Z Orthop Ihre Grenzgeb 2004; 142(1): 88-96
DOI: 10.1055/s-2004-818033
Wirbelsäule
© Georg Thieme Verlag Stuttgart · New York

Biomechanische Testung verschiedener ventraler Plattensysteme an der bovinen Lendenwirbelsäule

Biomechanical Testing of Different Ventral Fixation Devices on the Bovine Lumbar SpineC.  H.  Flamme1 , C.  Hurschler1 , C.  Heymann1 , N.  von der Heide1
  • 1Orthopädische Klinik der Medizinischen Hochschule Hannover im Annastift, Hannover
Further Information

Publication History

Publication Date:
17 February 2004 (online)

Zusammenfassung

Studienziel: Die primäre Stabilität von ventralen Plattensystemen an der ventralen Lendenwirbelsäule wurde in den letzten Jahren erhöht, zuletzt wurden Spezialplatten für eine endoskopische Technik entwickelt. Ziel der vorliegenden Studie ist es, die Stabilität verschiedener Platten zu analysieren. Methode: Es wurden 30 Segmente der lumbalen Wirbelsäule von 5 - 7 Monate alten Kälbern entnommen. Entsprechend der Empfehlungen des europäischen Standards von Wilke et al. wurden an dem „pure moment apparatus” (PMA) sowie an einer modifizierten Material-Prüfmaschine (MTS) die MACS-Platte, die Centaur-Platte und die Z-Platte getestet. Untersucht wurde die ROM, die neutrale Zone und die Steifigkeit an der PMA bis 10 Nm sowie die Steifigkeit an der MTS bis 1500 N im ALF-Modell. Von allen Präparaten wurde die Knochendichte bestimmt. Signifikanzen wurden mittels der ANOVA und dem LSD-Test ermittelt. Ergebnisse: Alle drei Platten erhöhten die Stabilität der Nativpräparate signifikant in nahezu allen Untersuchungskriterien. Die MACS-Platte erwies sich gegenüber den beiden Vergleichsplatten als gleichwertig oder überlegen mit Ausnahme der Seitneigung, hier war die Z-Platte stabiler. Die Knochendichte der Präparate der drei Untersuchungsgruppen war vergleichbar. Schlussfolgerung: Minimalinvasive ventrale Techniken zur ventralen Instrumentierung von Lendenwirbelsäulensegmenten werden zunehmend verwendet. Die vorliegende Studie konnte beweisen, dass endoskopische einzusetzende Platten wie die MACS den herkömmlichen Platten bezüglich ihrer primären Stabilität zumindest ebenbürtig sind.

Abstract

Aim: The primary stability of ventral fixation systems has been improved over the past years and special implants supporting minimally invasive procedures have been developed. The aim of this study was to analyze the primary stability of several of these implants. Methods: Thirty (30) lumbar segments from 5 to 7-month-old calves were harvested and tested on a pure moment apparatus (PMA) as well as a modified materials testing machine (MTS) according to the European standard recommendations of Wilke et al. Three different implant systems (MACS, Centaur and Z-plate) were included. ROM, neutral zone and stiffness were tested on the PMA up to 10 Nm, stiffness at an eccentric axial load of up to 1500 N was tested on the MTS. Bone density was investigated for all specimens. Statistical analysis was performed by ANOVA and LSD tests. Results: Primary stability was improved by all fixation devices compared to the physiological specimen. The MACS implant was more stable than the Centaur and Z-plate with the exception of in lateral bending [where the Z-plate was stiffer]. Bone density was comparable in the three different experimental groups. Conclusion: Minimal invasive ventral fixation devices are becoming popular. The primary stability of the minimal invasive MACS was comparable to those of other well-known ventral fixation devices of the lumbar spine.

