Orthopäde 2007 · 36:205–211

DOI 10.1007/s00132-007-1056-9

Online publiziert: 1. März 2007

© Springer Medizin Verlag 2007

T. Zander · A. Rohlmann · B. Bock · G. Bergmann

Campus Benjamin Franklin, Klink für Orthopädie,Biomechanik-Labor,

Charité – Universitätsmedizin Berlin

Biomechanische Konsequenzen von verschiedenen Positionie-rungen bewegungserhaltender Bandscheibenimplantate

Eine Finite-Elemente-Studie an der Lendenwirbelsäule

Leitthema

Biomechanische Untersuchungen

können sowohl experimentell als

auch virtuell im Computer durchge-

führt werden. Im Gegensatz zu ex-

perimentellen Untersuchungen kön-

nen mit virtuellen Simulationen al-

le Einflussparameter beliebig verän-

dert und auch nicht messbare Grö-

ßen berechnet werden. Dennoch sind

experimentell ermittelte Daten so-

wohl für die virtuelle Modellbildung

als auch zur Validierung erforderlich.

Die Methode der finiten Elemente ist

ein etabliertes Simulationswerkzeug,

um Fragestellungen wie beispielswei-

se nach dem Einfluss von Implantaten

im Lendenwirbelsäulenbereich auf

Belastung und Beweglichkeit realis-

tisch beantworten zu können.

Bandscheibenprothesen gewinnen durch

die Behandlung degenerativer Band-

scheibenerkrankungen mit Non-Fusion-

Techniken zunehmend an Bedeutung.

Im Gegensatz zum klassischen Verfah-

ren der Fusion stellen bewegungserhal-

tende Implantate dem Patienten zusätz-

lich zur Schmerzbeseitigung eine physio-

logischere Kinematik im operierten Seg-

ment in Aussicht.

Modular aufgebaute, bewegungser-

haltende Bandscheibenprothesen beste-

hen aus zwei jeweils in den benachbarten

Wirbelkörpern verankerten Platten und

einem Implantatkern. Dieser bestimmt

die Bewegungsmöglichkeit der beiden

Platten zueinander. Je nach Implantattyp

unterscheiden sich die Kerne in ihrer La-

ge innerhalb des Implantats (mittige oder

dorsale Position), in ihrer Verbindung zu

den Platten (fest oder beweglich) und in

ihrer Form (bi- oder plankonvex, sowie

unterschiedliche Krümmungsradien).

Neben der unterschiedlichen Kinema-

tik der Implantate besteht ein weiterer Un-

terschied hinsichtlich des vorgesehenen

Zugangsweges. Während die meisten Im-

plantate von ventral eingesetzt werden

können, sind manche auch für den vent-

rolateralen Zugang konzipiert. Im Ver-

gleich zum ventralen Zugang bietet der

ventrolaterale Zugang den biomecha-

nischen Vorteil, dass das vordere Längs-

band nicht komplett reseziert werden

muss. Eine symmetrische Positionierung

in lateraler Richtung und die korrekte an-

terio-posteriore Ausrichtung sind jedoch

bei diesem Zugang schwieriger zu errei-

chen.

Trotz fehlender Langzeituntersuchun-

gen zu komplettem Bandscheibenersatz

wird vermutet, dass der klinische Erfolg

unter anderem von der sich einstellenden

Kinematik und damit von der Implantat-

position abhängt. Rohlmann u. Mitarb.

[12] haben in einer Finite-Elemente-Stu-

die eine starke Abhängigkeit der Beweg-

lichkeit von der anterio-posterioren Im-

plantatposition bei ventralem Zugang

festgestellt. Huang u. Mitarb. [5] verglei-

chen Bandscheibenimplantate mit fi-

xierten und beweglichen Kernen und ge-

ben an, dass durch einen beweglichen Im-

plantatkern Positionsfehler ausgeglichen

werden können.

