungszyklen angepasst werden, um eine ausreichende Anzahl von Sinterungen für weitere Rückschlüsse zu provozieren.

Abstract-Text englisch

Introduction

A 360° fixation with  a cage as ventral support and pedicle screw rod system as dorsal stabilization is a common surgical practice for fusion operations. Occasionally, the cage collapses into the vertebral body during the early postoperative phase, especially when osteoporosis is present. A possible factor could be translational and rotational movements of the cage along the vertebral body cover surfaces, which result in the cage penetrating through the cover surfaces. The aim of this study was to investigate these relative movements of two different cage designs.

Methodology

Fourteen cadavers, with L2/L3 and L4/L5 motion segments, mean age of 80.6 ± 9.14 years, and mean BMD of 0.95 ± 0.17 g/cm², were dissected and instrumented with a 360° fixation. In a randomized manner, half of the specimens were fitted with two PLIF cages and the other half with one oblique cage. In order to measure the movement of the cages with an optical image correlation (DIC) system, 3D-printed markers were attached to the cages and guided outward through the foramina (figure 1).  After embedding in resin, the motion segments were clamped in a multi-axis test rig and loaded with 30,000 cycles. The cycles resulted from 10,000 cycles each of extension-flexion (5Nm), lateral flexion (5Nm), and axial rotation (2Nm) at a constant axial compressive force of 60% of the body mass.

Results

Cage subsidence in the vertebral body was observed in only one specimen. Motion analysis showed that the cages significantly followed the initiated motion. During extension/flexion, they were rotating around the transversal axis by an average of 0.59° ±0.27°. During lateral bending, the cages rotated around the sagittal axis by 1.02°±0.55° on average, and during torsion, they rotated 0.47°±0.43° around the longitudinal axis.  A significant difference between oblique cage designs and PLIF cages could not be found.

Conclusion

The movements of the cages could be measured with this new methodology using DIC. The main direction of movement of the cages within a movement cycle was consistent with the initiated movement. Thus, the largest rotational movement occurred during lateral bending, which corresponds to the longitudinal axis of the cages, especially for the PLIF cages, which seem to be particularly sensitive for tilting.  This presented method seems to be suitable for further investigation of the mechanisms of cage subsidence, although loads or loading cycles would need to be increased to provoke a sufficient number of cage subsidences for further conclusions.