Insuffizienzfrakturen der Wirbelsäule in Abhängigkeit von der spongiösen Knochendichte

Die OPO zählen zu den metabolischen Knochenerkrankungen, bei denen durch eine Verminderung der Knochenmasse, -struktur und -funktion eine Fraktur bereits bei einem Niedrigenergietrauma eintreten kann [32]. Osteoporotische Frakturen finden sich unabhängig von Geschlecht und Alter vor allem im Bereich des distalen Radius, des proximalen Femurs und der Wirbelsäule (WS) [21]. Wirbelkörperfrakturen gehen mit gesundheitlichen und wirtschaftlichen Belastungen einher, erhöhen die Morbidität und Mortalität und beeinträchtigen die Lebensqualität [30]. Osteoporotische Wirbelkörperfrakturen treten bei deutlich reduzierter spongiöser Knochendichte vor allem thorakal, thorakolumbal und sakral – nicht jedoch zervikal auf [37, 38]. Eine höhere Knochenmasse und eine größere Interkonnektivität der Spongiosa im Bereich der Halswirbelsäule (HWS) wurde in einer früheren histomorphometrischen Arbeit beschrieben [20]. Da Wirbelkörperfrakturen häufig klinisch stumm verlaufen, kommt der Bildgebung nicht nur nach dem Auftreten von Symptomen, sondern auch beim Screening eine wichtige Rolle zu. Die Knochendichte als wichtiger Faktor der Festigkeit wird mit verschiedenen Methoden ermittelt, einfach wäre die Angabe der Hounsfield Einheiten (HE). Insbesondere im Hinblick auf eine präventive Behandlung einer osteoporotischen Fraktur, aber auch im Rahmen einer optimalen chirurgischen Vorbereitung eines Wirbelsäuleneingriffs, ist die Bestimmung der Knochenqualität entscheidend für den Behandlungserfolg [10]. Als Goldstandard für die Bestimmung der Knochendichte und Identifizierung einer Osteoporose gilt die Dual-Energie-Röntgenabsorptiometrie (DEXA) [17].

Eine Bewertung der HE in der Standard-CT könnte eine Schätzung der Knochendichte liefern, die diagnostische Leistung verbessern und unnötige Strahlenbelastung reduzieren [10].

Untersuchungen zu HE in der gesamten Wirbelsäule sind selten. Die Ermittlung der HE in den WS-Abschnitten und eine Einordnung in den Knochenverlust der Wirbelsäule mit dem sich entwickelnden Frakturrisiko ist von Interesse. Inwieweit Messungen an anderen Orten als der Lendenwirbelsäule (LWS) eine Rolle spielen, ist für die klinische Praxis (CT HWS, CT Thorax) relevant [14]. Um die Verteilung der HE über die gesamte WS zu verstehen und zusätzliche Informationen zur Knochenqualität zu generieren, wurden mittels CT morphologische und osteodensitometrische Untersuchungen in den verschiedenen Wirbelsäulenabschnitten von 26 Körperspenden durchgeführt.

Insgesamt wurden Daten von 624 Wirbelkörpern aus 26 humanen Körperspenden ausgewertet, darunter waren 9 Männer und 17 Frauen im Alter von 66–102 Jahren (Durchschnittsalter 81,3 ± 8,0 Jahre). Vier Wirbelsäulen wurden aufgrund von Metastasen, einer fortgeschrittenen Skoliose, einer idiopathischen skelettalen Hyperostose und einer Blockwirbelbildung von der weiteren Untersuchung ausgeschlossen. Der Body-Mass-Index (BMI) der Gesamtgruppe betrug im Mittel 22,0 ± 5,2 kg/m². Die verfügbare Krankengeschichte beschränkte sich auf die Todesursache. Einen anamnestischen Überblick bietet die Tab. 1.

