Computersimulationen in der Wirbelsäulenchirurgie

Die Komplikationsrate nach Wirbelsäulenversteifungen ist hoch und neue Optionen für Chirurgen sind dringend erforderlich. Ein Ansatz ist die computergestützte Planung, bei der biomechanische Faktoren gezielt berücksichtigt werden. Erste Ergebnisse zeigen, dass sich dadurch etwa das Risiko für Schraubenlockerungen vorhersagen lässt. Bleibt nur die Frage: Wie und wann wird die computergestützte, biomechanische Operationsplanung die Orthopädie der Zukunft prägen?

Die Wirbelsäulenversteifung ist zu einem der am häufigsten durchgeführten orthopädischen Eingriffe geworden¹ und zählt als chirurgisches Standardverfahren für die Behandlung schwerer degenerativer Erkrankungen der Wirbelsäule.² Die Indikationen für diesen chirurgischen Eingriff sind vielfältig^3,4 und umfassen Lumbalgie aufgrund von Facettengelenksarthrose, degenerativer Spondylolisthesis, degenerativer Skoliose und segmentaler Instabilität.

Komplikationen und ihre Tragweite

Die Wirbelsäulenarthrodese kann jedoch mit schwerwiegenden Langzeitkomplikationen verbunden sein, wie Anschlusssegmentdegeneration, Schraubenlockerung, Pseudarthrose oder Implantatversagen.^5–8 Bei langstreckigen Fusionen ist die proximale Junktionskyphose ein weiteres Problem, welches mit hoher Prävalenz auftritt und zu Haltungsschäden und sogar zu irreversiblem Bewegungsverlust führen kann.⁹ Studien zeigen, dass Langzeitkomplikationen bis zu 40% der Fusionspatienten betreffen können.¹⁰ Bei jährlichen 7,6 Millionen weltweit durchgeführten Fusionsoperationen¹¹ wird deutlich, dass dies einer sehr grossen Anzahl von Patienten entspricht.

Abgesehen vom grossen Leid des einzelnen Patienten, führt dies auch zu enormen Kosten in einer Höhe von mehreren Milliarden Dollar pro Jahr, die das globale Gesundheitssystem zu tragen hat. Diese Zahlen sprechen eine deutliche Sprache und zeigen, dass sehr dringend Lösungen gefunden werden müssen, um Fusionsoperationen zu verbessern und Komplikationensrisiken zu verhindern!

Ein technisches Problem?

Betrachtet man die verschiedenen Komplikationen genauer, so fällt auf, dass sie sich trotz ihrer grossen Vielfalt auf einen gemeinsamen Nenner bringen lassen. Es ist der mechanische Aspekt, der bei vielen Fusionskomplikationen eine wichtige Rolle spielt.

Bei der proximalen junktionalen Kyphose führt die Fusion zu einer Umverteilung der Belastung mit erhöhter biomechanischer Beanspruchung der benachbarten Segmente,^5,6,12 was zu Frakturen des Endsegmentes, Schraubenausbrüchen oder zum Versagen von Weichteilstrukturen führen kann. Bei Schraubenlockerungen ist es vor allem die Überlastung der feinen trabekulären Strukturen im Wirbelkörper, die bei zu hoher Implantatbelastung zu Knochenversagen und Implantatlockerung führt.

Bei der Pseudarthrose ist der mechanische Reiz auf den fusionierten Abschnitt zu hoch oder zu niedrig, um eine erfolgreiche Osteogenese zu gewährleisten. In ähnlicher Weise wird bei der Anschlusssegmentdegeneration davon ausgegangen, dass eine erhöhte postoperative Belastung der benachbarten Bandscheiben eine beschleunigte Degeneration auslösen kann.

Postoperative Komplikationen können also auch als mechanisches Versagen und damit als technisches Problem verstanden werden, das sich durch iatrogene Veränderungen der Mechanik des Wirbelsäulensystems kurz- oder langfristig in neuen Symptomen manifestiert.

