im Zentrum Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde der Medizinischen Fakultät der Universität Göttingen
und
aus der Klinik für Unfallchirurgie und Orthopädie – Abteilung Unfallchirurgie, Plastische und
Wiederherstellungschirurgie (Prof. Dr. med. K. M. Stürmer)
im Zentrum Chirurgie
der Medizinischen Fakultät der Universität Göttingen
Einfluss zweier Bandscheibenprothesen auf die Kinematik des C5/C6-Segmentes
INAUGURAL-DISSERTATION
zur Erlangung des Doktorgrades der Medizinischen Fakultät
der Georg-August-Universität zu Göttingen
vorgelegt von Jan Weiland
aus Bad Arolsen
Göttingen 2015
Dekan: Prof. Dr. rer. nat. H. K. Kroemer
I. Berichterstatter: PD Dr. med. M. M. Wachowski II. Berichterstatter: Prof. Dr. rer. nat. S. Blumentritt III. Berichterstatter: Prof. Dr. med. H. C. Ludwig IV. Berichterstatter: Prof. Dr. mult. Thomas Meyer
Tag der mündlichen Prüfung: 30.11.2017
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ... 1
1.1 Einführung ... 1
1.2 Anatomische Grundlagen ... 3
1.2.1 Anatomie der Wirbelsäule ... 3
1.2.2 Anatomische Besonderheiten der Halswirbelsäule ... 10
1.3 Pathologie der Halswirbelsäule ... 13
1.3.1 Degenerative Prozesse der Halswirbelsäule ... 13
1.3.2 Zervikaler Bandscheibenvorfall ... 15
1.4 Therapie zervikaler Bandscheibenvorfälle ... 16
1.4.1 Operative Therapie ... 17
1.4.2 Anteriore zervikale Diskektomie und Fusion (ACDF) ... 18
1.4.3 Problematik zervikaler Fusionen ... 19
1.4.4 Arthroplastischer Bandscheibenersatz (Total Disc Replacement, TDR) ... 20
1.4.5 Komplikationen operativer Therapien ... 21
1.5 Zervikale Bandscheibenprothesen ... 21
1.5.1 Geschichtliche Entwicklung zervikaler Bandscheibenprothesen ... 22
1.5.2 Einteilung nach Aufbau und Funktion ... 23
1.5.3 Anforderungen an eine Bandscheibenprothese ... 24
1.5.4 Indikationen und Kontraindikationen ... 26
1.5.5 Prothesen ... 27
1.6 Biomechanik ... 32
1.6.1 Physikalische Grundlagen ... 32
1.6.2 Biomechanik der Segmentbewegung ... 35
1.6.3 Biomechanische Eigenschaften der Halswirbelsegmente ... 38
1.6.4 Biomechanische Veränderungen nach TDR ... 45
2 Material und Methoden ... 46
2.1 Versuchsübersicht ... 46
2.1.1 Messprinzip ... 46
2.1.2 Experimentelle Umsetzung ... 46
2.1.3 Aufbau der Studie ... 46
2.1.4 Messablauf ... 47
2.2 Material und Morphologie ... 48
2.2.1 Halswirbelpräparate ... 48
2.2.2 Einbettung ... 49
2.2.3 Zuordnung morphologischer Strukturen zum Messsystem ... 50
2.2.4 Prothesenimplantation ... 51
2.2.5 Qualitative Analyse der Gelenkflächen ... 53
2.3 Messapparatur ... 53
2.3.1 Aufbau ... 53
2.3.2 Kraft- und Drehmoment-Applikation ... 55
2.3.3 Registrierung der Bewegung ... 57
2.4 Auswertung und Präsentation der Messdaten ... 58
2.4.1 Rastpolkurve ... 58
2.4.2 Richtungskomponentendiagramm ... 59
2.4.3 Drehwinkel-Drehmoment-Kennlinie ... 59
2.4.4 Steifigkeitsdiagramm ... 60
2.4.5 Weiterführende Datenauswertung ... 60
2.5 Vorversuche ... 61
2.5.1 Überprüfung des Pumpsystems ... 61
2.5.2 Präzisionsschraube ... 61
2.5.3 Bandscheiben-Gelenk-Modell ... 62
2.5.4 Prothesen-Gelenk-Modell ... 63
2.5.5 Bestimmung des Widerstandszentrums für axiale Vorlasten ... 63
3 Ergebnisse ... 65
3.1 Vorversuche ... 65
3.1.1 Überprüfung des Pumpsystems ... 65
3.1.2 Präzisionsschraube ... 66
3.1.3 Bandscheiben-Gelenk-Modell ... 67
3.1.4 Prothesen-Gelenk-Modell ... 68
3.1.5 Bestimmung des Widerstandszentrums der Segmente ... 69
3.2 Axiale Rotation am intakten Segment ... 70
3.2.1 Lage und Wanderung der Rotationsachse ... 70
3.2.2 Ausrichtung der Rotationsachse... 75
3.2.3 Drehwinkel-Drehmoment-Kennlinie, Bewegungsausmaß und Steifigkeit ... 76
3.3 Axiale Rotation mit implantierter Bandscheibenprothese... 79
3.3.1 Wanderung der Rotationsachse ... 79
3.3.2 Lage der Rotationsachse ... 81
3.3.3 Ausrichtung der Rotationsachse... 84
3.3.4 Drehwinkel-Drehmoment-Kennlinie, Bewegungsausmaß und Steifigkeit ... 86
3.4 Lateralflexion ... 88
3.4.1 Lage und Wanderung der Rotationsachse ... 88
3.4.2 Ausrichtung der Rotationsachse... 91
3.4.3 Drehwinkel-Drehmoment-Kennlinie, Bewegungsausmaß und Steifigkeit ... 92
3.5 Ventralflexion/ Extension ... 94
3.5.1 Lage und Wanderung der Rotationsachse ... 95
3.5.2 Ausrichtung der Rotationsachse... 97
3.5.3 Drehwinkel-Drehmoment-Kennlinie, Bewegungsausmaß und Steifigkeit ... 99
3.6 Qualitative Analyse der Gelenkflächen ... 101
4 Diskussion ... 102
4.1 Bewegungsstruktur des Halswirbelsäulensegmentes C5/C6 und TDR... 102
4.1.1 Axiale Rotation ... 104
4.1.2 Lateralflexion ... 112
4.1.3 Ventralflexion/ Extension ... 115
4.1.4 Vergleich mit der Bewegungsstruktur des HWS-Segmentes C3/C4 und Fazit ... 118
4.2 Methodendiskussion ... 124
4.2.1 Kraftsystem ... 124
4.2.2 Messsystem ... 127
4.2.3 Präparate ... 128
4.2.4 Prothesenimplantation ... 129
4.2.5 Vorversuche ... 131
4.3 Ausblick... 133
5 Zusammenfassung ... 134
6 Anhang ... 137
6.1 Bisherige Studien zur Wirbelsäulenkinematik nach TDR ... 137
6.2 Abkürzungsverzeichnis ... 139
7 Literaturverzeichnis ... 141
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1.2-1: Übersicht der funktionellen Wirbelsäulenregionen ... 3
Abb. 1.2-2: Fünfter Halswirbel (C5). ... 4
Abb. 1.2-3: Aufbau des Discus intervertebralis. ... 6
Abb. 1.2-4: Halbschematische Darstellung der Funktion des Nucleus pulposus. ... 7
Abb. 1.2-5: Halbschematische Darstellung des Bewegungssegments C5/C6. ... 8
Abb. 1.2-6: Frontalschnitte durch die Halswirbelsäule. ... 11
Abb. 1.3-1: Kernspintomographische Aufnahme eines dorsolateralen Bandscheibenvorfalls. ... 15
Abb. 1.3-2: Zeichnung eines dorsolateralen Prolapses mit Kompression des Spinalnervs. ... 16
Abb. 1.4-1: Kyphotische Fehlstellung und knöcherne Fusion nach Stand-alone-Cage. ... 19
Abb. 1.5-1: Schematische Darstellung der Prothesen-Einteilung ... 24
Abb. 1.5-2: Prestige® LP Cervical Disc System ... 29
Abb. 1.5-3: Bryan® Cervical Disc System ... 31
Abb. 1.6-1: Konstruktion einer Kraftschraube aus windschief zueinander verlaufenden Kräften ... 33
Abb. 1.6-2: Äquivalente Kraftsysteme. ... 34
Abb. 1.6-3: Räumliche Bewegung eines starren Körpers ... 35
Abb. 1.6-4: Schemazeichnung des mathematisch-rechtshändigen Koordinatensystems ... 36
Abb. 1.6-5: Synarthrosenmodell. ... 38
Abb. 1.6-6: Wirkung einer Kraft F (Fx, 0, Fz) auf die Zwischenwirbelscheibe ... 40
Abb. 1.6-7: Wirkung eines reinen Drehmoments Ty auf die Zwischenwirbelscheibe ... 40
Abb. 1.6-8: Modell einer überschlagenen dimeren Gelenkkette ... 42
Abb. 1.6-9: Einfaches Modell einer symmetrischen Viergelenkkette ... 43
Abb. 2.2-1: CT-Aufnahmen zur Überprüfung der Präparatequalität.. ... 49
