J ORTHOP TRAUMA SURG REL RES 4 (16) 2009 Original article/artykuł oryginalny LECHOSŁAW F. CIUPIK 1, AGNIESZKA KIERZKOWSKA 2

Occipito-cervical anchorage method: some biomechanical aspects and clinical results; experience of last nine years Potyliczno-szyjna metoda kotwiczenia: niektóre biomechaniczne aspekty i kliniczne rezultaty; doświadczenia z ostatnich dziewięciu lat J ORTHOP TRAUMA SURG REL RES 4 (16) 2009 Original article/artykuł oryginalny LECHOSŁAW F. CIUPIK 1, AGNIESZKA KIERZKOWSKA 2 1 Instytut BioInżynierii Medycznej Centrum Badawczo-Rozwojowe/LfC 2 Instytut BioInżynierii Medycznej Centrum Badawczo-Rozwojowe/LfC i Uniwersytet Zielonogórski, Zielona Góra Address for correspondence/adres do korespondencji: Instytut Bioinżynierii Medycznej Centrum Badawczo-Rozwojowe/LfC, ul. Kożuchowska 41, 65-364 Zielona Góra, Poland Statistic/Statystyka Word count/liczba słów 2135/1617 Tables/Tabele 0 Figures/Ryciny 13 References/Piśmiennictwo 16 Received: 01.09.2009 Accepted: 28.09.2009 Published: 15.10.2009 Summary The treatment of spinal disfunctions in the occipito-cervical and cervical area poses a serious challenge and requires a non-typical biomechanical support with implants. The difficulty consists in simultaneous fixation of occiput and cervical vertebrae to the carrying rod. The orthopaedic wire, hooks and occipital screws that were used previously have been replaced with an anchor. An installation of the anchor in a bone involves turning it by 90 in a formerly prepared seat. The installation is intraoperatively easy, controlled by the surgeon in its biomechanical aspect, and reduces the need for frequent X-ray diagnostics. The firmness of anchor stabilization depends on the bone quality, the manner of its installation, and is higher than with other implants. Biomechanical and clinical examinations have confirmed the acceptability of the O C A M method and extended the possibilities of support in the pathologies of the occipito-cervical area. Key words: spine surgery, occipito-cervical stabilization, cervical stabilization, biomechanics Streszczenie Leczenie dysfunkcji kręgosłupa w obszarze potyliczno-szyjnym i szyjnym stanowi duże wyzwanie i wymaga nietypowego wsparcia biomechanicznego implantami. Trudność stanowiło jednoczesne mocowanie potylicy i kręgów szyjnych do belki nośnej/pręta. Stosowane dotychczas drut ortopedyczny, haki i śruby potyliczne oraz szyjne zastąpiono kotwicą. Instalacja kotwicy w kości polega na jej obróceniu o 90o we wcześniej przygotowanym gnieździe. Osadzanie jest łatwe śródoperacyjnie, przez chirurga kontrolowane pod względem biomechanicznym i ogranicza potrzebę częstej diagnostyki z X-ray. Pewność stabilizacji z kotwicą zależy od jakości kości, sposobu jej osadzenia jest większa niż przy zastosowaniu innych implantów. Badania biomechaniczne i kliniczne potwierdziły akceptowalność metody O C A M i rozszerzyły możliwości wsparcia schorzeń rejonu potyliczno-szyjnego. Słowa kluczowe: chirurgia kręgosłupa, stabilizacja potyliczno-szyjna, stabilizacja szyjna, biomechanika

Occipito-cervical anchorage method: some biomechanical aspects and clinical results; experience of last nine years 39 INTRODUCTION Stabilizations of the cervical spine [1-4] and the occipito-cervical border [5,6] are usually based on catching the bone with a hook, an epiphyseal bone screw and/or orthopaedic wire. Often, these stabilization methods fail to ensure functional and biological safety. Disadvantages of the traditional solutions include: multipoint fixation, a difficult implantation technique, and an increased risk of damaging the neuromuscular structures. A disadvantage of the hooks is an excessive mobility of the stabilized section and the risk of their being freed from the occiput or pediculum. The relation between the length of the hook s foot and the geometry of the bone (pediculum) is of significant importance here. Cervical screws introduced through the epiphysis increase the risk of damaging the medullo-radicular system and the need for an intensified intraoperative diagnostic control. The method requires a careful choice of the screw corresponding to the bone sizes as well as an X-ray control in the course of its insertion. It involves the danger of the screws being pulled out and migrating in the patient s body. The risk created by screw implementation grows in the case of occipital implantation. In 2000, a new implant binding the bone with the spinal rod was used. Due to its geometry and the manner of its fixation in a bone, the implant was called an anchor, and was initially adjusted to the occipital bone [7,8]. The first surgery with the use of occipital anchors was performed in 2000. The main reason for constructing anchors was the difficulty in multipoint fixation of the rod to the occiput and cervix at the same time. The method s superiority over the traditional solutions with hooks or screws [9,10], often with shortcomings [6,11], encouraged its inventors to analyse it further and to seek the possibilities of applying the anchorage stabilization in the cervical vertebrae. Since 2004, anchors have been used in the cervical spine as well [12,13] (the first surgery with an application of anchors in the lateral mass of cervical vertebrae Zakopane, May 2004). The method of simultaneous stabilization of occiput and cervix based on anchors and a rod was called O C A M (Occipito-Cervical Anchorage Method). The aim of the study is an evaluation of the usefulness of anchorage application according to the O C A M method in its engineering, bioengineering, preclinical and clinical aspect. MATERIAL AND METHODS The subject of the interdisciplinary studies was a spinal implant made of titanium alloy Ti6A14V in the form of an O C A M anchor, consisting of a segment with propellers, inserted into the bone by a 90-degrees turn, and a head segment fixed to the rod. The element is produced in two construction variants: uniaxial (Fig.1a) and multiaxial (Fig.1b), with the inclination angle up to 20. Engineering and bioengineering tests of the implants and implant groups of appropriate configuration were conducted parallely at the Institute of Medical Bioengineer- WSTĘP Stabilizacje kręgosłupa szyjnego [1-4] i pogranicza potyliczno-szyjnego [5,6] opierają się głównie na elementach zaczepowych za kość w postaci haka, wprowadzanej przeznasadowo śruby kostnej lub/i drutu ortopedycznego. Często stabilizacje te nie zapewniają funkcjonalnego i biologicznego bezpieczeństwa. Wadą tradycyjnych rozwiązań jest wielopunktowość mocowania, trudna technika implantacyjna oraz podwyższone ryzyko uszkodzenia struktur nerwowo-mięśniowych. Wadą haków jest nadmierna ruchomość stabilizowanego odcinka i ryzyko wypinania się z potylicy lub pediculum. Istotne znaczenie ma tu relacja pomiędzy długością stopy haka a geometrią kości (pediculum). Śruby szyjne wprowadzane przeznasadowo powodują podwyższone ryzyko uszkodzenia układu rdzeniowo-korzeniowego oraz konieczność wzmożonej śródoperacyjnej kontroli diagnostycznej. Wymagają uważnego doboru odpowiedniej śruby do rozmiarów kości i wprowadzania przy kontroli X-ray. Stwarzają zagrożenia wynikające z wyrywaniem i migracją w ciele pacjenta. Ryzyko stosowania śrub rośnie w przypadku implantowania do potylicy. W roku 2000 zastosowano nowy implant wiążący kość z prętem kręgosłupowym. Ze względu na geometrię i sposób mocowania w kości implant nazwano kotwicą, która początkowo dostosowana była do kości potylicznej [7,8]. Pierwsza operacja z użyciem kotwic w potylicy miała miejsce w 2000 r. Głównym powodem powstania kotwicy były trudności z wielopunktowym mocowaniu pręta jednocześnie do potylicy i szyi. Wykazana wyższość nad tradycyjnymi rozwiązaniami z hakami lub ze śrubami [9,10], często z niedomaganiami [6,11] zachęciły twórców do szerszej analizy i szukania możliwości wykorzystania kotwicznego sposobu łączenia w kręgach szyjnych. Od roku 2004 kotwice stosowane są również w części szyjnej kręgosłupa [12,13] (pierwsza operacja z użyciem kotwic w masywach bocznych (lateral mass) kręgów szyjnych Zakopane, maj 2004 r.). Metodę jednoczesnej stabilizacji potylicy i szyi bazującą na kotwicach i pręcie nazwano O C A M (Occipito Cervical Anchorage Method). Celem pracy jest inżynierska, bio-inżynierska, przedkliniczna oraz kliniczna ocena przydatności stosowania kotwic według metody O C A M. MATERIAŁ I METODY Przedmiotem interdyscyplinarnych badań był implant kręgosłupowy wykonany ze stopu tytanu Ti6Al4V w postaci kotwicy O C A M złożonej z części z śmigłami wprowadzanej w kość przez obrót o 90o oraz z części głowicowej mocowanej do pręta. Element ten występuje w dwóch wersjach konstrukcyjnych: uniaxial (ryc.1a) oraz multiaxial (ryc.1b) o kącie pochylania do 20. Testy inzynierskie i bio-inżynierskie implantów oraz grup skonfigurowanych odpowiednio implantów prowadzono równolegle w Instytucie Bioinżynierii Medycznej CBR/LfC oraz w laboratorium biomechanicznym Poli- 4 (16) 2009

