Experimentelle Untersuchungen zur Instabilität der lumbalen Lendenwirbelsäule: Entwicklung eines intraoperativ anwendbaren Messgerätes zur dreidimensionalen Aufzeichnung von Kraft-Weg-Kurven an menschlichen lumbalen Bewegungssegmenten

Abstract

Die degenerative Segmentinstabilität der Lendenwirbelsäule wird sowohl in ihrer klinischen und radiologischen Objektivierbarkeit als auch in ihrer klinischen Relevanz sehr kontrovers diskutiert wird. Oftmals ist die Diagnose lumbale Segmentinstabilität Grund für aufwendige Fusionsoperationen. Das klinische Resultat dieser Operationen ist wesentlich von der korrekten Indikationsstellung abhängig. Hierzu sind vor allem objektive Daten unerlässlich. Im vorliegenden Projekt ist zunächst die Genauigkeit der heute als Goldstandard etablierten radiologischen Untersuchung untersucht worden. Anschließend wurde ein neues Messverfahren für die Aufnahme von Kraft-Weg- Kurven in vivo entwickelt. Im ersten Teil der Studie konnte gezeigt werden, dass die erreichbare prozentuale Übereinstimmung bei der mehrfachen Beurteilung von seitlichen Funktionsaufnahmen unter klinischen Alltagsbedingungen geringer als erwartet ist. Die hohe Streuung der Messwerte führte bei einer erlaubten Abweichung von +/- 1 mm bzw. +/- 1 ° zu Übereinstimmungen bei Mehrfachuntersuchungen von 38,7 % für angulatorische Verfahren und 49 % für translatorische Verfahren. Ihre zurückhaltende Bewertung im klinischen Alltag ist somit angezeigt. Im zweiten Teil der Studie wurde ein Verfahren entwickelt, welches über die Nutzung von polyaxialen Pedikelschrauben direkt an das lumbale Bewegungssegment ankoppelt. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt können die notwendigen Voraussetzungen der Positionierung des Messgerätes nur unter Benutzung einer polyaxialen kopfverriegelnden Kombinationsschraube (MOSS-MAX, Fa. DePuy) erreicht werden. Das im dritten Teil der Studie entwickelte Messgerät realisiert die geforderte Messung von Kraft- und Wegdaten simultan. Die Erprobung des entwickelten Messgerätes erfolgte an nativen menschlichen Ganzkörperpräparaten. Es wurden simultan in Flexion, Rotation links und rechts sowie und in dorsaler Translation des kranialen und kaudalen Wirbels Kraft-Weg-Kurven erstellt. Die Auswertung der Daten zeigte reproduzierbare Messdaten für Kräfte und Wege in allen untersuchten Freiheitsgraden. Die Berechnung von segmentalen Steifigkeiten und Flexibilitätskoeffizienten im stabilen und im instabilen Zustand des Segmentes zeigte die erwartete signifikante Reduktion der Steifigkeit nach Laminektomie bzw. eine signifikante Erhöhung des Flexibilitätskoeffizienten in der instabilen Situation. Auch diese Werte sind ausreichend genau reproduzierbar. Es ist somit gelungen, ein völlig neuartiges Messverfahren zur Beurteilung segmentaler Stabilität zu entwickeln. Das Verfahren erlaubt nicht nur den intraoperativen Einsatz, sondern ist auch erstmals in der Lage, simultan Daten für Belastungen = Loads (Kräfte bzw. Momente) und Wegänderungen = Displacements (Wege bzw. Winkel) in Flexions-, Rotations- und Translationsrichtung zu erheben. Das Verfahren wurde urheberrechtlich geschützt.

The clinical relevance of clinical and radiological objectivation of segment instability in the degenerative lumbar spine is very controversially discussed. The diagnosis lumbar segment instability is often the reason for complicated fusion operations. The clinical results of this surgical intervention are largely dependent on the correct diagnosis and require above all objective data. In the project presented here, we first examined the accuracy of the radiological examination currently regarded as the gold standard. Subsequently we developed a new measuring procedure for recording force-displacement curves. In part I of the study, we were able to demonstrate that the percentual agreement achieved in multiple assessments of lateral functional images under routine clinical conditions is lower than anticipated. The high scattering of the measurement values in repeated examinations resulted in 38.7% agreement for angulatory and 49% for translatory procedures with an acceptable deviation of +/- 1 mm and +/- 1°. This assessment should thus be used with caution in the clinical routine. In part II of the study, we developed a procedure that connects directly to the lumbar movement segment via polyaxial pedicle screws. At the present time, the prerequisites required for positioning the measuring device can only be achieved by using a polyaxial headlocking combination screw (MOSS-MAX, DePuy). The measuring device developed in part III of the study realizes the required measurement of force and displacement data at the same time. The measuring device was tested on native human whole-body samples. The force-displacement curves were simultaneously established in flexion, in left and right rotation as well as in dorsal translation of the cranial and caudal vertebra. Evaluation of the data showed reproducible measuring data for forces and displacements in all examined degrees of freedom. Calculation of segmental stiffnesses flexibility coefficients under stable and unstable segment conditions yielded the expected significant reduction of stiffness after laminectomy and a significantly increased flexibility coefficient in the unstable situation. These values can also be reproduced with sufficient accuracy. Thus it was possible to develop a completely novel measurement procedure for assessing segmental stability. This procedure cannot only be intraoperatively applied but enables for the first time the simultaneous recording of data for loads (forces or moments) and displacements (places or angles) in a flexional, rotational or translational direction. The procedure has been patented.