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4. Diskussion

Die optoelektronische CT-basierte Navigation von Pedikelschrauben bei Frakturen im Bereich der Brustwirbelsäule ist bisher kaum untersucht worden. Die bisher erhobenen Daten bezogen sich auf gemischte Patientengruppen mit meist degenerativen Erkrankungen [12] [14] [15] [25]oder zu geringen Fallzahlen. [64]

Ziele dieser Arbeit waren:

  1. Testung der Praktikabilität des von uns verwendeten Navigationssystems SurgiGATE® der Firma Medivision (STRATEC Medical, Oberdorf, Schweiz) an der Brustwirbelsäule und Erhebung von relevanten prä- und intraoperativen Daten bezüglich der Navigation
  2. Bestimmung der Lage der navigiert eingebrachten Pedikelschrauben postoperativ mit Hilfe einer Computertomographie
  3. Vergleich der unter 2. genannten Schraubenlagen mit denen von im gleichen Zeitraum konventionell eingebrachten Pedikelschrauben
  4. Versuch der Beantwortung der Frage: Wie sinnvoll ist die CT-basierte optoelektronische Navigation an der Brustwirbelsäule?

4.1. Praktikabilität des Navigationssystems

Das System SurgiGATE® wird in unserer Klinik seit 1999 zur Navigation an der LWS benutzt. Nach entsprechender Einarbeitungszeit begannen wir mit der Navigation der BWS als auch mit der BV-gestützten Navigation der LWS. Das System wird zudem in der Beckennavigation sowie der (noch experimentellen) HWS- und Knie-Navigation eingesetzt.

4.1.1. Präoperative Probleme und Besonderheiten der Navigation

Präoperative Probleme traten bei 40% der Patienten auf. Typischweise waren dies technische Probleme mit der Datenübertragung oder die Nichteinhaltung der notwendigen CT-Parameter. Ein Patient konnte aufgrund dieser Probleme nicht navigiert operiert werden. Bei 12 von 56 (21,4%) Patienten konnten aufgrund diverser Probleme nicht alle Schrauben navigiert eingebracht werden. Laine [12] berichtete über eine leicht geringere Ausfallrate von 18% aufgrund [Seite 59↓]ähnlicher Probleme. Arand [64] konnte in einem kleineren Kollektiv bei der Verwendung des gleichen Systems an der BWS und LWS 10% der geplanten Schrauben nicht navigieren.

4.1.1.1. Durchführung des CT und der Datenübertragung

Bei der Durchführung des CT kam es in einzelnen Fällen zu Problemen, wenn die speziellen CT-Parameter durch das Bedienungspersonal der Radiologie nicht eingehalten wurden. Eine Veränderung der Gantry oder der Schichtdicke waren dabei eher selten auftretende Probleme. Vielmehr bestand bei Patienten mit Mehretagenverletzungen der Bedarf das CT über einen großen Bereich fahren zu müssen (Beispiel: Kettenverletzung BWK 6, 8, 11 und 12 Fraktur einer Patientin). Dabei kam es vor, dass das CT in zwei Schritten gefahren wurde, um die Einstellung des gescannten Ausschnitts zu optimieren. Das Aufteilen der Untersuchung führte allerdings zu Ungleichmäßigkeiten an der Schnittstelle der beiden CT-Ausschnitte. Diese wurden von der Software als Fehler erkannt, was dazu führte, dass einer der beiden Ausschnitte als nicht compliant eingestuft wurde. Damit wurde die Navigation in diesem Bereich unmöglich. Die Lösung des Problems bestand darin, die Schnittstelle der beiden CT-Abschnitte genau in den frakturierten Wirbelkörper zu legen, da dieser sowieso nicht navigiert wurde. Allerdings mussten dann für den Patienten zwei präoperative Planungen (ober- und unterhalb der Schnittstelle) vollzogen werden.

Ein anderes Problem stellte die Speicherung der Daten auf einer Optical Disc dar. Die Daten wurden regelmäßig vom Radiologiepersonal (RMTA) komprimiert und/oder zusammen mit Seitenansichten (Scouts) abgespeichert, was ebenfalls zu Lesefehlern beim Laden auf den Rechner führte.

Die optionale Übertragung der CT-Daten mittels eines Netzwerkes ist an unserer Klink derzeit nicht möglich. Sie wäre aber wünschenswert, um Übertragungsverluste und –probleme zu vermeiden.

Die benötigte Zeit für die Erstellung des CT und die Datenübertragung wurde nicht bestimmt. Zum einen, weil die Patienten zur Diagnosesicherung und Operationsindikation sowieso ein CT erhalten und der zeitliche Mehraufwand, dass CT über einen größeren Bereich zu fahren, bei der heutigen CT-Generation im Sekundenbereich liegt. Zum anderen, weil die Datenübertragung auf ein optisches Medium nicht die einzige Möglichkeit darstellt und das System auch eine Datenübertragung per Netzwerk ermöglicht.


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4.1.1.2.  Erstellung des dreidimensionalen Modells und der präoperativen Planung

Die Einstellung eines sinnvollen Schwellenwertes bei der Segmentierung (intensity treshold) des dreidimensionalen Modells unterliegt einer deutlichen learning-curve. Die ersten fünf Segmentierungen dauerten 25-45 Minuten. Die letzten fünfzehn Segmentierungen dagegen nur durchschnittlich 8 Minuten. Jedoch kann es bei stark degenerativ veränderten Wirbelsäulen oder Bildartefakten (z. B. durch Atmung bedingt) auch für den Erfahrenen problematisch werden, ein gutes Modell zu erstellen. Die erreichte Auflösung ist dann häufig unbefriedigend und führt zu erschwertem Matching.