40 L. F. CIUPIK, A. KIERZKOWSKA ing of R&D/LfC and at the biomechanical laboratory of the Wrocław University of Technology, mainly on the MTS MiniBionix resistance-testing machine. Preclinical trials were performed at the Warsaw University of Life Sciences (SGGW), with the participation of an interdisciplinary team of engineers, spine surgeons and veterinary surgeons. The engineering trials involved, among other methods, the Finite Element Method and an application of software for modelling and 3D visualization. The patterns of stress and deformation were determined. Simulation tests included geometrical models of the cervical spine, implants and surgical equipment. Bioengineering tests involved, among other procedures, an assessment of the possibilities of applying implants in various segments of the spine: the lateral mass [2,4], the occipital bone [14-16]. In order to establish the series of dimensional types and to select the areas where implant mounting would be biomechanically firm, maps of thickness distribution in the occipital bone, lateral mass of cervical vertebrae and other areas were created. An analysis of mating of the stabilizing elements with the occipital bone was performed by means of optical measurements of dislocations: electronic speckle pattern interferometry (ESPI) and holographic interferometry, the latter method being applied for determining the relation techniki Wrocławskiej, głównie na maszynie wytrzymałościowej MTS MiniBionix. Badania przed-kliniczne realizowano w Szkole Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie z udziałem interdyscyplinarnego zespół inżynierów, chirurgów kręgosłupa oraz chirurgów weterynarii. Badania inżynierskie prowadzono z wykorzystaniem między innymi metody elementów skończonych FEM (Finite Element Method) oraz oprogramowania do modelowania i wizualizacji 3D. Określano rozkłady odkształceń i naprężeń. Testy symulacyjne obejmowały między innymi modele geometryczne części szyjnej kręgosłupa, implantów i narzędzi chirurgicznych. Testy bio-inżynierskie polegały między innymi na ocenie możliwości zastosowania implantów w różnych częściach kręgosłupa: masyw boczny [2,4], kość potyliczna [14-16]. W celu określenia typoszeregu wymiarowego oraz wytypowania obszarów pewnego biomechanicznie osadzenia sporządzone zostały mapy rozkładu grubości między innymi kości potylicznej oraz masywów bocznych kręgów szyjnych. Analizę współpracy elementów stabilizatora z kością potyliczną przeprowadzono stosując optyczne pomiary przemieszczeń: elektroniczną interferometrię obrazów plamkowych ESPI oraz interferometrię holograficzną, którą wykorzystano do określenia relacji przemieszczeń Fig. 1. An O C A M anchor a) a monoaxial version, b) a multiaxial version Ryc. 1. Kotwica O C A M: a) w wersji monoaxial, b) w wersji multiaxial Fig. 2. The ways of mounting the anchor: a) in occiput: unicortical and bicortical, b) in cervical spine: lateral mass and simultaneous fixation in the lateral mass and across the joint Ryc. 2. Sposoby osadzenia kotwicy: a) in occiput: unicortical and bicortical, b) in cervical spine: lateral mass and simultaneous fixation in the lateral mass and across the joint

Occipito-cervical anchorage method: some biomechanical aspects and clinical results; experience of last nine years 41 of dislocation of the implanted anchor and bones at various load values [6]. Also, the effect of monocortical and bicortical anchor mounting in the occipital bone was analysed (Fig.2a). When the cervical area was implanted, there were two possible variants (Fig.2b): the anchor was placed in the lateral mass or in the mass with a simultaneous transarticular location. Biomechanical tests were designed to determine the strength of implant mounting in an animal bone and in a human occipital bone with respect to the size of the anchor ( 4, 6, 8 ) as well as the place and manner of its mounting in the bone tissue (mono- or bicortical). A comparative analysis examined the strength necessary to pull out anchors and bone screws of the same length of bone mounting, used in occipito-cervical stabilizations. The results of engineering and biomechanical tests were supplemented with trials on living animals goats. The implantation technique was evaluated, including an analysis of functionality of the suggested implantation procedure, handiness of the equipment and functionality of the stabilizer in the course of its several months long use in animal organisms. The final macroscopic postmortem examination assessed the condition of the stabilizer, the peri-implant tissues and the areas of their mutual reactions. During the tests, a new method of mounting the anchor implants in bones was applied. After two bores had been drilled, the remaining bone fragments were removed, as in Fig.3. Thus, holes of the dimensions 4.5 x 9.5 mm were prepared, fitting the