C. Klöckner

Influence of graded facetectomy and laminectomy on spinal biomechanics

Facetectomy and laminectomy are techniques for decompressing lumbosacral spinal stenosis. Resections of posterior bony or ligamentous parts normally lead to a decrease in stability. The degree of instability depends on the extent of resection, the loading situation and the condition of the intervertebral discs. The correlation between these parameters is not well understood. In order to investigate how these parameters relate to one another, a three-dimensional, non-linear finite element model of the lumbosacral spine was created. Intersegmental rotations, intradiscal pressures, stresses, strains and forces in the facet joints were calculated while simulating an intact spine as well as different extents of resection (left and bilateral hemifacetectomy, hemilaminectomy and bilateral laminectomy, two-level laminectomy), disc conditions (intact and degenerated) and loading situations (pure moment loads, standing and forward bending). The results of the modelling showed that a unilateral hemifacetectomy increases intersegmental rotation for the loading situation of axial rotation. Expanding the resection to bilateral hemifacetectomy increases intersegmental rotation even more, while further resection up to a bilateral laminectomy has only a minor additional effect. Hemilaminectomy and laminectomy only differ in their effect for ventriflexion and muscle-supported forward bending. Two-level laminectomy increases the intersegmental rotation only for standing. Degenerated discs result in smaller intersegmental rotations and higher disc stresses at the respective levels. Decompression procedures affect the examined biomechanical parameters less markedly in degenerated than in intact discs. Resection of posterior bony or ligamentous elements has a stronger influence on the amount than on the distribution of stresses and deformations in a disc. It has only a minor effect on the biomechanical behaviour of the adjacent region. Spinal stability is decreased after a laminectomy for forward bending, and after a two-level laminectomy for standing. For axial rotation, spinal stability is decreased even after a hemifacetectomy. Patients should therefore avoid excessive axial rotation after such a treatment.

Effect of bone graft characteristics on the mechanical behavior of the lumbar spine

There is little information about the influence of bone graft size, position and elasticity on the mechanical behavior of the lumbar spine. Intersegmental motion, intradiscal pressure and stresses in the lumbar spine were calculated using a three-dimensional, nonlinear finite element model which included an internal spinal fixation device and a bone graft. Cross-sectional area, position, and elastic modulus of the graft were varied in this study. Bone grafts, especially very stiff ones, increase stresses on adjacent endplates. Though larger grafts lead to less contact pressure, it is difficult to judge the quality of different bone graft positions. In general, ventral flexion results in lower maximum contact pressure than lateral bending. There is always little intersegmental rotation in the bridged region compared with that of an intact spine.A larger graft with low stiffness should be favored from a mechanical point of view. Patients should avoid lateral bending of the upper body shortly after surgery.