Schwierigkeiten bei der Segmentierung können entstehen, wenn zu viele oder zu wenige Daten (Bildpunkte) herausgelesen werden. Das erstellte Modell enthält dann entweder „Löcher“, wo eigentlich Knochen sein sollte, oder scheinbar knöcherne Ausziehungen, die als Residuen der nicht weggerechneten Weichteile übrig bleiben. Auch andere Weichteilstrukturen wie die in der Abbildung 43 gezeigten ableitenden Harnwege können störend wirken. Osteoporotisch veränderter Knochen führt ebenfalls zu einer erschwerten Einstellung des Schwellenwertes.

Abbildung 43: Artefakte durch ableitende Harnwege

Die Variabilität des zeitlichen Bedarfs der Segmentierung führte zu divergenten Planungszeiten. Damit ist aber die Option, die Navigation bei Notfallpatienten einzusetzen erschwert. Der durchschnittliche Zeitbedarf lag bei 38 Minuten und 40 Sekunden und variierte zwischen 29 und 58 Minuten. Die von uns benötigte Zeit liegt damit knapp über der in einem ähnlichen Kollektiv [Seite 61↓](BWS und LWS) erhobenen Zeit von durchschnittlich 35 Minuten. [64] Zur Fragestellung der Navigation von Notfallpatienten siehe 4.4.4.

Besonders im Bereich der oberen Brustwirbelsäule kann die Identifizierung des zu navigierenden Wirbelkörper mangels Orientierungsmöglichkeiten gelegentlich schwierig sein (Abb. 44). Dies ist vor allem dann der Fall, wenn der betroffene Wirbelkörper nicht Teil des gefahrenen CT-Abschnitts ist und somit auch nicht als Landmarke dienen kann. Ein Vergleich der Topographie mit den konventionellen Röntgenbildern oder den Rekonstruktionen des CT ist dann unumgänglich. Ideal ist die komplette Darstellung der Brustwirbelsäule als dreidimensionales Modell wie in der Abbildung 45 und 46 gezeigt.

Abbildung 44: Erschwerte Höhenlokalisation

Abbildung 45: Gesamte BWS von ventral

Abbildung 45: Gesamte BWS von ventral

Abbildung 46: Gesamte BWS von dorsal

Abbildung 46: Gesamte BWS von dorsal


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Bei der Planung der Anpassung der Punktepaare muss darauf geachtet werden, dass die Messpunkte intraoperativ gut zugänglich sind. Auf Osteophyten gesetzte Punkte zum Beispiel werden intraoperativ schlecht nachvollzogen. Auch sollte der Punkt am Processus spinosus nicht zu weit kaudal liegen, da er sonst von der Referenzbasis verdeckt wird.

Bei der Planung der Schrauben traten kaum Probleme auf. Lediglich die Voreinstellung des Pedikelschraubendurchmessers wurde gelegentlich zu groß gewählt (Abb. 47). Um diesen zu ändern muss die Datei geschlossen und neu aufgerufen werden, was zu zeitlichen Verzögerungen führt.

Die beschriebenen Probleme zeigen, dass eine intensive Einarbeitung in die Navigation zur erfolgreichen Planung eines operativen Eingriffs unumgänglich ist. Im Idealfall ist der Navigationsplaner auch der Operateur.

Abbildung 47: Zu groß gewählte Trajektorie

4.1.2. Intraoperative Probleme und Besonderheiten der Navigation

Intraoperative Probleme wie die Navigation des falschen Wirbelkörpers oder die iatrogene Alteration der Wirbelkörper führten zweimal zur Unmöglichkeit der Navigation.

Einer besonderen Bedeutung kommt die teils erhebliche Abweichung der Navigation von der Röntgendurchleuchtung im lateralen Strahlengang zu.


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4.1.2.1.  Operativer Zugang

Wie unter 2.3.1 beschrieben, bedarf es bei der Navigation im Gegensatz zur konventionellen Operationstechnik einer vermehrten Präparation der Wirbelkörper und gelegentlich auch eines größeren Hautschnittes. Die zu navigierenden Wirbelkörper müssen soweit freipräpariert sein, dass die Anpassung der Punktepaare möglich wird. Es empfiehlt sich deshalb auch nicht, die Querfortsätze als Messpunkte für die Punktepaar-Anpassung zu wählen, da diese weit nach lateral reichen und eine Freipäparation entsprechend aufwendig ist.

Die aufwendigere Operationstechnik führt zu einem größeren Operationstrauma und mit großer Wahrscheinlichkeit zu einer gewissen Verlängerung der OP-Dauer. Es war im Rahmen dieser Arbeit aber nicht möglich, dies zu untersuchen. Komplikationen traten nicht häufiger auf.