Abb. 2.2-2: Röntgen-Aufnahmen zur Überprüfung der Präparatequalität.. ... 49
Abb. 2.2-3: Röntgen-Kontrollaufnahme nach erfolgter Einbettung.. ... 50
Abb. 2.2-4: Beispielhafte CT-Schichtaufnahme auf Bandscheibenhöhe. ... 51
Abb. 2.2-5: Halbtransparente Projektion des Wirbelschattens auf die Grundebene. ... 51
Abb. 2.3-1: Aufbau der Messaparatur mit eingespanntem Präparat ... 54
Abb. 2.3-2: Schemazeichnung des Versuchsaufbaus ... 54
Abb. 2.3-3: Schema der Vorlastwaage zur Applikation axialer Vorlasten. ... 55
Abb. 2.3-4: Schema zur Applikation eines Drehmoments Tx... 55
Abb. 2.3-5: Wasserbehälter mit angebrachten Elektroden und Pumpschläuchen. ... 56
Abb. 2.3-6: Schemazeichnung der 3-2-1-Anordnung der Messtaster ... 57
Abb. 2.4-1: Beispielhafte Darstellung einer Rastpolkurve in axialer Rotation. ... 58
Abb. 2.4-2: Beispielhafte Darstellung eines Richtungskomponentendiagramms. ... 59
Abb. 2.4-3: Beispielhafte Darstellung einer Drehwinkel-Drehmoment-Kennlinie. ... 59
Abb. 2.4-4: Beispielhafte Darstellung eines Steifigkeitsdiagramms. ... 60
Abb. 2.5-1: Präzisionsschraube. ... 62
Abb. 2.5-2: Schemazeichnung der Präzisionsschraube mit Orientierung im Messsystem ... 62
Abb. 2.5-3: Bandscheibenmodell. ... 62
Abb. 2.5-4: Bandscheiben-Gelenk-Modell ... 62
Abb. 2.5-5: Metall-Sockel für das Prothesenmodell. ... 63
Abb. 2.5-6: Sockel des Prothesenmodells ... 63
Abb. 2.5-7: Vorlast außerhalb des WZ. Werte aller sechs Messtaster im Verlauf ... 64
Abb. 2.5-8: Vorlast im WZ. Werte aller sechs Messtaster im Verlauf. ... 64
Abb. 3.1-1: Pumpzeiten beider Pumpen je 400 ml Umwälzvolumen ... 65
Abb. 3.1-2: Lineare Regression der Pumpvolumina. ... 65
Abb. 3.1-3: Rastpolkurve der Präzisionsschraube in axialer Rotation ... 66
Abb. 3.1-4: Richtungskomponenten der Präzisionsschraube in axialer Rotation ... 66
Abb. 3.1-5: Schraubsteigung der Präzisionsschraube in Abhängigkeit vom Drehwinkel. ... 66
Abb. 3.1-6: Rastpolkurve des reinen Bandscheibenmodells in axialer Rotation ... 67
Abb. 3.1-7: Richtungskomponenten des reinen Bandscheibenmodells in axialer Rotation ... 67
Abb. 3.1-8: Drehwinkel-Drehmoment-Kennlinie des reinen Bandscheibenmodells (axiale Rotation) . 67 Abb. 3.1-9:Rastpolkurve des Bandscheiben-Gelenk-Modells in axialer Rotation. ... 68
Abb. 3.1-10: Richtungskomponenten des Bandscheiben-Gelenk-Modells in axialer Rotation. ... 68
Abb. 3.1-11: Rastpolkurve des reinen Prothesenmodells in axialer Rotation. ... 68
Abb. 3.1-12: Richtungskomponenten des reinen Prothesenmodells in axialer Rotation ... 68
Abb. 3.1-13: Rastpolkurve des Prothesen-Gelenk-Modells in axialer Rotation. ... 69
Abb. 3.1-14: Richtungskomponenten des Prothesen-Gelenk-Modells in axialer Rotation. ... 69
Abb. 3.2-1: Rastpolkurve (1405, intakt) in axialer Rotation. VL: 20 N im WZ, Linksrotation ... 71
Abb. 3.2-2: Rastpolkurve (1405, intakt) in axialer Rotation. VL: 20 N im WZ; Rechtsrotation ... 71
Abb. 3.2-3: Rastpolkurve (1405, intakt) in axialer Rotation. Vorlast: 20 N im WZ ... 72
Abb. 3.2-4: Rastpolkurve (1405, intakt) in axialer Rotation. Vorlast: 70 N im WZ ... 72
Abb. 3.2-5: Rastpolkurve (1306, intakt) in axialer Rotation. Vorlast: 20 N im WZ ... 72
Abb. 3.2-6: Rastpolkurve (1306, intakt) in axialer Rotation. Vorlast: 70 N im WZ ... 72
Abb. 3.2-7: Rastpolkurve (1405, intakt) in axialer Rotation. VL: 20 N 30 mm ventral des WZ ... 73
Abb. 3.2-8: Rastpolkurve (1405, intakt) in axialer Rotation. VL: 20 N 30 mm dorsal des WZ ... 73
Abb. 3.2-9: Rastpolkurve (1306, intakt) in axialer Rotation. VL: 20 N 30 mm ventral des WZ ... 73
Abb. 3.2-10: Rastpolkurve (1306, intakt) in axialer Rotation. VL: 20 N 30 mm dorsal des WZ ... 73
Abb. 3.2-11: Rastpolkurve (1405, intakt) in axialer Rotation. VL: 20 N 30 mm lateral-rechts ... 74
Abb. 3.2-12: Seitliche Röntgenaufnahme des Präparats 1007 mit Lage und Ausrichtung der IHA ... 75
Abb. 3.2-13: 3D-Rekonstruktion: Rastpolkurve des intakten Segments 1405 in axialer Rotation... 76
Abb. 3.2-14: Richtungskomponenten der IHA am intakten Segment 1405 in axialer Rotation ... 76
Abb. 3.2-15: Alpha(T)-Diagramm (1405, intakt), axiale Rotation. VL: 20 N/70 N ... 77
Abb. 3.2-16: Steifigkeitsdiagramm (1405, intakt), axiale Rotation. VL: 20 N/70 N ... 77
Abb. 3.2-17: Alpha(T)-Diagramm (1405, intakt), axiale Rotation. VL: 30 mm ventral/dorsal ... 78
Abb. 3.2-18: Steifigkeitsdiagramm (1405, intakt), axiale Rotation. VL: 30 mm ventral/dorsal ... 78
Abb. 3.3-1: Rastpolkurve (1405, intakt), axiale Rotation. VL: 30 mm ventral/dorsal ... 79
Abb. 3.3-2: Rastpolkurve (1405, Prestige® LP), axiale Rotation. VL: 30 mm ventral/dorsal ... 80
Abb. 3.3-3: Rastpolkurve (1405, Bryan® Cervical Disc), axiale Rotation. VL: 30 mm ventral/dorsal .... 80
Abb. 3.3-4: Rastpolkurve (1405, intakt/ Prestige®/ Bryan®) axiale Rotation ... 81
Abb. 3.3-5: Teilrastpolkurve (1405 intakt/ Prestige®/ Bryan®) für−0,8° < 𝛼 < 0,8°.. ... 81
Abb. 3.3-6: Versatz der initialen Rotationsachse nach TDR in axialer Rotation ... 82
Abb. 3.3-7: Schwerpunktverteilung der RPK aller acht Präparate (intakt/ Prestige®/ Bryan®) ... 84
Abb. 3.3-8: Seitl. Röntgenaufnahme (1007) mit IHA in axialer Rotation nach TDR ... 85
Abb. 3.3-9: Alpha(T)-Diagramm (1405, intakt/ Prestige®/ Bryan®), axiale Rotation.. ... 86
Abb. 3.3-10: Steifigkeitsdiagramm (1405, intakt/ Prestige®/ Bryan®), axiale Rotation ... 86
Abb. 3.3-11: Abhängigkeit der initialen Steifigkeit vom Betrag der Vorlast in axialer Rotation ... 87
Abb. 3.4-1: Rastpolkurve (1007, senkrecht eingebettet, intakt), Lateralflexion ... 89
Abb. 3.4-2: Rastpolkurve (1007, Lateralflexion). VL: 30 mm ventral/dorsal ... 89
Abb. 3.4-3: Rastpolkurve (1007, intakt/ Prestige®/ Bryan®), Lateralflexion ... 90
Abb. 3.4-4: Rastpolkurve (1306, inkliniert eingebettet; intakt/ Prestige®/ Bryan®), Lateralflexion ... 90
Abb. 3.4-5: 3D-Rekonstruktion: Rastpolkurve (1007, intakt, VL: 20 N im WZ), Lateralflexion ... 91
Abb. 3.4-6: Richtungskomponenten der Schraubachse (1007, intakt) in Lateralflexion ... 92
Abb. 3.4-7: Seitliche Röntgenaufnahme (1007) mit Lage und Ausrichtung der IHA in Lateralflexion .. 92
Abb. 3.4-8: Alpha(T)-Diagramm (1306, intakt/ Prestige®/ Bryan®), Lateralflexion. ... 93
Abb. 3.4-9: Steifigkeitsdiagramm (1306, intakt/ Prestige®/ Bryan®), Lateralflexion. ... 93
Abb. 3.5-1: Rastpolkurve (1007, intakt), Ventralflexion/Extension ... 95
Abb. 3.5-2: Rastpolkurve (1007, intakt), Ventralflexion/Extension. VL: 30 mm ventral/dorsal. ... 95
Abb. 3.5-3: Rastpolkurve (1007, intakt/ Prestige®/ Bryan®), Ventralflexion/Extension. ... 96
Abb. 3.5-4: Rastpolkurve (1405, intakt/ Prestige®/ Bryan®), Ventralflexion/Extension. ... 96
