Radiologische, biomechanische und Finite Elemente Simulationsuntersuchungen als Grundlage einer verbesserten Behandlung der distalen Radiusfraktur

Baumbach, Sebastian (2017): Radiologische, biomechanische und Finite Elemente Simulationsuntersuchungen als Grundlage einer verbesserten Behandlung der distalen Radiusfraktur. Habilitationsschrift, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Distale Radiusfrakturen gehören zu den häufigsten Frakturen des Menschen, wobei deren Prävalenz aufgrund des demographischen Wandels weiter ansteigen wird. Aktuell stehen eine Vielzahl von konservativen und operativen Therapieoptionen zur Verfügung. Bei Patienten mit funktionellem Anspruch stellt die offene Reposition und volare winkelstabile Plattenosteosynthese den derzeitigen Gold-Standard dar. Dabei sind allerdings Komplikationsraten bis zu 18% beschrieben, wovon Strecksehnenrupturen einen großen Teil ausmachen. Das Ziel zukünftiger Forschung sollte daher die Entwicklung eines rationalen Behandlungsalgorithmus aus den verschiedenen Verfahren sein sowie eine Reduktion der osteosynthese-assoziierten Komplikationen. Die Grundlagen dafür sind ein detailliertes Verständnis der Anatomie des distalen Radius sowie suffiziente biomechanische und numerische Modelle. Bisher fehlten valide Daten zu dem eigentlichen Frakturverlauf sowie zu der intraossären Geometrie und der dreidimensionalen (3D) Morphometrie des distalen Radius. Im Rahmen einer ersten Studie [16] erfolgte die Vermessung der distalen Frakturlinie der dorsal-verkippten distalen Radiusfraktur an 157 seitlichen Röntgenbildern (58±10 Jahre, 80% weiblich, 56% links). 34% der Frakturen waren 23-A, 66% 23-C Frakturen entsprechend der AO-Klassifikation. Die distale Frakturlinie verlief von dorsalseitig 7,9 ± 2,7mm nach volarseitig 11,7 ± 3,9mm proximal des dorsalen/volaren Apex der Fossa Lunata. Weder das Patientenalter, die betroffene Seite, das initiale Trauma noch die Frakturkomplexität hatten einen signifikanten Einfluss auf den Frakturverlauf. Entsprechend kann von einem einheitlichen Verlauf der distalen Frakturlinie ausgegangen werden. Die beiden folgenden Arbeiten beschäftigten sich mit der intraossären Geometrie [18] und der dreidimensionalen Morphometrie des distalen Radius [17]. Basierend auf zwei unterschiedlichen Kollektiven wurde die Korrelation zwischen der maximalen Radiusbreite und -länge berechnet. Kollektiv (A) bestand aus 100 Unterarmröntgenaufnahmen (38±14 Jahre, 51% weiblich, 43% links), Kollektiv (B) aus 135 isolierten, formalinfixierten Radii (79±10 Jahre, 56% weiblich, 96% links). Die Korrelation zwischen Radiuslänge und distaler Breite betrug im Kollektiv A r=0,753 (95% CI 0,653-0,827, adj. R2=0,563, p<0,001) und im Kollektiv (B) r=0,621 (95% CI 0,507-0,714, adj. R2=0,381, p<0,001). In beiden Kollektiven hatte das Geschlecht einen signifikanten Einfluss auf die Korrelation (p≤0,005). Diese Daten weisen auf eine lineare Proportionalität innerhalb des Radius hin [18]. Eine Methode der 3D Formanalyse sowie Berechnung von identen Schnittebenen des distalen Radius sind Statistische 3D Modelle. Basierend auf 86 klinischen CT-Datensätzen wurden Statistische 3D Modelle des distalen Radius erstellt und (1) die 3D anatomische Varianz des distalen Radius analysiert, (2) morphometrische Messungen an korrespondierenden Schnittebenen durchgeführt und (3) die Klassifikationsgenauigkeit des Modells bezüglich Seite und Geschlecht getestet. Dabei konnte gezeigte werden, dass (1) linke Radii eine größere Formvarianz als rechte Radii (Anzahl der Modes (F/M): 20/23 vs. 6/6) hatten. Die Analyse der Schnittebenen (2) ergab sowohl für die Statistischen 3D Modellen als auch für die einzelnen Radii, dass männliche Radii größer als weibliche waren ohne einen signifikanten Seitenunterschied. Alle gemessenen Parameter nahmen