Es sind keine Studien bekannt, die zei-

gen, welche biomechanischen Konse-

quenzen sich aus nichtoptimalen Implan-

tatplatzierungen im Zusammenhang mit

einem ventrolateralen Zugang ergeben.

Solche Untersuchungen können in vivo

allenfalls retrospektiv durchgeführt wer-

den, da patientenabhängige Parameter die

Ergebnisse beeinflussen und sowohl Im-

plantatpositionen als auch die biomecha-

nischen Konsequenzen nur unter großem

Aufwand messtechnisch erfassbar sind. In

silico treten diese Probleme nicht auf, je-

doch muss hier zunächst nachgewiesen

werden, wie realistisch das virtuelle Mo-

dell ist.

Am Beispiel einer Bandscheibenpro-

these des Typs Activ L (Aesculap, Tutt-

lingen), die in ein validiertes Lendenwir-

belsäulenmodell integriert wird, soll in ei-

ner Computersimulation festgestellt wer-

den, welchen Einfluss eine nicht optima-

le Implantatposition auf die Biomechanik

der Lendenwirbelsäule hat. Das unter-

suchte Bandscheibenimplantat enthält ei-

nen asymmetrisch bikonvexen Kern, der

von der Normalposition aus in posteriore

205Der Orthopäde 3 · 2007 |

Richtung verschiebbar ist. Das Implantat

erlaubt einen ventralen und ventrolate-

ralen Zugang.

Methode

Es wurde ein dreidimensionales Finite-

Elemente-Modell der Lendenwirbelsäu-

le vom Wirbel L1 bis einschließlich der

lumbosakralen Bandscheibe erstellt [11]

(. Abb. 1). Das Modell enthält etwa

60.000 Elemente und hat 200.000 Frei-

heitsgrade. Die Abmessungen und Orien-

tierungen der Bandscheiben und Wirbel

einschließlich der gekrümmten Facetten-

gelenke entsprechen in etwa denen eines

durchschnittlichen Patienten [1, 2, 6, 7, 8].

Die modellierten Bandscheiben setzen

sich zusammen aus inkompressiblen Nu-

klei, hyperelastischen Anuli mit eingebet-

teten nichtlinear-elastischen Fasern und

den knorpeligen Endplatten. Die Wir-

bel bestehen aus isotroper, etwa 0,5 mm

dicker Kortikalis, transversal isotroper

Spongiosa und den ebenfalls isotrop mo-

dellierten posterioren knöchernen Struk-

turen. Das Modell enthält alle 8 Bänder

(Lig. longitudinale anterius und posteri-

us, Ligg. intertransversalia, Lig. flavum,

Ligg. interspinalia, Ligg. supraspinalia,

Ligg. capsularia, Ligg. iliolumbalia), die

als Federn mit exponentieller Kennlinie

beschrieben wurden. Alle Materialeigen-

schaften wurden experimentell ermittelt

und entstammen der Literatur (detaillier-

te Beschreibungen in [12]).

Wegen der Vielzahl möglicher Fehler-

quellen während der Modellierung ist ei-

ne Validierung von Modellen biologischer

Strukturen mit messbaren Größen un-

umgänglich. In einer In-vitro-Studie ha-

ben Rohlmann et al. [10] 10 Lendenwir-

belsäulenpräparate (L1 bis L5) kaudal ein-

gespannt und kranial mit Momenten in

den anatomischen Hauptebenen belas-

tet. Dabei wurden die Rotationswinkel

und alle intradiskalen Drücke gemessen.