Abb. 3.5-5: Richtungskomponenten (1007, intakt), Ventralflexion/Extension.. ... 97
Abb. 3.5-6: a.p. Röntgenaufnahme des Präparats 1007 mit IHA in Ventralflexion/Extension. ... 97
Abb. 3.5-7: Koronares CT-Schnittbild, IHA bei α=0° (1405, VL 20 N 30 mm links), Ventralflex./Ext. .... 98
Abb. 3.5-8: Koronares CT-Schnittbild, IHA bei α=0° (1405, VL 20 N 30 mm rechts), Ventralflex./Ext. . 98
Abb. 3.5-9: Alpha(T)-Diagramm (1007, intakt/ Prestige®/ Bryan®), Ventralflexion/Extension ... 99
Abb. 3.5-10: Steifigkeitsdiagramm (1007, intakt/ Prestige®/ Bryan®), Ventralflexion/Extension ... 99
Abb. 3.6-1: Eröffnetes Präparat 1107... 101
Abb. 4.1-1: Seitl. Röntgenaufnahme (1007): mögliche, vektoriell resultierende Rotationsachse ... 113
Abb. 4.2-1: Skizze zur Fehlerabschätzung bei der Erzeugung des Drehmoments. ... 127
Tabellenverzeichnis
Tab. 1.2-1: Rückenmuskulatur – Medialer Trakt ... 9Tab. 1.2-2: Rückenmuskulatur – Lateraler Trakt ... 9
Tab. 1.2-3: Rückenmuskulatur – Kurze Nackenmuskeln ... 10
Tab. 1.2-4: Rückenmuskulatur – Die eingewanderten Halsmuskeln ... 10
Tab. 1.2-5: Bewegungsausmaße der Wirbelsäulenregionen ... 13
Tab. 1.4-1: Komplikationen der operativen Verfahren ... 21
Tab. 1.5-1: Kriterien der Materialanforderungen ... 26
Tab. 1.5-2: Indikationen und Kontraindikationen zervikaler Bandscheibenprothesen ... 27
Tab. 1.5-3: Eigenschaften aktueller, häufig implantierter zervikaler Bandscheibenprothesen ... 28
Tab. 2.1-1: Experimentelle Umsetzung der Studienanforderungen ... 46
Tab. 2.1-2: Studienaufbau. ... 47
Tab. 2.1-3: Messablauf. ... 47
Tab. 2.2-1: Präparate mit Zuordnung von Geschlecht und Alter. ... 48
Tab. 3.1-1: Sagittale Position des Widerstandszentrums für axiale Vorlasten ... 69
Tab. 3.2-1: Durchschnittswerte von minimaler Steifigkeit und Range of motion (ROM) ... 77
Tab. 3.2-2: Durchschnittswerte von rel. min. Steifigkeit und rel. Range of motion (ROM) ... 78
Tab. 3.3-1: Durchschnittliches Migrationsausmaß der IHA in axialer Rotation ... 81
Tab. 3.3-2: Differenz der Rotationsachsenpositionen in sagittaler Richtung... 83
Tab. 3.3-3: Durchschnittliche Schwerpunkt-Koordinaten der Rastpolkurven in axialer Rotation ... 84
Tab. 3.3-4: Neigungswinkel der IHA zur Transversalebene in axialer Rotation ... 85
Tab. 3.3-5: Durchschnittswerte von Range of motion (ROM) nach TDR ... 87
Tab. 3.3-6: Durchschnittswerte der minimalen Steifigkeit nach TDR. ... 88
Tab. 3.3-7: Relative minimale Steifigkeit nach TDR im Vergleich zum intakten Segment ... 88
Tab. 3.4-1: Durchschnittliches Migrationsausmaß der IHA in Lateralflexion ... 90
Tab. 3.4-2: Neigungswinkel der IHA zur Transversalebene in Lateralflexion ... 91
Tab. 3.4-3: Durchschnittswerte von Range of motion (ROM) in Lateralflexion ... 94
Tab. 3.4-4: Durchschnittswerte der minimalen Steifigkeit in Lateralflexion... 94
Tab. 3.5-1: Neigungswinkel der IHA zur Transversalebene in Ventralflexion/Extension ... 98
Tab. 3.5-2: Neigungswinkel der IHA zur Frontalebene (VL li./re.) in Ventralflexion/Extension ... 98
Tab. 3.5-3: Durchschnittswerte von Range of motion (ROM) in Ventralflexion/Extension ... 100
Tab. 3.5-4: Durchschnittswerte der minimalen Steifigkeit in Ventralflexion/Extension ... 100
Tab. 3.6-1: Maße der maximalen Durchmesser beider Wirbelbogengelenke ... 101
Tab. 6.1-1: Bisherige Studien zur Wirbelsäulenkinematik nach TDR mittels Prestige® LP... 137
Tab. 6.1-2: Bisherige Studien zur Wirbelsäulenkinematik nach TDR mittels Bryan® Cervical Disc. .... 138
1 1 Einleitung
1.1 Einführung
Bandscheibenerkrankungen zählen zu den häufigsten Ursachen von Rücken- bzw.
Nackenschmerzen. Diese stellen mit einer Prävalenz von 70 % unter den Erwachsenen in der Bundesrepublik Deutschland (Wenig et al. 2009) eine der weitverbreitetsten Beschwerdeformen dar, die neben individuellen Einschränkungen auch erhebliche wirtschaftliche Belastungen verursacht (Wenig et al. 2009) und darüber hinaus zu den häufigsten Ursachen von Frühpensionierung gehört (Robert Koch-Institut 2006). Die Ursachen von Bandscheibenschädigungen sind vielfältig und können anlagebedingt sein, degenerativer oder auch traumatischer Genese (Grifka 1998; Schmitt et al. 2003). Die Hauptdiagnose
„zervikaler Bandscheibenvorfall“ (M 50) wurde in deutschen Krankenhäusern im Jahr 2010 insgesamt 28.780-mal gestellt, „sonstige Bandscheibenschäden“ (M 51) wurden darüber hinaus 162.325-mal diagnostiziert (Statistisches Bundesamt 2011).
Die Therapie richtet sich nach Symptomatik, Verlauf und Schweregrad der Beschwerden und erfolgt bei Bandscheibenvorfällen ohne neurologische Defizite zunächst konservativ, z.B.
durch Analgesie, Muskelrelaxation, Physiotherapie und Wärmeanwendung (Koller 2011;
Grimmer und Wurm 2011; Schnake et al. 2012). Bei zusätzlichem Vorhandensein motorischer Defizite, zunehmender Hypästhesie und morphologischem Korrelat oder Versagen der konservativen Therapie ist dagegen ein operatives Vorgehen indiziert (Mehren und Mayer 2005; Grimmer und Wurm 2011; Schnake et al. 2012).
Das operative Standardverfahren bei zervikalen Bandscheibenvorfällen stellt heute die vollständige Entfernung des prolabierten Bandscheibengewebes mit anschließender Versteifung des betroffenen Bewegungssegments (Anterior Cervical Discectomy and Fusion, ACDF) dar (Smith und Robinson 1958; Grimmer und Wurm 2011; Schnake et al. 2012). Diese Art der Versorgung bringt eine hohe Rate an degenerativen Folgeerkrankungen der angrenzenden Bewegungssegmente (Adjacent Segment Disease, ASD) mit sich, die unter anderem der veränderten Biomechanik des betroffenen Wirbelsäulenbereichs nach der Versteifung eines Segmentes zugeschrieben wird (Cunningham et al. 2010). Vor diesem Hintergrund und unter der Hypothese des Erhalts einer möglichst natürlichen Segmentkinematik wurde die operative Versorgung mittels eines arthroplastischen Bandscheibenersatzes (Total Disc Replacement, TDR) entwickelt, bei der die
2 Zwischenwirbelscheibe durch eine bewegliche Prothese ersetzt wird (Fritsch und Pitzen 2006;
Baaj et al. 2009).
Bei stetig steigenden Implantationszahlen zervikaler Bandscheibenprothesen liegen inzwischen zahlreiche Studien zu Genesungsprozess, Komplikationen und klinischem Verlauf operierter Patienten vor (Upadhyaya et al. 2012; Anderson und Hashimoto 2012). Dabei konzentrieren sich die meisten Untersuchungen bisher allerdings lediglich auf klinisch und radiologisch zu beurteilende Merkmale sowie die Bestimmung des postoperativen absoluten Bewegungsumfangs (Range of Motion, ROM) der Halswirbelsäulensegmente (Anderson et al.