Natürlich handelt es sich in der Orthopädie selten um isolierte mechanische Probleme, sondern sie werden oft von degenerativen oder pathophysiologischen Aspekten begleitet, die wiederum Einfluss auf die Mechanik haben können. Dennoch können Komplikationen in der Orthopädie, mindestens zu einem gewissen Teil, als technische Probleme mechanischen Ursprungs betrachtet werden.

Computergestützt optimieren

Mechanisches Versagen ist aus vielen Bereichen der Industrie bekannt, in denen computerbasierte Simulationen zur Analyse und zur Optimierung zum Einsatz kommen. In der Orthopädie hat sich die Möglichkeit computergestützter Simulationen bisher allerdings nur in der Forschung etabliert, nicht aber in der präoperativen Planung von Operationen.

Präzise technische Simulationen, die vom Patienten präoperativ durchgeführt werden, könnten aber sehr gezielt einer Risikobewertung oder einer Optimierung der bevorstehenden Operation dienen und alternative Behandlungen indizieren. Dass sich solche, auf der Biomechanik basierenden Aspekte nicht längst etabliert haben, lässt sich zum einen damit erklären, dass medizinische Systeme um ein Vielfaches komplexer sind als klassische Produkte. In der Medizin haben Materialien keine einfach quantifizierbaren mechanischen Eigenschaften, sondern sind stark vom spezifischen physischen oder degenerativen Zustand des Patienten abhängig. Auch die Morphologie der Wirbelsäule entstammt nicht dem Planungsprogramm eines technischen Zeichners, sondern weist bei jedem Individuum eine eigene, hochkomplexe Geometrie auf. Darüber hinaus sollten Simulationen in der Orthopädie in hohem Masse automatisierbar sein, sodass für den behandelnden Chirurgen kein zusätzlicher Aufwand entsteht.

Dies alles sind Faktoren, die zu hoher Komplexität von Simulationen in der Medizin beitragen. Die Frage ist, inwieweit die klinische Bildgebung es erlaubt, die notwendigen Informationen für eine solche Analyse zu extrahieren, sodass solche Simulationen möglich und automatisierbar sind.

Unsere Vision am Beispiel der Schraubenlockerung

Ein Forschungsteam der Universitätsklinik Balgrist arbeitet intensiv an diesem Ziel. Die Gruppe «Spine Biomechanics» wird von Prof. Farshad und Dr. Widmer als enges interdisziplinäres Team geleitet. Es besteht aus Chirurgen, die die klinische Praxis kennen, und Ingenieuren der ETH Zürich mit technischem Hintergrund. Gemeinsam untersuchen sie systematisch die Gewebeeigenschaften von menschlichen Kadavern und korrelieren diese mit der radiologischen Bildgebung.

Parallel dazu wird von unserer Forschungsgruppe eine Softwareplattform entwickelt, die eine automatische und patientenspezifische Analyse der Operation mit biomechanischen Lösungsansätzen ermöglicht. In diesem Artikel soll anhand des Beispiels der Schraubenlockerung gezeigt werden, dass dies trotz der sehr hohen Komplexität möglich ist. Darüber hinaus wollen wir zeigen, dass die biomechanische Operationsplanung ein hohes Potenzial für die Zukunft hat, um Komplikationen zu erkennen und zu vermeiden.

Der Weg zur Risikoanalyse

Schraubenlockerungen stellen eine grosse Problematik in der Wirbelsäulenchirurgie dar. Sie betreffen 12,3% der allgemeinen¹³ und 50–60% aller osteoporotischen Patienten.^14,15 Obwohl es verschiedene Theorien für die Entstehung von Schraubenlockerungen gibt, ist der mit Abstand wahrscheinlichste Pathomechanismus ein Versagen der trabekulären Strukturen im Wirbelkörper aufgrund einer mechanischen Überlastung des fusionierten Abschnitts.¹⁶

Um eine Risikoanalyse durchführen zu können, sind im Wesentlichen drei Dinge notwendig:

Erstens müssen die Morphologie und Qualität des Knochens, welchen die Pedikelschraube umgibt, bekannt sein. Hier genügt nicht nur eine allgemeine Messung im Wirbelkörper, sondern es muss eine präzise Evaluation des Knochens in der Grenzschicht zur Pedikelschraube erfolgen.