von distal nach proximal ab. Die Klassifikationsgenauigkeit des Modells (3) bezüglich der Seite war 98% und bezüglich des Geschlechts 70%. Die kumulative Klassifikationsgenauigkeit (Seite und Geschlecht) betrug 80%. Dieses Statistische 3D Modell kann bei der Verbesserung des Designs von Osteosynthesematerialien helfen [17]. Um bestehende Osteosyntheseverfahren untereinander zu vergleichen und zu optimieren sowie neue Verfahren zu entwickeln, sind valide biomechanische Frakturmodelle von nöten. Die verschiedenen publizierten Prüfanordnungen variieren in nahezu allen modellrelevanten Elementen, u.a. den Lastachsen, der simulierten Fraktur sowie den Randbedingungen. Ein standardisiertes biomechanisches Frakturmodell der extraartikulären distalen Radiusfraktur (AO-23-A3) fehlte somit bisher. In einer ersten Studie [20] wurden, basierend auf einer Literaturrecherche und biomechanischen Versuchen, die Lastachsen zur Erzeugung von distalen Radiusfrakturen definiert. Die final definierte Lastachse verlief proximal im Zentrum des Markraums. Distal erfolgte die Krafteinleitung im Bereich des Tuberculum listerii (Verschiebung der Lastachse nach dorsal (ca. 5°) und radial. Entsprechend dieser Anordnung, wurden 21 intakte formalin-fixierten Radii in einer Materialprüfmaschine bis zum Versagen (Frakturierung) getestet. Vor der Präparation wurden HR-pQCT Scans der Radii für ein späteres FE-Modell angefertigt. Nach erfolgreicher Testung wurden die Prüfstücke distal zentrosagittal zerschnitten und der Frakturverlauf vermessen sowie die Frakturen klassifiziert (AO). Die durchschnittliche Versagenslast betrug 3802±1923 N, die Steifigkeit 5399±2055 N/mm und die Auslenkung zum Versagenszeitpunkt 1,2±0,3 mm. In 20 Fällen kam es zu einer extraartikulären distalen Radiusfraktur (Typ AO 23-A2.1) mit einer mittleren maximalen proximalen Frakturausdehnung von 11,0±3,6 mm. So konnte gezeigt werden, dass mit der hier vorgeschlagenen Lasteinleitung distale Radiusfrakturen reproduzierbar in der klinisch relevanten Zone erzeugt werden konnten. Unter Anwendung der oben beschriebenen Versuchsanordnung wurde in einer zweiten Arbeit die Lokalisation der simulierten Fraktur (dorsale Keilosteotomie, 10mm) definiert [15]. Dazu wurde die Primärstabilität der volaren winkelstabilen Plattenosteosynthese unter Verwendung der Standard-Osteotomielokalisation (dorsal 20mm proximal des Apex der Fossa lunata) gegen die oben definierte, klinische Lokalisation (dorsal 8mm - und volar 12mm proximal des Apex der Fossa lunata) verglichen. Die biomechanischen Versuche an 10 frischen, gepaarten, isolierten Radii (seitenalternierende Pseudorandomisierung) ergaben signifikante Unterschiede in der Maximallast zwischen den beiden Lokalisationen (860±232 N vs. 1250±341 N; p=0,001). Damit konnte erstmals die Bedeutung der Osteotomielokalisation für die unterschiedlichen biomechanischen Ergebnisse bei gleicher Prüfanordnung gezeigt werden. Entsprechend der vorangegangenen klinisch-radiologischen Studie sollte die klinisch relevante Lokalisation für die Osteotomie verwendet werden. In einer letzten Studie [189] wurde der Einfluss der Freiheitsgrade (DoF) innerhalb der Prüfanordnung auf die biomechanischen Eigenschaften des Frakturmodells untersucht. Entsprechend der oben beschriebenen Versuchsanordnung, wurden zehn synthetische Radii in zwei Gruppen randomisiert: Gruppe A: proximal fixiert (0 DoF); Gruppe B: proximal Linearlager (2 DoF). Distal erfolgte die Krafteinleitung über ein Kugelgelenk (3 DoF). Im Rahmen der Versagenstestung zeigten sich ein signifikant unterschiedliches biomechanisches Verhalten (Kraft-Weg-Diagramme) mit u.a. einer signifikant höheren Maximallast in Gruppe A (505±142 vs. 201±49 N, p<0,0065). Darüber hinaus kam es erwartungsgemäß zu signifikant höheren Scherkräften in Gruppe A (Dorso-volar: -47±12 