Bei allen Wirbelsäulen lag eine Osteoporose vor. Bei einem Knochenmineralgehalt unterhalb von 60 mg/ml fanden sich signifikant vermehrte Sinterungsfrakturen im thorakalen und thorakolumbalen Bereich (Abb. 2). Geschlechterübergreifend war der LWK 1 mit insgesamt 12 Frakturen am häufigsten betroffen. Danach folgten der BWK 7 mit neun und der BWK 8 mit acht Frakturen. Bei Frauen brach der LWK 1 mit neun nachgewiesenen Frakturen am häufigsten. Danach folgten der LWK 2 und der BWK 7 mit jeweils sechs stattgehabten Frakturen. Bei den untersuchten männlichen Wirbelsäulen war ebenfalls der LWK 1 mit vier detektierten Frakturen am häufigsten betroffen. Danach folgten der BWK 7, 8 und 12 mit jeweils drei Frakturen. Oberhalb von BWK 5, speziell im HWS-Bereich fanden sich keine Frakturen. Einen Überblick über die ermittelten Frakturen in den unterschiedlichen Wirbelsäulenabschnitten gibt die Abb. 3.

Darüber hinaus ermittelten wir die Spongiosadichte in HE. Die Spongiosadichte war signifikant (p < 0,001) höher in den zervikalen (188,58 HE im Median) als in den thorakalen (Median 88,17HE), lumbalen (Median 63,64 HE) und sakralen (Median 25,52 HE) Wirbelkörpern aller untersuchten Wirbelsäulen. Eine Verteilung der mittvertebralen Spongiosadichte über die gesamten Wirbelsäulen zeigt einen kontinuierlichen Dichteanstieg in Richtung der Halswirbelkörper (Abb. 4).

In einer Subgruppenanalyse wurden Männer und Frauen bezüglich der eingangs beschriebenen Parameter betrachtet. Unabhängig vom Geschlecht lagen in der HWS die höchsten HE vor (Tab. 2; Abb. 4). Hinsichtlich der ermittelten BMD zeigte sich eine signifikant höhere BMD in den Halswirbeln als in den Brust‑, Lenden- und Sakralwirbeln (Tab. 2; Abb. 4).

Die vorliegende Untersuchung ermöglicht den Vergleich von spongiösem Knochen aus allen Abschnitten der Wirbelsäule von 26 Körperspenden im Alter von 66–102 Jahren. Der BMI war in der Gesamtgruppe niedrig normal, ein BMI geringer als 22 kg/m² geht mit einer ansteigenden Frakturrate einher [27]. Zusammenhänge zwischen niedrigem Körpergewicht, niedrigem Fettanteil und einem höheren Frakturrisiko wurden mehrfach beschrieben [26, 27]. Alle untersuchten Probanden wiesen densitometrisch mit Knochenmineralgehaltswerten unter 80 mg/ml eine Osteoporose auf [18], wobei sich bei Werten unter 60 mg/ml obligat Sinterungsfrakturen fanden [3]. Der wichtigste Risikofaktor für diese Frakturen ist das hohe Alter der Patienten. Die Frakturraten steigen besonders im Alter über 70 Jahre [5]. Die Frakturen verteilten sich in typischer Weise auf die thorakolumbalen und lumbalen Abschnitte. Unterschiedliche Belastungen in den einzelnen Wirbelsäulenabschnitten spiegeln sich in der Frakturhäufigkeit wider. Die Frakturen traten vorrangig im mittleren Brustwirbelsäulenbereich (T7, T8) und im Übergangsbereich von Brustwirbelsäule zu Lendenwirbelsäule (T12 bis L1) auf [4, 15, 29]. Eine mögliche Erklärung für diese Frakturkaskade entlang der Wirbelsäule könnten die vorherrschenden Krümmungen der Wirbelsäule bieten [13]. So findet sich der Krümmungswendepunkt der Brustkyphose im mittleren Bereich der Brustwirbelsäule (T7, T8) wieder.

Es ist anzunehmen, dass lokale Veränderungen der Mikroarchitektur und Wirbelsäulenfunktion nachweisbar sind und eine Rolle spielen.