dimensions of the propellers in the anchor. RESULTS The biomechanical aspect An example of a 3D model of an implanted O C A M stabilizer based on six anchors in the cervical segment and two anchors in the occipital area has been shown in Fig.4. Fig.5 presents an example of an analysis of the sum of dislocations in a configuration modelled on one level of the cervical spine and an example of the stress pattern in a single implant when an axial force was applied in zaimplantowanej kotwicy oraz kości przy różnych wartościach obciążeń [6]. Analizowano również wpływ mocowania kotwic w kości potylicznej: jednokorówkowo lub dwukorówkowo (ryc.2a). W przypadku umieszczenia implantu w części szyjnej były możliwe do osiągnięcia dwa warianty (ryc.2b): kotwica umieszczona w masywie bocznym lub usytuowana w masywie z jednoczesnym przezstawowym przejściem. Badania biomechaniczne miały na celu określenie siły utwierdzenia implantu w kości zwierzęcej oraz w ludzkiej kości potylicznej w zależności między innymi od rozmiaru kotwicy ( 4, 6, 8 ), a także miejsca i sposobu osadzenia w tkance kostnej (jedno- lub dwukorówkowo). Dokonano również analizy porównawczej siły wyrywania kotwic i siły wyrywania śrub kostnych o tej samej długości osadzenia w kości, używanych w stabilizacjach potyliczno-szyjnych. Wyniki badań inżynierskich i biomechanicznych uzupełniono badaniami na żywych zwierzętach kozach. Przeprowadzono ocenę techniki implantacji z analizą funkcjonalności zaproponowanej procedury wszczepiania, poręczności instrumentarium i funkcjonalności biostabilizatora podczas kilkumiesięcznej eksploatacji w organizmach zwierzęcych. Końcowe badania makroskopowe post mortem miały na celu ocenę stanu stabilizatora, tkanek okołoimplantowych oraz obszarów ich wzajemnego oddziaływania. Podczas testów zastosowano nową metodę osadzania implantów kotwicznych w kości. Po uprzednim nawierceniu dwóch otworów, usuwano pozostające fragmenty kostne, jak na ryc.3. W ten sposób przygotowywano otwory o wymiarach 4,5 na 9,5 mm odpowiadające wymiarom śmigieł w kotwicy. WYNIKI Aspekt biomechaniczny Przykładowy model 3D zaimplantowanego stabilizatora O C A M opartego na sześciu kotwicach w części szyjnej oraz dwóch w części potylicznej pokazano na ryc.4. Kolejna ryc.5 przedstawia przykład analizy sumarycznego stanu przemieszczeń w układzie zamodelowanym na Fig. 3. Preparation of an O C A M anchor seat in a bone Ryc. 3. Sposób przygotowania gniazda w kości pod kotwicę O C A M A B 4 (16) 2009

42 L. F. CIUPIK, A. KIERZKOWSKA the seat area and the anchor part with propellers was fixed. An analysis of the thickness and its distribution in the occipital bone as well as of the proportion of its cortical part to the spongiform part indicate the necessity to choose implants and their assemblies according to individual needs of a given patient. The results of optical measurement methods reveal that anchorage stabilization causes local disturbances in the deformations of the occipital bone Fig.6. An additional insertion of a suboccipital hook increases the stability of the system, reducing the dislocation of the stabilizer by approximately 30%. A very important part of the procedure is an appropriate preparation of the bores for anchors, which is vital for the firmness of their mounting in the bone tissue. The results of biomechanical tests confirm that the anchors successfully perform the role of a catching element in spinal stabilization, particularly of the cervical part from a posterior surgical access. Moreover, observations reveal that the strength of anchorage depends to a large extent on the quality of the bone at the site of mounting and on the correct preparation of the anchor seat. Fig.7. Much more advantageous is the bicortical mounting as it increases the pull-out strength F up to ~1100 N for 6 and ~700 N for 4. The height of the anchor has jednym poziomie kręgosłupa szyjnego oraz przykład rozkładu naprężeń w pojedynczym implancie przy zastosowaniu osiowej siły w części gniazdowej i utwierdzeniu w części kotwicznej ze śmigłami. Przeprowadzona analiza grubości kości potylicy, rozbieżności w grubości oraz stosunku części korowej i gąbczastej wskazują na konieczność doboru implantów oraz ich zestawów odpowiednio do cech osobniczych danego chorego. Wyniki otrzymane przy zastosowaniu optycznych metod pomiarowych wskazują, że stabilizacja na kotwicach powoduje lokalne zaburzenia w odkształceniach kości potylicznej ryc.6. Wprowadzenie dodatkowo haka podpotylicznego zwiększa stabilność układu redukując o około 30% przemieszczenie stabilizatora. Bardzo ważnym elementem procedury jest odpowiednie przygotowanie otworów pod kotwice, decydujące o jakości utwierdzenia w tkance kostnej. Wyniki z przeprowadzonych badań biomechanicznych potwierdzają, że spełniają dobrze rolę elementu zaczepowego w stabilizacjach kręgosłupa, szczególnie części szyjnej z dostępu operacyjnego tylnego. Przy czym z obserwacji wynika, że siła utwierdzenia kotwicy w dużym stopniu zależy od jakości kości w miejscu osadzenia oraz prawidłowego przygotowania łoża ryc.7. Znacznie korzystniejsze jest mocowanie dwukorówkowe, które podwyższa siłę F wyrywania do ~1100 N dla 6 i ~700 N dla 4. Mniejszy wpływ, do około 10%, Fig. 4. 3D visualization of the implant geometry and adjustment to the anatomy of the occipito-cervical passage Ryc. 4. Wizualizacja 3D geometrii implantów i dopasowania do anatomii przejścia potyliczno-szyjnego

Occipito-cervical anchorage method: some biomechanical aspects and clinical results; experience of last nine years 43 less influence on the resistance to pulling out (F force): up to about10%. The pull-out forces (F) for bone screws of length L=6 mm were several times lower than those necessary for pulling out anchors of the same length Fig.7 [12,13]. na opór (siłę F) przy wyrywaniu ma natomiast wysokość kotwicy. Siły F wyrywania otrzymane dla wkrętów kostnych o długości L=6 mm były kilka razy mniejsze w odniesieniu do sił potrzebnych na wyrwanie z kości kotwic o tej samej długości ryc.7 [12,13]. Fig. 5. Examples of FEM results: a) the sum of dislocations in the configuration: stabilizerbone, b) the stress pattern in a single implant according to von Mises Ryc. 5. Przykłady wyników FEM: a) sumaryczny stan przemieszczeń w układzie stabilizator - kość, b) rozkład naprężeń wg von Misesa w pojedynczym implancie Fig. 6. An example of optical methods used for an assessment of the dislocation value of a stabilizer mounted on a specimen of the occipital bone [6] Ryc. 6. Przykład zastosowania metod optycznych do oceny wartości przemieszczeń stabilizatora zamocowanego na preparacie kości potylicznej [6] Fig. 7. A comparative analysis of the firmness of mounting the screws and anchors in a bone, with the monocortical and bicortical method Ryc. 7. Analiza porównawcza utwierdzenia w kości śrub i kotwic, osadzonych jedno- i dwukorówkowo 4 (16) 2009

44 L. F. CIUPIK, A. KIERZKOWSKA Tests on goats confirmed the functionality of the implant and the procedure as well as the safety of its application in tissues (Fig.8). A postmortem analysis of the area of contact between the titanium alloy and the tissue revealed high biotolerance. No reactions of the organism were discovered around the implants that would indicate the lack of bioacceptability. The clinical aspect The O C A M stabilizers have been designed for biomechanical support in the course of surgical treatment from the posterior surgical access: the cervicocranial border stabilization of the O C A S type (Occipito-Cervical Anchorage Stabilization), and the cervical segment of the spine stabilization of the C A S type (Cervical Anchorage Stabilization) Fig.9. In practice, the O C A M method allows to build elementary stabilizing systems consisting of anchors as the main element that joins the rod with the bone, or, in conditions found in the course of the surgery, provides the possibility to supplement/replace them flexibly with screws, hooks etc. Badania na kozach potwierdziły funkcjonalność implantu i procedury oraz bezpieczeństwo jego stosowania w tkankach (ryc.8). Analiza post mortem kontaktu stop tytanu-tkanka wykazały wysoką biotolerancję. Nie zanotowano jakichkolwiek reakcji organizmu i odczynów wokół implantów wskazujących na brak bioakceptowalności. Aspekt kliniczny Stabilizatory według metody O C A M przeznaczone są do wspomagania biomechanicznego przy leczeniu chirurgicznym z dostępu chirurgicznego tylnego: pogranicza szyjno-czaszkowego stabilizacja typu O C A S (Occipito Cervical Anchorage Stabilization) oraz odcinka szyjnego kręgosłupa stabilizacja typu C A S (Cervical Anchorage Stabilization) ryc.9. Metoda O C A M w praktyce umożliwia w sposób elementarny budowanie układów stabilizacyjnych składających się z kotwic, jako głównego elementu łączącego pręt z kością lub w stwierdzonych śródoperacyjnie warunkach daje możliwość elastycznego dobierania/ zamiany na śruby, haki,.... Fig. 8. The view of an anchorage system implanted in a goat: a) an intraoperative photography, b) a postoperative X- ray image Rys. 8. Widok zaimplantowanego systemu kotwicznego w kozie: a) zdjęcie śródoperacyjne, b) rtg pooperacyjne Fig. 9. Possibilities of constructing configurations for occipitocervical and cervical stabilization with the O C A M method Ryc. 9. Możliwości budowania układów stabilizacji potylicznoszyjnej i szyjnej z użyciem metody O C A M

