A kisízületi csavarozás szerepe az intervertebralis távtartók háromdimenziós stabilizálásában

Átírás

1 A Semmelweis Egyetem Gerincgyógyászati Nemzeti Központ 1 az M. E. Müller-Institut für Biomechanik, Universität Bern, Schweiz 2 és az Orthopädische Universitätsklinik Balgrist, Zürich, Schweiz 3 közleménye A kisízületi csavarozás szerepe az intervertebralis távtartók háromdimenziós stabilizálásában DR. SZIRTES BALÁZS 1, DR. LAURA M. JENSEN 2, DR. MARK BRENTNALL 2, DR. NORBERT BOOS 3, DR. LUTZ-PETER NOLTE 2, DR. TRACY E. ORR 2 Érkezett: március 10. ÖSSZE OGLALÁS A szerzõk biomechanikai kísérletsorozatot végeztek tíz emberi gerincen, hogy a Harold Hamlin Boucher technikájával bevezetett kisízületi csavarok elülsõ intervertebralis távtartókhoz viszonyított járulékos stabilizáló hatékonyságát a translaminaris kisízületi csavarokéval összevethessék. Eredményeik szerint az implantált SynCage távtartó jelentõsebb stabilizáló hatással bír, mint arról korábbi tanulmányok beszámolnak egyéb távtartókkal kapcsolatban. A járulékos kisízületi csavarozás szignifikánsan növelte a stabilitást, hasonlóan a translaminaris csavarozáshoz. Boucher módszerével a csavarok egyszerûbben ültethetõk be, és perkután technikák, computer-asszisztálta gerincsebészeti szoftver is alkalmazhatók. Kulcsszavak: Lumbális gerinc Mûtéti kezelés; Gerinc fúzió Instrumentáció; Porckorong Mûtéti kezelés; Belsõ rögzítõk; Csavarozás; Biomechanika; Sebészet, computer vezérelt; B. Gy. Szirtes, L. M. Jensen, M. Brentnall, N. Boos, L-P. Nolte, T. E. Orr: The use of facet screws to improve 3-d flexibility of interbody cages A biomechanical study was performed on 10 human lumbar functional segmental units, comparing the effectiveness of the additional transarticular screws, inserted by the Boucher method, to the translaminar screws exerted on the multidirectional stability of an anterior interbody cage. Earlier investigations demonstrated that the addition of translaminar screws provided the necessary stabilization to anterior interbody cages. The use of transfacet joint screws demonstrated similar results. Transfacet joint screws may be easier to implant with less complication and have theoretical potential to be inserted percutaneously with image guiding systems. Key words: Spinal fusion Instrumentation; Lumbar vertebrae Surgery; Bone screws; Intervertebral disk Surgery; Internal fixators; Biomechanics; Surgery, computer assisted; BEVEZETÉS Az intervertebralis fúzió célja a gerincszakasz stabilizálása mellett a csigolyák közti és a foramen intervertebrale magasságának helyreállítása. Az intervertebralis távtartók, ismertebb nevükön cage-ek beültetése, eredetileg laterális feltárásból történt, az elülsõ feltárást késõbb kezdték alkalmazni. Az implantátumok gyártása újabb és újabb cage típusok bevezetésével járt, és szükségessé vált viselkedésük alapos biomechanikai tanulmányozása (2, 4, 5, 6, 10). Ezek a tanulmányok azt mutatják, hogy a háromdimenziós stabilitási tesztek szerint a különbözõ formájú cage-ek hasonló tulajdonsággal bírnak. A legfontosabb eredmény az volt, hogy az elülsõ csigolyaközti fúzió nem stabilizálja kellõképpen a gerincet extenzióban, és egyes szerzõk szerint axiális rotációban sem (5, 9, 13). Magyar Traumatológia, Ortopédia, Kézsebészet, Plasztikai Sebészet

