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Huber-Wagner, Stefan Matthias (2002): Spannungsoptische Untersuchung verschiedener Stabilisierungsverfahren (Dynamische Hüftschraube, Gamma-Nagel, Proximaler Femur-Nagel) bei pertrochantären Femurfrakturen. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Die vorliegende Untersuchung zielte zum einen auf die Entwicklung eines Modells zur in vitro Testung von pertrochantären Frakturen ab, zum anderen auf das Sichtbarmachen des Kraftflusses an der Oberfläche des proximalen Femur sowie auf die Darstellung der Veränderungen dieses Kraftflusses, bedingt durch verschiedene Stabilisierungsverfahren für pertrochantäre Femurfrakturen. Es ist nach wie vor wenig darüber bekannt, wie der Kraftfluss am proximalen Femur erfolgt, insbesondere darüber, wie die Kraftübertragung in den Femurknochen erfolgt, wenn dieser mit unterschiedlichen, für die Versorgung von pertrochantären Frakturen üblichen Systemen stabilisiert wird, nämlich der Dynamischen Hüftschraube (= DHS), dem Gamma-Nagel oder dem Proximalen Femur Nagel (= PFN). Aus diesem Grund erfolgte die Entwicklung eines Testmodells, welches es ermöglichte, den Kraftfluss am standarisiert-frakturierten humanen Leichenfemur sichtbar zu machen. Diese Visualisierung wurde mittels der PhotoStress-Methode erzielt: Optisch aktive Polymerschichten wurden direkt auf das gewünschte Testobjekt modelliert. An der Oberfläche des belasteten Femur wurden nun unter polarisiertem Licht farbige Belastungslinien (= Isochromaten) sichtbar, welche exakt meßbar und einer definierten Dehnung zuordbar sind. Nach der Entwicklung eines Testmodells (2 Femurpaare), welches eine möglichst physiologische Simulation einer Belastung erlaubt, wurden 10 Paare frischer Leichenfemora unter den Bedingungen der Steh-Phase während des Gehens mit einer Geschwindigkeit von 2 km/h getestet, was einer typischen Belastung in der früh-postoperativen Zeit gleichkommt (F = 9°, T = 0°, Belastung = 300% des Körpergewichts, Bergmann 1993). Folgende Konfigurationen wurden gegeneinander getestet: DHS versus Gamma-Nagel, Gamma-Nagel versus PFN, PFN-Stahl versus PFN-Titan. Die Tests wurden in 2 Schritten ausgeführt: a) Testung des nativen Femur. b) Testung des standarisiert-frakturierten Femur nach Stabilisierung mit einem der 3 Implantate. Die jeweiligen gemessenen Isochromatenordnungen N konnten so miteinander verglichen werden. Unter Bezug auf die eingangs erwähnten Ziele dieser Studie läßt sich folgendes festhalten: 1. Es ist gelungen, ein Modell zu entwickeln, welches es ermöglicht, humane Leichenfemora in vitro einer möglichst physiologischen Belastungssituation auszusetzen. Diese Belastungssimulation diente im weiteren Verlauf zur Testung von Femora, die nach Erzeugung einer artifiziellen, pertrochantären Hüftfraktur mit unterschiedlichen Osteosyntheseverfahren stabilisiert wurden. 2. Die PhotoStress-Methode, auch spannungsoptisches Oberflächenschichtverfahren genannt, ist in der Lage, sinnvolle und weiterführende Erkenntnisse in der in vitro Untersuchung von künstlich frakturierten, unter Belastung stehenden Femora zu liefern. 