Literatur

  • 1 Brodke D S, Dick J C, Kunz D N, McCabe R, Zdeblick T A. Posteriorl umbar interbody fusion. A biomechanical comparison, including a new threaded cage.  Spine. 1997;  22 26-31
  • 2 Zdeblick T A, Smith G R, Warden K E, Eng M B, McAfee P C. Two-point fixation of the lumbar spine. Differential stability in rotation.  Spine. 1991;  16 S 298-S 301
  • 3 Zdeblick T A, Warden K E, Zou D, McAfee P C, Abitbol J J. Anterior spinal fixators. A biomechanical in vitro study.  Spine. 1993;  18 513-517
  • 4 Zielke K. Ventrale Derotationsspondylodese: Behandlungsergebnisse bei idiopathischen Lumbalskoliosen.  Z Orthop Ihre Grenzgeb. 1982;  120 320-329
  • 5 Dwyer A P, Newton N C, Sherwood A A. An anterior approach to scoliosis.  Clin Orthop. 1969;  62 192-202
  • 6 Kanayama M, Ng J T, Cunningham B W, Abumi K, Kaneda K, McAfee P C. Biomechanical analysis of anterior versus circumferential spinal reconstruction for various anatomic stages of tumor lesions.  Spine. 1999;  24 445-450
  • 7 Bayley J C, Yuan J C, Frederickson B R. The Syracuse I-Plate.  Spine. 1991;  16 120-124
  • 8 Ghanayem A J, Zdeblick T A. Anterior instrumentation in the management of thoracolumbar burst fractures.  Clin Orthop. 1997;  335 89-100
  • 9 An H S, Lim T H, You J W, Hong J H, Eck J, McGrady L. Biomechanical evaluation of anterior thoracolumbar spinal instrumentation.  Spine. 1995;  20 1979-1983
  • 10 Oda I, Cunningham B W, Lee G A, Abumi K, Kaneda K, McAfee P C. Biomechanical properties of anterior thoracolumbar multisegmental fixation: an analysis of construct stiffness and screw-rod strain.  Spine. 2000;  25 2303-2311
  • 11 Ogon M, Haid C, Krismer M, Sterzinger W, Bauer R. Comparison between single-screw and triangulated, double-screw fixation in anterior spine surgery. A biomechanical test.  Spine. 1996;  21 2728-2734
  • 12 Hitchon P W, Goel V K, Rogge T N, Torner J C, Dooris A P, Drake J S, Yang S J, Totoribe K. In viro biomechanical analysis of three anterior thoracolumbar implants.  J Neurosurg. 2000;  93 252-258
  • 13 Glazer P A, Colliou O, Klisch S M, Bradford D S, Bueff H U, Lotz J C. Biomechanical analysis of multilevel fixation methods in the lumbar spine.  Spine. 1997;  22 171-182
  • 14 Kotani Y, Cunningham B W, Parker L M, Kanayama M, McAfee P C. Static and fatigue biomechanical properties of anterior thoracolumbar instrumentation systems. A synthetic testing model.  Spine. 1999;  24 1406-1413
  • 15 Kozak J A, Heilman A E, O'Brien J P. Anterior lumbar fusion options. Technique and graft materials.  Clin Orthop. 1994;  45-51
  • 16 Eysel P. Biomechanische Korrekturprinzipien ventraler und dorsaler Instrumentationen bei Skoliosen.  Orthopäde. 2000;  29 507-517
  • 17 Hitchon P W, Goel V K, Rogge T, Grosland N M, Torner J. Biomechanical studies on two anterior thoracolumbar implants in cadaveric spines.  Spine. 1999;  24 213-218
  • 18 Vahldiek M J, Gossé F, Panjabi M M. Stabilität ventraler, dorsaler und kombinierter Spondylodesen beim Wirbelkörperansatz.  Orthopäde. 2002;  31 508-513
  • 19 Vahldiek M J, Panjabi M M. Stability potential of spinal instrumentations in tumor vertebral body replacement surgery.  Spine. 1998;  23 543-550
  • 20 Breeze S W, Doherty B J, Noble P S, LeBlanc A, Heilman A E. A biomechanical study of anterior thoracolumbar screw fixation.  Spine. 1998;  23 (17) 1829-1831
  • 21 Spiegel D A, Cunningham B W, Oda I, Dormans J P, McAfee P C, Drummond D S. Anterior vertebral screw strain with and without solid interspace support.  Spine. 2000;  25 2755-2761
  • 22 Panjab M M. (Three-dimensional testing of the stability of spinal impants.) Dreidimensionale Testung der Stabilität von Wirbelsäulenimplantaten.  Orthopäde. 1991;  20 106-111
  • 23 Jost B, Cripton P A, Lund T, Oxland T R, Lippuner K, Jaeger P, Nolte L P. Compressive strength of interbody cages in the lumbar spine: the effect of cage shape, posterior instrumentation and bone density.  Eur Spine J. 1998;  7 132-141
  • 24 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 Br. 1998;  80 351-359
