Nutzen eines drehmomentbasierten Schraubendrehers zur Darstellung der Knochenqualität und Vorhersage des Implantatversagens – eine biomechnaische Analyse

Abstract-Text deutsch

Einleitung         Die pedikelbasierte Stabilisierung der Wirbelsäule gehört heute zu den Standardverfahren in der Wirbelsäulenchirurgie. Zur Beurteilung der Knochenqualität stehen dem Operateur intraoperativ nur wenig Möglichkeiten zur Verfügung Rückschlüsse auf die Qualität des Knochens zu ziehen, um als Konsequenz die operative Maßnahmen- beispielsweise im Sinne einer Augmentation der Schrauben - zu modifizieren. Daher war das Ziel der vorliegenden Arbeit den Nutzen eines drehmomentbasierten Schraubendrehers zur Evaluation der Knochenqualität, ebenso wie zur Vorhersage eines Implantatversagens zu prüfen.

Material           Es wurden 13 Lendenwirbelkörper von ausschließlich männlichen Spendern mit einem mittleren Knochendichte von durchschnittlich 101,2 Hounsfield-Einheiten (HU) (SD 31,6) verwendet. Nach Präparation und Einbettung wurden Pedikelschrauben in beide Pedikel mittels eines elektrischen Drehmomentschraubendrehers (Akku-Pistole-EC-Schrauber mit Drehmomentsensor HAST Technik, Efringen-Kirchen, Deutschland) eingebracht und dabei das Drehmoment stetig dokumentiert. Nach Fixierung der Grundplatte des Wirbelkörpers im Kunststoffblock erfolgte die Messung in der Testmaschine (Zwick/Roell Z010, Fa. Zwick Roell, Ulm, Deutschland). Alle Proben wurden zyklischen biomechanischen Tests mit einem unteren Intervall von 25 N bis -25 N in aufsteigenden Zyklen unterzogen. Ein Versagen des Implantates wurde definiert als eine Bewegung der Schraubenköpfe ≥ 5 mm und/oder ein Reißen der Kraftabschaltschwelle von 40% Fmax.

Ergebnisse        Es zeigte sich ein signifikanter Zusammenhang zwischen dem maximale Insertions Moment (MIT) während der ersten Hälfte des Eindrehens (H1) und den Hounsfield units (p= 0,045). Auch das durchschnittliche Insertions Drehmoment (AIT) in der zweiten Hälfte wie auch über die gesamte Länge korrelierte signifikant mit den HU (p= 0,023). Bei der Versagensanalyse zeigte sich eine hoch signifikante positive Korrelation des AIT isoliert sowohl für H1 als auch H2 mit der Schraubenfestigkeit. Je höher das jeweilige AIT, desto höher die Last (load to failure; p(H1)=0,000; p(H2)=0,000) und Anzahl der Zyklen (cycles to failure; p(H1)=0,002; p(H2)=0,009) bis zur Schraubenlockerung. Hinsichtlich des MIT zeigt sich ebenfalls eine hoch signifikant positive Korrelation für H1 mit der Schraubenfestigkeit (p=0,001). Das MIT von H2 korreliert jedoch nicht signifikant hinsichtlich der Anzahl der Zyklen bis zur Lockerung.

Diskussion        Es besteht eine signifikante Korrelation zwischen den Insertionsdrehmomenten und den bestimmten HU. Als Marker für die Schraubenfestigkeit eignet sich insbesondere die AITs von H1 und H2. Die durchschnittlichen und maximalen Drehmomente über den gesamten Schrauben Verlauf sind hingegen wenig nützlich.

Abstract-Text englisch

Introduction The pedicle-based stabilization of the spine is one of the standard procedures in spine surgery today. In order to assess the bone quality, the surgeon has only a few intraoperative possibilities to draw conclusions about the quality of the bone in order to consequently modify the surgical measures - for example in the sense of an augmentation of the screws. Therefore, the aim of the present work was to examine the usefulness of a torque-based screwdriver for the evaluation of bone quality as well as for the prediction of implant failure.

Material 13 lumbar vertebrae from exclusively male donors with a mean bone density of 101.2 Hounsfield units (HU) (SD 31.6) were used. After preparation and embedding, pedicle screws were inserted into both pedicles using an electric torque screwdriver (cordless pistol EC screwdriver with torque sensor HAST Technik, Efringen-Kirchen, Germany) and the torque was continuously documented. After fixing the base plate of the vertebral body in the plastic block, the measurement was carried out in the test machine (Zwick/Roell Z010, Zwick Roell, Ulm, Germany). All samples underwent cyclic biomechanical testing with a lower interval of 25N to -25N in ascending cycles. Implant failure was defined as a movement of the screw heads ≥ 5 mm and/or a breach of the force cut-off threshold of 40% Fmax.

Results There was a significant correlation between the maximum insertion moment (MIT) during the first half of insertion (H1) and the HU (p= 0.045). The average insertion torque (AIT) in the second half as well as over the entire length also correlated significantly with the HU (p= 0.023). The failure analysis showed a highly significant positive correlation of the AIT isolated for both H1 and H2 with the bolt strength. The higher the respective AIT, the higher the load (load to failure; p(H1)=0.000; p(H2)=0.000) and number of cycles (cycles to failure; p(H1)=0.002; p(H2)= 0.009) until the screw loosens. With regard to the MIT, there is also a highly significant positive correlation for H1 with the screw strength (p=0.001). However, the MIT of H2 does not significantly correlate with the number of cycles to failure.

Discussion There is a significant correlation between the insertion torques and the determined HU. The AITs of H1 and H2 are particularly suitable as markers for the screw strength. The average and maximum torques over the entire course of the screw, on the other hand, are of little use.