In . Abb. 2 sind die gemessenen und be-

rechneten Rotationen der Lendenwirbel-

säule für die verschiedenen Lastfälle ge-

genübergestellt. Für die gemessene, un-

symmetrische Kennlinie Extension-Fle-

xion wurde die Neutralzone symmet-

risch zum Nullpunkt gelegt. Es ist für al-

le Lastfälle eine gute qualitative Überein-

stimmung zu erkennen. Quantitativ ist das

Abb. 1 9 Finite-Elemente-Modell der intakten Lendenwir-belsäule (links), Wir-bel L5 mit restlichem Anulus bei ventrola-teralem (rechts oben) und ventralem Zugang (rechts unten)

Extension - Flexion

Biegemoment [Nm]

30

20

10

0

-10

-20

25

12,5

0

-12,5

-25

10

5

0

-5

-10

-7,5 -5 -2,5 2,5 5 7,50

-7,5 -5 -2,5 2,5 5 7,50

-7,5 -5 -2,5 2,5 5 7,50

Biegemoment [Nm]

Biegemoment [Nm]

Axialrotation

Lateralflexion

berechnetin vitro

Kard

anw

inke

l [º]

Kard

anw

inke

l [º]

Kard

anw

inke

l [º]

Abb. 2 9 Gegenüber-stellung der berechne-ten und gemessenen [10] Rotationswinkel der Lendenwirbelsäu-le. Die Streubreiten der In-vitro-Studie sind eingezeichnet

206 | Der Orthopäde 3 · 2007

Leitthema

Modell bei der Extension und der axialen

Rotation im Vergleich mit dieser experi-

mentellen Studie etwas zu flexibel. Bei der

axialen Rotation ist es aber noch innerhalb

der Streubreite (. Abb. 2), während es bei

der Extension knapp außerhalb liegt.

Heuer et al. [3, 4] haben die gleichen

Belastungen nacheinander auf 8 funkti-

onelle Einheiten L4/L5 aufgegeben und

zusätzlich nacheinander verschiedene

Strukturen der Präparate reseziert. Auch

hier wurden jeweils der Rotationswinkel

und der Intradiskaldruck gemessen. Der

Vergleich der berechneten mit den ge-

messenen Extensionswinkeln (. Abb. 3)

zeigt hier ein eher zu steifes Verhalten des

Modells. Für den Resektionsgrad Nukle-

otomie (in . Abb. 3 nicht dargestellt) so-

wie für die Belastung mit 10 Nm ist die

Modellbeweglichkeit teilweise unterhalb

der Streubreite. Andererseits ist das ge-

naue Ausmaß der Nukleotomie schwer

anzugeben bzw. die Zahl der Präparate

war durch einen Versagensfall bei 10 Nm

z. T. auf n=3 reduziert. Insgesamt konnte

mit dem Vergleich aller berechneten Win-

kel und Drücke mit denen der beiden an-

gegebenen Studien eine hohe Validität des

Modells hinsichtlich dieser Größen nach-

gewiesen werden.

Nach der Validierung des Modells

wurde eine Teilresektion der Bandschei-

be L4/L5 modelliert, um Raum für die

einzusetzende Bandscheibenprothese zu

schaffen. Hierbei wurde von einem vent-

rolateralen Zugang von links ausgegan-

gen, bei dem der Nukleus komplett ent-

fernt wird und etwa ein Drittel der Stärke

des rechtsseitigen Anulus erhalten bleibt

(. Abb. 1). Das vordere Längsband blieb

etwa zu zwei Dritteln erhalten, das hinte-

re wurde komplett durchtrennt. Das Im-

plantat wurde nicht als Volumenmodell,

sondern als eine die beiden benachbar-

ten Wirbel kinematisch koppelnde Ver-

bindung simuliert. Die Zulässigkeit die-

ser Vereinfachung wurde für einen ähn-

lichen Bandscheibentyp in einer separa-

ten Studie nachgewiesen [13]. Die Abmes-

sungen des Bandscheibenimplantats wur-

den entsprechend den Empfehlungen des

Herstellers für die untersuchte Modell-

konstellation gewählt.

Um die Auswirkungen von nichtop-

timalen Implantatplatzierungen, wie sie

im Zusammenhang mit einem ventrola-

teralen Zugang auftreten können, zu er-

mitteln, wurden von einer zentralen Stan-

dardplatzierung ausgehend folgende Para-

meter variiert:

F Zugang: Zum Vergleich wurde eben-

falls ein ventraler Zugang simuliert,

bei dem beidseitig Teile der late-

ralen Anuluspartien erhalten bleiben

und das vordere Längsband komplett

durchtrennt wird (. Abb. 1).