3. In der vorliegenden Arbeit ließen sich eindeutige biomechanische Unterschiede der drei Implantate DHS, Gamma-Nagel und PFN aufdecken. Derartige Unterschiede lassen sich sehr gut mit Erfahrungen aus dem klinischen Gebrauch der Implantate korrelieren. Aus den experimentell gewonnenen Ergebnissen können eindeutige Schlußfolgerungen für eine optimierte klinische Anwendung dieser Osteosynthesematerialien gezogen werden. Nach der Beantwortung der eingangs gestellten, allgemeinen Ziele bzw. Fragen, nun zu den konkreten Schlussfolgerungen, die aus den durchgeführten Versuchen gezogen werden können: 1. Die verwendete PhotoStress-Methode ermöglicht es erstmals, den Kraftfluss am belasteten, frakturierten, humanen Leichenfemur zu visualisieren. Sie stellt somit ein wichtiges methodisches Instrument für die medizinisch-biomechanische Testung von Osteosynthesematerialien dar. 2. Das Sichtbarmachen der Kraftlinien am proximalen Femur mittels Oberflächenspannungsoptik erlaubt es, Testmodelle zu entwickeln, welche eine möglichst physiologische Belastungssimulation zulassen. Die in zahlreichen Studien weit verbreitete Krafteinleitung in das Femur mit einem (zu großen) Winkel F (z. B. F = 25°) führt zu einem unphysiologischen, artifiziellen Biegemoment im Femurschaftbereich. Dieses Biegemoment konnte in unserem Modell unter Zuhilfenahme der PhotoStress-Methode durch einen auf F = 9° verminderten Winkel minimiert werden. Diese Art der Krafteinleitung erlaubt somit eine Minimierung von Artefakten. 3. Für die DHS zeigt sich, dass sie ein physiologischeres Spannungsmuster erzeugt als der Gamma-Nagel. Dies ist auf die Konzeption als „load sharing“ Implantat zurückzuführen. Eine Refixierung des medialen Fragmentes ist aus biomechanischer Sicht sinnvoll, und sollte, wenn klinisch ohne zu großen Aufwand möglich, erfolgen. Die DHS zeigt eine ausreichende Maximalbelastbarkeit auch in unphysiologisch hohen Belastungen, wenngleich die Maximalbelastbarkeit deutlich unter der des Gamma-Nagels liegt. Während der Belastungsphasen erscheint das Frakturrisiko für die DHS deutlich niedriger als für den Gamma-Nagel. Das Spannungsmuster der DHS liegt dem nativen Spannungsmuster von allen drei getesteten Implantaten am nächsten. 4. Für den Gamma-Nagel gilt, dass er aufgrund seiner Konfiguration als „load bearing“ Implantat einen Großteil der Kraft selbst trägt. Er zeigt im Gegensatz zur DHS eine wesentlich größere Maximalbelastbarkeit. Der Gamma-Nagel weist einen deutlich kürzerem Hebelarm auf als die DHS. Als Hauptkomplikation muß die distale Femurschaftfraktur (ausgehend von den distalen Verriegelungsschrauben) gefürchtet werden. Aufgrund seiner Konfiguration erscheint der Gamma-Nagel besonders für instabile Frakturen geeignet. 5. Proximaler Femur Nagel und Gamma-Nagel führen am frakturierten Femur zu einem qualitativ sehr ähnlichen Stressmuster. Um das Risiko für Frakturen im Bereich der distalen Verriegelungsschrauben zu minimieren, ist es unbedingt zu empfehlen, bei beiden Implantaten distal nur mit einer statt mit zwei Schrauben zu verriegeln. Dies führt zu einer Verringerung von Interferenzen, welche durch die Verwendung von zwei distalen Verriegelungsschrauben hervorgerufen werden. Die zu erwartenden Spannungsspitzen in diesem Bereich sind für den PFN geringer als für den Gamma-Nagel. Soll aus klinischen Gründen heraus distal dennoch mit zwei Schrauben verriegelt werden, so ist die Gefahr für eine spätere Schaftfraktur bei Anwendung des Gamma-Nagels deutlich größer als für die Anwendung des PFN. Die Maximalbelastbarkeit der beiden intramedullären Kraftträger ist in etwa vergleichbar groß. Wichtig ist es, darauf hinzuweisen, dass die Isochromatenwerte im Bereich der Verriegelungsbolzen beim PFN stets deutlich unter denen des Gamma- Nagels waren. Somit zeigt der PFN gegenüber dem Gamma-Nagel ein eindeutig vorteilhaftes Spannungsmuster. Einen weiteren Vorteil zeigt der PFN durch seine Antirotationsschraube, welche eine mögliche Rotation des Hüftkopffragmentes vermindert. Wird der PFN verwendet, so ist aufgrund des etwas günstigeren Spannungsmusters der Titanversion diese zu bervozugen. Insgesamt scheinen die biomechanischen Eigenschaften des PFN denen des Gamma-Nagels überlegen zu sei