2012) (vgl. Tab. 6.1-1, Tab. 6.1-2). Die Kinematik eines Bewegungssegments mit implantierter Bandscheibenprothese, also die über den reinen Bewegungsumfang hinausgehende Bewegungscharakteristik im gesamten Verlauf einer Bewegung, ist dagegen bisher nur wenig und in nicht erschöpfender Genauigkeit untersucht. Die Hypothese des Erhalts einer natürlichen Segmentkinematik und der damit postulierten Senkung degenerativer Folgeerkrankungen ist daher Gegenstand aktueller wissenschaftlicher Diskussion (Kowalczyk et al. 2011; Harrod et al. 2012; Ryu et al. 2013; Park et al. 2013).
„Panta rhei.“ - Alles fließt. Bezieht man diesen auf den griechischen Philosophen Heraklit zurückzuführenden Aphorismus (Diels 1895) auf die Bewegung eines Körpers, wird veranschaulicht, dass verschiedene Momentaufnahmen während eines Bewegungsablaufs stets nur Anfangs- und Endzustand eines Bewegungsintervalls darstellen, über die tatsächliche Bewegung hingegen nur bedingt Aufschluss geben. In dieser Studie zur Kinematik des am häufigsten von zervikalen Bandscheibenvorfällen betroffenen Wirbelsäulensegments C5/C6 (Aufdermaur 1960) wurden mithilfe einer speziell hierfür entwickelten, hochauflösenden 6D- Messapparatur (Spiering 1995) differentiell kleine Bewegungsintervalle ausgewertet, die eine Rekonstruktion der tatsächlichen Bewegungsstruktur erlaubten. Nach konsekutiver Implantation zweier häufig verwendeter, jedoch mechanisch unterschiedlichen Prinzipien folgender Bandscheibenprothesen wurden sämtliche Messungen unter identischen Bedingungen erneut durchgeführt und der Einfluss der Implantate auf die natürliche Bewegungsstruktur analysiert und quantifiziert. So sollte in dieser Studie erörtert werden, inwiefern es nach TDR zu relevanten Veränderungen der Segmentkinematik kommt, die das Auftreten degenerativer Folgeerkrankungen der Nachbarsegmente (ASD) wahrscheinlich machen und ob sich hierbei eines der beiden Prothesendesigns besser eignet, um die natürliche Segmentkinematik zu erhalten.
3 1.2 Anatomische Grundlagen
1.2.1 Anatomie der Wirbelsäule Wirbelsäule als Funktionseinheit
Die Wirbelsäule (Columna vertebralis) stellt das bewegliche Achsenskelett des Körpers aller Wirbeltiere (Vertebraten) dar. Beim Menschen wird sie entsprechend anatomischer Merkmale und der damit verbundenen Eigenschaften in fünf verschiedene Abschnitte unterteilt. Von kranial nach kaudal sind dies die Halswirbelsäule (Pars cervicalis) mit sieben Wirbeln und Kontakt zur Schädelbasis, die Brustwirbelsäule (Pars thoracalis) mit zwölf Wirbeln mit artikulierenden Rippenknochen (Costae), die Lendenwirbelsäule (Pars lumbalis) mit fünf Wirbeln, das Kreuzbein (Os sacrum) mit fünf synostotisch verschmolzenen Wirbeln sowie das Steißbein (Os coccygis) mit drei bis fünf verschmolzenen Wirbelrudimenten. Dabei sind die Wirbel C3 bis L5 durch
Zwischenwirbelscheiben (Disci intervertebralis), Wirbelbogengelenke (Artt. zygapophysiales) und Bänder zu einer funktionellen Einheit verbunden. Die Halswirbelsäule weist zusätzliche Uncovertebralgelenke an den seitlichen Randleisten der Wirbelkörper auf (s. 1.2.3 Anatomische Besonderheiten der Halswirbelsäule).
Die Wirbelsäule hat zum einen eine stützende und stabilisierende Funktion. Hierzu ist eine möglichst geringe Beweglichkeit zwischen den einzelnen Wirbeln von Vorteil. Ebenfalls der Stabilisierung dienlich ist eine kraftsparende Arretierungstendenz in Ruhestellung, wie sie von Mansour (2001) beschrieben wird. Zum anderen muss sie als Gesamtorgan ein größtmögliches Bewegungsausmaß für willkürliche Bewegungen sowie das Abfedern von Erschütterungen
Abb. 1.2-1: Übersicht der funktionellen Wirbelsäulenregionen mit ihren physiologischen Krümmungen. (a) Ansicht von ventral. (b) Ansicht von lateral. (Modifiziert nach Putz und Müller-Grebl 2008b).
4 bieten. Vor allem für die Möglichkeit der Abfederung von Stößen sorgt die mehrfache Krümmung in Form einer Lordose im Bereich der HWS sowie der LWS und einer Kyphose im Bereich der BWS sowie des Kreuzbeins. Eine weitere Funktion besteht im Schutz des Rückenmarks durch den Wirbelkanal.
Die kleinste funktionelle Einheit der Wirbelsäule, auch Junghanns’sches Bewegungssegment, besteht aus zwei benachbarten Wirbeln, der dazwischenliegenden Zwischenwirbelscheibe und dem dazugehörigen Muskel- und Bandapparat (Junghanns 1977).
Wirbel
Ein Wirbel kann morphologisch und funktionell in verschiedene Elemente unterteilt werden.
Der Wirbelkörper (Corpus vertebrae) besteht hauptsächlich aus Substantia spongiosa und einer dünnen äußeren Substantia corticalis, die auch die kaudale Grund- und die kraniale Deckplatte und deren Randleiste
(Epiphysis anularis) bildet. Der Wirbelbogen (Arcus vertebrae) geht aus den dorsal am Wirbelkörper ansetzenden Bogenwurzeln (Pediculi arcus vertebrae) hervor und begrenzt zusammen mit dem Wirbelkörper das Foramen vertebrale, also den Wirbelkanal (Canalis vertebralis). Der dorsal vom Wirbelbogen ausgehende Dornfortsatz (Processus spinosus) sowie
die lateralen Querfortsätze (Procc. transversarii) dienen Muskeln als Krafthebel. Die ebenfalls auf dem lateralen Teil des Wirbelbogens liegenden Procc. articulares tragen die Gelenkflächen für die Wirbelbogengelenke.
Wirbelbogengelenke
Je ein Processus articularis superior und ein Processus articularis inferior des nächst höher gelegenen Wirbels bilden mit ihren Gelenkflächen (Facc. articulares) ein Wirbelbogengelenk (Art. zygapophysialis). Hierbei handelt es sich um Diarthrosen (echte Gelenke), bestehend aus zwei knorpelüberzogenen, in der Regel inkongruenten Gelenkflächen (Fick 1904, 1910, 1911),
Abb. 1.2-2: Fünfter Halswirbel (C5). Ansicht von kranial (Putz und Müller-Grebl 2008b).
5 einem Gelenkspalt sowie einer Gelenkkapsel. Im Gegensatz zu den meisten Gelenken des menschlichen Körpers gehören die Artt. zygapophysiales nicht zu den Abgliederungsgelenken, die aus einem primären Körper und einem sekundär angelegten Gelenkspalt entstehen, sondern zu den Anlagerungsgelenken (Frick et al. 1992). Besonders in Hals- und Lendenwirbelsäule ragen meniskusartige Falten der Gelenkkapsel in den Gelenkspalt (Putz und Müller-Grebl 2008b). Im Bereich von Hals- und Brustwirbelsäule sind die Artt.
zygapophysiales ebene Gelenke (Artt. planae), die seitliche Verschiebungen erlauben und deren Flächenschluss bei Bewegungen zeitweilig aufgehoben wird (Putz und Müller-Grebl 2008b). Die bei Geburt noch nicht endgültig differenzierte Ausrichtung der Gelenke über die gesamte Wirbelsäule weicht, wahrscheinlich im Rahmen eines Anpassungsvorganges, einer in den einzelnen Wirbelsäulenabschnitten verschiedenen Stellung der Gelenkflächen bereits im Kindesalter (Cihák 1981). Während die Lendenwirbelsäule durch sagittale Anordnung der Facettengelenke hauptsächlich Dorsalflexion zulässt (Lutz 1967; Reichmann 1971; Pearcy und Tibrewal 1984), steht im thorakalen Abschnitt durch die in Transversalebene angeordneten Gelenke die Rotation im Vordergrund (Boyle et al. 1996). Die Halswirbelsäule bietet eine große Beweglichkeit, vor allem in Ventralflexion und Dorsalextension sowie in axialer Rotation (Tab.
1.2-5).
