Ziele der operativen Behandlung instabiler Wirbelsäulenverletzungen sind Wiederherstellung und Ausheilung unter stabilen und belastungsfähigen Bedingungen. Nur so ist die Wirbelsäule als zentrales Organ des Stütz- und Bewegungsapparats in der Lage, die an sie gestellten funktionellen Anforderungen in Arbeit und Freizeit zu erfüllen.

Biomechanik

Wegen des vor der Wirbelsäule liegenden Körperschwerpunkts bildet der knöcherne, ligamentäre und muskuläre Aufbau der Wirbelsäule ein System, welches bei aufrechter Körperposition in den ventralen, knöchernen Abschnitten axiale Belastungen und in den dorsalen, ligamentären Abschnitten Zugspannungen aufnehmen muss [10, 11]. Die umgebende Muskulatur und der Rippenkäfig tragen zur Verstärkung bei. Die biomechanischen Verhältnisse sind mit einem Kranmodell vergleichbar.

Ventral besteht eine belastbare druckfeste Säule, während dorsal zuggurtende ligamentäre Elemente für das Gleichgewicht sorgen. Belastungen können nur bewältigt werden, wenn beide Elemente intakt sind. [11]. Dieses grundlegende Prinzip ist wesentlich für das Verständnis der Natur von Wirbelsäulenverletzungen und die Wahl der geeigneten Technik zur ihrer Stabilisierung. In dem von Louis [15] unter morphologischen Gesichtspunkten entwickelten „Dreisäulenmodell“ der Wirbelsäule wird neben einer vertikalen eine horizontale Stabilität unterschieden. Die vertikale Stabilität wird durch 3 knöcherne Säulen sichergestellt. Die anteriore Säule wird aus den übereinander liegenden Wirbelkörpern gebildet und nimmt den größten Teil der Last auf. Die Säule wird von kranial nach kaudal zunehmend breiter und kräftiger—entsprechend den wachsenden Wirbelkörperdurchmessern und der zunehmenden axialen Belastung von der Halswirbel- bis zur unteren Lendenwirbelsäule [15].

Prinzip der Spondylodese

Nur bei einer sehr geringen Zahl von Verletzungen ist eine echte Osteosynthese möglich. Im Allgemeinen ist an der Wirbelsäule eine Stabilisierung durch eine Fusion von Bewegungssegmenten erforderlich. Stabilität wird um den Preis einer Beweglichkeitseinbuße in einem Bewegungssegment erzeugt. Im Rahmen einer derartigen operativen Stabilisierung ist immer mindestens ein Bewegungssegment [22] betroffen. Um das angestrebte Ziel einer möglichst hohen Primärstabilität zu erreichen, ist die Verwendung von Implantaten erforderlich, welche in der frühen postoperativen Phase Last aufnehmen müssen. Die dorsale Instrumentation mit Fixateur interne hat zum Ziel, durch eine kurzstreckige Instrumentation eine möglichst hohe Stabilität zu erreichen [1, 6, 8, 12, 18]. Im Idealfall sollte nur ein Bewegungssegment überbrückt und fusioniert werden.

Nach Panjabi [21] „ist Frakturheilung die unabdingbare Voraussetzung für den Erfolg des Implantats. Mit dem Fortschreiten der knöchernen Heilung nimmt die Eigenbelastbarkeit der Wirbelsäule ständig zu, während die Belastbarkeit des Implantats durch Materialermüdung abnimmt. Bei verzögerter knöcherner Heilung muss mit einem Implantatversagen gerechnet werden“. Stabilität kann letztlich nur durch eine knöcherne Fusion im betroffenen Bewegungssegment erreicht werden.

Knochentransplantation

Die dauerhafte, knöcherne Fusion eines Bewegungssegments macht die Transplantation von Knochen erforderlich, um neben der mechanischen, instrumentellen Stabilisierung auch durch biologische Maßnahmen die Spondylodese zu ermöglichen. Neben rein dorsalen, posterolateralen oder intertransversalen Anlagerungen von Spongiosa wurden unter biomechanischen Belastungsgesichtspunkten Knochentransplantationen in der ventralen Säule vom dorsalen OP-Zugang aus empfohlen. Über den transpedikulären Zugang ist die Transplantation von Spongiosa in den Wirbelkörper und in den Intervertebralraum möglich. Eine transpedikuläre Bandscheibenresektion ist erforderlich, um für die Spongiosa genügend Raum zur Einheilung zu schaffen [2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 24]. Auch Querfortsatzosteotomien wurden zur Spongiosatransplantation beschrieben.

Korrekturverlust

Die Stabilisierungsmöglichkeit mit transpedikulärer Schraubenverankerung ermöglicht eine kurzstreckige Instrumentation und eine gute primäre Reposition mit annähernder Wiederherstellung der anatomischen Form. Der Erfolg einer Behandlungsmaßnahme bei instabilen Wirbelfrakturen wird daran gemessen, ob es gelingt, das primär erreichte Ausmaß der knöchernen Repositionsfusion auf Dauer zu halten. Bei bleibender Restinstabilität kommt es wegen der biomechanischen Beanspruchung der ventralen, hauptbelasteten Knochensäule zu Verlusten des bei Behandlungsbeginn gewonnenen Korrekturausmaßes. Betroffen von den nachfolgenden Korrekturverlusten sind die sagittale Kontur der Wirbelsäulenachse ebenso wie die Höhe und Form des verletzten Wirbelkörpers. Bei Anwendung des Fixateur interne wurden in der Frühphase zunächst nur geringe Korrekturverluste beschrieben [1, 19, 20].

