Untersuchung der Wirbelkörperspongiosa sowie der Schraubenauszugskraft von Pedikelschrauben in Abhängigkeit von BMD und Hounsfield-Units

Abstract-Text deutsch

Fragestellung

Die Primärstabilität von dorsal instrumentierten Pedikelschrauben hängt von vielen Faktoren ab. Den vermutlich größten Einfluss hat die Knochenqualität gemessen in der Knochendichte (engl. BMD). Diese wird durch die Dual-energy-Röntgenabsorptiometrie (DEXA) dem Goldstandard bestimmt. Eine Alternative stellt hierfür die Messung der Hounsfield-Units (HU) aus diagnostischen CT-Untersuchungen dar. Ziel dieser Studie war somit die Untersuchung der Abhängigkeit der Knochenfestigkeit sowie der Schraubenauszugskraft von HU und BMD.

Methoden

Von 38 Wirbelkörper (T6–L5) von insgesamt 5 Körperspendern wurden sowohl DEXA als auch CT angefertigt. Der BMD wurde für die Level L1-L4, und die HU für alle getesteten Wirbelkörper ermittelt. In jeden Wirbel wurde randomisiert auf einer Seite (links oder rechts) eine polyaxiale Pedikelschraube in klassischer Trajektorie instrumentiert und die Wirbelkörper mit Gießharz in einer zylindrischen Hülse fixiert. Im axialen Pullout-Versuch (nach ASTM F35-17) erfolgte die Bestimmung der maximalen Auszugskraft Fmax. Auf der nicht instrumentierten Seite wurde mit einer Standbohrmaschine eine zylindrische Probe (Ø6x12mm) in superior/inferior Richtung entnommen (s. Abb.) und im einachsigen Druckversuch die Parameter Modul (E), Druckfestigkeit (σ_max) und Plateauspannung (σ_p) ermittelt. Es erfolgte die Erstellung von Teilvolumen der Wirbelkörperspongiosa mittels Materialise Mimics sowie die Erfassung der seitenspezifischen mittleren HU. Die Zusammenhänge zwischen Knochendichte und den mechanischen Versuchsdaten wurden auf Basis von Regressionsanalysen dargestellt.

Ergebnisse

Alle Parameterpaare liefern signifikante Ergebnisse. F_max lässt sich sehr genau durch HU (R²=0,83) und BMD (R²=0,91) vorhersagen. Im Gegensatz zum BMD können HU für alle untersuchten Wirbel bestimmt werden, was sich in der Fallzahl widerspiegelt. Die mechanischen Parameter der Wirbelkörperspongiosa lassen sich ähnlich gut durch HU und BMD vorhersagen. Hierbei erreicht σ_max die beste Modellgüte.

Schlussfolgerung

Die Vorhersage der Knochenfestigkeit sowie der Primärstabilität von Implantaten durch standardmäßig genutzte Bildgebungsverfahren birgt ein großes Anwendungspotential im klinischen Alltag. Die Druckfestigkeit der lumbalen Wirbelkörperspongiosa lässt sich gut durch BMD und HU vorhersagen. Außerhalb des Messbereichs der DEXA können somit mittels diagnostischen CT quantitative Aussagen zur Knochenarchitektur und –Qualität getroffen werden. Durch eine detaillierte Kenntnis der Knochenarchitektur und-Qualität im Wirkungsbereich von Implantaten kann eine individuell angepasste Versorgungsstrategie abgeleitet und somit das Komplikationsrisiko gesenkt werden.

Tab.: Ergebnisse der Kurvenanpassung unter Verwendung einer Potenzfunktion (y=a*xb) mit der seitenspezifischen HU bzw. BMD als abhängige Variablen

Abb.: Eingebetter Wirbelkörper (mitte). Pedikelschraube beim axialen Pullout (links) und Spongiosaprobe im Druckversuch (links)

Abstract-Text englisch

Background
The primary stability of dorsal instrumented pedicle screws depends on many factors. One of the most important factors is the bone quality measured by bone mineral density (BMD). The gold standard for this is dual-energy X-ray absorptiometry (DEXA). Alternatively, Hounsfield-Units (HU) from diagnostic CT examinations can be used. Objective of this study was therefore to investigate the dependence of bone strength as well as screw pullout force on HU and BMD.

Methods
Both DEXA and CT were obtained from 38 vertebral bodies (T6-L5) from a total of 5 body donors. BMD was determined for levels L1-L4, and HU for all tested vertebral bodies. Polyaxial pedicle screws were instrumented randomly in each vertebra on one side (left or right) in a classic trajectory, and the vertebral bodies were fixed with cast resin in a cylindrical sleeve. During axial pullout test (according to ASTM F35-17), the maximum pullout force F_max was determined. A cylindrical specimen (Ø6x12mm) was taken in superior/inferior direction on the non-instrumented side using a stationary drilling machine (Figure) and the parameters modulus (E), compressive strength (σ_max) and plateau stress (σ_p) were determined in uniaxial compressive test. Partial volumes of each vertebral body were created using Materialise Mimics and the side-specific mean HU was determined. The relationships between bone density and the mechanical test data were presented based on regression analysis.

Results
All pairs of parameters yield significant results. F_max can be predicted very accurately by HU (R²=0.83) and BMD (R²=0.91). In contrast to BMD, HU can be determined for all investigated vertebrae, which is reflected in the number of cases. The mechanical parameters of the vertebral cancellous bone can be predicted similarly well by HU and BMD. Here, σ_max achieves the best model quality.

Conclusion
The prediction of bone strength as well as primary stability of implants by standard imaging techniques has a great potential for application in clinical practice. The compressive strength of lumbar vertebral body cancellous bone can be predicted well by BMD and HU. Thus, outside the measurement range of DEXA, diagnostic CT can provide quantitative information on bone architecture and quality. Detailed knowledge of bone architecture and quality in the effective range of implants can be used to derive an individually adapted treatment strategy and thus reduce the risk of complications.

Tab.: Results of curve fit using power functions (y=a*xb) with the side-specific HU or BMD as dependent variables.

Fig.: Embedded vertebral body (center). Pedicle screw in axial pullout (left) and cancellous bone specimen in compressive test (left).