Zwischenwirbelscheibe
Die Zwischenwirbelscheiben (Disci intervertebrales) stellen eine weitere gelenkige Verbindung der Wirbelkörper dar. Sie gehören zu den Synarthrosen (unechte Gelenke), also Gelenken, die keinen echten Gelenkspalt aufweisen, und werden hierbei zu den Artt.
cartilagineae, genauer zu den Symphysen gezählt, obwohl sie neben Faserknorpel auch Hyalinknorpel sowie kollagenfaseriges Bindegewebe enthalten (Fick 1904). Sie bestehen aus einem von einem Faserring (Anulus fibrosus) umgebenen Gallertkern (Nucleus pulposus) sowie zwei Hyalinknorpelschichten (Frick et al. 1992), mittels derer sie fest mit der Grund- und Deckplatte zweier benachbarter Wirbelkörper verwachsen sind (Symphysis intervertebralis) (Tillmann 1984). In kraniokaudaler Richtung nehmen sowohl ihre Höhe als auch ihre Querschnittfläche zu (Farfan 1979). Wobei das Verhältnis von Höhe der Zwischenwirbelscheibe zu Höhe des Wirbelkörpers ausschlaggebend für die Beweglichkeit eines Wirbelsäulenabschnittes ist. Im Bereich der Halswirbelsäule ist mit 2:5 dieses Verhältnis und somit die Beweglichkeit am größten (Kapandji 2009). Darüber hinaus sind die Disci
6 intervertebrales in Hals- und Lendenwirbelsäule ventral, in der Brustwirbelsäule dorsal höher und tragen somit wesentlich zur physiologischen Krümmung der Wirbelsäule bei (Bogduk und Twomey 1991).
Der den äußeren Ring des Discus intervertebralis darstellende Anulus fibrosus (Abb. 1.2-3) besteht aus einer Außenzone mit 10-20 konzentrisch geschichteten Binde-gewebslamellen (Bogduk und Twomey 1991) und einer faserknorpeligen Innenzone, die den Nucleus pulposus in einem fließenden Übergang zu diesem begrenzt (Cassidy et al. 1989) sowie kontinuierlich in den
hyalinen Knorpelbelag der
Wirbelkörperdeckplatten übergeht (Putz und Müller-Grebl 2008b). Die in der Außenzone innerhalb der Lamellen parallel verlaufenden Kollagenfasern ziehen je von Grund- zu Deckplatte benachbarter Wirbelkörper, wobei sich die einzelnen Kollagenfaserzüge überkreuzen und somit ein zugfestes Netzwerk bilden (Kapandji 2009). Sie sind medial kreuzweise verwoben und in etwa 62° zur spinalen Achse und ungefähr 120° zur jeweils
angrenzenden Lamelle angeordnet (Eyre 1979). Der mittig im Anulus fibrosus gelegene, in BWS und LWS leicht nach dorsal verschobene innere Gallertkern (Nucleus pulposus) (Putz und Müller-Grebl 2008b), der als Residuum der embryologisch schon sehr früh angelegten Chorda dorsalis und des sie umgebenden Mesenchyms aufgefasst wird (Töndury 1958; Christ und Wilting 1992), besteht vorwiegend aus einer Proteoglykanmatrix mit einem Wasseranteil von 70-90 % (Götz et al. 1997; Götz et al. 1999; Krämer 2006). Dieser hohe Wasseranteil kommt durch die gute Wasserbindungsfähigkeit der Glykosaminoglykane zustande, die so durch einen hohen kolloidosmotischen Druck zur prallelastischen Spannung des Nucleus führen.
Allerdings ist der Wasseranteil von Umgebungsdruck und Alter abhängig und beeinflusst das Verhalten des Nucleus maßgeblich (Töndury 1955; Wassilev und Kühnel 1992). Der
Abb. 1.2-3: Aufbau des Discus intervertebralis.
(a) Ausschnitt aus (b) mit Darstellung der lamellenartigen des Anulus fibrosus (Putz und Müller-Grebl 2008b).
7 inkompressible Gallertkern macht, nach Wirbelsäulenabschnitt variabel, etwa 40 % der Zwischenwirbelscheibe aus (Wassilev und Kühnel 1992) und hat die Aufgabe, Druckkräfte auf Grund- und Deckplatte zu verteilen und z.T. in Zugspannungen der Kollagenfasern des Anulus fibrosus umzuwandeln. Bei Rotation verformt er sich und führt damit zu einer Höhenzunahme des Discus (Nägerl et al. 1995), bei dezentraler Belastung, z.B. durch Neigungsbewegungen (Abb. 1.2-4), weicht er zur Gegenseite (Krag et al. 1987; Fennell et al. 1996).
Die Zwischenwirbelscheiben sind mechanosensibel innerviert, wie an Tiermodellversuchen gezeigt werden konnte (Ohtori et al. 2001b; Aoki et al. 2004).
Bandapparat
Die Bänder der Wirbelsäule verlaufen zwischen den Wirbelkörpern, zwischen den Wirbelbögen sowie zwischen Quer- und Dornfortsätzen (Abb. 1.2-5).
Das vordere Längsband (Lig. longitudinale anterius) verbindet, an der Pars basilaris des Os occipitale ansetzend, die Vorderflächen der Wirbelkörper miteinander, setzt sich bis auf die Facies pelvica des Os sacrum fort und endet als Lig. sacrococcygeum anterius am vorderen Steißbein. Dabei ist es nicht an den Zwischenwirbelscheiben fixiert. Das hintere Längsband (Lig. longitudinale posterius) hingegen ist mit den dorsalen Randleisten und den Pediculi, hauptsächlich aber mit den Zwischenwirbelscheiben verwachsen und liegt somit an der vorderen Wand des Wirbelkanals. Es beginnt am Clivus des Hinterhauptbeins und endet im Canalis sacralis. Die beiden Longitudinalbänder verhindern eine übermäßige Ventralflexion bzw. Dorsalextension, sichern die Zwischenwirbelscheiben und dienen der Erhaltung der
Abb. 1.2-4: Halbschematische Darstellung der Funktion des Nucleus pulposus (Putz und Müller-Grebl 2008b).
(a) Ventralflexion (b) Dorsalextension
8 Eigenform der Wirbelsäule, indem sie mit dem Quellungsdruck der Disci intervertebrales im Gleichgewicht stehen (Putz und Müller-Grebl 2008b).
Die hauptsächlich aus elastischen Fasernetzen bestehenden Ligamenta flava verbinden die Wirbelbögen zweier benachbarter Wirbel. Sie stehen in jeder Stellung der Wirbelsäule unter einer Längsspannung, ihre Grundspannung beträgt dabei 10-20 N (Putz und Müller-Grebl 2008b). Ihre elastische Rückstellkraft unterstützt das Aufrichten der Wirbelsäule.
Die Ligamenta interspinalia verbinden die Dornfortsätze segmental. Sie schränken die sagittale Verschiebbarkeit der Wirbel deutlich ein. Zusammen mit dem Ligamentum supraspinale, das mit den Spitzen der Dornfortsätze verbunden ist und vom Os sacrum bis zum Schädel über die Ligg. interspinalia hinweg verläuft, verhindern sie außerdem eine übermäßige Ventralflexion der Wirbelsäule. Im Bereich der Halswirbelsäule übernimmt diese Aufgabe das Nackenband (Lig. nuchae), das die Protuberantia occipitalis externa mit dem Lig.
supraspinale der Halswirbel verbindet und mit dem auch Nackenmuskeln verwachsen sind.
Die feinen Ligamenta intertransversaria verbinden übereinander liegende Querfortsätze und hemmen vor allem eine übermäßige Lateralflexion sowie axiale Rotation der Wirbelsäule.
Abb. 1.2-5: Halbschematische Darstellung des Bewegungssegments C5/C6 anhand eines Mediansagittalschnittes (Putz und Müller-Grebl 2008b).
9 Muskeln
Die Rückenmuskulatur lässt sich, entsprechend ihrem unterschiedlichen embryonalen Ursprung und damit auch ihrer Innervation, in primäre (autochthone) und sekundäre (eingewanderte) Muskeln einteilen.
Die Gesamtheit der autochthonen Rückenmuskulatur (M. erector spinae) wird durch die Rami posteriores der Spinalnerven innerviert und dient der Streckung der Wirbelsäule. Sie kann entsprechend morphologischer Anordnung, Verlaufsrichtung und Funktion weiter in zwei Traktus mit insgesamt fünf funktionellen Systemen unterteilt werden (Tab. 1.2-1 und 1.2-2).
Eine weitere funktionelle Einheit bilden die kurzen Nackenmuskeln, die teils zum medialen, teils zum lateralen Trakt gehören (Tab. 1.2-3). Die eingewanderte ventrale Halsmuskulatur wird durch die Rami anteriores der Spinalnerven innerviert und kann ebenfalls funktionell eingeteilt werden (Tab. 1.2-4).
Tab. 1.2-1: Rückenmuskulatur – Medialer Trakt (Schiebler et al. 1999; Putz und Müller-Grebl 2008a; Streicher und Pretterklieber 2012).
System Funktion
Transversospinales System - M. semispinalis - M. multifidus - Mm. rotatores
Extension + Rotation zur Gegenseite
Interspinales/Spinales System - Mm. Interspinales - M. spinalis
Extension + Rotation zur gleichen Seite
Tab. 1.2-2: Rückenmuskulatur – Lateraler Trakt (Schiebler et al. 1999; Putz und Müller-Grebl 2008a; Streicher und Pretterklieber 2012).
System Funktion
Intertransversales System - Mm. intertransversarii
Lateralflexion Spinotransversales System
- M. splenius capitis - M. splenius cervicis
Extension + Rotation und Lateralflexion zur gleichen Seite
Sakrospinales System - M. iliocostalis - M. longissimus
Extension + Lateralflexion zur gleichen Seite
10
Tab. 1.2-3: Rückenmuskulatur – Kurze Nackenmuskeln (Schiebler et al. 1999; Putz und Müller-Grebl 2008a; Streicher und Pretterklieber 2012).