F Ausgangsposition des Kerns: Die idea-

lerweise vorhandene Translations-

möglichkeit des Bandscheibenkerns

sowie der kranialen Platte um 2 mm

in posteriore Richtung wurde durch

eine anteriore ersetzt. Dieser Ef-

fekt kann auftreten, wenn der Ope-

rateur beispielsweise bei Retrolisthe-

se des kranialen Wirbels die krani-

ale Platte des Implantats von anterior

nach posterior nachschlägt. Vollzieht

die kraniale Platte dabei keine rei-

ne Schwenkbewegung um den Band-

scheibenkern, so zwingt die Translati-

on den Kern in die posteriore Positi-

on, wodurch die konstruktiv geschaf-

fene Verschiebungsmöglichkeit des

Kerns nach posterior zugunsten einer

nach anterior verloren geht.

F Laterale Exzentrizität: Die Bandschei-

benprothese wurde lateral um 1, 2

und 3 mm nach links verschoben.

F Rotatorische Ausrichtung: Die Band-

scheibe wurde von der genauen an-

terio-posterioren Ausrichtung um 5°

und um 10° um die vertikale Achse

in beide Richtungen gedreht, sodass

der translatorische Freiheitsgrad des

Bandscheibenkerns von der anterio-

posterioren Richtung abweicht.

20

15

10

5

01 2,5 5 7,5 10

n=3

Biegemoment [Nm]

in vitroberechnet

Resektionen:Keine (intakt)lig. supraspinalelig. interspinalelig. flavum

lig. long. posteriuslig. long. anterius

ligg. capsularia

arcus vertebrarum

Inte

rseg

men

talw

inke

l [º]

Abb. 3 8 Vergleich der berechneten mit den experimentell [3] ermittelten Extensionswinkeln des Bewegungssegments L4/L5 für verschiedene Resektionsgrade

8

6

4

2

0

-2

-4

-6

-8

Inte

rseg

men

talw

inke

l [º]

Extension Stehen Flexion

intaktventraler Zugangventrolateraler Zugangventrolateraler Zugang, nachgeschlagen

Abb. 4 9 Interseg-mentalwinkel in Höhe der Bandscheibenpro-these für verschiedene Lastfälle und Operati-onszugänge

208 | Der Orthopäde 3 · 2007

Leitthema

Zusammenfassung · Abstract

Orthopäde 2007 · 36:205–211

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T. Zander · A. Rohlmann · B. Bock ·

G. Bergmann

Biomechanische Konsequenzen von verschiedenen Positionie-rungen bewegungserhaltender Bandscheibenimplantate. Eine Finite-Elemente-Studie an der Lendenwirbelsäule

Zusammenfassung

Bandscheibenprothesen gewinnen durch die

Behandlung degenerativer Bandscheibener-

krankungen mit Non-Fusion-Techniken zu-

nehmend an Bedeutung. Der Einfluss der La-

ge des Implantats im Intersegmentalraum

auf die Biomechanik der Lendenwirbelsäule

ist jedoch bisher kaum untersucht worden. In

einer Studie wurden daher vom Idealen ab-

weichende Implantatpositionen und -aus-

richtungen, wie sie insbesondere bei ventro-

lateralem Zugang auftreten können, mithil-

fe eines validierten Finite-Elemente-Modells

simuliert. Die Simulationen ergaben beson-

ders bei lateraler Exzentrizität des Implantats

stark vergrößerte Belastungen, sodass auf ei-

ne optimale Implantatposition wert gelegt

werden muss.