Measuring the surface of the back. Value in diagnosis of spinal diseases

ZusammenfassungDie Röntgendiagnostik als Standard zur Objektivierung der klinischen Befunde bei Patienten mit Skoliosen und anderen Deformitäten der Wirbelsäule ist, neben einer Reihe von weiteren Problemen, insbesondere in der Verlaufsbeurteilung mit einer deutlichen Strahlenbelastung verbunden. Entsprechend sind im Verlauf der zurückliegenden Jahre eine Reihe von alternativen und ergänzenden Verfahren zur Wirbelsäulendiagnostik entwickelt worden, deren Grundprinzip in der Analyse der Rückenoberfläche besteht: Moirétopographie, Photogrammetrie/Rasterstereometrie, opTRImetric-System, ISIS-System, Videorasterstereometrie (Formetrik), ultraschallgestützte Wirbelsäulenanalyse (Zebris) und Ultraschalltopometrie.Zur Abklärung der Wertigkeit hinsichtlich des Screenings, der Diagnostik und der Verlaufskontrolle von Skoliosen wurden das Formetric-System der Videorasterstereometrie und das Zebris-System zur ultraschallgestützten Wirbelsäulenanalyse untersucht. Es konnte nachgewiesen werden, dass mittels dieser Systeme die Screeninguntersuchungen, die Diagnostik und Verlaufskontrollen der Skoliosen und sagittalen Fehlbildungen hinreichend genau vorgenommen werden können. Für das ultraschallassistierte Zebris-System eröffnet sich darüber hinaus die Möglichkeit dynamischer Analysen der Wirbelsäulenbewegungen.Einschränkungen der Messgenauigkeit ergaben sich bei Adipositas, bei asymmetrischem Muskelrelief und bei operierten Patienten – wobei bei letzteren dennoch bei Kenntnis der radiologischen Winkel die Verlaufskontrolle verlässlich erfolgen konnte.Es ist anzunehmen, dass die Bedeutung der Oberflächenvermessung für Klinik und Praxis weiter zunehmen wird.AbstractX-ray study to verify clinical findings in patients with scoliosis and other deformities of the spine is associated with considerable radiation exposure as well as a variety of other problems, particularly as regards assessing disease progression. Hence, in the course of the past few years a number of alternative, supplementary spinal diagnostic procedures have been developed which are based on analysis of the surface of the back: Moiré topography, photogrammetry/ raster stereometry, opTRImetric system, ISIS system, video raster stereometry (formetrics), ultrasound-guided spine analysis (Zebris) and ultrasound topometry.To assess the effectiveness of screening, diagnosis, and progression of scoliosis the formetric system of video raster stereometry and the Zebris system for ultrasound-guided spine analysis were tested. It was shown that the results of screening tests, diagnostic study, and progression evaluation of scoliosis and sagittal deformities were exact enough using these systems. Furthermore, the ultrasound-guided Zebris system offers the option of dynamic analysis of spinal movement.Limitations in measurement precision were found in obese patients, asymmetric muscle surfaces, and in patients who had undergone surgery, although in the latter group progression could be reliably monitored if the radiological angle was known.We can asssume that surface analysis procedures will gain in importance clinically and in practice.

Comparison of the mechanical behavior of the lumbar spine following mono- and bisegmental stabilization.

OBJECTIVE To determine whether the mechanical behavior of the entire lumbar spine differs following mono- and bisegmental stabilization. DESIGN The mechanical behavior of the lumbar spine was studied using the finite element method. BACKGROUND Nonunion is somewhat more frequent after bi- than after monosegmental stabilization of the spine. Little is known about differences between the mechanical behavior associated with these procedures. METHODS A three-dimensional nonlinear finite element model of the lumbar spine with internal spinal fixators and bone grafts was used to study mechanical behavior after mono- and bisegmental fixation with and without stabilization of the bridged vertebra. Finite element analyses were performed to determine the influence of four different graft positions, five loading conditions, and six different pretensions in the longitudinal fixator rod. The following parameters were considered: the maximum contact pressure at the interface between the bone graft and vertebral body, the force transmitted by the bone graft, and the size of the contact area between the graft and the vertebral body. RESULTS Our model shows no clear differences between mono- and bisegmental fixation. Additional stabilization of the bridged vertebra exerts a partly adverse influence on the parameters studied. Pretension in the bridged region has a strong effect on the mechanical behavior. CONCLUSIONS The mechanical behavior of the lumbar spine after mono- and bisegmental stabilization is similar. Thus biological factors and the surgical procedure are probably decisive in determining the fusion rate. RELEVANCE Knowledge of the mechanical behavior after stabilization of the spine may help to improve the fusion rate. Our results suggest that the mechanical factors studied have only a minor influence on fusion rate and that other factors, such as incomplete resection of cartilage plate and poor local blood supply, are more decisive.

Operative Möglichkeiten zur Behandlung von Erkrankungen und Verletzungen der Wirbelsäule bei Patienten mit manifester Osteoporose

ZusammenfassungEine manifeste Osteoporose beeinflusst beim Vorliegen von Verletzungen oder Erkrankungen der Wirbelsäule die präoperative Planung. Deshalb sollte im Falle einer Operationsindikation sowohl beim Verdacht als auch beim Vorliegen einer Osteoporose die präoperative Bestimmung der Knochendichte erfolgen. Die Instrumentation der Wirbelsäule ist bei der operativen Versorgung oft nicht notwendig. Falls jedoch die Indikation dazu gestellt wird, sollte die Instrumentation multifokal fixiert werden und die vorliegende Deformität mit besonderer Vorsicht korrigiert oder auch nur teilkorrigiert werden. Beim Vorliegen einer Kyphose ist eine Beendigung der Instrumentation innerhalb der Kyphose unbedingt zu vermeiden.AbstractIn the presence of a vertebral injury or disease, manifest osteoporosis affects preoperative planning. Thus, if surgery is indicated, bone density should be determined in cases of suspected or diagnosed osteoporosis. Instrumentation of the spine is frequently not required in surgical interventions. However, if indicated, instrumentation should be fixed multifocally and the deformity should be corrected with special care. It is absolutely necessary to avoid ending instrumentation within a kyphosis.