Muskeln Funktion
- M. rectus capitis posterior minor - M. rectus capitis posterior major - M. obliquus capitis superior - M. obliquus capitis inferior
Extension + Rotation und Lateralflexion zur gleichen Seite
Tab. 1.2-4: Rückenmuskulatur Die eingewanderten ventralen Halsmuskeln, oberflächliche und tiefe Schicht (Schiebler et al.
1999; Putz und Müller-Grebl 2008a; Streicher und Pretterklieber 2012).
System Funktion
Oberflächliche Schicht
- M. sternocleidomastoideus - Mm. Infrahyoidei
- Platysma
Beugung
+ Rotation zur Gegenseite + Kieferöffnung
Tiefe Schicht - Mm. scaleni
Beugung
+ Lateralflexion zur gleichen Seite
Die Wirkung der unterschiedlichen Muskeln kann über die funktionellen Systeme hinaus weiter zusammengefasst und in Form einer resultierenden Kraft und eines gleichzeitigen Drehmoments ausgedrückt werden (s. 1.6.2 Biomechanik der Segmentbewegung).
1.2.2 Anatomische Besonderheiten der Halswirbelsäule
Die Halswirbelsäule unterscheidet sich durch spezifische anatomische Merkmale von den anderen Abschnitten der Wirbelsäule, wobei sie - wie jeder Wirbelsäulenabschnitt - im mittleren Bereich die für sie typische Anatomie aufweist.
Ein wichtiges Merkmal ist die Präsenz weiterer gelenkähnlicher Verbindungen, der sogenannten Hemiarthroses laterales (Luschka 1858) oder auch Uncovertebralgelenke (Trolard 1893). Sie sind ausschließlich in der Halswirbelsäule zu finden und entwickeln sich beim Menschen erst während der ersten Lebensdekade an den Ursprüngen der Unci corporum (Abb. 1.2-2) (Luschka 1858; Töndury 1943; Putz und Müller-Grebl 2008b).
Die knöchernen Wirbel des Zervikalbereichs von C2 bis C7 weisen dabei eine in transversaler Richtung konkave Deckplatte auf, die in die, den lateralen Rand bildenden, Hakenfortsätze (Unci corporum, Procc. uncinati) ausläuft. Die Grundplatte hingegen hat eine in sagittaler Richtung konkave Krümmung. Die Ausprägung der Hakenfortsätze nimmt in kaudaler Richtung ab (Putz 1981).
11 Die Zwischenwirbelscheiben sind ebenfalls am Aufbau der Uncovertebralgelenke beteiligt.
Ihren größten Anteil bildet dabei ein widerstandsfähiger Nucleus pulposus (Mercer und Bogduk 1999), der nicht - wie in der Lendenwirbelsäule - komplett von Faserknorpel in Form konzentrisch angeordneter Lamellen eingefasst ist (Luschka 1858). Ein echter Anulus fibrosus ist hier nur ventral der Procc. uncinati in Form einer Sichel ausgebildet (Mercer und Bogduk 1999; Tonetti et al. 2005). Dorsal der Procc. uncinati befindet sich lediglich eine Schicht senkrechter Kollagenfasern. Im Bereich der Processi uncinati selbst besteht der Anulus fibrosus aus faszienartigem Bindegewebe, das kranial und kaudal mit dem Periost, ventral und dorsal mit den Längsbändern verwachsen ist. Wobei der Übergang in die Längsbänder eine Schwachstelle darstellt (Mercer und Bogduk 1999), an der bei einem Prolaps häufig Bandscheibengewebe in den Spinalkanal eintritt und das Rückenmark einklemmen kann (Tanaka et al. 2000).
Unter dem Einfluss der Wirbelbewegung entstehen im Bereich der Procc. uncinati im ersten Lebensjahrzehnt Spalten in der Zwischenwirbelscheibe (Abb. 1.2-6), die ab der zweiten bis dritten Lebensdekade den gesamten Discus intervertebralis durchtrennen können (Luschka 1858; Töndury 1943; Töndury 1955; Töndury und Theiler 1990). Häufig bleibt es jedoch bei einer Teildurchtrennung des dorsalen Bandscheibenanteils (Saternus 1983). Reaktiv kommt es zu einer metaplastischen Umwandlung des umgebenden Faserknorpels zu hyalinem Knorpel (Köster 1986). Von lateral sprosst Bindegewebe ein und bildet meniskoide Falten (Töndury und Theiler 1990). So entsteht ein gutes Gleitlager des Uncovertebralgelenks.
Abb. 1.2-6: Frontalschnitte durch die Halswirbelsäule mit Darstellung der uncovertebralen Spalten in den Disci intervertebralis.
(a) Geringe Ausprägung (Anfang des 3. Lebensjahrzehnts). (b) Starke Ausprägung (5. Lebensjahrzehnt) (Putz und Müller-Grebl 2008b).
12 Eine Schädigung oder Involution der Zwischenwirbelscheibe führt zu einem Umbau der Uncovertebralgelenke zu Traggelenken. Dies kann zur Uncovertebralarthrose (Spondylosis uncovertebralis) führen (Pesch et al. 1984).
Auch die Articulationes zygapophysiales der Halswirbelsäule unterscheiden sich von denen der anderen Wirbelsäulenabschnitte. Ihre Gelenkflächen weisen eine große Inkongruenz und eine geringe Krümmung auf, wobei sie keine gemeinsamen Krümmungsmittelpunkte haben.
Bei Bewegungen können sie zeitweilig keilförmig auseinander klaffen (Putz 1981). Ihr Gelenkspalt verläuft von ventral-kranial nach dorsal-kaudal. Auf der Höhe der Wirbel C5/C6 zeigt sich ein mittlerer Neigungswinkel der Gelenkflächen der Procc. art. sup. zur Fläche der oberen Deckplatte des zugehörigen Wirbelkörpers von etwa 54° (Putz 1981). Bedingt durch die Halslordose wirkt hauptsächlich eine Druckbelastung auf die Wirbelbogengelenke, welche sich in der Spongiosastruktur des Knochens widerspiegelt (Putz 1981). Große und derbe, sichelförmige Synovialfalten in den ventral weit klaffenden Gelenkspalten können als Hinweis auf die Krümmungsinkongruenz gewertet werden (Nägerl 1990). Die weiten, schlaffen Gelenkkapseln bilden Recessus, die den Bewegungsspielraum noch erweitern. Sie verfügen über Mechanorezeptoren zur Registrierung der Kapseldehnung (Delank 1981; Ohtori et al.
2001a; Lu et al. 2005).
Die Halswirbelsäule verfügt über das größte Bewegungsausmaß aller Wirbelsäulenabschnitte (Tab. 1.2-6). Funktionell lässt sie sich in eine obere HWS, bestehend aus den beiden obersten Bewegungssegmenten, also Occipitum, Atlas und Axis, und eine untere HWS, bestehend aus den Segmenten C2-Th1, unterteilen. Während die obere HWS mit 8° in ventraler und 15° in dorsaler Richtung mäßig an der Ventralflexion/ Extension und mit 5° nur wenig an der Lateralflexion beteiligt ist, findet Axialrotation mit 35° je Seite hauptsächlich im atlanto- axialen Segment statt. Die untere HWS bietet einen Bewegungsumfang von 81° in Ventralflexion/ Extension, 25° in Lateralflexion und weiteren 26° je Seite in Axialrotation.
Repräsentative Bewegungsausmaße für das in dieser Studie untersuchte Bewegungssegment C5/C6 liegen nach White und Panjabi (1978a) bei 17° (4°-34°) für Ventralflexion/ Extension, 8°
(0°-16°) für Lateralflexion und 10° (8°-34°) für Axialrotation (Fick 1904, 1910; Bakke 1931;
White und Panjabi 1978a; Dvorak et al. 1988; Putz und Müller-Grebl 2008b).
13
Tab. 1.2-5: Bewegungsausmaße der Wirbelsäulenregionen (nach Putz 2008b; unter Verwendung von Angaben aus Bakke 1931 und White und Panjabi 1978a).
Wirbelsäulenregion Ventralflexion Dorsalextension Lateralflexion rechts / links
Axialrotation rechts / links Occ. – C1
C1 – C2 C2 – Th1 Th1 – L1 L1 – L5 L5 – S1 gesamte WS
1°
7°
37°
45°
43°
9°
ca. 142°
10°
5°
44°
26°
11°
5°
ca. 101°
4°
1°
25°
33°
11°
1°
ca. 75°
2°
35°
26°
33°
4°
2°
ca. 102°
1.3 Pathologie der Halswirbelsäule
Schmerzen oder Funktionseinschränkungen verursachende Pathologien im Bereich der Halswirbelsäule können anlagebedingt sein, degenerativer oder auch traumatischer Genese.
Der die Hauptindikation zur Implantation zervikaler Bandscheibenprothesen darstellende zervikale Bandscheibenvorfall findet seine Ursache weit überwiegend in degenerativen Prozessen, viel seltener kommen Traumata als Auslöser infrage (Schnake et al. 2012).