4.1.2.2. Anpassung (Matching)

Obwohl die Anpassung von Punktepaaren eine hinreichende Genauigkeit der Navigation liefern soll, ist es offensichtlich, dass ein ausführlicheres Matching mit einer Bestimmung von mehr Messpunkten eine höhere Genauigkeit bietet. Je genauer die Digitalisierung der Oberfläche des Wirbelkörpers, desto besser die Transformation auf das virtuelle Modell. Zur Erzielung eines möglichst guten Navigationsergebnisses empfiehlt sich deshalb die additive Anwendung des Paired-Point und Surface-Matchings. Wie viele Punkte aber tatsächlich optimal sind, ist unklar. Die bei dieser Arbeit gewählten 5 Punktepaare (teilweise minus eins durch sogenanntes skip-worst Prozedere) sowie die durchschnittlich 25,28 Oberflächenpunkte führten im Regelfall zu guten Qualitätsindices von 1,43 bzw. 0,20. Zu bemerken bleibt aber, dass die Anpassung meist zumindest einer Wiederholung bedarf (Paired-Point durchschnittlich 1,77mal und Surface durchschnittlich 1,33mal), um ein akzeptables Ergebnis zu erreichen. Die Dauer der Anpassung betrug durchschnittlich 6 Minuten und 12 Sekunden und damit kürzer als die von Arand gemessenen 8,4 Minuten [64], aber länger als die von Schlenzka berichteten 5 Minuten 29 Sekunden an der LWS. [63] Die längste Anpassungszeit lag in unserem Kollektiv bei 21 Minuten. Gründe für einen erhöhten Zeitbedarf der Anpassung sind folgend aufgeführt:

Sind die Punkte bei der Oberflächen-Anpassung nicht in verschieden räumlichen Ebenen definiert, also an möglichst markanten Punkten des Wirbelkörpers (Dorn- und Gelenkfortsätze etc.), so wird das gebildete Raster zu plan (Abb. 48).

Abbildung 48: Ungleichmäßige und gleichmäßige Verteilung der Messpunkte

Dabei kann zwar noch ein akzeptables Anpassungsergebnis resultieren, jedoch führt die unzureichende Darstellung der Räumlichkeit des Wirbelkörpers während der Navigation zu Abweichungen in der Tiefe, die dann in der Sagittalebene nachweisbar sind (siehe auch unter 4.1.2.6).

Um eine hinreichende Genauigkeit des Matchings zu gewährleisten, sollte jeder zu instrumentierende Wirbel einzeln angepasst werden. Zwar führte Schlenzka aus, dass nach der Erfahrung seiner Arbeitsgruppe in der Hälfte der Fälle die angrenzenden Wirbelkörper mitinstrumentiert werden könnten. [63]Wir können uns allerdings dieser Meinung nicht anschließen, da die Genauigkeit der Navigation dadurch weiter abnimmt. Zudem ergeben die unter 4.4.1 genannten Probleme mit der Präzision bei frakturierten Wirbelkörpern. Insofern ist zumindest bei der Versorgung von Frakturen die Anpassung jedes einzelnen Wirbelkörpers zu fordern.


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4.1.2.3.  Navigation des falschen Wirbelkörpers

Das fehlerhafte Anbringen der Referenzbasis an einem Wirbelkörper, der gar nicht navigiert werden sollte, trat zweimal auf (BWK 3 und 5). Erklären lässt sich dies aufgrund der topographischen Unübersichtlichkeit des Areals. Einmal wurde der Fehler bei der Röntgendurchleuchtung noch vor dem Matching bemerkt. Einmal fiel der Fehler auf, als der Qualitätsindex der Anpassung der Punktepaare stark fehlerhafte Werte über 5 ergab, die sich anders nicht erklären ließen. Die Röntgendurchleuchtung ergab auch hier als Ursache die Navigation des falschen Wirbelkörpers. Dies belegt die Notwendigkeit der Kontrolle der korrekten Wirbelkörperauswahl mittel intraoperativer Röntgendurchleuchtung. Zudem müssen auffallend schlechte Qualitätsindices (> 5) bei der Anpassung der Punktepaare daran denken lassen, dass der falsche Wirbelkörper navigiert wird.

4.1.2.4. Veränderung der Topographie

Operativ bedingte Veränderungen der Topographie führten zweimal zur Unmöglichkeit der Navigation. Einmal wurde der Processus spinosus des zu navigierenden Wirbelkörpers alteriert. Ein anderes Mal wurde versehentlich die Laminektomie des zu navigierenden Wirbelkörpers vorgenommen, bevor die Pedikelschrauben eingebracht waren. Beide Zustände erlaubten keine korrekte Navigation mehr. Dementsprechend muss der Operateur daran denken, bei der Präparation den zu navigierenden Wirbelkörper zu schonen und eine evtl. anstehende Laminektomie erst nach dem Einbringen der Pedikelschrauben durchzuführen.

4.1.2.5. Unabsichtliches Verdecken der LED

Schwierigkeiten bei der Navigation ergaben sich regelmäßig durch Verdecken der Instrumenten-LED. Dies führte dann zu kurzen Verzögerungen des Operationsablaufs, die sich aber summierten. Bei der Platzierung ist dementsprechend darauf zu achten, dass möglichst alle drei Kameras freie „Sicht“ auf die LED der Instrumente respektive das OP-Gebiet haben. Es gestaltet sich häufig sehr schwierig, diese Sicht intraoperativ zu gewährleisten, da durch den Operateur, seinen Assistenten oder das OP-Personal unabsichtlich die Instrumente immer wieder verdeckt werden. Ein weiteres Problem stellen die Kabel der Instrumente dar, die ebenfalls die LED verdecken können. Als Alternative stellen einige Firmen bereits kabellose Systeme bereit, die aber teurer sind und schneller verschleißen. Beim Verdecken der LED wird als eingebaute [Seite 66↓]Kontrolle im Rahmen der Navigation das Bild auf dem Rechner eingefroren und es erscheint eine rote Hinterlegung.