2 A hátsó fixateur (transpeduncularis és translaminaris) szignifikánsan megnövelte a konstrukció stabilitását (2, 5). A transpeduncularis csavarokkal történõ járulékos rögzítés széles feltárást igényel, jelentõs vérveszteséggel és költséggel jár, míg a translaminaris (proc. spinosus tövében az ellenoldalon indított, a laminában vezetett, kisízületen áthaladó) csavarok behelyezése relatíve egyszerûbb, hiszen minimál invazív módon, perkután módszerekkel is végrehajtható (13). Mindazonáltal a csavarok ideggyöki károsodásokhoz vezethetnek a foramenben. King 1948-ban írta le belsõ fixációs módszerét: rövid csavarokkal szinte haránt irányban hatolt át a kisízületeken (1, 3). Thompson és Ralston a módszer magas hibarátájával kapcsolatos tapasztalatai bátorították Boucher-t, hogy azidõtájt saját posterolateralis fixációs módszerét kidolgozza (1). A lumbosacralis szint felett a csavart eredetileg úgy irányította, hogy az a felsõbb csigolya laminájából kiindulva az alsó csigolyatestbe jusson a pedunculus gyökétõl mediálisan. A csavart elõre-lefele irányban, mintegy 30 fokos szögben irányította a sagittalis síkban. Azt, hogy a csavart teljesen a csigolyatestbe ágyazta, azzal magyarázta, hogy ezzel elkerülhetõ az ideggyöki károsodás. A módszer további tökéletesítése abból állt, hogy a csavart a pedunculusba irányították, azon logikus elképzelés szerint, hogy annak kéregállománya kielégítõbb rögzítést biztosít, mint a csigolyatest szivacsos állománya (1). Kísérletsorozatunk célja az volt, hogy Boucher járulékos hátsó fixációs módszerének hatékonyságát vizsgáljuk intervertebralis távtartóval elölrõl implantált emberi gerincen. A lumbális funkcionális szegmentális egységeken biomechanikai módszerekkel összehasonlítottuk a járulékos translaminaris csavarozás hatékonyságát egy multidirekcionális flexibilitási teszt segítségével. A biomechanikai tesztelés mellett CT-adatbázisunkat felhasználva computer-asszisztálta gerincsebészeti szoftverrel csavarlefutási irányokat terveztünk. ANYAG ÉS MÓDSZER A minta preparálása Tíz emberi, 20 C-on tárolt, kétrétegû mûanyag tasakban légmentesen lezárt lumbális gerincet használtunk. A mintákat a mérések napján olvasztottuk ki szobahõmérsékletre. Minden egyes mintát megfosztottunk az összes nem szalagos lágyrésztõl, és funkcionális szegmentális egységekre (functional segmental unit= SU) bontottuk (2 db LII-LIII, 8 db LIV- LV). Nagy figyelmet fordítottunk arra, hogy a szalagos elemek (kisízületi tok, lig. longitudinale anterius és posterius, lig. supra- et interspinosum) és a csontos struktúrák károsodását elkerüljük a preparálás során. A tesztelés elõtt postero-anterior és oldalirányú analóg röntgenfelvételek készültek, bárminemû patológiás csontelváltozás felderítésére. A csontdenzitás megállapítására DXA vizsgálat történt minden minta alsó csigolyájáról. Mechanikai tesztelés Mind a felsõ, mind az alsó csigolyát egymástól függetlenül polymetilmetakrilát (PMMA) blokkokba ágyaztuk oly módon, hogy az intervertebralis porckorongok síkja horizontális legyen. Minden egyes SU-PMMA egységet egy tesztelõ rendszerhez rögzítettünk, mely tiszta, ismert forgatónyomatékokat fejt ki a gerincen, valamint a csigolyák relatív mozgásait is méri (7, 8) (1. ábra). A funkcionális szegmentális egységeket egy háromdimenziós flexibilitási protokoll szerint teszteltük, melynek során tiszta forgatónyomatékokat alkalmaztunk flexió-extenzióban, kétoldali axiális rotációban és oldalhajlásban. A nyomatékok tiszták maradtak a minta egész hosszában, az apparátus tervezésének köszönhetõen, és lépcsõszerûen növekedtek: 4x2.5 Nm-tõl egészen a maximális 10 Nm-ig. 30 másodperc utánnyúlási 196 Magyar Traumatológia, Ortopédia, Kézsebészet, Plasztikai Sebészet