Schlüsselwörter

Lendenwirbelsäule · Finite Elemente · Band-

scheibenprothese · Kinematik · Biomechanik

Biomechanical consequences of variations in artificial disc positioning. A finite element study on the lumbar spine

Abstract

Artificial disc prostheses are becoming more

and more attractive for the treatment of de-

generative disc diseases using non-fusion

techniques. However, the influence of disc

position within the intersegmental space on

lumbar biomechanics has scarcely been in-

vestigated. A validated finite element model

of the lumbar spine was used to investigate

the effects of non-ideal implant positioning

and orientation, which are more likely to oc-

cur using ventrolateral approaches. The mod-

el predicts, especially for lateral eccentricities,

strongly increased lumbar loads. Therefore,

great care should be taken in placing the im-

plant in an optimal position.

Keywords

Lumbar spine · Finite elements · Artificial

disc · Kinematics · Biomechanics

Das Lendenwirbelsäulenmodell wurde

kaudal an der lumbosakralen Bandschei-

be ortsfest fixiert. Die Kräfte aus dem

Oberkörpergewicht, dem Erector spinae

und dem Rectus abdominus wurden mit

entsprechenden Hebelarmen in den Wir-

bel L1 eingeleitet. Als Anteil des Oberkör-

pergewichts, der auf dem L1 lastet, wurden

260 N angenommen. Die Muskelkräf-

te wurden zur Einstellung des gewünsch-

ten Flexionswinkels benutzt [14]. Es wur-

den 20° Extension, Stehen und 30° Flexi-

on simuliert. Die Lateralflexion und die

axiale Rotation des L1, die bei unsymmet-

rischer Implantatposition entstehen wür-

den, wurden durch eine Randbedingung

verhindert. Zusätzlich wurde eine sog. ge-

führte Kraft von 200 N von L1 bis S1 mo-

delliert, die eine ähnlich stabilisierende

Wirkung hat, wie die lokale Lendenmus-

kulatur [9, 10].

Die berechneten Größen umfassen

die Intersegmentalwinkel, die Intradis-

kaldrücke, die Facettengelenkkräfte, die

Muskelkräfte und die Implantatkernver-

schiebung.

Ergebnisse

Einfluss der verschiedenen Zu gänge und Kernverschie -bungs möglichkeiten

Die intersegmentalen Rotationswinkel

werden durch das Implantat bei allen drei

untersuchten Lastfällen sowohl bei vent-

ralem als auch bei ventrolateralem Zu-

gang größer, wenn die kraniale Platte

nicht nachgeschlagen wurde (. Abb. 4).

Die Vergrößerung ist jedoch während der

Extension bei ventrolateralem Zugang we-

niger ausgeprägt als beim ventralen Zu-

gang. Tritt bei ventrolateralem Zugang

durch sog. Nachschlagen der ungünsti-

ge Fall ein, dass die Translationsbeweg-

lichkeit des Implantatkerns nach anteri-

or und nicht nach posterior gegeben ist,

so erhöht dies die Extensionsbeweglich-

keit. Für die Lastfälle Stehen und Flexion

ist die Beweglichkeit in diesem Fall im Ge-

genzug verkleinert, sodass sie beim Stehen

sogar den Winkel der intakten Wirbelsäu-

le erreicht.

Die Kontaktkräfte in den Facettenge-

lenken ändern sich durch eine Implan-

tation je nach Lastfall unterschiedlich

(. Abb. 5). Bei der Extension werden

die Facettengelenke im Normalfall durch

das Implantat entlastet. Translatorisches

Nachschlagen der kranialen Platte führt

jedoch zu erhöhten Facettengelenkkräf-

ten. Die Entlastung ist für den ventrolate-

ralen Zugang stärker als für den ventralen.

Beim Stehen sind die Facettengelenkkräf-

te generell gering. Sie erhöhen sich jedoch

auch hier, wenn die kraniale Platte trans-

latorisch nachgeschlagen wird. Während

der Flexion ergeben sich mit Implantat

erhöhte Facettengelenkkräfte unabhängig

vom Zugang. Nachschlagen der kranialen

Platte erhöht die Facettengelenkkräfte zu-

sätzlich.