Zweitens müssen Kenntnisse zur Implantatbelastung vorhanden sein, wobei hier nicht nur Gewicht und die Grösse des Patienten, sondern auch die individuelle Wirbelsäulenpostur und die spezifischen Informationen zum Implantat und dessen Platzierung im Knochen (Schrauben-Trajektorie) eine wichtige Rolle spielen.

Drittens muss diese Information in ein computerbasiertes biomechanisches Modell überführt werden, damit das Risiko für Schraubenlockerung mit einer Simulation berechnet werden kann.

Mittels Modellierung zur Simulation

In einer retrospektiven Studie wurden Simulationen von 66 Schrauben bei 16 Patienten an der Universitätsklinik Balgrist durchgeführt.¹⁷ Darin wurden Patienten mit vorhandenem prä- und postoperativem CT sowie vorhandenem EOS (Übersichtsröntgenbild) eingeschlossen. Bei allen wurde eine Befundung für Schraubenlockerungen mit mindestens sechs Monaten Nachbeobachtungszeit durchgeführt.

Zur Modellierung der Patienten wurde das EOS verwendet, um ein muskuloskelettales Modell der Wirbelsäule in der aufrecht stehenden Position zu erstellen. Die Lendenwirbelsäule wurde im Modell mit 230 Muskeln abgebildet, wobei auch die individuelle Wirbelsäulenpostur und Körperform des Patienten aus dem EOS extrahiert wurden. Die sich daraus ergebenden mathematischen Gleichgewichtsbedingungen wurden mithilfe eines Optimierungsansatzes gelöst, um so die in der Wirbelsäule herrschende Belastung zu ermitteln.

Im Gegensatz zu muskuloskelettalen Modellen, welche die Belastungen in der Wirbelsäule auf globaler Ebene analysieren, sind Finite-Elemente(FE)-Methoden geeignet, die exakte Lastverteilung in den anatomischen Strukturen als Kontinuumsmodell zu berechnen. In unserem Fall wurde ein solches FE-Modell verwendet, um die Belastung des Knochens in der Grenzschicht des Implantates zu simulieren. Zur Durchführung der Finite-Elemente-Simulation des instrumentierten Abschnitts wurde das postoperative CT verwendet, aus welchem sich Morphologie der Wirbelkörper und die Implantatplatzierung ableiten liessen.

Darüber hinaus wurde das präoperative CT verwendet, um die Qualität des Knochens und die individuelle Knochendichteverteilung im Wirbelkörper durch das entsprechende Materialverhalten abzubilden.

Die finale Simulation wurde schliesslich in der Kombination aus muskuloskelettalem Modell und FE-Modell durchgeführt. Dazu wurde die globale Kraft aus dem muskuloskelettalen Modell als Belastungskraft im FE-Modell aufgebracht und anschliessend ein FE-Solver zur Durchführung der Simulation eingesetzt. Um einen prädiktiven Parameter für Schraubenlockerung zu ermitteln, wurde das Verhältnis zwischen der aktuellen Knochenbelastung (Haltung aus dem EOS, also im aufrechten Stehen) und der maximal möglichen Knochenbelastung (bevor Knochenversagen auftritt) ermittelt. Der Grenzwert für die maximal zulässige Knochenbelastung lässt sich auch aus der CT-Intensität des präoperativen Bildes berechnen. Dieses Verhältnis aus aktueller und maximaler Knochenbelastung bezeichneten wir als «Loading Factor». Ein mittlerer Loading Factor konnte so für jede Schraube bestimmt werden, der dem Durchschnitt der Loading Factors der einzelnen Finite-Elemente im Grenzbereich der jeweiligen Schraube entspricht.