3 (creeping) idõt hagyott a szoftver az egyes nyomaték-lépcsõk között és az egyes ciklusokat háromszor ismételte mind a hat irányban. A három tesztkondíció a következõ volt: i) intakt, ii) elülsõ cage beültetés után, iii) cage és Boucher módszerével a kisízületen áthaladó járulékos AO corticalis csavar (26-32 mm) beültetése után (2. ábra). A SynCage (Mathys Medical Ltd., Bettlach, Switzerland), melyet ebben a méréssorozatban távtartóként használtunk, egy centrális, porózus kontúrú, véglemez-fekvésû implantátum, melyet elölrõl ültettünk be, a cég sebészeti technikára vonatkozó használati útmutatásait pontosan követve. Mindegyik csigolyaközti porckorongot az anulus fibrosus maximális feszüléséig disztraháltuk. Négy infravörös fényt emittáló diódát tartalmazó dinamikus marker hordozókat helyeztünk az alsó és a felsõ PMMA blokkokra, hogy a felsõ csigolyatest háromdimenziós merev test mozgásait, azaz a három rotációt és a három transzlációt regisztrálhassuk az alsó csigolyatesthez képest egy optoelektronikus kamerarendszer segítségével (Optotrak 3020, Northern Digital, Waterloo, Canada). A rendszer a marker-hordozók térbeli mozgásait regisztrálja minden egyes merev testen. Speciális szoftvert használtunk arra, hogy a felsõ csigolya rotációit az alsóhoz viszonyítva Euler-szögekben kiszámolhassuk. A maximális nyomaték irányába esõ rotációval kalkuláltunk, tehát flexió-extenzióval, axiális rotációval és oldalhajlással. A mozgásterjedelmet az intakt állapothoz hasonlítottuk mind a cage, mind a cage-járulékos kisízületi csavarozás esetében. Ezen adatokat egy korábbi tanulmány eredményéhez viszonyítottuk, mely ugyanezt a protokollt használta translaminaris csavarozással (9). Megvalósíthatóság a klinikumban Az elsõ ötven pácienst random módon választottuk ki CT-adatbázisunkból. Ezen ötven beteg közül húszat kizártunk trauma, spondylolisthesis, durva scoliosis stb. miatt. A maradék harminc beteg adatait computer-asszisztálta sebészeti szoftverünkbe vittük (Surgigate, 1. ábra Extenziós terhelés alatti intakt SU fényképe a multidirekcionális flexibilitás tesztelése során Magyar Traumatológia, Ortopédia, Kézsebészet, Plasztikai Sebészet

4 2. ábra Syncage-dzsel implantált LIV/V SU-k analóg röntgenfelvételei A felsõ sorban a Boucher-módszerrel bevezetett kisízületi, az alsó sorban transzlaminális kisízületi csavarok láthatók. 198 Magyar Traumatológia, Ortopédia, Kézsebészet, Plasztikai Sebészet

5 Medivision, Oberdorf, Switzerland). A rekonstruált CT-felvéltelek alapján a szoftver preoperatív moduljában célzásokat, úgynevezett trajectory-kat terveztünk a csavarok tervezett lefutásának megfelelõen a T12-S1 szintek között (TXII-LI: 1 páciens, LI-LV: 2 páciens, LI-SI: 2 páciens, LII-LV: 2 páciens, LIII-LV: 1 páciens, LIV-LV: 1 páciens, LIII-SI: 16 páciens, LII-SI: 3 páciens, LIV-SI: 1 páciens). Egy baloldali csavarlefutás látható az LIV/V-ös szinten a 3. ábrán. 3. ábra Gerincsebészeti navigációs szoftver segítségével megtervezett tipikus csavarlefutási vonal (ún. trajectory) kétirányú képe. A bal oldali ábrán a csavar és a munkacsatorna látszik. Összegezve a fentieket 7 páciens esetében a laminát igen szûknek találtuk a processus spinosushoz viszonyítva: egy esetben a TXII, egy esetben az LI-LII, egy esetben az LII, három esetben az LIII, egy esetben az LIV laminák bizonyultak szûknek a CT-felvételeken, a csavarlefutás tervezését extrém módon megnehezítve. Ezen esetekben, a korábbiakban leírt King-féle kisízületi csavarozás lenne az optimális megoldás, vagy pedig a csavar a processus spinosusba fúrt lyukon át illesztendõ a helyére. Célzásainkat ez utóbbi megoldásnak megfelelõen terveztük, hiszen ez esetben a csavarok lefutási iránya megegyezik a Boucher-félével. Enyhe scoliosist három páciensben mutatott a CT. Noha a