4.1.2.6.  Abweichungen zwischen Navigation und Bildverstärker

Aufgrund unserer Erfahrungen im Bereich der Lendenwirbelsäule haben wir zur Kontrolle der Navigation einen Röntgenbildverstärker im lateralen Strahlengang benutzt. Dabei sahen wir regelmäßig Unterschiede in der Lage der Schrauben zwischen der Darstellung auf dem Navigationsbildschirm und dem Bildverstärker. Die Schrauben drohten entweder zu weit kranial oder kaudal eingebracht zu werden. Bei 7,1% der Schrauben betrug die Abweichung mehr als 3 mm. Damit wäre eine Perforation der Pedikel nach kranial oder kaudal möglich gewesen. Aufgrund der additiven Röntgenkontrolle konnten diese Perforationen verhindert werden. Allerdings ist zu bemerken, dass in dieser Studie nur 80% der Schrauben auf kraniale oder kaudale Fehllagen untersucht werden konnten. Dabei trat nur bei einer von 170 Schrauben eine kaudale Pedikelperforation mit < 2 mm auf. Der Einsatz des Röntgenbildverstärkers ermöglichte also eine korrekte Höhenbestimmung bzw. eine entsprechende Kontrolle der Navigation und sollte deshalb unbedingt eingesetzt werden.

Warum es bei einer relativ großen Anzahl von navigierten Schrauben zu solchen Abweichungen kommt, ist unklar. Weder der Hersteller noch andere Anwender (persönliche Mitteilungen) konnten diesen Sachverhalt bestätigen oder gänzlich erklären. Eine mögliche Erklärung ist die mathematische Verkippung des navigierten Wirbels durch ungleichmäßige Digitalisierung von Punkten. Dies kann dann auftreten, wenn zu viele Punkte in einer Ebene angepasst werden. Eine Definition von Punkten an anatomisch prominenten Stellen (Facetten, Processus spinosus, Knochenkanten etc.) schafft dagegen ein besseres dreidimensionales Modell des Wirbelkörpers. Da letztendlich nur ein Oberflächenmatching des Wirbelkörpers durchgeführt wird, werden Fehler oder Ungenauigkeiten umso evidenter, je weiter weg man von der Oberfläche des Wirbelkörpers mit dem Instrument gerät. Kleine Winkelabweichungen an der Oberfläche führen zu deutlichen Abweichungen von der Achse in der Tiefe des Wirbelkörpers, was sich im sagittalen Bild am besten verfolgen lässt.

Ein anderes Beispiel, das die Wichtigkeit des additiven Röntgenbildverstärkers unterstreicht, sind die auftretenden Navigationen des falschen Wirbelkörpers. Zweimal trat dieser Fehler in unserem Kollektiv auf, der zwar durch zu schlechte Qualitätsindices auffiel, aber nur mit dem Bildwandler bewiesen und korrigiert werden konnte.


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Schließlich konnten 21,4% der Patienten nicht ausschließlich navigiert operiert werden. Bei diesen Patienten musste intraoperativ auf die konventionelle Technik umgestiegen werden.

Diese Beispiele unterstreichen die Wichtigkeit einer intraoperativen Kontrolle mittels Röntgendurchleuchtung. Eine ausschließliches navigiertes Einbringen von Pedikelschrauben bei Patienten mit Frakturen mit dem von uns benutzten System ist nicht zu empfehlen. Dies zeigen auch die Erfahrungen anderer Autoren. [69]

4.1.2.7. Zeitbedarf der Navigation und der additiven Durchleuchtung

Pro Wirbelkörper dauerte das navigierte Einbringen der Pedikelschrauben im Durchschnitt 7 Minuten und 27 Sekunden mit einer Variabilität von 1 bis 20 Minuten. Schlenzka [63] berichtete, für die Präparation des Schraubenkanals und das Einsetzen der Schraube seien im Durchschnitt 4 min. 31 sec. benötigt worden. Insofern führt die additive Röntgendurchleuchtung zu einer Verlängerung der Einbringzeit, da der Operateur zwischen dem Computer- und Bildwandlerbildschirm hin und her sieht.

Die Operationszeit war in der navigierten Gruppe um durchschnittlich 41 Minuten länger als in der konventionellen Gruppe. Ein Vergleich der Zeiten erscheint aber insgesamt nicht sinnvoll, da unterschiedliche Diagnosen als auch unterschiedliche Operationsumfänge (Mehretagen, Laminektomie, ventrales Vorgehen) in beiden Gruppen vorlagen.

Die Röntgendurchleuchtung lag bei durchschnittlich 15,08 Sekunden pro Schraube mit einer Variabilität von 0 bis 58 Sekunden. Vergleichsdaten bezüglich der BWS bei konventioneller Technik existieren nicht. Bezüglich der LWS berichtete Jones [79] von einer durchschnittlichen Durchleuchtungszeit von 19,8 Sekunden pro Pedikelschraube bei konventioneller Technik. Man darf annehmen, dass aufgrund der schon mehrfach angeführten Besonderheiten an der BWS eine deutlich längere Durchleuchtungszeit resultieren muss. Trotzdem erscheint die von uns bestimmte Durchleuchtungszeit im ersten Moment als sehr hoch. Die Auswertung ergab, dass vor allem im oberen BWS Bereich und bei insgesamt schwieriger Navigation die Operateure länger durchleuchtet haben. Allerdings benutzten erfahrenere Operateure die Durchleuchtung weniger lang.