Occipito-cervical anchorage method: some biomechanical aspects and clinical results; experience of last nine years 45 The occipito-cervical and cervical system consists of: carrying elements in the form of two cervical spinal rods (C A S) or two independent, appropriately moulded occipito-cervical brackets (O C A S); catching elements, introduced into the bone tissue, in the form of: a set of anchors, cervical hooks and screws (for O C A S and C A S) and an additional occipital and suboccipital hook (for O C A S): bracing elements in the form of at least one transverse connector. The construction of the fixation elements in the O C A M method allows to use the anchor in a broad and flexible way by inserting it into the lateral mass and/or the occipital bone, with a simultaneous possibility of combining it with other implants, such as hooks or screws. Examples of system configurations with applications in clinical practice have been presented in Fig.10-13. Several years of experience have confirmed that O C A M is a successful method in treating a wide range of disorders and injuries. The basic clinical indications include: instabilities of the craniospinal border and the cervical spine; dislocations or subluxations; fractures of the cervical vertebra; segmental instability occurring as a result of iatrogenic, neoplastic, rheumatoid and infectious changes. Systemy potyliczno-szyjny oraz szyjny tworzą: elementy nośne w postaci dwóch prętów kręgosłupowych szyjnych (C A S) lub dwóch niezależnych, specjalnie profilowanych wsporników potyliczno-szyjnych (O C A S); elementy zaczepowe, wprowadzane w tkankę kostną w postaci: zestawu kotwic, haków szyjnych i śrub (dla O C A S i C A S) oraz dodatkowo haka potylicznego i podpotylicznego (dla O C A S); elementy spinające w postaci przynajmniej jednego łącznika poprzecznego. Konstrukcja elementów fiksacji według metody O C A M pozwala na szerokie i elastyczne wykorzystanie kotwicy przez wprowadzenie w masyw boczny lub/i w kość potyliczną przy jednoczesnej możliwości stosowania z innymi implantami, jak haki czy śruby. Przykładowe konfiguracje układów z przykładami zastosowania w praktyce klinicznej przedstawiono na ryc.10-13. Z kilkuletnich doświadczeń klinicznych wynika, że O C A M to metoda skutecznie obsługująca dużą gamę schorzeń i urazów. Podstawowymi wskazaniami klinicznymi są: niestabilności pogranicza czaszkowo-kręgosłupowego oraz odcinka szyjnego kręgosłupa; zwichnięcia lub podwichnięcia; złamania kręgu szyjnego; niestabilność segmentowa występująca w wyniku zmian jatrogenicznych, neoplazmatycznych, reumatoidalnych oraz infekcyjnych. Fig. 10. Examples of a cervical C A S stabilizer based on anchors Ryc. 10. Przykłady stabilizatora szyjnego C A S opartego na kotwicach Fig. 11. Examples of a cervical C A S stabilizer based on screws and anchors Ryc. 11. Przykłady stabilizatora szyjnego C A S opartego na śrubach i kotwicach 4 (16) 2009

46 L. F. CIUPIK, A. KIERZKOWSKA Clinical reports (5-9 years of follow-up) indicate that the new method increases the efficacy of treatment while reducing the patient s load. DISCUSSION The O C A M method with an occipital anchor constitutes a good alternative for the stabilizers that have been used so far in the treatment of disfunctions of the cervix and the occipito-cervical border. O C A M is a thorougly new solution, whose originality lies in the construction of the anchor and the manner of its connecting with the bone. Several years of multi-center and interdisciplinary studies [9,10,11,12] have shown that the new method combines the advantageous properties of the fixation based on hooks and bone screws, at the same time displaying higher biomechanical functionality and surgical safety, with a reduced intraoperative, including radiological, load of the patient. The application of anchors facilitates the process of selecting and constructing the corrective-stabilizing systems by the surgeon and reduces the patient s load. The results of tests indicate that the new way of mounting the implants by a 90-degree turn and the use of anchors increases the stability of the treated segment, accelerating the therapeutic process and being first of all easy and surgically safe. It has been estimated that to date anchor stabilizers have been applied in almost 180 cases, in 19 Polish hospitals and clinics (among others, in Łódź 37%, Zakopane 11%, Poznań 8%, Wrocław 7%, Włocławek 