Der Einfluss von Cage Form, Position und Werkstoff auf Segmentstabilisierung und Knochenbelastung in der posterioren, lateralen und anterioren lumbalen interkorporellen Fusion – eine Finite Elemente Perspektive

Abstract-Text deutsch

Einleitung: Unterschiedliche Techniken und Optionen stehen dem Operateur zur interkorporellen Fusion in der Lendenwirbelsäule zur Verfügung: PLIF, TLIF, LLIF und ALIF. Um den Effekt von Cage Form, Position und Werkstoff auf Segmentstabilisierung und Knochenbelastung besser zu verstehen, und um die biomechanischen Eigenschaften dieser Techniken zu bewerten, werden sie in einem Finite Elemente (FE) Modell der Lendenwirbelsäule verglichen.
Material/Methode: Das nichtlineare FE Modell einer Lendenwirbelsäule mit reduzierter Knochenfestigkeit wurde entwickelt und mittels Literaturdaten validiert. Für alle Operationstechniken und Varianten wurde jeweils ein spezifisches Modell erstellt. In Segment L4-L5 wurde bei PLIF eine bilaterale Facettektomie mit Laminektomie, bei TLIF eine rechte Facettektomie und bei ALIF das Entfernen des vorderen Längsbandes durchgeführt. Des Weiteren wurde in diesem Segment bei allen Wirbelsäulen eine Diskektomie sowie das Implantieren von Cages und posteriorer Instrumentierung modelliert. Die implantierten Cages waren bilaterale PLIFs, ein oblique TLIF sowie Banana TLIFs mit zentraler und anteriorer Platzierung, ein LLIF und ein ALIF (Abbildung 1). Alle PLIF and TLIF Modelle hatten identische Kontaktoberflächen zwischen Cage und Endplatten und alle Cages wurden sowohl mit Titan (Ti) als auch mit PEEK Werkstoffeigenschaften modelliert. Die Wirbelsäulen wurden mit einer "follower load" von 400 N und einem Flexionsmoment von 7.5 Nm belastet, was der zu erwartenden Maximallast entspricht.
Ergebnisse: ALIF, gefolgt von LLIF und anteriorem Banana TLIF erreichten die höchste Segmentstabilisierung, PLIF die Geringste. ALIF, LLIF und anteriorer Banana TLIF sanken am wenigsten in die Endplatten ein, oblique TLIF am meisten. ALIF, LLIF und anteriorer Banana TLIF hatten das geringste plastisch verformte Knochenvolumen, PLIF das Größte. Die Ergebnisse von Ti und PEEK Cages sind vergleichbar (Abbildung 2).
Diskussion: Unser Finite Elemente Modell zeigt bei ALIF, LLIF und anteriorem Banana TLIF eine höhere Stabilisierung, ein geringeres Cage Einsinken und ein geringeres plastisch verformtes Knochenvolumen. Aus biomechanischer Sicht haben diese Techniken das Potential das sagittale Profil und die Bandscheibenhöhe besser wiederherstellen, die Korrekturen besser über die Zeit zu halten, sowie Schraubenlockerung und Cagesinterung zu verhindern. Im nächsten Schritt sollten unsere Erkenntnisse durch entsprechende klinische Studien weiter gestützt werden.

Abstract-Text englisch

Introduction: Different techniques and options such as PLIF, TLIF, LLIF and ALIF are available to the surgeon for interbody fusion in the lumbar spine. To better understand the effect of cage shape, position and material on segmental stabilization and bone loading, and in order to better assess the biomechanical performance of these techniques, they were compared in a finite element (FE) model of the lumbar spine.
Materials and Methods: A nonlinear FE model of a lumbar spine with reduced bone strength was developed and validated by comparing its range of motion with literature data. A specific model was then prepared for every technique and variant. Bilateral facetectomy with laminectomy for PLIF, right facetectomy for TLIF and removal of the anterior longitudinal ligaments for ALIF were performed in level L4-L5. Moreover, discectomy as well as placement of cages and posterior screw instrumentation were modeled in all spines at this level. The implanted cages were bilateral PLIFs, an oblique TLIF as well as banana TLIF cages with central and anterior positions, a LLIF and an ALIF (Figure 1). All PLIF and TLIF models had identical cage to endplate contact surface area and all cages were modeled using titanium as well as PEEK material properties. The spine was subjected to a follower load of 400 N and a flexion of 7.5 Nm, the expected maximum loading condition.
Results: ALIF, closely followed by LLIF and anterior banana TLIF achieve the highest stabilization, PLIF the lowest. ALIF, LLIF and anterior banana TLIF result in the lowest normalized mean cage sinking, oblique TLIF in the highest. And again ALIF, LLIF and anterior banana TLIF result in the lowest plastically deformed bone volume, PLIF in the highest. The results for titanium and PEEK cage material were similar (Figure 2).
Discussion: Our finite element model shows a higher segmental stabilization, a lower cage sinking and a lower volume of plastically deformed bone with ALIF, LLIF and anterior banana TLIF. From a biomechanical perspective, these techniques have the potential to lead to better disc height restoration, improve maintenance of correction over time and reduce the risk of cage subsidence and pedicle screw loosening. As a next step these findings should be further validated in corresponding clinical studies.