Die Kerntranslation ist bei allen un-

tersuchten Lastfällen ohne Nachschlagen

kleiner als 0,3 mm. Wird nachgeschlagen,

so ergibt sich eine anteriore Kerntransla-

tion von etwa 1 mm bei der Extension und

beim Stehen. Während der Flexion ist die

posteriore Kerntranslation in diesem Fall

verhindert.

Die Intradiskaldrücke der benachbar-

ten Bandscheiben und die Muskelkräfte

hängen nur wenig vom Zugang und der

Richtung der Kernbeweglichkeit ab.

Einfluss einer lateralen Exzentrizität

Bei einer lateralen Lageabweichung des

Bandscheibenimplantats von der Zen-

tralposition haben die untersuchten Last-

fälle in der Sagittalebene – bedingt durch

die unsymmetrische Bandscheiben- und

Bandresektion bei ventrolateralem Zu-

gang – eine gekoppelte Mitbewegung au-

ßerhalb der Sagittalebene zur Folge. Wäh-

rend die Sagittalkomponente der interseg-

mentalen Rotation bei L4/L5 bei allen un-

tersuchten Lastfällen wenig (<0,8°) von ei-

ner lateralen Exzentrizität abhängt, ergibt

sich für die Frontalkomponente des Seg-

ments L4/L5 (Lateralflexion nach rechts)

eine deutliche Abhängigkeit (. Abb. 6).

Bei allen Lastfällen erhöht sich der Late-

ralflexionswinkel mit zunehmender Ex-

zentrizität. Bei der Extension ergibt sich

bereits bei zentraler Position des Implan-

tats ein Lateralflexionswinkel. Der größte

Einfluss wurde für den Lastfall „Stehen“

ermittelt. Hier ergibt sich bei einer late-

ralen Abweichung des Implantats von der

zentralen Position von 3 mm eine seitliche

Kippung des Segments L4/L5 von 2,2°.

209Der Orthopäde 3 · 2007 |

Die Kompensation der Rechtskippung

im Segment L4/L5 bedingt eine Linkskip-

pung in den anderen Lendenwirbelsäulen-

segmenten. Diese teilt sich nahezu gleich-

mäßig auf die anderen Segmente auf.

Die Facettengelenke werden durch die

laterale Exzentrizität links und rechts un-

terschiedlich stark belastet. Während der

Extension wird das rechte Facettengelenk

stärker belastet, und zwar umso mehr, je

größer die Exzentrizität des Implantats ist

(. Abb. 6). Während des Stehens nimmt

die Belastung des stärker belasteten rech-

ten Facettengelenks um etwa das Vier-

fache zu, wenn das Implantat 3 mm ex-

zentrisch positioniert wird, ist aber mit

maximal etwa 40 N relativ klein. Bei der

Flexion ändert sich die Maximalkraft (et-

wa 100 N) nur geringfügig mit der Ex-

zentrizität.

Die Intradiskaldrücke in den benach-

barten Bandscheiben sowie die Mus-

kelkräfte für die Sagittalbewegung än-

dern sich durch eine laterale Exzentrizität

kaum. Jedoch ist zur Verhinderung einer

Lateralflexion und Rotation der gesamten

Lendenwirbelsäule ein Korrekturmoment

am Wirbel L1 nötig, das in etwa linear von

der Exzentrizität des Implantats abhän-

gig ist (. Abb. 6). Dieses Korrekturmo-

ment ist beim Stehen maximal (1,6 Nm)

und erreicht für Extension und Flexion ei-

nen Wert von ca. 1,1 Nm. Dies ist zum Ver-

gleich in etwa das Moment, das der Erec-

tor spinae beim Stehen in die Lendenwir-

belsäule einleitet.

Einfluss der rotatorischen Ausrichtung

Eine verdrehte Position des Implantats

um die Wirbelsäulenlängsachse hat aus

kinematischer Sicht nur eine veränderte

Translationsbeweglichkeit des Implantat-

kerns zur Folge. Sie verläuft dann nicht

mehr genau nach posterior, sondern etwas

nach lateral. Selbst bei einer verdrehten

Ausrichtung von 10° und einer Maximal-

verschiebung des Kerns um 2 mm betrü-

ge der laterale Anteil der Verschiebung je-

doch lediglich wenige Zehntelmillimeter.

Die Simulation von verdreht eingesetzten

Bandscheiben hat daher nur einen mini-

malen Einfluss auf die Intersegmentalwin-

kel, die Intradiskaldrücke, die Facettenge-

lenke und die Muskelkräfte ergeben.

Diskussion

Mithilfe eines virtuellen Modells der Len-

denwirbelsäule wurde in silico untersucht,

welche biomechanischen Konsequenzen

nichtoptimale Implantatpositionen und

-ausrichtungen haben können. Es wurden

vom Idealen abweichende Situationen si-

muliert, die insbesondere bei einem vent-

rolateralen Zugang auftreten können. Al-

le in dieser Arbeit untersuchten nichtop-

timalen Implantatgegebenheiten können

aber auch bei ventralem Zugang auftreten,

sie hätten dann jedoch insbesondere bei

der Extension wegen des fehlenden vor-

deren Längsbands womöglich einen ande-

ren Einfluss. Die Validität des Modells der

intakt

200

150

100

50

0 0 0 0 0 0Extension

Face

tten

gele

nkkr

äfte

[N]

Stehen Flexion

ventraler Zugangventrolateraler Zugangventrolateraler Zugang, nachgeschlagen

linkes Facettengelenkrechtes Facettengelenk

Abb. 5 8 Facettengelenkkräfte in Höhe der Bandscheibenprothese für verschiedene Lastfälle und Operationszugänge

ExtensionStehenFlexion

0

0

20

40

60

0

0,6

1,2

1,8

80

100

120

0

0,5

1

1,5

2

2,5

Late

ralfl

exio

nsw

inke

l L4/

L5 [º

]m

ax. F

acet

ten

gel

enkk

raft

[N]

Ko

rrek

turm

om

ent

[Nm

]

1 2 3

0 1 2 3

0 1 2 3

Abb. 6 9 Lateral-flexionswinkel (oben) und maximale Facettengelenkkraft (Mitte) im Bewegungs-segment L4/L5 und nötiges Korrekturmo-ment am Wirbel L1 (unten) für verschie-dene Lastfälle in Abhängigkeit von der lateralen Implantatex-zentrizität

210 | Der Orthopäde 3 · 2007

Leitthema

intakten Lendenwirbelsäule wurde nach-

gewiesen, die Situation nach einer Band-

scheibenoperation ist jedoch nicht in al-

len Einzelheiten bekannt. Beispielsweise

kann Narbengewebe im Verlauf des Hei-

lungsprozesses ein Segment versteifen oder

sich sogar am Implantat anlagern und da-

mit die Beweglichkeit einschränken. Diese

Auswirkungen können nicht allgemeingül-

tig beschrieben werden und wurden in die-

ser Arbeit nicht berücksichtigt. Die qualita-

tive Aussagekraft der Konsequenzen nicht-

optimaler Implantatplatzierungen wird da-

durch jedoch nicht beeinflusst.

Tritt keine Versteifung ein, so ist der

teilweise Erhalt des vorderen Längsbands

ein deutlicher Vorteil des ventrolate-

ralen Zugangs, denn das vordere Längs-

band verhindert eine übermäßige Ex-

tension. Allerdings wird bei ventrolate-

ralem Zugang eine geringfügige Unsym-

metrie geschaffen, da auf der Seite des Zu-

gangs meist eine Teilresektion des vorde-

ren Längsbands nötig ist und der laterale

Anulus nur auf der gegenüberliegenden

Seite des Zugangs erhalten bleibt.

Auch eine geringe Implantatkernbe-

weglichkeit nach posterior hat für die

Lastfälle „Stehen“ und „Flexion“ einen po-

sitiven Einfluss auf die Facettengelenkkräf-

te. Dies verdeutlichen die Ergebnisse des

Nachschlagens, durch welche die Kern-

beweglichkeit nach posterior aufgeho-

ben wurde. Die Möglichkeit der Transla-

tion birgt jedoch das Risiko, dass sich, bei-

spielsweise zur Lagekorrektur des Implan-

tats bei leichter Retrolisthese, die Bewe-

gungsrichtung ändert. Im ungünstigsten

Fall verschwindet einerseits die konstruk-

tiv geschaffene Translationsbeweglichkeit

nach posterior, zum andern ergibt sich

dann eine Beweglichkeit nach anterior.

Die im Normalfall vorhandene posteriore

Beweglichkeit des Implantatkerns kom-

pensiert zum Teil die anteriore Verschie-

bung des kranialen Wirbels bei Flexions-

bewegungen, die durch das etwas ventral

gelegene Rotationszentrum des Implan-

tats bedingt ist. Ist die Kernverschieblich-

keit nach posterior nicht gegeben, so fällt

diese Kompensation weg, und die erhöhte

Ventralbewegung des Wirbels muss durch

die Facettengelenke aufgefangen werden.

Ein weiterer Nachteil des Nach-

schlagens entsteht während der Exten-

sion durch die dann vorhandene Vent-

ralverschieblichkeit des Implantatkerns.

Die Facettengelenke müssen in diesem

Fall nicht nur die Extension begrenzen,

sondern zusätzlich eine sonst bei der Ex-

tension durch die Bandscheibenprothe-

se verhinderte Ventralverschiebung des

Wirbels. Die relativ geringe berechnete

Kerntranslation nach posterior bei Fle-

xionsbewegungen könnte bei genauerer

Modellierung der Muskulatur mit größe-

rem Kraftanteil in dorsale Richtung stär-

ker ausfallen. Dies würde eine geringere

Facettengelenkbelastung bei der Flexion

bedeuten.

Bei der Simulation einer exzent-

rischen Implantatposition bei L4/L5 wur-

de vorausgesetzt, dass die durch die Un-

symmetrie entstehende gekoppelte Mit-

bewegung bei Rotationen in der Sagit-

talebene bereits beim Wirbel L1 ausge-

glichen ist. Ein Ausgleich könnte sich je-

doch bis in die Brustwirbelsäule erstre-

cken. Dann wären die Facettengelenk-

kräfte und das nötige Korrekturmoment

tendenziell etwas geringer. Das Korrek-

turmoment wird in der Realität von der

seitlichen Bauchmuskulatur aufgebracht.

Diese ist aber bisher nicht im Rechenmo-

dell enthalten. Die Größe dieses Korrek-

turmoments kann als Maß für einen un-

symmetrischen Muskeltonus betrach-

tet werden, der auf Dauer zu Verspan-

nungen und Rückenschmerzen führen

kann.

Fazit für die Praxis

Der Erhalt des vorderen Längsbands ist

ein großer Vorteil des ventrolateralen Zu-

gangs. Das Risiko einer vergrößerten Wir-

belsäulenbelastung durch eine nichtop-

timale laterale Implantatposition oder ei-

ne Verschiebung innerhalb des Implan-

tats sollte durch eine präzise Implantati-

on mit fehlerverhinderndem Instrumen-

tarium gering gehalten werden. Kleine

Verdrehungen des Implantats sind hin-

gegen tolerierbar.

Korrespondierender AutorDr.-Ing. A. RohlmannCampus Benjamin Franklin, Klink für Orthopädie, Biomechanik-Labor, Charité – Universitätsmedizin BerlinHindenburgdamm 30, 12203 Berlinrohlmann@biomechanik.de

Interessenkonflikt. Die Studie wurde von der Deut-

schen Forschungsgemeinschaft (Ro 581/17–1) und

der Fa. Aesculap unterstützt. Es bestehen keine Inter-

essenkonflikte. Die Ergebnisse basieren auf einem Im-

plantat der Fa. Aesculap, lassen sich jedoch auf Implan-

tate gleichen Prinzips übertragen und sind daher pro-

duktneutral.

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211Der Orthopäde 3 · 2007 |