Eigene Untersuchungen

Bei eigenen Untersuchungen wurden im Verlauf zwischen Operation und Metallentfernung der sagittale Index (SI, Quotient aus Vorderkanten- und Hinterkantenhöhe), der Körperwinkel (KW, Deformierung des Wirbelkörpers in Winklegraden) und der Grunddeckplattenwinkel (GDW, Deformation der sagittalen Kontur unter Einbeziehung der benachbarten Bandscheibenräume) bestimmt. Zusätzlich erfolgten eine Beurteilung der transplantierten Spongiosa anhand der zur Verfügung stehenden CT- und Röntgenaufnahmen und die virtuelle Rekonstruktion der digitalen CT-Datensätze mit Hilfe des computergestützten Navigationssystems SPOCS (surgical planning and orientation computer system, Fa. Aesculap, Tuttlingen). Das System ermöglicht die dreidimensionale Planung und die Navigation chirurgischer Instrumente. Die digitalisierten Bilddaten lassen sich auf einem Bildschirm visualisieren sowie zwei- und dreidimensional darstellen. Weiterhin ist es möglich, quantitative Messungen für die Bestimmung von Distanzen, Winkeln und Volumina vorzunehmen.

Veränderung der Achsverhältnisse

Durch die operative Stabilisierung konnte immer eine signifikante Verbesserung der unfallbedingten Fehlstellung des verletzten Bewegungssegments, gemessen an sagittalem Index (SI), Körperwinkel (KW) und Grunddeckplattenwinkel (GDW), erzielt werden. Im weiteren Verlauf fielen die Werte signifikant bis zur Metallentfernung ab. Die Auswertung ergab für SI, KW und GDW Korrekturverluste zwischen 30 und 60% der operativ erreichten Achskorrekturen, unabhängig vom verwendeten Fixateur-interne-System oder der Nachbehandlung.

Beurteilung der Spongiosatransplantate

Die Beurteilung der Spongiosatransplantate anhand von Röntgen- und CT-Aufnahmen ergabt, dass nur bei 17 von 97 Patienten (17,8%) die transplantierte Spongiosa als vital eingestuft wurde. Bei 32 Patienten wurde keine Fusion erreicht oder die Spongiosa als nekrotisch oder resorbiert bewertet, und in 48 Fällen war der transplantierte Knochen im Wirbelkörper und im Intervertebralraum nicht beurteilbar. Ein sicherer knöcherner Anschluss des Transplantats an die Grundplatte des kranialen Nachbarwirbels konnte nicht nachgewiesen werden (Abb. 1).

Abb. 1
figure 1

Unzureichende knöcherne Fusion der interkorporell transplantierten Spongiosa

In den 3D-Rekonstruktionen mit Hilfe von SPOCS gelang es, die transplantierte Spongiosa intra- und interkorporell darzustellen. Die Volumenbestimmung der transplantierten Spongiosa, welche mit einer Genauigkeit von 0,01 cm3 möglich war, ergab Werte zwischen 1,07 und 3,3 cm3 mit einem arithmetischen Mittel von 1,75 cm3. In keinem der operativ stabilisierten Bewegungssegmente konnte ein Anschluss der Spongiosaplastik an die Grundplatte des kranialen Nachbarwirbels nachgewiesen werden (Abb. 2, 3a–f).

Abb. 2
figure 2

Darstellung des Arbeitsbildschirms am Beispiel einer Wirbelsäulenrekonstruktion auf der Grundlage von digitalisierten Datensätzen einer Computertomographie, links oben koronare, rechts oben sagittale Rekonstruktion, links unten axiale Schicht entsprechend der CT-Schicht, rechts unten 3D-Rekonstruktion des untersuchten Wirbelsäulenabschnitts

Abb. 3a–f
figure 3

A3-Fraktur von LWK1 bei einem 26-jährigen Patienten. Virtuelle Rekonstruktion des verletzten Bewegungssegments T12/L1 mit intra- und interkorporeller Spongiosaplastik. a Koronare, b sagittale Rekonstruktion, c axiale Schicht. Das Spongiosatransplantat stellt sich als amorphe Masse dar. d 3D-Rekonstruktion des verletzten Bewegungssegments in der Seitansicht mit virtueller Rekonstruktion des Spongiosatransplantats, e transparente Darstellung des Intervertebralraums. Die Spongiosa hat die obere Begrenzung des Bandscheibenraums nicht überschritten. f Virtuelle 3D-Darstellung des Spongiosatransplantats mit einem Volumen von 2,54 cm3. Kein sicherer Kontakt zum Nachbarwirbel, keine Einheilung im Frakturwirbel

Fazit für die Praxis

Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass über den transpedikulären Zugang zwar vitale Spongiosa im Bereich der vorderen Säule platziert werden kann, andererseits aber keine stabile Fusion im betroffenen Bewegungssegment eintritt. Die Vermutung liegt nahe, dass im Bandscheibenraum wegen der bradytrophen Ernährungssituation eine vitale Einheilung nicht möglich ist und wegen der technisch schwierigen Vorbereitung der benachbarten Wirbelkörpergrundplatte eine Fusion ausbleibt. Die gefunden Korrekturverluste werden durch eine Vielzahl von Untersuchungen bestätigt [13, 14, 17, 23, 25]. Es besteht offensichtlich eine Abhängigkeit zwischen dem Ausmaß des Instabilitätsgrades sowie Fraktur und Größe des Korrekturverlusts [16].

In der Praxis sollten daher bei der operativen Stabilisierung von Wirbelfrakturen kombinierte dorsoventrale Verfahren unter Verwendung stabiler Knochenblöcke oder eines Wirbelkörperersatzes zur Anwendung kommen.