Biomechanik der Kyphose

ZusammenfassungUnter einer Kyphose versteht man eine in der Sagittalebene nach hinten konvexe Krümmung der Wirbelsäule. Eine pathologische Kyphose der Brustwirbelsäule liegt bei einem Cobb-Winkel >50° vor. Sie entsteht, wenn die anterioren und/oder posterioren lastübertragenden Elemente der Wirbelsäule überlastet oder geschädigt sind. Keilförmige Wirbelkörper können dabei auf einer oder auf mehreren Etagen auftreten. Ein keilförmiger Wirbelkörper führt zu einer stärkeren Krümmung der Wirbelsäule und damit zu einer Verlagerung des Schwerpunktes der Körperteile oberhalb des entsprechenden Wirbelkörpers nach ventral, wodurch das von der Wirbelsäule aufzunehmende Flexionsmoment erhöht wird. Bei einer keilförmigen Verformung eines Wirbelkörpers ist die relative Zunahme des Flexionsmomentes sowohl eine Funktion des Keilwinkels als auch der ursprünglichen Lage des Oberkörperschwerpunktes.AbstractKyphosis is a dorsally convex curvature of the spine in the sagittal plane. A pathological kyphosis of the thoracic spine has a Cobb angle greater than 50°. It occurs when the anterior and/or posterior load-transferring elements of the spine are overloaded or damaged. Wedge-shaped vertebral bodies may be found at one or several levels. A wedge-shaped vertebral body increases the curvature of the spine and moves the centre of gravity of the body parts above of the corresponding vertebral body in a ventral direction. This increases the flexion-bending moment acting on the spine. In the case of a wedge-shaped deformation of a vertebral body, the relative increase of the flexion moment is a function of the wedge angle and of the original position of the centre of gravity of the upper body.

Effect of different surgical strategies on screw forces after correction of scoliosis with a VDS implant

Pullout of the cranial end-vertebra screw following the correction of a scoliosis with the VDS implant is a common complication. Very little is known about the forces acting on the screws during ventral derotation spondylodesis (VDS) in ventral scoliosis surgery. These forces determine the risk of screw-loosening. The purpose of this study was to identify implant properties and to determine surgical correction strategies that reduce the risk of cranial end-vertebra screw pullout. For this aim, a three-dimensional nonlinear finite element model of a scoliotic thoracic spine was created with a Cobb angle of 61° and 32° rotation. The VDS implant was inserted between T5 and T9. The longitudinal rod diameter, the implant material and seven surgical correction strategies were examined to determine their influence on the Cobb angle as well as on derotation and on axial and transverse forces in the screws. A stiffer implant achieves a better correction but causes higher axial and transverse screw forces. Axial tensile forces act on the screws fixed to the cranial end vertebra and the middle vertebra, while axial compressive forces act on the other screws. A strong correction at the cranial segment leads to high axial and transverse screw forces in the farthest cranial screw and thus to a high risk of screw pullout. The resultant transverse force is often much higher than the axial force component. Simulation of local trunk muscle forces has only a minor effect on the results. The axial tensile forces and thus the risk of screw pullout are highest at the cranial end vertebra. A strategy in which surgical correction is strong in the middle segments and moderate in the outer ones leads to a good reduction of the Cobb angle, a wide derotation angle, and relatively low axial tensile forces at the cranial end vertebra screw.

[2- and 3-dimensional correction of scoliosis by corset treatment. Optimized conservative therapy of idiopathic scoliosis with the improved Cheneau corset].