scoliosisos beteg nem ideális jelölt a minimál invazív fúzióra, ezen esetekben is tervezhetõ volt a célzás. Egyik páciensnél bal oldali LV hemilaminectomia utáni állapotot találtunk extrém módon degenerált LV/SI porckorong mellett. Ebben az esetben egy jól irányzott csavarbehelyezés a másik oldalra megoldást jelenthet. Extrém poliszegmentális porckorongdegenerációt nagy kisízületi osteophytákkal egy esetben találtunk az LIII-SI szintek között. Az osteophyták a célzás-tervezést nem nehezítették, de operatív körülmények között a csavarbehelyezést megnehezítik. Négy betegben degeneratív spondylolisthesist találtunk az LV szinten és egyben az LIV-es szinten. A subluxálódott kisízületek exakt célzást igényelnek az úgynevezett real time manõverekkel szemben. Egy LIII-LIV, három LIV-LV, négy LV-SI porckorong extrém degenerációra utaló jeleket mutatott a fent említetteken felül. A többi ágyéki szint enyhén, vagy közepesen degenerálódott. Magyar Traumatológia, Ortopédia, Kézsebészet, Plasztikai Sebészet

6 EREDMÉNYEK Csontsûrûség Az osteodenzitometriás mérések szignifikáns eltérést nem mutattak az egyes minták között. Az átlagos csontsûrûség (BMD) g/cm2 volt (min , max ). Mechanikai tesztelés A cage-beültetés utáni állapot relatív mozgásterjedelme az intakt állapothoz viszonyítva a korábbi, már említett kísérletekhez viszonyítva szignifikánsan csökkent (5, 9). A kisízületi csavarok bevezetése a stabilitást minden irányban fokozta, három minta kivételével. Mindazonáltal e kivételek annak tudhatók be, hogy a cage beültetése és tesztelése, illetve a kisízületi csavarozás után e három SU-t visszafagyasztottuk, majd újból kiolvasztottuk. Statisztikai értékelésünk a varianciaanalízisre (analysis of variance, ANOVA) épült. A 4. ábrán a különbözõ tesztkondíciók dobozdiagrammja látható. 4. ábra 10 Nm-es forgatónyomaték alkalmazása során észlelt háromdimenziós flexibilitási eredmények a három különbözõ tesztkondícióban (intakt állapotban, Syncage-beültetés után, Boucher módszerével történõ kisízületi csavarozás után). lexió-extenzió A SynCage beültetése az SU-k flexiós-extenziós mozgásait szignifikánsan csökkentette (p= ). A járulékos kisízületi csavarozás a mozgást szignifikánsan lecsökkentette mind az intakt (p= ), mind a cage állapothoz képest (p= ). Axiális rotáció A SynCage beültetése az axiális rotációs mozgás-mediánt szignifikánsan lecsökkentette (p= ). A járulékos kisízületi csavarozás a mozgást szignifikánsan lecsökkentette mind az intakt (p= ), mind a cage állapothoz képest (p= ). 200 Magyar Traumatológia, Ortopédia, Kézsebészet, Plasztikai Sebészet

7 Oldalhajlás A SynCage beültetése az SU-k oldalhajlását szignifikánsan csökkentette (p= ). A járulékos kisízületi csavarozás a mozgást szignifikánsan lecsökkentette mind az intakt (p= ), mind a cage állapothoz képest (p= ). MEGBESZÉLÉS A csigolyaközti távtartók vagy cage-ek fontos mérföldkövek a degeneratív gerincbetegségek sebészeti kezelésében. Kiemelt elõnye ezen implantátumoknak, hogy minimál invazív módszerekkel biztosíthatják a gerinc fixációját. Mindazonáltal a csigolyaközti implantátumok stabilizáló hatékonysága gyakran kérdéses. Korábbi kutatások azt bizonyították, hogy a translaminaris csavarok az elülsõ intervertebralis távtartók stabilizáló hatását szignifikánsan fokozzák. Ezen csavarok viszont intraforaminális neurogén szövõdményeket okozhatnak. Jelen méréssorozatunk célja az volt, hogy megállapítsuk, hogy a Boucher módszerével véghezvitt kisízületi csavarozás mily mértékben helyettesítheti a biomechanikailag kielégítõ járulékos fixációt biztosító translaminaris