In der vorliegenden Untersuchung war der LWK 1 geschlechterunabhängig am häufigsten von einer Fraktur betroffen. Interessant ist, dass der LWK 1 mit 69,9 HE eine deutlich höhere Spongiosadichte aufweist als der LWK 4 mit 60,9 HE. Das lässt vermuten, dass neben der Spongiosadichte die oben genannten Faktoren eine wichtige Rolle bezüglich stattgehabter Frakturen spielen. Ermittlungen der HE von vollständigen Wirbelsäulen inklusive der Berechnung der dazugehörigen BMD sind bisher kaum erfolgt. Dabei stellen die HE einen normalisierten Index der Röntgenstrahlabschwächung basierend auf einer Skala von 1000 für Luft und 0 für Wasser dar. Der HE-Wert für Knochen liegt typischerweise zwischen 300 und 3000 [36]. Mithilfe der HE sind Aussagen über die Knochendichte möglich. Schreiber et al. [36] ermittelten eine signifikante Korrelation zwischen den T‑Werten der DEXA-Messung und den HE des gleichen Wirbelkörpers.

Choi et al. [12] sehen nach Abschluss ihrer Untersuchung neben der klaren Korrelation von HE und T‑Wert bei Patienten mit degenerativen Wirbelsäulenerkrankungen sogar einen Vorteil der HE-Bestimmung.

Die Messung der HE wäre einfach und damit eine opportunistische OPO-Diagnostik im Rahmen der häufigen CT-Untersuchungen.

DEXA-Messungen sind der Goldstandard in der OPO-Diagnostik und weltweit etabliert. Falsch hohe Werte können entstehen durch degenerative Veränderungen, Osteophyten, eine Osteochondrose, eine Skoliose und die vor der WS liegende eventuell verkalkte Aorta [31, 34]. Zudem können Positionierungsfehler zu Fehlinterpretationen führen [40]. Bei Verlaufsmessungen unter einer OPO-Therapie waren DEXA-Veränderungen an der Hüfte gesamt und am Schenkelhals prädiktiv für proximale Femur- und Wirbelkörperfrakturen. DEXA-Messungen an der Wirbelsäule waren nur für diesen Messort vorhersagend [8]. Eine differenzierte Betrachtung ist notwendig. Zumindest für die Wirbelkörper könnte die HE-Messung eine Option im klinischen Alltag darstellen.

Welche HE sich als potenzieller Grenzwert für den Nachweis von Osteoporose eignet, ist Gegenstand der Forschung. Schreiber et al. [36] erhoben für Patienten mit Osteoporose im Mittel 78,5 HE. Buckens et al. [9] kamen am LWK 1 auf einen Grenzwert von 99 HE. Allerdings muss kritisch hinterfragt werden, ob von der Messung nur eines Wirbelkörpers auf einen generalisierten Knochenabbau geschlossen werden kann. Dementsprechend sehen Scheyerer et al. [35] die Erhebung der HE an mindestens drei verschiedenen Lendenwirbelkörpern als wichtig an. Nach Auffassung der Autoren ist dabei weniger bedeutend, welcher LWK gemessen wird, sondern vielmehr, dass er frei von degenerativen (z. B. subchondrale Sklerosierung), posttraumatischen oder postoperativen Veränderungen ist. In der vorliegenden Untersuchung wurden für die Abschätzung einer Osteoporose die HE von LWK 1 bis LWK 3 gemessen. Im Mittel ergab sich für die Gesamtgruppe ein Wert von 65,4 HE. Schwaiger et al. [39] konnten mit ihrer Untersuchung zeigen, dass ab 63,8 HE verstärkt Frakturen auftreten. Das deckt sich mit den Ergebnissen unserer Studie. Zudem lagen die HE der LWS bei Frauen (57,9 HE im Mittel) deutlich unter denen der Männer (75,9 HE im Mittel), was die höhere Anzahl der Frakturen in dieser Gruppe erklären könnte.

Interessant sind die Daten einer jüngst publizierten Übersichtsarbeit zu HE-Cut-off-Werten im Rahmen der OPO-Diagnostik [1]. In Tab. 3 sind auszugsweise die Arbeiten von Berger-Groch et al. [6], Li et al. [28], Kim et al. [25], Pickhardt et al. [33] und Da Zou et al. [16] zusammengefasst. Ein Wert in der LWS von unter 136 HE sollte Beachtung finden. Zumeist wurde die LWS untersucht, auch Angaben zu HE-Werten der HWS liegen vor [14]. Eine vollständige Messreihe zu HE-Werten von C3 bis S1 wird von uns vorgelegt.