ZusammenfassungDie Progredienz einer idiopathischen Skoliose zwischen 25 ° und 40 ° nach Cobb kann nach allgemeiner Übereinkunft und unter Berücksichtigung der allgemeinen Indikationskriterien des Arbeitskreises Skoliose der DGOT ausschließlich durch eine Korsetttherapie verlangsamt oder aufgehalten werden. In Europa ist das ursprünglich als aktive Derotationsorthese konzipierte Korsett nach Cheneau weit verbreitet und erfährt eine stetige Weiterentwicklung. Die biomechanische Korsettwirkung wurde bis zur Entwicklung der neuesten Korsettgeneration 1997 unter Berücksichtigung des 3-Punkte-Prinzips auf einen zumeist transversal wirkenden Pelottendruck reduziert, der passiv auf die Verkrümmung in der Frontal- und die Wirbelkörperrotation in der Transversalebene einwirkt.Die neue Korsettgeneration berücksichtigt in ihrer kompromisslosen Bauweise die biomechanischen Überlegungen passiver und in verstärktem Maße aktiver Korrekturmöglichkeiten. Prinzipiell werden verschobene thorakale und lumbale, sowie pelvine Körpervolumina, die außerhalb der Körpersymmetrieachse rotiert sind, durch Druck und Derotation einerseits und durch die Aktivierung selbstständiger Aufrichtearbeit des Patienten andererseits in die ursprüngliche Raumposition zurückverlagert. Notwendig sind deshalb in einem postulierten Aktivkorsett adäquate Druckflächen und ausreichende Expansionsräume. Subtilere Einsichten in die Wirkungsweise des Korsetts machten eine Weiterentwicklung notwendig, die auch den jetzt genauer analysierten Veränderungen im Sagittalprofil des Rückens Rechnung trug und zudem die verschiedenen Expansionszustände der Thoraxhälften in kraniokaudaler Richtung berücksichtigte.Der prognostisch ungünstige thorakale Flachrücken und die daraus resultierende zunehmende Kyphosierung der Lendenlordose stellen früher unberücksichtigte Herausforderungen an den Korsettbau. Die neueste Generation des Cheneau-Korsetts mit ihrem aktiven Korrekturansatz in allen 3 Raumebenen erfüllt potentiell die Anforderungen an die moderne Therapie der idiopathischen Skoliose.AbstractIt is generally accepted that the progression of an idiopathic scoliotic deformity with a Cobb angle of between 25 ° and 40 ° can be stopped by brace treatment alone provided that the generally acknowledged criteria for the treatment concerning skeletal growth of the individual are respected.In Europe, the Cheneau brace, which was originally designed as an active derotation orthosis, is widely in use and is constantly being improved. The biomechanical principle of this orthosis consists of a pressure vector that is applied laterally (with regard to the 3-point principle) to exert pressure on the peak of the curvature in the frontal and transversal planes. Thus, the thoracic, lumbar and pelvic body mass that was rotated out of normal body symmetry is transferred back to its original position via pressure and derotation. Therefore, an active brace like the Cheneau orthosis must provide pressure surfaces and sufficient expansion spaces. Subtle insights into the actual effect of braces have furthered ongoing development to take into consideration the changes to the trunk in the sagittal plain and have respected the different states of expansion of the two halves of the trunk in the craniocaudal direction.The thoracic flat back and cyphosis of the lumbal spine, which were formerly ignored, actually provide a real challenge for the technical realization of the brace. The new generation of Cheneau braces potentially provides an effective means for the active correction of scoliotic spinal deformity in all three dimensions and thus fulfills the requirements of modern conservative scoliosis treatment.