csavarozást. Eredményeink bíztatóak: a Boucher-csavarokkal való tesztelés hasonló eredményeket adott. E csavarokat könnyebb implantálni, kevesebb komplikációt okozhatnak, és a modern perkután technikákat is bevethetjük a velük való munka során. Természetesen el kell ismernünk kísérletsorozatunk korlátjait is, hiszen biológiai mintákkal dolgozva ezek elkerülhetetlenek. Mindenekelõtt kiiktattuk az elülsõ (m. iliopsoas, abdominális) és a hátulsó (m. erector spinae, spinalis, transversospinalis) izomzat fiziológiás protektív szerepét. Az ágyéki gerincben ébredõ fiziológiás erõk nem pontosan ismertek, így tiszta forgatónyomatékokkal dolgoztunk oly módon, hogy a terhelés az egész minta hosszában konstans volt annak érdekében, hogy garantálhassuk, hogy minden minta azonos mértékû erõnek legyen kitéve. Panjabi kísérletei szerint izomerõk alkalmazásával a mozgásterjedelem megnõtt, a neutrális zóna pedig csökkent a flexiós terhelésben, míg mindkét tényezõ csökkent extenziós terhelésben. Oldalhajlásban viszont mind a mozgásterjedelem, mind a neutrális zóna érintetlen maradt. Axiális rotációban a mozgásterjedelem szignifikánsan lecsökkent, míg a neutrális zóna csökkenése statisztikailag nem volt szignifikáns (7). Tekintettel arra a tényre, hogy tesztelési módszereink hasonló témákkal foglalkozó más szerzõk útmutatásait követték, felbátorítva éreztük magunkat a tekintetben, hogy az izomaktivitást kiiktassuk. Mindazonáltal egy in vivo kísérlet is bizonytalan adatokkal szolgálna az alkalmazott erõk terén, nem beszélve etikai problémákról, illetve kísérletünk céljáról, az azonnali (primer) stabilitásról. Kísérletünk a SynCage kisízületi csavar kompozíció pusztán azonnali, primer stabilitására koncentrált, míg a kimerítõ, repetitív ciklikus terhelés, (értsünk ezalatt ciklust) valamint a csontos befogást (benövést) nem modelleztük. Egy másik kérdés a flexió-extenzió kombinált mérése. A szerzõk legtöbbje e két irányt nem választja szét, míg Ráthonyi és szerzõtársai különvették a két terhelési irányt (9). Az ok, mely miatt a kitaposott ösvényrõl leléptünk, elméleti megfontolásokban gyökerezik. A degenerált szegmentum elvesztette eredeti magasságát, eredményezvén az instabilitást, illetve a neutrális zóna megnövekedését. A cage beültetése (túl-)korrigálja a lecsökkent lordosist, és ezzel a neutrális pozíció eltolódását okozza. Ebben a szituációban az extenzió flexió rovására történõ definiálása önkényesnek imponál. Tanulmányunk a translaminaris csavarok BAK implantátumon való járulékos stabilizáló hatását vette összehasonlítási alapnak. Lund és munkacsoportja nem talált érdemi különb- Magyar Traumatológia, Ortopédia, Kézsebészet, Plasztikai Sebészet

8 ségeket a különbözõ cage prototípusok primer stabilizáló hatását illetõen. A pontosság kedvéért meg kell jegyezzük, hogy hátsó feltárásból történt a cage-ek beültetése (5). Tencer csoportja a menetes intervertebralis távtartók biomechanikai tulajdonságait tesztelte. Eredményeik szerint nem volt szignifikáns különbség a különbözõ irányokból beültetett cage-ek stabilizáló hatása között (laterális, posterolateralis, posterior), kivéve torzióban, ahol a hátsó beültetés során a kisízületek elgyengítése a merevség rovására ment (11). Méréseinkben arra az eredményre jutottunk, hogy az elölrõl behelyezett SynCage imlantátum jelentõsebb primer stabilizációt biztosított, mint a BAK-cage, mindamellett a kisízületi csavarozás és a translaminaris csavarozás közötti különbségek nem voltak szignifikánsak. Meg kell jegyeznünk, hogy a humán anyaggal végzett biomechanikai kísérletek egyik gyengéje a kis minta (tehát a