Eine besondere Stellung unter den traumatischen Schädigungen der HWS nehmen mit hoher unfallbedingter Inzidenz von 190 Fällen pro 100 000 Einwohner pro Jahr (Holm 1996) und einem oft komplexen Schädigungsmuster (Zenner 1987; Grifka 1998) die Beschleunigungsverletzungen ein, bei denen es auch zum Einreißen des Anulus fibrosus kommen kann (Bogduk 2008). Studien an zervikalen Segmenten haben jedoch gezeigt, dass die Einwirkung großer Kräfte, wie sie bei einem Trauma auftreten, häufig zu Wirbelkörperfrakturen oder Schädigungen anderer knöcherner Strukturen führt, wohingegen in den relativ weichen Zwischenwirbelscheiben keine pathologischen Veränderungen festgestellt werden konnten (Yoganandan et al. 1989; Adams und Hutton 1982). Für bereits degenerativ veränderte Segmente gilt dies nicht (Schmitt et al. 2003; Saternus 1983).
1.3.1 Degenerative Prozesse der Halswirbelsäule
Die lebenslangen, kontinuierlich wiederkehrenden Belastungen der Wirbelsäule führen zu einem chronisch degenerativen Umbauprozess von Zwischenwirbelscheibe, Wirbelkörper, Wirbelbogengelenk und Bandapparat (Prescher 1998). Diese Veränderungen werden zusammengefasst unter dem Begriff der Spondylopathia deformans, deren Beginn an
14 Einbußen der elastischen Eigenschaften der Zwischenwirbelscheibe (Chondrosis intervertebralis) festgemacht wird (Rokitansky 1844). Die daraus resultierende schlechtere Lastenverteilung führt zu Umbauvorgängen an Wirbelkörpern (Spondylosis deformans) und Wirbelbogengelenken (Spondylarthrosis deformans).
Mit zunehmendem Lebensalter sinkt zugleich der Wasseranteil des Nucleus pulposus und somit seine Höhe und sein Dämpfungseffekt (Schmorl 1929, 1931). Zusätzlich entstehen Spalten und Fissuren im Nucleus, die bis in den Anulus fibrosus hineinreichen können (Schmorl 1931). Die Gesamtheit dieser ersten Veränderungen in der Zwischenwirbelscheibe nennt man primäre Chondrosis intervertebralis, konsekutive spondylotische Deformationen werden als sekundäre Chondrosis intervertebralis bezeichnet (Schmorl und Junghanns 1968). Einmal begonnen geht der degenerative Zerfall fließend über in die sogenannte Osteochondrosis intervertebralis (Abb. 1.3-1), welche durch die Mitbeteiligung der knorpeligen Wirbelkörperdeckplatten sowie die Sklerose der angrenzenden Spongiosa der Wirbelkörper gekennzeichnet ist. Hierdurch wird eine Ossifikation getriggert, was zu einer kompletten Synostose zweier Wirbel führen kann (Prescher 1998).
Bereits von Luschka (1858) beschriebene Kalzifikationen innerhalb der Zwischenwirbelscheibe (Abb. 1.3-2) können in eine primäre, degenerative und in eine sekundäre Form als Folge früherer Entzündungen unterteilt werden (1968). Eine andere Einteilung unterscheidet zwischen chronisch degenerativer Manifestation und inflammatorisch-rheumatoider Kalzifikation mit der Neigung zu teilweiser oder sogar vollständiger Rückresorption der Kalkdepots (Held 1934).
Im Bereich der Halswirbelsäule manifestiert sich die Spondylosis deformans als Folge der Chondrosis intervertebralis am häufigsten im Bewegungssegment C5/C6, welches gleichzeitig das Segment mit dem größten Bewegungsausmaß ist; kranial dieses Segments findet man nur selten Spondylosen (Aufdermaur 1960). Man unterscheidet in der Zervikalregion die Spondylosis cervicalis, bei der osteophytäre Anbauten vorwiegend ventral am Wirbelkörper entstehen, wo das vordere Längsband nur sehr schwach ausgebildet ist (Prescher 1998), von der Spondylosis uncovertebralis; von dieser spricht man, wenn Osteophyten von den Procc.
uncinati ausgehen. Auch dieses Phänomen findet sich am häufigsten in den Bewegungssegmenten C5/C6 und C6/C7 (Aufdermaur 1984). Meist kommt es zu
15 Verbreiterungen des dorsolateralen Anteils der Procc. uncinati, welche in die Foramina intervertebralia hineinragen und so den Spinalnerven einengen können. Eher ventral gelegene Osteophyten bergen die Gefahr der Kompression der A. vertebralis (Prescher 1998).
1.3.2 Zervikaler Bandscheibenvorfall
In der Folge chronisch degenerativer Veränderungen des Discus intervertebralis kann es schließlich zur Dislokation von Zwischenwirbelscheibengewebe hauptsächlich in Form einer Protrusion oder eines Prolapses kommen. Das Hervortreten der Zwischenwirbelscheibe in dorsaler, lateraler oder ventraler Richtung nennt man Protrusion. In den meisten Fällen ist sie bedingt durch Einrisse in der Innenzone des Anulus fibrosus, sodass Nucleusgewebe auswärts drängt und die noch intakten äußeren Fasern des Anulus vorwölbt. Reißen auch die Fasern der Außenzone, tritt das unter Druck stehende Gewebe des Nucleus pulposus aus und es entsteht ein Prolaps der Zwischenwirbelscheibe (Abb. 1.3-1), ein sogenannter Bandscheibenvorfall (Prescher 1998).
In der Zervikalregion treten Bandscheibenvorfälle vorwiegend in den Bewegungssegmenten C5/C6 und C6/C7 auf (Aufdermaur 1960). Der dorsolaterale Prolaps befindet sich in der Regel
Abb. 1.3-1: Kernspintomographische Aufnahme eines dorsolateralen Bandscheibenvorfalls mit Austritt von Nucleusmaterial in den Spinalkanal (Pfeil). Links sagittaler, rechts koronarer Schnitt (Gemeinschaftspraxis für Neurochirurgie Offenbach/
Hanau/ Friedberg 2014).
16 zwischen der Rückseite der Zwischenwirbelscheibe und
dem Ligamentum longitudinale posterior, meist leicht lateral des relativ stabilen Längsbandes (Abb. 1.3-2). Je nach Konfiguration kann es sich um einen pendelnden Prolaps handeln, bei dem Nucleusgewebe durch einen Riss im Anulus fibrosus austritt, jedoch bei bestimmten Bewegungen wieder an seinen Ursprungsort zurückfließt, oder um einen inkarzerierten Prolaps, bei dem das ausgetretene Nucleusgewebe im eingerissenen Anulus fibrosus eingeklemmt ist. In der Folge einer Einklemmung kann das ausgetretene
Gewebe abreißen und nach kranial oder kaudal dislozieren; dies bezeichnet man als sequestrierten Prolaps. Beim dorsolateralen Prolaps ist dieser Sequester im Foramen intervertebrale lokalisiert und kann, da in der Zervikalregion Zwischenwirbelscheibe und Spinalnerv im Foramen intervertebrale auf gleicher Höhe liegen, häufig zur Kompression des Spinalnervs sowie der A. vertebralis führen (Prescher 1998).
Ein ventrales Austreten von Nucleusmaterial zwischen Wirbelkörper und vorderem Längsband ist äußert selten und weniger von klinischer Bedeutung (Schmorl und Junghanns 1968).
Klinisch unterscheidet man heute zwischen Protrusionen mit Vorwölbung des Anulus fibrosus, gedeckten Perforationen mit Erhalt einer dünnen Anuluslamelle und freien Sequestrationen mit Austritt von Nucleusmaterial (Schnake et al. 2012).
1.4 Therapie zervikaler Bandscheibenvorfälle
Eine nationale Leitlinie zur Behandlung zervikaler Bandscheibenvorfälle liegt bislang nicht vor.
Können keine neurologischen Defizite in der Untersuchung nachgewiesen werden, ist ein zervikaler Bandscheibenvorfall jedoch immer zunächst konservativ zu behandeln (Schnake et al. 2012). In der Mehrzahl der Fälle lässt sich die Symptomatik durch die konservative Therapie verringern oder sogar aufheben. Mochida et al. (1998) konnten in einer retrospektiven Studie eine spontane Resorption zuvor nachgewiesener Bandscheibenvorfälle bei 40 % der untersuchten Patienten nachweisen. Bei der konservativen Therapie steht die aktive und passive Mobilisation durch Sport, Krankengymnastik sowie physikalische Therapie im
Abb. 1.3-2: Zeichnung eines dorsolateralen Prolapses mit Kompression des Spinalnervs (Modifiziert nach Endocenter Deutschland 2013).
17 Vordergrund. Die medikamentöse analgetische Therapie dient dabei der Symptomlinderung und soll andere konservative Therapien ermöglichen bzw. erleichtern. Eine CT-gestützte periradikuläre Infiltration mit Lokalanästhetika und ggf. kristallinen Steroiden kann bei starken subakuten oder chronisch radikulären Schmerzen vorübergehend zu Symptomlinderung führen (Cyteval et al. 2004; Slipman et al. 2000).