vs -1±1 N, p=0,008; Latero-medial 2±1 vs -1±0 N, p=.001). Diese Arbeit unterstrich wiederum die Wichtigkeit der Randbedingungen mit unserer Empfehlung proximal 0- und distal 3 Freiheitsgrade zu verwenden. Die hier gewonnenen Erkenntnisse definieren ein standardisiertes biomechanisches Frakturmodell der extraartikulären distalen Radiusfraktur. Basierend darauf sollte ein neues Osteosyntheseverfahren zur Reduktion der postoperativen Strecksehnenirritationen nach volarer Plattenosteosynthese entwickelt werden. Die dafür durchgeführten biomechanischen Untersuchungen dienten als Validierungsgrundlage für die späteren FE-Modelle. Strecksehnenpathologien können sekundär durch einen disto-dorsalen Schraubenüberstand, oder primär durch ein überlanges Vorbohren entstehen. Eine Möglichkeit, den disto-dorsalen Schraubenüberstand zu vermeiden, ist die Verwendung von kürzeren Schrauben. Entsprechend wurde die Primärstabilität zwischen 100% und 75% distaler Schraubenlänge bei der volaren winkelstabilen Plattenosteosynthese verglichen [19]. Neun gepaarte frisch gefrorene Radii (86±11 Jahre, 44% weiblich) wurden in zwei Gruppen pseudorandomisiert (seitenalternierend) und bis zum Versagen getestet. In Gruppe A wurden die distalen beiden Schraubenreihen mit Schrauben mit 100% dorso-volarer distaler Schraubenlänge, in Gruppe B mit 75% dorso-volarer distaler Schraubenlänge besetzt. In Gruppe B wurden die Schrauben im Durchschnitt 5.6±0,99 mm (3-7mm) kürzer gewählt als gemessen. Bei den erhobenen biomechanischen Kennwerten zeigten sich keine signifikanten Gruppenunterschiede. Entsprechend gewährleistet distal eine 75% dorso-volare Schraubenlänge im Rahmen der volaren winkelstabilen Plattenosteosynthese eine ausreichende Primärstabilität. Die Verwendung von selbstbohrenden und -schneidenden Schrauben (Speed-Tip) könnte den primären Strecksehnenschaden vermeiden, da ein Vorbohren nicht mehr notwendig ist. Allerdings müssen hierfür die Schraubenlängen ohne direktes Messen nach Vorbohren bestimmt werden und die Speed-Tip Schrauben eine ausreichende Primärstabilität gewährleisten. Basierend auf der Vermessung der maximale Radiusbreite und -tiefe sowie der distalen Schraubenlängen an 38 Radii wurde eine Cluster-Analyse der distalen Radiusbreite zur Identifikation von Radiusgruppen durchgeführt [187]. Dann wurde eine definierte Schraubenlänge für jedes Schraubenloch und jeden Cluster berechnet. Basierend auf dieser Schraubenlänge waren insgesamt nur 7 von 228 Schrauben kürzer als der zuvor definierte 75-100% sichere Schraubenkorridor. Keine Schraube überschritt die 100%. Um die Primärstabilität von Speed-Tip Schrauben in einem "Worst-Case Scenario" zu evaluieren (75% dorso-volare Schraubenlänge), wurden 9 gepaarte frische gefrorene Radii (71±8 Jahre, 33% weiblich) in zwei Gruppen pseudorandomisiert (Speed-Tip vs. Standard; seitenalternierend) und bis zum Versagen getestet. Dabei zeigten sich keine signifikanten Unterschiede in den erhobenen biomechanischen Parametern zwischen den beiden Gruppen. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die präoperative Abschätzung der distalen Schraubenlänge anhand der distalen maximalen Radiusbreite möglich ist und Speed-Tip Schrauben eine ausreichende Primärstabilität bieten. Entsprechend erscheint die Verwendung von Speed-Tip Schrauben zur Verhinderung von sekundären und primären Strecksehnenschäden biomechanisch möglich. Auch wenn biomechanische Prüfanordnungen derzeit den Goldstandard in der präklinischen Testung von Osteosyntheseverfahren darstellen, sind sie bezüglich der verwendeten Frakturmodelle, Prüfanordnungen, sowie der Anzahl und Variation der getesteten Prüfstücke limitiert. Darüber hinaus können keine Aussagen über die lokal wirkenden Kräfte innerhalb des Knochens, einer Schraube, dem Schrauben-Knochen- oder Schrauben-Platten-Interface