  • 25 Snedecor G W, Cochran W G. Statistical Methods. Ames, Iowa; Iowa State University Press 1989
  • 26 Panjabi M M. Biomechanical evaluation of spinal fixation devices: I. A conceptual framework.  Spine. 1988;  13 1129-1134
  • 27 Tencer A F, Hampton D, Eddy S. Biomechanical properties of threaded inserts for lumbar interbody spinal fusion.  Spine. 1995;  20 2408-2414
  • 28 Wilke H J, Krischak S T, Wenger K H, Claes L E. Load-displacement properties of the thoracolumbar calf spine: experimental results and comparison to known human data.  Eur Spine J. 1997;  6 129-137
  • 29 Oxland T, Panjabi M M, Southern E P. An anatomic basis for spinal instability: a porcine trauma model.  J Orthop Res. 1991;  9 462
  • 30 Pintar F A, Maiman D J, Hollowell J P, Yoganandan N, Droese K W, Reinartz J M, Cuddy B. Fusion rate and biomechanical stiffness of hydroxylapatite versus autogenous bone grafts for anterior discectomy. An in vivo animal study.  Spine. 1994;  19 2524-2528
  • 31 Brantigan J W, McAfee P C, Cunningham B W, Wang H, Orbegoso C M. Interbody lumbar fusion using a carbon fiber cage implant versus allograft bone. An investigational study in the Spanish goat.  Spine. 1994;  19 1435-1444
  • 32 Wilke H J, Kettler A, Wenger K H, Claes L E. Anatomy of the sheep spine and its comparison to the human spine.  Anat Rec. 1997;  247 542-555
  • 33 Heller J G, Zdeblick T, Kunz D A, McCabe R, Cooke M E. Spinal instrumentation for metastatic disease: in vitro biomechanical analysis.  J Spinal Disord. 1993;  6 17-22
  • 34 Oxland T R, Lund T. Biomechanics of the stand-alone cages and cages in combination with posterior fixation: a literature review.  Eur Spine J. 2000;  9 (Suppl 1) 95-101
  • 35 Cotterill P C, Kostuik J P, D'Angelo G, Fernie G R, Maki B E. An anatomical comparison of the human and bovine thoracolumbar spine.  J Orthop Res. 1986;  4 298-303
  • 36 Panjabi M M, Krag M H, Summers D, Videman T. Biomechanical time-tolerance of fresh cadaveric human spine specimens.  J Orthop Res. 1985;  3 292-300
  • 37 Wilke H J, Wenger K, Claes L. Testing criteria for spinal implants: recommendations for the standardization of in vitro stability testing of spinal implants.  Eur Spine J. 1998;  7 148-154
  • 38 Hasegawa K, Abe M, Washio T, Hara T. An experimental study on the interface strength between titanium mesh cage and vertebra in reference to vertebral bone mineral density.  Spine. 2001;  26 957-963
  • 39 Panjabi M, White A A. Physical properties and functional biomechanics of the spine. In: White AA, Panjabi MM (eds) Clinical biomechanics of the spine. Philadelphia; Lippincott 1990: 1-83
  • 40 Panjabi M M. The stabilizing system of the spine. Part II. Neutral zone and instability hypothesis.  J Spinal Disord. 1992;  5 390-396
  • 41 Scifert J L, Sairyo K, Goel V K, Grobler L J, Grosland N M, Spratt K F, Chesmel K D. Stability analysis of an enhanced load sharing posterior fixation device and its equivalent conventional device in a calf spine model.  Spine. 1999;  24 2206-2213
  • 42 Grupp T M, Beisse R, Potulski M, Marnay T, Beger J, Blömer W. Mechanische Testung der Implantateigenschaften eines thorakoskopisch implantierbaren ventralen Wirbelsäulenstabilisierungssystems.  Orthopäde. 2002;  31 406-412
  • 43 Beisse R, Potulski M, Beger J, Bühren V. Entwicklung und klinischer Einsatz einer thorakoskopisch implantierbaren Rahmenplatte zur Behandlung thorakolumbaler Frakturen und Instabilitäten.  Orthopäde. 2002;  31 413-422
  • 44 Schramm M, Krummbein S, Kraus H, Hirschfelder H, Pitto R P. Die MACS-HMA-Hohltonne. Eine alternative Möglichkeit der stabilen Implantatverankerung im Wirbelkörper auch für langstreckige Fusionen.  Orthopäde. 2002;  31 494-502
  • 45 Schultheiss M, Wilke H J, Claes L, Kinzl L, Hartwig E. MACS-TL-twin-screw.  Orthopäde. 2002;  31 362-367

PD Dr. med. C. H. Flamme

Orthopädische Klinik der MHH im Annastift

Anna-von-Borries-Straße 1 - 7

30625 Hannover

Phone: + 49-511-5354-334

Fax: + 49-511-5354-336

Email: flamme@annastift.de

    >