In der Untersuchung von Colantonio [14] wurden die HE-Werte der HWS mit DEXA-Messungen an der Hüfte verglichen und Grenzwerte für eine Osteoporose dargestellt. Dieser Aspekt ist von besonderem Interesse.

Hinsichtlich der Methodik der Messung der HE gab es bisher verschiedene Ansätze. Einige Autoren bestimmten die HE innerhalb des Wirbelkörpers in einer axialen Schicht im spongiösen Knochen [33]. Andere Autoren bestimmten HE in den sagittalen Schichten der CT-Untersuchung [39]. Unterschiede in der Validität bestanden dabei allerdings keine.

Auffällig ist in den Befunden insbesondere die signifikant höhere Knochendichte der Spongiosa der HWS im Vergleich zu der von BWS und LWS. Vergleichbare Ergebnisse sind in der Arbeit von Grote et al. [20] zu finden. Aufgrund der Ergebnisse ihrer histomorphometrischen Aufarbeitung der Knochenstruktur gehen sie davon aus, dass die Dichte des trabekulären Knochens in den Halswirbeln deutlich höher ist als im Bereich der Brust- und Lendenwirbel. Auch Schröder et al. [37] gelangten in ihrem Fallbericht sowie in einer ersten Pilotstudie [38] zu vergleichbaren Ergebnissen. In der vorliegenden Untersuchung unterschied sich die errechnete Knochendichte (BMD) in den einzelnen Wirbelsäulenabschnitten signifikant, wobei sich für die HWS die höchsten Werte ergaben. Grote et al. [20] zeigten mit ihrer Untersuchung, dass der Verlust an Knochenvolumen sogar im Altersgang in der HWS am geringsten ausfällt. So konnte bei den Halswirbeln 3 und 4 kein signifikanter altersbedingter Verlust der trabekulären Strukturdichte beobachtet werden. Dieser Befund deckt sich mit den Ergebnissen der vorliegenden Untersuchung.

Die Belastungsfähigkeit eines Wirbelsäulenabschnitts hängt von den Materialeigenschaften des Wirbelkörpers und von seinen geometrischen Abmessungen ab. Da die Materialeigenschaften von Knochengewebe im weitesten Sinne vorgegeben sind, können die Abmessungen der Wirbelkörper als Resultat eines Anpassungsvorgangs an die von außen und innen einwirkenden Lasten angesehen werden (Körpergewicht, Muskelaktivität, Vorspannung der Bandstrukturen, extern applizierte Kräfte) [11].

Welche klinische Relevanz die vorgestellten Ergebnisse aufweisen, sollte in Folgestudien untersucht werden, denn bisher fehlten sichere Kriterien für die Versorgung der osteoporotischen Wirbelkörperfraktur. Gängige Frakturklassifikationen ließen sich nicht oder nur eingeschränkt auf den älteren Menschen mit verminderter Knochenqualität und zahlreichen Komorbiditäten übertragen. Blattet et. al [7] empfehlen Augmentationstechniken mit Zement oder den Einsatz spezieller Schraubendesigns mit erhöhter Haltekraft im strukturschwachen Knochen. Dadurch vergrößert sich die Kontaktfläche zwischen Schraube und Knochen. Es lässt sich vor dem Hintergrund der vorgestellten Studienergebnisse vermuten, dass in Abhängigkeit von der Wirbelkörperlokalisation ein individuelles Schraubendesign vorteilhaft wirken kann.

Bei der vorliegenden Studie handelt sich um eine vergleichende, deskriptive Untersuchung mit einer an das vorhandene Material gebundenen Fallanzahl. Komplexe statistische Verfahren konnten nur bedingt angewandt werden. Es wurden ausschließlich Körperspenden im höheren Lebensalter untersucht, Aussagen über die Knochenstruktur jüngerer Körperspenden sind daher nicht möglich. Gleichzeitig lagen kaum Angaben zu den jeweiligen Anamnesen der Spender vor, insbesondere zur Art und Dauer einer durchgeführten medikamentösen oder physikalischen Osteoporosebehandlung.