Ventrodorsale Korrektur und Instrumentation idiopathischer Skoliosen

ZusammenfassungBei der operativen Behandlung von King II-Skoliosen kommen sehr unterschiedliche Verfahrensweisen zum Einsatz. Eine der Ursachen der damit verbundenen kontroversen Diskussion scheint zu sein, daß die Bezeichnung King II-Skoliose meist unzureichend ist, bestehen doch zum Teil ausgesprochen deutliche klinische und radiologische Unterschiede bei dieser Krümmungsform.Von Januar 1996 bis Dezember 1997 wurden insgesamt 26 Patienten mit rigiden King II-Skoliosen einem Ventrodorsalem Verfahren unterzogen. 23 Patienten konnten in diese Studie einbezogen werden.Dabei wurde die Indikation zu dem vorgestellten Verfahren gestellt, wenn die lumbale Sekundärkrümmung mindestens Ausmaße von 50 ° hatte und in den Bendings sowohl eine unzureichende Aufrichtung von Primär- und Sekundärkrümmung als auch eine unbefriedigende Horizontalisierung des kaudalen Endwirbels der Sekundärkrümmung von nicht unter 10 ° bestand.Durch VDS und DKS kam es zu einer Aufrichtung von 68,4 ° auf 13,2 ° thorakal und von 61,3 ° auf 17,8 ° lumbal. Der Tilt des am weitesten kaudal instrumentierten Wirbelkörpers konnte von 21,2 ° auf 4,9 ° korrigiert werden.Die thorakale Hypokyphose wurde von 16,6 ° auf 25,1 ° verbessert.Bei 11 Patienten reichte die dorsale Instrumentation bis zum kaudalen Endwirbel, bei weiteren 11 Patienten war eine Instrumentation bis einen Wirbel kranialwärts des Endwirbels möglich.Korrekturverlust und Komplikationsrate waren außerordentlich gering.Unter Kenntnisnahme der nachfolgend genannten Operationsziele ist bei beschriebener Indikation die kombinierte Anwendung von VDS und DKS effizient und sinnvoll. Die Komplikationsrate ist dabei gering. Eine Differenzierung der verschiedenen Formen von King II-Skoliosen ist präoperativ notwendig.AbstractA number of different procedures are used for the surgical treatment of King II scoliosis. One reason for the controversial discussion in this context is that the term King II scoliosis is usually inadequate, because there are partly marked clinical and radiological differences in this type of curvature.From January 1996 to December 1997, a total of 26 patients with rigid King II scoliosis were submitted to a ventrodorsal procedure. Twenty-three patients were included in the study.The indication for this procedure was established in cases with a secondary lumbar curvature of at least 50° as well as unsatisfactory straightening of the primary and secondary curvature in the bendings and inadequate horizontal positioning of the caudal end vertebra of not less than 10°.Ventral Derotation-Spondylodesis (VDS) and Dorsal Korrection-Spondylodesis (DKS) led to a thoracic and lumbar straightening from 68.4° to 13.2° and from 61.4° to 17.8°, respectively. The tilt of the vertebra instrumented farthest caudally was corrected from 21.2° to 4.9°.The thoracic hypokyphosis was improved from 16.6° to 25.1°.In 11 patients, the dorsal instrumentation was extended to the caudal end vertebra, in another 11 patients, instrumentation was achieved up to a vertebra cranial from the end vertebra.The correction loss and complication rate was extremely low.Based on the surgical goals discussed further down, combined application of VDS and DKS is efficient and suitable in conjunction with the indication described. The complication rate is quite low. The different types of King II scoliosis have to be differentiated preoperatively.

Einfluss von Implantaten zum Ersatz eines Wirbelkörpers auf das mechanische Verhalten der Lendenwirbelsäule

ZusammenfassungEs wurde ein detailliertes Computermodell der Lendenwirbelsäule erstellt. In das Rechenmodell wurden ein bisegmentales Wirbel-Fixateur-interne-System sowie nacheinander 2 unterschiedliche Implantate zum Ersatz eines Wirbelkörpers eingebaut. Belastet wurde das Modell mit Momenten in den 3 anatomischen Hauptebenen, sowie mit Kräften wie beim Stehen.Durch einen Wirbelkörperersatz wird die Beweglichkeit im betreffenden Bereich drastisch reduziert. In den benachbarten Segmenten hat ein Implantat bei den gewählten Belastungen nur einen minimalen Einfluss auf die Beweglichkeit und Spannungen. Eine Vorlast, wie sie beispielsweise durch die zusätzliche Distraktion eines passgenau eingebrachten ventralen Implantats aufgebracht wird, hat einen starken Einfluss auf die Spannungen in den implantatnahen Endplatten. Unterschiedliche Größen der Kontaktflächen zwischen Implantat und Wirbelkörper haben nur einen lokalen Effekt auf die Spannungsverteilung.AbstractA three-dimensional, nonlinear finite element model of the lumbar spine was created. A bisegmental internal spinal fixation device and successively two kinds of vertebral body replacements were integrated into the computer model. The model was loaded with pure moments in the three anatomical main planes as well as with forces that are expected during standing.A vertebral body replacement drastically reduces the mobility in the implant region. An implant has only a minor influence on the mobility and stresses in the adjacent regions for the loading cases chosen. A preload, for example, caused by additional distraction from the precisely fitted ventral implant, exerts a very strong effect on the stresses in the end plates that are in contact with the implant. Different sizes of the contact area between implant and vertebral body have only a local effect on stress distribution.