Axiale Bruchfestigkeit von thorakolumbalen Wirbelkörpern - eine experimentelle biomechanische Studie*,**

 

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Zusammenfassung

Fragestellung: Mit der Studie sollte geprüft werden, welche Abhängigkeit zwischen der Bruchfestigkeit und der im SE-QCT bestimmten Knochendichte sowie der Endplattengröße von normalen thorakolumbalen Leichenwirbeln besteht. Methode: Das axiale Bruchlastverhalten von 110 normalen Wirbelpräparaten (Th11-L5) wurde mit einer Material-prüfmaschine untersucht. Um Werte eines repräsentativen Querschnitts der Bevölkerung zu erhalten, wurden Wirbel von jeder Wirbeletage, aus verschiedenen Altersgruppen sowie von beiden Geschlechtern getestet. Vor der biomechanischen Untersuchung erfolgte eine Knochendichtemessung mittels SE-QCT mit 1,5 und 10 mm Schichtdicke. In drei unterschiedlichen spongiösen Schnittebenen (Wirbelkörpermitte und jeweils endplattennah) erfolgte die Bestimmung der Knochendiente mit 6 verschiedenen regions of in-terest (ROI). Die Endplattengröße wurde computerto-mographisch bestimmt. Ergebnisse: Als optimale QCT-Parameter mit den höchsten Korrelationskoeffizienten hat sich die 10-mm-Schicht mit der kleinen ellipsoiden ROI in der Wirbelkörpermitte herausgestellt. Die Tragfähigkeit verteilt sich je zur Hälfte auf die Spongiosa und den Wirbelkörperkortex. Die Bruchfestigkeit und die Endplattengröße normaler Wirbelkörper nehmen in kranio-kaudaler Richtung zu, die Knochendichte ist nahezu höhenunabhängig konstant. Die Bruchfestigkeit und die Knochendichte sind alters- und geschlechtsabhängig. Das Bruchlastverhalten thorakolumbaler Wirbelkörper ist proportional zum Produkt von Endplattengröße und Knochendichte. Schlußfolgerungen: Bei Kenntnis der Knochendichte und der Endplattengröße (SE-QCT) thorakolumbaler Wirbelkörper (Th11-L5) ist eine Vorhersage der Tragfähigkeit mit einem Fehler von 1,17 kN bei einem Korrelationskoeffizienten von r = 0,85 möglich. Klinische Relevanz: Mit der Vorhersage der Bruchfestigkeit kann das Wirbelkörperfrakturrisiko u.a. bei ausgeprägter Osteoporose sowie bei schweren körperlichen Verrichtungen z.B. am Arbeitsplatz oder beim Sport eingeschätzt werden. Die repräsentative Stichprobe kann in Verbindung mit biomechanischen Untersuchungen von Wirbelmetastasen für die Vorhersage der Bruchfestigkeit von osteolytischen und osteoblastischen Wirbelkörpermetastasen verwendet werden.

Abstract

Purpose: This study analyzed the correlation between the compressive strength of human thoracolumbar vertebrae, bone density and endplate area (measured by SE-QCT). Method: The compressive strength of 110 human vertebral specimens (D11-L5) was measured. In order to determine Standard values for human vertebral specimens from each level and different female and male age groups were examined. Before biomechanical testing the specimens were examined using SE-QCT with 1.5 and 10 mm slice thickness. Three different slice locations (midvertebral and adjacent to both endplates) and 6 regions of interest (ROI) were chosen to assess BMD. The area of the vertebral endplates was measured by CT. Results: Highest correlations between BMD and compressisve strength were found for the 10 mm thick midvertebral slices with a small ellipsoid ROI. Cancellous and cortical bone contributed to the compressive strength to the same amount. Compressive strength and endplate area increased in the cranio-caudal direction, bone density was constant throughout thoracolumbar spine. Bone density and compressive strength depended on age and sex. Compressive strength of human thoracolumbar vertebrae increased with bone density as well as the size of the endplates. Conclusions: Using bone density and endplate area (SE-QCT) of human thoracolumbar vertebrae (D11-L5) a prediction of compressive strength is possible with an error of estimation of 1,17 kN and a correlation factor of 0,85. The prediction of the compressive strength allows an estimation of the risk of vertebral fracture, i.e. in patients with osteoporosis or in individuals with intensive physical activities. The Standard values of the human thoracolumbar vertebrae together with biomechanical examinations of vertebral metastases can be used to estimate the compressive strength of osteolytic and osteoplastic spinal metastases.