Vorhersage und Wirklichkeit

Um die Qualität des Loading Factors zu untersuchen, wurde er mit den klinischen Befunden für Schraubenlockerung verglichen. Es zeigte sich, dass der berechnete Loading Factor für Fälle mit Schraubenlockerung (Case) und Fälle ohne Schraubenlockerung (Control) einen hochsignifikanten Unterschied zwischen den Gruppen aufweist (p<0,001). Die Berechnung der ROC-Kurve zur Bestimmung der Sensitivität und Spezifität des Loading Factors zeigt für die abgeleitete Risiko-Wahrscheinlichkeitsverteilung eine AUC («area under the curve») von 0,85. (Der AUC kann Werte zwischen 0,5 und 1 annehmen, wobei ein höherer Wert die bessere Güte anzeigt.)

Dieses Ergebnis zeigt eindrucksvoll, dass der Loading Factor eine sehr gute Fähigkeit zur Risikobewertung besitzt und impliziert, dass numerische Simulationen ein vielversprechendes Instrument zur Berechnung des Schraubenlockerungsrisikos sind. Weitere Einzelheiten und technische Details über die Studie können Sie im Originalartikel finden.¹⁷

Wie können wir Simulationen präventiv nutzen?

Nun stellt sich natürlich die Frage, wie eine präoperative Risikoeinschätzung des Patienten genutzt werden kann, um Schraubenlockerungen effektiv zu minimieren. Wenn die Simulation auf ein hohes Risiko für Schraubenlockerung hinweist, kann der Chirurg bei einer Risikoindikation gezielt Gegenmassnahmen ergreifen. Zum einen kann er alternative Operationstechniken wie eine modifizierte Knochentrajektorie (CTB-Trajektorie¹⁸, optimierte Schraubentrajektorie)¹⁹ oder die Verlängerung der Fusion um ein Segment in Betracht ziehen.

Andererseits können auch augmentierende Massnahmen eingesetzt werden, wie zum Beispiel die Verwendung von Knochenzement, welcher das Risiko für eine Schraubenlockerung bei fenestrierten Schrauben um 96% reduziert.¹⁴ Knochenzement birgt zwar die Gefahr eigener Komplikationen wie Zementaustritt mit möglicher Zementembolie, doch mithilfe einer sehr genauen Indikation, wie es durch die biomechanische Simulation möglich ist, kann er hochspezifisch bei selektierten Schrauben mit Lockerungsrisiko eingesetzt werden.

Dies alles sind völlig neuartige Optionen, die dem Chirurgen in der Patientenaufklärung und in der spezifischen Behandlung ungeahnte Dimensionen erschliessen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die biomechanische Operationsplanung ein grosses Potenzial für die Orthopädie besitzt, insbesondere für die Wirbelsäulenchirurgie. Aktuelle Ergebnisse sind sehr vielversprechend, wie die Resultate der Schraubenlockerungsvorhersage zeigen.

Da viele andere Wirbelsäulenkomplikationen analog einen mechanischen Ursprung aufweisen, ist es nur eine Frage der Zeit, bis auch dort eine computerbasierte Vorhersage möglich ist. In welcher Art sich diese Form der präoperativen Planung in der Zukunft durchsetzen wird, wird sich in den nächsten Jahren herauskristallisieren. Sicher ist, dass bald Lösungen gefunden werden müssen, um die hohe Komplikationsrate in der Wirbelsäulenchirurgie zu adressieren. Eine Methode, die das Bauchgefühl des Chirurgen durch eine objektive, computergestützte Beurteilung ersetzt, könnte eine vielversprechende Möglichkeit sein und der Orthopädie neue Türen öffnen.

Literatur: