Load measurement in patients using an instrumented vertebral body replacement
Final Report Abstract
Nach einer Kompressionsfraktur eines Wirbelkörpers wird dieser häufig durch ein Implantat ersetzt. Die Belastung des Wirbelkörperersatzimplantats ist nur unzureichend bekannt. Belastungsdaten werden u.a. benötigt zur Optimierung des Implantatdesigns, zur realistischen Implantattestung, zur Auswahl des besten Rehabilitationsprogramms für den Patienten und zur Beurteilung der Wirksamkeit von Hilfsmitteln, wie Korsetts und Gehhilfen. Um die Belastung eines Implantats zum Ersatz eines Wirbelköpers zu messen, wurde ein klinische bewährter Wirbelkörperersatz modifiziert und mit Sensoren, Messsender und Spule für die induktive Energieversorgung ausgestattet. Das Messimplantat erlaubt die Messung von drei Kraft- und drei Momentenkomponenten. Bisher wurden 3 Patienten mit einer LWK1- Fraktur mit einem Messimplantat versorgt. Die Frakturen waren zuvor mit Wirbel-Fixateuren von dorsal stabilisiert worden. Die Patienten werden bei den Messungen mit einer Videokamera gefilmt und die lastabhängigen Signale des Messsenders werden auf dasselbe Videoband aufgezeichnet. An etwa 40 Messtagen wurden etwa 300 verschiedene Aktivitäten gemessen und die wichtigsten Kenndaten in eine Datenbank übertragen. Die Datenbank enthält bereits mehr als 4000 Datensätze. Im ersten postoperativen Monat beträgt die resultierende Kraft in der aufrechten Körperposition etwa 300 N. Mit fortschreitender Knochenheilung sinkt sie auf unter 100 N. In der liegenden Körperposition beträgt die Kraft auf das Implantat etwa 30% der Kraft beim Stehen. Hohe Kraftzunahmen bewirken folgende Aktivitäten: das Anheben beider Beine oder des Beckens in Rückenlage; das Anheben eines nach kranial gerichteten Armes in Bauchlage; das Vorbeugen des Oberkörpers im Sitzen und Stehen; die 90°-Elevation der gestreckten Arme mit einem Gewicht in den Händen bzw. gegen Widerstand sowie das Treppensteigen. Bei höherer Belastung wirkt die Kraft üblicherweise etwa in axialer Richtung des behandelten Wirbelsäulensegments. Die Biege- und Torsionsmomente sind bei den meisten Übungen kleiner als 4 Nm. Die Einflüsse von Korsetts, des Heilungsverlaufes, von Sitzmöbeln, Gehgeschwindigkeit, Gewichten bei Tragen und Heben sowie von weiteren Parametern werden in noch laufenden Studien untersucht. Die einzigartigen Messungen haben gezeigt, dass hohe Kräfte auf einen Wirbelkörperersatz wirken können, besonders im ersten postoperativen Monat. Es konnten Aktivitäten identifiziert werden, wie Treppensteigen, Elevation des ausgestreckten Arms mit einem Gewicht in der Hand und Flexion des Oberkörpers, die eine hohe Implantat- und damit wahrscheinlich auch eine hohe Wirbelsäulenbelastung bewirken.
Publications
- Graichen, F., Arnold, R., Rohlmann, A., Bergmann, G., 2007. Implantable 9-channel telemetry system for in vivo load measurements with orthopedic implants. IEEE Trans Biomed Eng 54, 253-261.
- Rohlmann, A., Gabel, U., Graichen, F., Bender, A., Bergmann, G., 2007. An instrumented implant for vertebral body replacement that measures loads in the anterior spinal column. Med. Eng, Phys. 29, 580-585.