1.4.1 Operative Therapie
Eine absolute Indikation für ein operatives Vorgehen ergibt sich im Allgemeinen aus einer Kraftgradminderung oder einer zunehmenden Hypästhesie sowie dem Vorhandensein eines morphologischen Korrelats (Mehren und Mayer 2005; Schnake et al. 2012). Die Persistenz von Schmerzen oder Hypästhesie trotz adäquater konservativer Therapie über 6 - 8 Wochen stellt eine relative OP-Indikation dar (Grimmer und Wurm 2011). Schnake et al. (2012) heben besonders die überragende Gebrauchsfähigkeit der Hände hervor und fordern, dem Patienten bei einer Kraftgradminderung < 4 im Projektionsbereich der Spinalwurzeln C6 – C8 bei entsprechendem Korrelat in MRT oder CT eine Operation zu empfehlen. Darüber hinaus können in Abhängigkeit von Lage und Größe des Prolapses auch eine polyradikuläre Symptomatik, Zervikozephalgien oder eine beginnende Myelopathie die operative Therapie begründen (Fehlings und Arvin 2009; Faldini et al. 2010).
Ziel der operativen Therapie ist die anhaltende Beseitigung der mechanischen Irritation bzw.
Kompression der neuralen Strukturen und ggf. betroffener blutführender Gefäße sowie die Verhinderung von Rezidiven.
Seit Ende der 1950er Jahre wurden verschiedenste Operationstechniken entwickelt, von denen nachfolgend das aktuelle Standardverfahren, die damit verbundene Problematik sowie die erfolgversprechendste Alternative (Gebremariam et al. 2012) erläutert werden sollen.
18 1.4.2 Anteriore zervikale Diskektomie und Fusion (Anterior Cervical Discectomy and
Fusion, ACDF)
Bereits in 1958 von Cloward (1958) sowie von Smith und Robinson (1958) beschrieben stellt die anteriore Diskektomie und Fusion mit entsprechenden Modifizierungen (Denaro und Di Martino 2011) auch heute noch das operative Standardverfahren dar. Das Ziel ist die Spondylodese, also die Versteifung des betroffenen Segments.
Dabei ist der anterolaterale Zugang relativ atraumatisch, da es kaum zu Durchtrennungen von Strukturen kommt und das Bandscheibenfach überwiegend mittels stumpfer Präparation erreicht werden kann. Nach erfolgter radiologischer Kontrolle der korrekten Lokalisation wird das Bandscheibenfach eröffnet, der Discus intervertebralis inklusive Lig. longitudinale posterior entfernt und das prolabierte Gewebe geborgen. Der Operationssitus wird auf die Koexistenz osteophytärer Anbauten oder neuroforaminaler Stenosen untersucht; diese werden ggf. abgetragen. Die Versteifung des Segments wird mit patienteneigenem Knochenmaterial oder einem sogenannten Cage mit oder ohne zusätzliche Platte vorgenommen.
Bei einem Cage handelt es sich um einen aus Titan, Keramik, Karbon oder Kunststoffen gefertigten Platzhalter, der die physiologische Höhe des Bandscheibenfaches wahrt und durch einen zentralen Hohlraum, der mit osteokonduktivem Hydroxylapatit oder eigenem Knochenmaterial aus einem Beckenkammspan gefüllt wird, die knöcherne Fusion fördert. Die heute vorwiegend zum Einsatz kommenden Cages zeigen knöcherne Fusionsraten, die denen der patienteneigenen Beckenkammspäne entsprechen (Mastronardi et al. 2006; Kulkarni et al. 2007; Ryken et al. 2009).
Die anteriore Diskektomie und Fusion hat in der operativen Versorgung des zervikalen Bandscheibenvorfalls derzeit den höchsten Stellenwert. Mit Fusionsraten von > 90 % und signifikanter Besserung der klinischen Symptomatik sind sowohl die kurz- als auch die mittel- und langfristigen Ergebnisse als gut bis sehr gut zu bezeichnen (Yue et al. 2005a; Goldberg et al. 2002; Gore und Sepic 1998). Somit müssen sich alle anderen Verfahren an diesem Goldstandard messen (Schnake et al. 2012).
19 1.4.3 Problematik zervikaler Fusionen
Studien haben gezeigt, dass in den einer Fusionierung benachbarten Zwischenwirbel- räumen bei Ante- sowie Retroflexion des Kopfes Druckbelastungen auftreten, die diejenigen Werte von Vergleichsmessungen ohne Fusionierung um mehr als 70 % überstiegen (Cunningham et al.
2003b; Cunningham et al. 2003a; Eck et al. 2002).
Die veränderte Biomechanik wird mit- verantwortlich gemacht für die hohe Rate sogenannter Anschlusspathologien in Form von Degeneration der Nachbarsegmente (Adjacent Segment Pathology, ASP) nach Fusion (Cunningham et al. 2010). Der kausale Zusammenhang zwischen Anschlussdegeneration und Spondylodese muss laut Fritsch und Pitzen
(2006) jedoch kritisch betrachtet werden, da noch unklar ist, ob Anschlussdegenerationen Folge einer gestörten Biomechanik nach Fusion sind, oder ob sie eine physiologische altersbedingte Tendenz zur Degeneration widerspiegeln, insbesondere bei Patienten mit symptomatischen, zur operativen Behandlung führenden Degenerationen der Zwischenwirbelscheiben (Phillips und Garfin 2005). So fanden Hilibrand et al. (1999) in einer Langzeitstudie mit 374 Patienten nach ACDF in einem Nachbeobachtungszeitraum von zehn Jahren eine Rate symptomatischer Anschlussdegenerationen von 26,6 %, wobei zwei Drittel der Patienten zusätzliche zervikale Fusionen erhielten. In weiteren Studien zeigten sich innerhalb eines Nachbeobachtungszeitraums von mindestens 60 Monaten radiologisch sichtbare Anschlussdegenerationen bei 92 % der Patienten (Goffin et al. 2004). Villas et al.
(2005) hingegen konnten nachweisen, dass es bei nicht operierten symptomatischen Patienten im Verlauf ebenso häufig zu Degenerationen der dem initial zur Behandlung führenden Segment benachbarten Bewegungssegmente kommt wie bei operierten Patienten.
Die allgemein anerkannte Ansicht, die Fusion spiele eine ursächliche Rolle bei der Entstehung von Anschlussdegenerationen, zogen sie somit in Zweifel.
Abb. 1.4-1: Kyphotische Fehlstellung und knöcherne Fusion nach Implantation eines Stand-alone-Cages auf Höhe C5/C6 (Schnake et al. 2012).
20 Die Entstehung von Pseudarthrosen, insbesondere bei mehrsegmentalen Fusionen, bei denen die Fusionsrate von 97 % auf 83 % bei drei Segmenten absinkt (Brodke und Zdeblick 1992), stellt ein weiteres Problem zervikaler Fusionen dar.
1.4.4 Arthroplastischer Bandscheibenersatz (Total Disc Replacement, TDR)
Die derzeit erfolgversprechendste Alternative (Gebremariam et al. 2012) zur Spondylodese ist, in Anbetracht der bereits erläuterten Anschlusspathologien nach Fusion, bei Fehlen entsprechender Kontraindikationen (Tab. 1.5-2) die Implantation einer Bandscheiben- prothese (s. 1.5 Zervikale Bandscheibenprothesen) (Korge et al. 2010). Ziel der anterioren Diskektomie und Implantation einer Bandscheibenprothese ist der Erhalt der Beweglichkeit des operierten Segments, welcher im Allgemeinen auch erreicht wird (Sasso und Best 2008) und unabhängig vom Prothesentyp in der Mehrzahl der Studien nachgewiesen wurde (Phillips und Garfin 2005). Biomechanische Studien untermauern diese Ergebnisse (DiAngelo et al.
2003; Puttlitz et al. 2004b). Eine mit dem Erhalt der physiologischen Kinematik verbundene hypothetisierte Schonung der Nachbarsegmente konnte bisher jedoch nicht bewiesen werden (Riew et al. 2012).
Der operative Zugang erfolgt von ventral analog zur ACDF. Die korrekte und mittige Implantation der Prothese ist dabei unverzichtbar für den Erhalt der Bewegungsfunktion des Segmentes (Schnake et al. 2012). Bei der Auswahl der Prothesengröße muss eine übermäßige Distraktion des Bandscheibenfaches vermieden werden (Peng et al. 2009).
Eine detaillierte Implantationsbeschreibung der beiden in dieser Studie verwendeten Prothesen findet sich im Abschnitt 2.2.4 „Prothesenimplantation“.
Bei strenger Indikationsstellung (Tab. 1.5-2) können laut bisheriger Datenlage (Sasso et al.
2007; Mummaneni et al. 2012; Traynelis et al. 2012) in den ersten vier bis fünf postoperativen Jahren gleich gute oder sogar bessere Ergebnisse erzielt werden als mit der ACDF. Frühe Komplikationen sind laut Anderson und Rouleau (2004) handhabbar, nicht lebensgefährlich und treten insgesamt seltener auf als bei Fusionen. Doch auch wenn die Implantation einer Prothese eine bewährte Alternative zur ACDF darstellt, hat sie diese als Standardverfahren noch nicht abgelöst, da bisher nur wenige Langzeitergebnisse vorliegen (Anderson und Hashimoto 2012; Lehman et al. 2012).