getroffen werden. Aufgrund der steigenden Rechenleistung finden zunehmend die Finite Elemente (FE) Methode Anwendung. Diese haben nicht die oben genannten Limitationen. Allerdings fehlten sowohl validierte FE-Modelle des intakten als auch des osteosynthetisch-versorgten distalen Radius. Basierend auf den HR-pQCT Datensätzen der 21 formalin-fixierten Radii aus der ersten biomechanischen Studie wurde ein FE-Modell entwickelt [198]. Die Materialeigenschaften wurden basierend auf Vorstudien der Arbeitsgruppe modelliert. Die getesteten Randbedingungen entsprachen dem biomechanischen Modell. Die nicht-lineare Analyse des FE-Modells erfolgte mittels Abaqus 6.6. Dabei zeigte sich eine gute Korrelation zwischen dem biomechanischen Experiment und dem FE-Modell für die Steifigkeit R2 = 0,793 und die Festigkeit R2 = 0,874. Darüber hinaus zeigte sich eine gute Übereinstimmung der qualitativ verglichenen Versagenszone im FE-Modell und der Frakturlokalisation im biomechanischen Versuch. Zusammengefasst konnte mit dieser Arbeit ein erstes validierte FE-Modell des distalen Radius mit reproduzierbarer Lastverteilung entwickelt werden. Eine erste klinische Anwendung fand dieses FE-Modell zur Optimierung der Osteoporosediagnostik mittels HR-pQCT des distalen Radius [200]. Hier wurde die vom Hersteller empfohlene Scan-Sektion mit einer weiter distal gelegenen Region verglichen. Letztere entspricht der zuvor identifizierten Frakturlokalisation. Dabei wurde der Knochenmineralgehalt, die Knochenmineraldichte, histomorphometrische Parameter und FE-Modelle der beiden Scan-Sektionen berechnet, um die experimentelle Bruchlast und Festigkeit der 21 formalin fixierten distalen Radii vorherzusagen. Signifikante Unterschiede zwischen den beiden Sektionen wurden für nahezu alle untersuchten Parameter gefunden. Bruchlast / Festigkeit der distalen Sektion waren signifikant geringer als die der Standardsektion (13% / 35%). Die FE Analyse der distalen Sektion des HR-pQCT Scans erlaubte unter den ermittelten Parametern die beste quantitativ korrekte Vorhersage der Bruchlast des distalen Radius. Das Ziel der letzten Studie [188] war die Entwicklung eines validierten FE-Modells des osteosynthetisch versorgten distalen Radius. Dabei sollte der Einfluss der Knocheninhomogenität aufgrund lokal variierender Knochendichte und Anisotrophie auf das FE Modell getestet werden. Darüber hinaus sollten die FE-Analysen im Allgemeinen als auch die errechneten Schraubenkräfte mit den in-vitro biomechanischen Ergebnissen validiert/verglichen werden. Die notwendigen HR-pQCT Daten und die biomechanischen Testparameter wurden von den vorrangegangenen biomechanischen Untersuchungen verwendet (n=25 Prüfstücke). Basierend auf den HR-pQCT Daten wurden geglättete, homogenisierte FE Modelle für alle Prüfstücke erstellt. Daraus wurden drei verschiedene Modelle mit unterschiedlichen Detaillierungsstufen erstellt (IsoHom, IsoInhom, OrthoInhom). Diese drei Modelle wurden bezüglich ihrer axialen Steifigkeit mit den biomechanischen Ergebnissen verglichen. Dabei zeigten sich vergleichbar gute Determinationskoeffizienten für die IsoInhom und OrthoInhom Modelle (R2 = 0,816 / R2 = 0,807). Die des Iso-Hom Modells waren deutlich geringer (R2 = 0,500). Ähnlich unterschiedliche Ergebnisse zwischen den Modellen ergaben die simulierten Schnittgrößen für jede Schraube. Dabei zeigt sich eine hohe Übereinstimmung zwischen dem im biomechanischen Test beobachteten Versagen des Schrauben-Platten-Interface mit den simulierten Schnittgrößen. Diese Daten gaben erstmals einen Einblick in die Lastverteilung innerhalb der Osteosynthese.

• Dokumententyp: Habilitationsschriften
• Keywords: Distale Radiusfraktur, Biomechanik, Finite Elemente, Radiologie
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Deutsch
• Datum der mündlichen Prüfung: 2017