kevés, jelen esetben 11 SU). Ennek megfelelõen elképzelhetõ, hogy nagy mintákkal dolgozva a BAK és a SynCage implantátumok közötti különbségek is elmosódhatnának - gondoljunk Lund és munkacsoportja méréseire (5). Ezen megfigyelésekbõl kiindulva buzdítanánk a gerincsebészeket, hogy Harold Hamlyn Boucher e régi, megbízható ízületi fixációs módszerét bátran alkalmazza. A computer-asszisztálta sebészeti szoftver nagymértékben megkönnyíti a minimál invazív beavatkozásokat, noha némely esetben a szûk laminához viszonyított hosszú processus spinosus nehezítheti a csavarbehelyezést. Természetesen a CAS (computer aided surgery) szisztémához is hozzáfûzhetünk témába vágó gyakorlati kritikai megjegyzéseket: a preoperatív tervezés a cage beültetése elõtt történik, viszont e procedúra után a kisízületi nyúlványok elmozdulnak egymáson, ami a csavar real time bevezetése során neurogén károsodásokhoz vezethet, noha az ízületi tok meggátolja az extrém mozgásokat. Ez az oka annak, hogy a precíz célzás-tervezést részesítjük elõnyben a real time manõverekkel szemben. Korábbi kísérletek bizonyítják, hogy a translaminaris csavarok beültetése biztosítja az elülsõ intervertebralis távtartókkal implantált gerinc szegmentumok szükséges stabilitását. A Boucher-féle módszerrel történõ kisízületi csavarozás hasonló eredményekre vezetett. E csavarok egyszerûbben implantálhatók, kevesebb komplikációval járnak és a perkután alkalmazás is nagy távlatokat rejt magában. IRODALOM 1. Boucher, H. H.: Method of spinal fusion [classical article]. Clin. Orthop : Brantigan J.W., Steffee A. D.: A carbon fiber implant to aid interbody lumbar fusion. Two-year clinical results in the first 26 patients. Spine, : King D.: Internal fixation for lumbosacral fusion. J. Bone Joint Surg A: Kuslich S. D., Ulstrom C. L., Griffith S. L., Ahern J. W., Dowdle J. D.: The Bagby and Kuslich method of lumbar interbody fusion. History, techniques, and 2-year follow-up results of a United States prospective, multicenter trial. Spine, : Lund T., Oxland T. R., Jost B., Cripton P., Grassmann S., Etter C., Nolte L. P:. Interbody cage stabilisation in the lumbar spine: biomechanical evaluation of cage design, posterior instrumentation and bone density. J. Bone Joint Surg B: Mahvi D. M., Zdeblick T. A.: A prospective study of laparoscopic spinal fusion. Technique and operative complications. Ann. Surg : Panjabi M., Abumi K., Duranceau J., Oxland T.: Spinal stability and intersegmental muscle forces. A biomechanical model. Spine, : Panjabi M. M., Oxland T. R., Yamamoto I., Crisco J. J.: Mechanical behavior of the human lumbar and lumbosacral spine as shown by three-dimensional load-displacement curves. J. Bone Joint Surg A: Magyar Traumatológia, Ortopédia, Kézsebészet, Plasztikai Sebészet

9 9. Rathonyi G. C., Oxland T. R., Gerich U., Grassmann S., Nolte L. P.: The role of supplemental translaminar screws in anterior lumbar interbody fixation: a biomechanical study. Eur. Spine. J : Ray C. D.: Threaded titanium cages for lumbar interbody fusions. Spine, : Tencer A.., Hampton D., Eddy S.: Biomechanical properties of threaded inserts for lumbar interbody spinal fusion. Spine, : Thompson W. A. L., Ralston E. L.: Pseudoarthrosis following spine fusion. J. Bone Joint Surg A: Volkman T., Horton W.C., Hutton W.C.: Transfacet screws with lumbar interbody reconstruction: biomechanical study of motion segment stiffness. J. Spinal. Disord : Dr. Szirtes Balázs Semmelweis Egyetem, Gerincgyógyászati Nemzeti Központ 1126 Budapest, Királyhágó u. 1. Magyar Traumatológia, Ortopédia, Kézsebészet, Plasztikai Sebészet