4.2. Lage der mit Navigation eingebrachten Pedikelschrauben

82,5% der 211 Schrauben konnten korrekt im Pedikel platziert werden. 13,3% perforierten um kleiner/gleich 2 mm und 4,3% lagen um mehr als 2 mm fehlplatziert. In der einzigen [Seite 68↓]vergleichbaren klinischen Studie mit dem gleichen System lag die korrekte Platzierung bei fast identischen 80%. [64]

In der Tabelle 14 findet sich eine Zusammenfassung der bisherigen Studienlage über thorakale Navigation.

Tabelle 14: Studienlage bezüglich Navigation an der BWS

Autor / Studie

Bereich

Diagnosen

Anzahl Schrauben navigiert

Korrekte Lage Navigation

Anzahl Schrauben konventionell

Korrekte Lage Konventionell

Arand [64]

Th 3-12

keine Angaben

45

36 (80%)

34

27 (79%)

Laine [65]

Th 8- 12

degenerativ

11

10 (91%)

32

21 (72%)

Youkilis [25]

Th 1-12

gemischt, keine exakten Angaben

224

205 (91,5%)

keine Vergleichs-gruppe

keine Vergleichs-gruppe

Amiot [14] (elektro-magnetisch)

Th 2-12

gemischt, 73% degenerativ

74

73 (98,6%) MRT Auswertung

70

61(87,1%) MRT Auswertung

Eigene Studie

Th 1-12

gemischt, 66% Frakturen

211

174 (82,5%)

113

77 (68,1%)

Die Tabelle zeigt, dass die bisher veröffentlichten Studien nur einen geringen Anteil von Patienten mit Frakturen hatten. Gerade diese Patientengruppe ist aber insofern interessant, als dass besondere Umstände die Navigation erschweren und entsprechend anspruchsvoll werden lassen. Dazu gehören die notfallmäßige Navigation teilweise bei Nacht und die durch die Frakturen und Repositionen verursachten Relativbewegungen der Wirbelkörper. Die erhobenen Daten zeigen, dass auch unter diesen Umständen eine signifikante Verbesserung der Schraubenlage im Gegensatz zur konventionellen Technik möglich ist.


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4.2.1.  Lage der Schrauben in Bezug auf die Wirbelkörperhöhe

Die in der Tabelle 8 dargestellten Perforationen bezogen auf die Wirbelkörperhöhen zeigen einen Trend zu weniger Fehllagen in den unteren Brustwirbelabschnitten (BWK 1-4: 22,9%; BWK 5-8 16,8%, BWK 9-12: 12,3 %). Vergleicht man aber die Fehllagen über 2 mm, so sind in den Bereichen BWK 5-8 (2,6%) und BWK 9-12 (0%) signifikant weniger Fehllagen aufgetreten als im Bereich BWK 1-4 (10%). Youkilis [25] dagegen fand im Bereich BWK 4-8 mit 16,7% die höchsten Perforationsraten, was sich aufgrund der relativ kleinen Pedikel in diesem Bereich auch erklären lässt. Die von uns angewandte additive Verwendung der Röntgendurchleuchtung könnte die Perforationsrate im mittleren thorakalen Bereich relativ gesenkt haben. Während im oberen thorakalen Bereich die Durchleuchtung aufgrund überlagernder Knochen- und Weichteilstrukturen nicht so suffizient war und entsprechend höhere Perforationsraten resultierten.

4.2.2. Mediale und laterale Perforationen

Laterale Perforationen traten mit 12,3% häufiger auf als mediale mit 5,2%. Dies entspricht auch den Ergebnissen anderer Studien. [20] [24] [26] Allerdings ließen sich trotz Navigation
Fehlplatzierungen von über 4 mm nach medial zweimal nicht vermeiden. Diese bergen ein hohes Risiko für eine Nervenläsion. Auch laterale Fehllagen von über 4 mm traten zweimal auf. Diese erheblichen Fehllagen kamen nur im Bereich BWK 1-6 vor. Mögliche Gründe dafür sind schon unter 4.2.1 beschrieben. Autoren anderer Studien berichten nicht über derart gravierende Fehllagen bei Nutzung von Navigationssystemen. [14] [25] [65] Lediglich Arand berichtete über navigierte Fehllagen bis zu 12 mm an der BWS. [64] Damit bietet die Navigation trotz statistisch signifikanter Verbesserung der Schraubenlagen keinen absoluten Schutz vor kritischen medialen und lateralen Fehllagen.

4.2.3. Relation der Schrauben- zum Pedikeldurchmesser

Der durchschnittliche Schraubendurchmesser betrug 75,1% des Pedikeldurchmesser (Variabilität 45-100%). Es wurden Schraubengrößen von 4-6 mm verwandt. Trotz der von anderen Autoren beschriebenen theoretisch bestehenden Gefahr der Pedikelberstung ab einer Relation von 80% Schrauben- zu Pedikeldurchmesser konnten wir keinen solchen Fall beobachten. [26] [27]


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4.2.4.  Nachteile der postoperativen CT-Auswertung

Die Auswertung der Pedikelschraubenlage erfolgte einfach blind durch einen unabhängigen Radiologen. Die visuelle Auswertung ist natürlich mit einer gewissen Fehlerrate behaftet. Bei den Titanschrauben liegt die in etwa zu erreichende Genauigkeit nach Yoo bei 87% [80] Die postoperative Auswertung der Pedikelschraubenlage mittels CT birgt aber noch ein weiteres Problem. Schließlich wurde nur die Bohrung bzw. Präparation des Kanals für die Pedikelschraube navigiert durchgeführt. Das Einbringen der Schrauben erfolgte konventionell mit einem T-Handgriff. Die Firma Medivision bietet prinzipiell die Möglichkeit, mit einem LED markierten T-Handgriff zu arbeiten. Wir haben allerdings diese Option nicht benutzt. Damit bleibt ein Risiko, dass eine Fehlplatzierung der Schraube trotz akkurater Schraubenkanalpräparation stattfindet, welches auch andere Autoren beschreiben. [64] Dies kann durch zu grobe Manipulation des Operateurs oder zu weichen Knochen (Osteoporose) verursacht sein. Auch die postoperative Lagerung und Mobilisation des Patienten kann einen Einfluss auf die Schraubenlage haben. Schließlich können Schrauben osteoporotischen Knochen durchwandern. Um eine exakte Lage der Schrauben nach Navigation zu erhalten, müsste also noch intraoperativ oder direkt postoperativ ohne Lagerung ein CT durchgeführt werden. Dies ist aus verständlichen Gründen nicht möglich. Wie hoch die dadurch verursachte Fehlerrate ist, lässt sich nicht angeben. Es liegen auch keine Literaturangaben darüber vor.

4.3. Vergleich mit konventionell eingebrachten Pedikelschrauben

68,1% der 113 Schrauben konnten korrekt im Pedikel platziert werden. 17,7% perforierten um kleiner/gleich 2 mm und 14,2% lagen um mehr als 2 mm fehlplatziert. Es fand sich nur eine (0,9%) Fehllage über 4 mm nach medial. 4 (3,5%) Schrauben perforierten lateral über 4 mm. Fehllagen über 6 mm kamen nicht vor. Insgesamt kam es häufiger zu lateralen (25,7%) als medialen (6,2%) Perforationen, wohl auch aufgrund der medial dickeren Pedikelwand.

In der aktuell größten veröffentlichten Studie von Belmont wurden 57% von 279 BWS-Pedikelschrauben korrekt platziert. [20] 29% der Schrauben perforierten nach lateral, 14% nach medial. Es kam zu insgesamt 15% Fehllagen über 2,1 mm.

Auch andere Autoren berichten von 25-46% Perforationen bei thorakalen Pedikelschrauben. [19] [15] Insofern stimmen die von uns erhobenen Daten mit der Literatur überein.

Im Vergleich mit den navigiert eingebrachten Schrauben war die Perforationsrate mit der konventionellen Technik (17,5% vs. 31,9%) signifikant höher (p<0,003). Auch die Fehllagen [Seite 71↓]über 2 mm (4,3% vs. 14,2%) waren signifikant höher (p<0,001). Beim Vergleich unterschiedlicher Wirbelkörperhöhen fanden sich lediglich bei BWK 9-12 signifikant weniger Peforationen in der navigierten Gruppe (p<0,018). Allerdings gilt es dabei die weiter unten beschriebene geringe Anzahl von konventionell platzierten Schrauben an der mittleren und oberen BWS zu beachten.

Komplikationen traten in beiden Gruppen nicht auf. Ein Patient der navigierten Gruppe wurde aufgrund einer klinisch nicht apparenten Fehllage reoperiert und die Schraube bei BWK 4 gewechselt.

Wie schon erwähnt, fällt in dieser Studie die nur geringe Schraubenanzahl in den Wirbelkörperhöhen BWK 1-8 auf. Bei BWK 1 wurden gar keine Schrauben konventionell platziert. Dafür finden sich 60,2% aller Schrauben im Bereich BWK 11 und 12 (siehe auch Graphik 2). Dieses Missverhältnis im Vergleich zur gleichmäßigeren Verteilung der navigierten Schrauben liegt zum einen daran, dass nur selten Frakturen im oberen Bereich der BWS auftraten. Die Fälle mit Befund in der oberen BWS waren typischerweise Tumoren oder Spondylodiszitiden. Bei diesen Patienten bestand aber genug Zeit für eine Navigationsplanung. Einige Patienten konnten in der Nacht bei notfallmäßiger Operationsindikation nur konventionell operiert werden, da weder ein in der Navigation erfahrener Operateur noch ein mit der Navigation erfahrener Assistent vor Ort war.

Zudem wurden zu Beginn des Untersuchungszeitraumes die Patienten noch deutlich öfter konventionell als navigiert operiert. Im Verlauf des Untersuchungszeitraumes wurde das Verfahren der Navigation immer etablierter und führte zu einer entsprechend zunehmenden Verwendung. Der Verzicht auf eine Randomisierung der Patienten ist dementsprechend als Schwäche dieser Studie anzusehen.


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4.4. Wie sinnvoll ist die CT-basierte optoelektronische Navigation an der BWS?

4.4.1.  Präzision

Eine der Hauptanforderung an ein Navigationssystem ist die Präzision. Optoelektronische Navigationssysteme sollen sich nach Grange [81] durch eine höhere Präzision im Vergleich zu elektromagnetischen Systemen auszeichnen. Schließlich fehle der ferromagnetische Einfluss der Umgebung. Die hier vorgestellten Ergebnisse sind aber im Vergleich zu denen der elektromagnetischen Navigation nicht besser. [14]

Die Präzision optoelektronischer Navigationssysteme liegt wie unter 1.3.5 schon beschrieben bei 1-1,7 mm. Aufgrund der tatsächlichen Pedikeldurchmesser von teilweise weniger als 6 mm und des Mindestdurchmessers von 4 mm der Pedikelschrauben sind Fehlplatzierungen vorprogrammiert. Perforationen bis 2 mm können also teilweise gar nicht verhindert werden. Auch in der hier vorgestellten Patientengruppe zeigte sich ein Trend zu höheren Perforationsraten bei den dünneren Pedikeln im Bereich BWK 5-8. Zudem verlaufen die Pedikel steiler als an der LWS. Es besteht also die Gefahr, dass die Korpuskortikalis lateral perforiert wird. Aus diesen Gründen ist eine parapedikuläre Verschraubung eine sinnvolle und auch navigiert durchführbare Alternative. [82] Sie sollte bei Pedikeldurchmessern < 6mm in Betracht gezogen werden.

Ein Argument, das immer wieder gegen eine CT-basierte Navigation angeführt wird, ist die Tatsache, dass das für die Planung nötige CT präoperativ in Rückenlage angefertigt wird. Intraoperativ liegt der Patient aber auf dem Bauch. Zudem wird durch die Lagerung bzw. den Operateur eine Reposition erreicht. Dies gilt vor allem bei Frakturen, wird aber bei der Navigation nicht berücksichtigt. [69] Zusätzlich existieren noch andere Einflüsse, die die Präzision der Navigation beeinflussen sollen. So untersuchte Glossop [83] die Bewegung von Lendenwirbelkörpern während der Operation und fand atemabhängige Bewegungen von bis zu 1,3 mm, sowie durch den Operateur hervorgerufene Bewegungen von bis zu 12,3 mm. Dieser Argumentation lässt sich folgendes entgegenhalten:

66% der in dieser Arbeit eingeschlossenen Patienten hatten Frakturen. Lediglich bei 3 Patienten führten wir eine transpedikuläre Verschraubung des frakturierten Wirbelkörpers im Sinne einer monosegmentalen Stabilisierung durch. Dies waren typischerweise inkomplette Berstungsfrakturen (A 3.1 nach Magerl [74]). Keine der Schrauben war fehlplatziert, wobei natürlich die geringe Anzahl zu berücksichtigen ist. Die Applikation von Pedikelschrauben in inkomplett geborstene Wirbelkörper technisch deutlich schwieriger und dementsprechend eine gute Indikation zur Navigation.

Bei zwei Wirbelkörpern war eine Navigation nicht möglich, da der Processus spinosus frakturiert war. Die Referenzbasis ließ sich nicht fest anbringen. In einem solchen Fall kann versucht werden, die Referenzbasis an einer anderen Struktur des Wirbelkörpers (Processus articularis inferior) anzubringen. Fixiert man sie dagegen am benachbarten Wirbelkörper, so kann es zu den weiter oben beschriebenen Relativbewegung kommen und somit die Präzision beeinflussen.

Die separate Anpassung eines jeden Wirbelkörpers und das Fixieren der Referenzbasis am Processus spinosus des zu navigierenden Wirbelkörpers kann aufgrund unserer Ergebnisse, wie auch der von anderen Autoren, als Standard empfohlen werden. [14], [66], [82]

4.4.2. Strahlenbelastung durch CT-basierte Navigation

Die CT-basierte Computer assistierte Navigation von Pedikelschrauben ist im Gegensatz zur Insertion unter Bildverstärkerkontrolle mit einer höheren Strahlenbelastung für den Patienten verbunden, wenn man die Strahlung des präoperativen CT mitberechnet. [70] Zwar wird zur Diagnostik und Klassifikation einer Wirbelkörperfraktur bzw. zur Diagnostik anderer Wirbelsäulenerkrankungen typischerweise sowieso ein CT benötigt, jedoch muss das CT für die Navigation an der BWS umfangreicher angefertigt werden (siehe auch 2.2.2). Es existieren aber keine Daten über die durchschnittliche Mehrbelastung an Strahlen für den Patienten.

Ein Vorteil der Navigation ist sicherlich die intraoperative Verminderung der Strahlenbelastung für den Operateur bzw. die im OP befindlichen Personen. Die durchschnittliche konventionelle transpedikuläre Schraubenapplikation belastet einen Chirurgen mit 10-40 mrem. [8]Durch eine ausschließliche Verwendung der Navigation entfällt diese Strahlenbelastung. In dieser Studie haben wir aber additiv zur Navigation die Durchleuchtung verwendet. Dabei variierten die [Seite 74↓]ermittelten Durchleuchtungszeiten stark (0-58 Sekunden) und lagen bei durchschnittlich 15,1 Sekunden. Jones [79] berichtete über eine durchschnittliche Durchleuchtungszeit von 19,8 Sekunden pro konventionell platzierter Pedikelschraube an der LWS. Bezüglich der BWS existieren keine Studien. Es ist aber aufgrund der unter 1.1 beschriebenen Besonderheiten davon auszugehen, dass die Durchleuchtungszeit deutlich länger sein muss. Die intraoperative Strahlenexposition für den Patienten und das OP-Personal wird also trotz additiver Durchleuchtung bei der Navigation durchschnittlich vermindert.

Die meisten Autoren verzichten bei der Navigation auf einen zusätzlichen Röntgenbildverstärker. Zumindest wird in den Publikationen dieser nicht erwähnt. [14] [63] [64]Aufgrund der unter 4.1.2.3 und 4.1.2.6 beschrieben Besonderheiten kann den Einsatz eines Röntgenbildverstärkers aber nur dringend empfehlen werden.

4.4.3. Navigation für unerfahrene oder erfahrene Operateure?

Die präoperative Planung der Navigation zwingt den Operateur, sich mit der individuellen Anatomie im Detail zu beschäftigen. Dabei ermöglicht die dreidimensionale Darstellung eine genaue anatomische Vorstellung des zu operierenden Gebietes. Durch die Planung der Trajektorien am 3D-Modell erlernt der Operateur die korrekte Platzierung der Pedikelschrauben. Fehler können sofort am virtuellen Modell erkannt und korrigiert werden. Theoretisches Wissen lässt sich so an einem Modell üben, bevor es in die Praxis überführt wird. Intraoperativ können die gesetzten Messpunkte (Landmarks) für die Anpassung (Matching) sowie die Schraubenlage von demjenigen der die Planung durchgeführt hat leichter rekapituliert und wiedergefunden werden. In den Fällen, wo Planung und Operation durch dieselbe Person durchgeführt wurden, gab es weniger Probleme bei der Anpassung (Matching).

Die Navigation, einschließlich der präoperativen Planung, ist demnach für noch unerfahrene Operateure zu empfehlen, um die korrekte Platzierung von Pedikelschrauben unter Aufsicht zu erlernen. Allerdings sollten die möglicherweise auftretenden Probleme und Tücken der Navigation bekannt sein. Insofern ist die Aussage von Gebhard [69] zu relativieren, der postulierte, die Anwendung der Navigation sollte an besondere Qualifikationen (Facharztstatus, Lehrgänge etc.) gebunden sein.

Erfahrene Operateure argumentieren häufig, die Navigation bringe keine Vorteile, da aufgrund der Erfahrung des Operateurs seltener Fehllagen vorkämen. Dies ist allerdings nur bedingt richtig. Nur wenige Operateure haben die Lage ihrer Pedikelschrauben an der BWS tatsächlich [Seite 75↓]im CT nachuntersucht. Diejenigen, die solche Untersuchungen durchführten, kamen zu dem überraschenden Ergebnis, dass sich ihre Fehlplatzierungsraten nicht signifikant von denen unerfahrener Operateure unterschied. [9] [10] [11]

Alle bisherige Studien über die Navigation an der Wirbelsäule zeigen nach entsprechender learning-curve eine deutliche, wenn nicht signifikante Senkung der Fehllagen unabhängig vom Operateur. [14] [15] [19] [63] [64] [65] [66]

4.4.4.  Navigation für den Notfallpatienten

Es ist nicht zwingende Vorraussetzung, dass Planung und Operation durch dieselbe Person durchgeführt werden. In unserer Klinik sind diese Aufgabenbereiche getrennt. Dies eröffnet u.a. bei frisch traumatisierten Patienten die Möglichkeit, dass die Operation (Zugang, Präparation der Wirbelkörper etc.) schon beginnen kann, während das Navigationsteam noch die Planung erstellt. Nach Durchführung des CT kann der Patient also direkt in den OP gebracht werden. Parallel erfolgt die Planung, so dass etwa 30-45 Minuten später die Navigation beginnen kann. Die durchschnittliche Dauer der präoperativen Planung betrug in unserem Kollektiv 38 Minuten 40 Sekunden. Dies belegt die Möglichkeit dieser Vorgehensweise. Von den 34 navigiert operierten Patienten mit Frakturen wurden insgesamt 14 (41,2%) notfallmäßig operiert. Die Navigation konnte dabei 11mal (78,6%) ausschließlich durchgeführt werden. 3mal (21,4%) musste aus unter 3.2.5 schon beschriebenen Gründen teilweise konventionell operiert werden.

Trotz des höheren personellen Aufwandes und der auftretenden technischen Probleme halten wir die Navigation für den Notfallpatienten in der Traumatologie für machbar und sinnvoll. In der Literatur finden sich bisher keine Angaben bezüglich der Navigation bei Notfallpatienten.

4.4.5. Kosten-Nutzen-Verhältnis der Navigation

Navigationssysteme sind teuer. Das von uns verwendete System kostet etwa 250.000 Euro.

Allerdings lässt sich die Hardware der Systeme nicht nur für die Wirbelsäulennavigation, sondern wie bei dem von uns benutzten System SurgiGATE® auch für die Becken- und Knienavigation einsetzen. Andere Anwendungsmöglichkeiten werden folgen.

In dieser Arbeit konnte zwar entsprechend den Ergebnissen anderer Anwender gezeigt werden, dass sich Pedikelschraubenfehllagen signifikant vermindern lassen. Erhebliche Abweichungen aber, wie die oben beschriebenen Schraubenfehllagen über 4 mm, ließen sich nicht endgültig verhindern. Technische Probleme bzw. Unzulänglichkeiten als auch Fehler in der Bedienung [Seite 76↓]sind Verursacher solcher Fehllagen. Damit stellt die Navigation trotz ihrer Vorteile nicht die endgültige Lösung des Problems der klinisch relevanten Fehllagen dar.

Neurologische Komplikationen durch fehlplatzierte Pedikelschrauben sind selten und werden in der Literatur zwischen 1-7% angegeben. [9] [11] [38] [39] [40] In seltenen Fällen muss eine Schraube tatsächlich entfernt werden. Meist sind die neurologischen Störungen auch ohne erneute Operation rückläufig. [10] In dieser Arbeit wurde eine der 211 navigiert platzierten Schrauben aufgrund ihrer Fehllage nach medial von > 6 mm auch ohne neurologisches Defizit revidiert. Dies entspricht 0,47% aller Schrauben. Indikationen, bei denen eine CT-basierte Navigation wenn immer möglich eingesetzt werden sollte, sind folgende:


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13.10.2004