7%), and in several dozens of cases in Mexico and Greece, which has been reflected in scientific medical publications. Doniesienia kliniczne (5-9 years of follow up) wykazują, że nowa metoda wpływa na zwiększenie efektywności leczenia przy mniejszym obciążeniu pacjenta. DYSKUSJA Metoda O C A M z kotwicą potyliczną stanowi dobrą alternatywę dla stabilizatorów stosowanych dotychczas w leczeniu dysfunkcji szyi oraz pogranicza potyllicznoszyjnego. O C A M to całkowicie nowe rozwiązania, którego oryginalność wynika z konstrukcji elementu w postaci kotwicy oraz sposobu łączenia z kością. Jak wykazały kilkuletnie, międzyośrodkowe i interdyscyplinarne badania [9,10,11,12], nowa metoda korzystnie łączy w sobie cechy fiksatorów opartych na hakach i śrubach kostnych, charakteryzuje się większą biomechaniczną funkcjonalnością i chirurgicznym bezpieczeństwem przy zmniejszonym obciążeniu śródoperacyjnym, w tym radiologicznym pacjenta. Zastosowanie kotwic w praktyce ułatwia chirurgowi proces dobierania i budowania układów korekcyjno-stabilizacyjnych i mniej obciąża pacjenta. Uzyskane wyniki doświadczalne wskazują, że nowy sposób mocowania przez obrót o 90 z uzyciem kotwic zwiększa stabilność leczonego odcinka, przyśpieszając proces leczenia, a przede wszystkim jest łatwy i bezpieczny chirurgicznie. Szacuje się, że na dzień dzisiejszy stabilizatory kotwiczne zostały zastosowane w blisko 180 przypadkach, w dziewiętnastu polskich szpitalach i klinikach (między innymi w Łodzi-37%, Zakopanem-11%, Poznaniu-8%, Wrocławiu-7%, Włocławku-7% i innych) oraz kilkadziesiąt przypadków w Meksyku i Grecji, co znalazło odzwierciedlenie naukowych publikacjach medycznych. Fig. 12. Examples of an occipito-cervical O C A S stabilizer based on hooks in the cervical part and on anchors with suboccipital hooks in the occipital part Ryc. 12. Przykłady stabilizatora potyliczno-szyjnego O C A S opartego na hakach w części szyjnej oraz kotwicach z hakami podpotylicznymi w części potylicznej Fig. 13. Examples of an occipito-cervical O C A S stabilizer based on anchors in the cervical and occipital part Ryc. 13. Przykłady stabilizatora potyliczno-szyjnego O C A S opartego na kotwicach w części szyjnej oraz potylicznej

Occipito-cervical anchorage method: some biomechanical aspects and clinical results; experience of last nine years 47 CONCLUSIONS 1. The new stabilization method - O C A M (Occipito- Cervical Anchorage Method) - constitutes an alternative for traditional solutions and is an original procedure throughout the world. The anchor, thanks to its innovative construction, is characterized by its special way of mounting in the bone, by turning it by 90, that is surgically easy and simple to be evaluated intraoperatively. 2. The safety of application of O C A M results from: wide possibilities of constructing and selecting biomechanical systems according to a patient s individual traits and to the type of disorder as well as the possibility to replace intraoperatively the anchors with other implants in case of failure due to e.g. insufficient strength of the bone tissue; simple implantation technique; controlled implantation, without blind stages in the procedure and with limited intraoperative diagnostics of the X-ray type; increased firmness of the stabilized configuration: implant-bone; higher efficacy of treatment as compared to other methods. 3. O C A M is a method of wide possibilities, qualified as an Open Door Surgery technique, with still wide perspectives of development in supporting the treatment of other disorders. 4. The use of implants in the treatment of the occipitocervical area, including the application of O C A M, requires extensive surgical experience. Acknowledgements 1) The study made use of the results of a Research and Development Report, a project co-financed by the Ministry of Science and Higher Education in 2000-2003 (no. 10 T11 022 2000 C/ 5312). 2) The authors thank the staff of the Wrocław University of Technology for their participation in biomechanical tests; the surgical teams headed by Dr J. Pieniążek from Bytom, Prof. D. Zarzycki from Zakopane, Prof. A. Radek from Łódź, the surgeons from Mexico and Greece, and to Mr. P. Malinowski for the observations related to the application of the O C A M method. WNIOSKI 1. Nowa stabilizacja według metody O C A M (Occipito Cervical Anchorage Method) stanowi alternatywę dla znanych rozwiązań i oryginalnym rozwiązaniem w świecie. Kotwica dzięki nowatorskiej konstrukcji, posiada również specjalny sposób osadzania w kości przez obrót o 90, łatwy chirurgicznie i prosty w ocenie śródoperacyjnej. 2. Bezpieczeństwo stosowania O C A M wynika z: dużych możliwości w budowaniu i doborze układów biomechanicznych odpowiednio do cech osobniczych pacjenta oraz rodzaju schorzenia, a także możliwości śródoperacyjnego zastąpienia kotwic innymi implantami w przypadku wystąpienia niepowodzenia wynikającego np. z niedostatecznie wytrzymałej tkanki kostnej; prostej techniki wszczepiania; implantacji kontrolowanej, bez ślepych etapów w procedurze i z ograniczoną diagnostyką śródoperacyjną typu X-ray; zwiększonej pewności stabilizowanego układu implant-kość; podwyższonej efektywności leczenia w stosunku do innych metod. 3. O C A M to metoda o dużych możliwościach, zakwalifikowana do technik z grupy Open Door Surgery, wciąż o dużych perspektywach rozwoju we wspomaganiu innych schorzeń. 4. Stosowanie implantów w leczeniu regionu potylicznoszyjnego, w tym z użyciem metody O C A M wymaga dużego doświadczenia chirurgicznego. Podziękowania 1) W pracy wykorzystano wyniki z raportu (R+D), projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w latach 2000-2003 (nr 10 T11 022 2000 C/5312). 2) Autorzy dziękują pracownikom Politechniki Wrocławskiej za udział w badaniach biomechanicznych; zespołom chirurgów kierowanym przez dr J. Pieniążka z Bytomia, przez prof. D. Zarzyckiego z Zakopanego, przez prof. A. Radka z Łodzi oraz chirurgom z Meksyku i Grecji, a także panu P. Malinowskiemu w zakresie obserwacji związanych ze stosowaniem metody O C A M. 4 (16) 2009

48 L. F. CIUPIK, A. KIERZKOWSKA References/Piśmiennictwo: 1. Xiang-Yang M., Qing-Shui Y., Zeng-Hui W., Hong X., Jing-Fa L., Ming X., Wei-Dong Z., Shi-Zhen Z.: C1 pedicle screws versus C1 lateral mass screws. Spine 2009; 4 (34): 371-377. 2. Jones E.L., Heller J.G., Silcox D.H., Hutton W.C.: Cervical pedicle screw versus lateral mass screws. Spine 1997; 9 (22): 977-982. 3. Lindesy R.W., Miclau T.: Posterior lateral mass plate fixation of the cervical spine. J South Orthop. Assos. 2000; 9(1): 36-44. 4. Richter M., Miller B.A., Nabil A.E., Rongming X., Richard A.Y.: Anatomic consideration of transpedicular screw placement in the cervical spine. Spine 1996; 20 (21): 2317-2322. 5. Richter M., Wilke. Kluger, Neller S., Claus L., Puhl W.: Biomechanical evalution of a New modular rod-screw implant system for posteriar instrumentation of the occipito-cervical spine: invitro comparison with two established implant systems. Eur Spine J 2000; 9:417-425. 6. Szotek S.: Wpływ systemów stabilizacji na przemieszczenia struktur kostnych odcinka szyjnego kręgosłupa człowieka. PhD-thesis. Wrocław: Politechnika Wrocławska, 2003. 7. Jankowski R., Nowak S., Żukiel R., Blok T.: Stabilizacja potyliczno-szyjna. Zielona Góra: Spondyloimplantologia zaawansowanego leczenia kręgosłupa; 2005: 81-90. Dostępny pod adresem: www.lfc.com.pl. 8. Krul W., Graczyk J., Jedynak J., Jędrzejczyk A.: Doświadczenia własne w stosowaniu systemów stabilizacyjnych kręgosłupa firmy LfC. Zielona Góra: Spondyloimplantologia zaawansowanego leczenia kręgosłupa; 2005: 123-131. Dostępny pod adresem: www.lfc.com.pl. 9. Tęsiorowski M., Zarzycki D., Ciupik L., Łabędzka A., Lipik E.: Kotwica potyliczna nowy wszczep w stabilizacji potyliczno-szyjnej; aspekty biomechaniczne i kliniczne. Ortopedia, Traumatologia, Rehabilitacja 2000; 3: 77-80. 10. Łabędzka A., Ciupik L., Tęsiorowski M., Zarzycki D.: Biomechaniczne uwarunkowania stosowania kotwicy potylicznej w stabilizacji pogranicza czaszkowo-kręgosłupowego. Acta of Bioengineering and Biomechanice 2001; 3 (1): 135-144. 11. Abumi K., Shono Y., Ito M., Taneichi H., Kotani Y., Kaneda K. : Complications of pedicle screw fixation in reconstructive surgery of the cervical spine. Spine 2000; 8 (25): 962-969. 12. Ciupik F.L., Kierzkowska A.: Ocena biomechaniczna zastosowania kotwic w stabilizacji potyliczno-szyjnej i szyjnej metodą OCAM/DERO. Spondyloimplantologia zaawansowanego leczenia kręgosłupa; 2005: 47-54. Dostępny pod adresem: www.lfc.com.pl. 13. Ciupik L., Kierzkowska A., Jarmundowicz W., Radek A., Zarzycki D.: Ocena wytrzymałości utwierdzenia tytanowej kotwicy OCAM z przeznaczeniem do kręgosłupa. Engineering of Biomaterials 2004; 38-43: 77-79. 14. Zipnick R.I., Meroia A.A., Gorup J., Kunkie K., Shin T., Caruso S.A., Haher T.R.: Occipital Morphology. Spine 1996, 15 (21): 1719-1724. 15. Ebraneim N.A., Lu J., Biyani A., Brown J.A., Yeasting R.A.: An anatomic study of the thickness of the occipital bone. Spine 1996; 15 (21): 1725-1730. 16. Roberts D.A., Doherty B.J., Heggeness M.H.: Quantitative Anatomy of the occiput and the biomechanics of occipital screw fixation. Spine 1998; 10 (23): 1100-1108.