Stabilität verschiedener Refixationsverfahren nach Tuberositasosteotomie in der Revisions-Knieendoprothetik

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Aufgabenstellung
2.1. Problemstellung
2.2. Lösungsansatz

3. Forschungsstand
3.1. Geometrie und Mechanik des menschlichen Kniegelenks
3.2. Die Anwendung der Tuberositasosteotomie
3.2.1. Operationstechnik
3.3. Belastungen der Quadrizeps-Sehne
3.4. Mechanische Eigenschaften der Kniegelenksehnen
3.5. Haltekraft von Knochenschrauben im Knochen
3.6. Ergebnisse vorangegangener Untersuchungen zur Methode der Tuberositasrefixation

4. Konstruktiver Untersuchungsteil
4.1. Vorhandene Messmittel
4.2. Anforderungskatalog der Versuchsvorrichtung
4.3. Konstruktion

5. Experimenteller Untersuchungsteil
5.1. Bestimmung der Belastungsparameter
5.2. Versuchsdurchführung
5.3. Präparation

6. Ergebnisse
6.1. Einfluss von Schraubenanzahl und Schraubendurchmesser auf Stabilität und Belastbarkeit der Tuberositas-Schrauben- Verbindung
6.1.1. Stabilität der Tuberositas-Schienbein-Verbindung
6.1.2. Belastbarkeit der Tuberositas-Schienbein-Verbin- dung
6.2. Auswertung des ersten Versuchsteils
6.3. Einfluss des Stufenschnitts auf die Tuberositas-Schienbein- Verbindung
6.3.1. Stabilität der Tuberositas-Schienbein-Verbindung
6.3.2. Belastbarkeit der Tuberositas-Schienbein-Verbin- dung
6.4. Auswertung des zweiten Versuchsteils
6.5. Zur Kontinuität der Messwerte zwischen den Versuchsteilen
6.6. Schadensschemata

7. Diskussion

8. Ausblick

Glossar verwendeter Fachausdrücke

Literaturverzeichnis

Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Tuberositas tibiae (roter Bereich)

Abbildung 2: Kniegelenkprothese mit Stems

Abbildung 3: Querschnitte eines Schienbeinknochens mit zentralem Stem (graue Kreisfläche), Davis et al.[18] 4

Abbildung 4: Richtungsunterschied der Kraftvektoren von Quadrizeps- und Patellar-Sehne, O’Donoghue et al.

Abbildung 5: Darstellung der Winkeldifferenz der Kräfte in Quadrizeps- und Patellar-Sehne bei verschiedenen Beugegraden, Matthews et al. [4]

Abbildung 6: Darstellung der Sehnenkräfte bei verschiedenen Beugegraden, Huberti et al. [5]

Abbildung 7: Kräfteverhältnis Quadrizeps-Sehne/Patellar-Sehne bei verschiedenen Beugegraden, Huberti et al. [5]

Abbildung 8: Richtungs- und Ortsbezeichnungen im Körper

Abbildung 9: Tuberositasosteotomie; A & B: Bevelcut; C: Stepcut, Davis et al. [18]

Abbildung 10: Röntgenbild einer Tibiafraktur sechs Wochen nach einer Tuberositasrefixation mit zwei Schrauben, Bellemans et al. [10]

Abbildung 11: Kraft in der Quadrizeps-Sehne bei Kniestreckung gegen die Schwerkraft, abhängig vom Beugewinkel, Rupp et al. [12]

Abbildung 12: Kriechverhalten einer Quadrizeps-Sehne während 200 Zyklen, Schatzmann et al. [14]

Abbildung 13: Kriechverhalten einer Quadrizeps-Sehne zwischen Zyklus 150 und 200, Schatzmann et al. [14]

Abbildung 14: Maximale Haltekraft von Knochenschrauben in Kunstknochen, abhängig von Einschraubtiefe und Knochendichte (+ = 240 kg/m³; O = 320 kg/m³; = 480 kg/m³), Edwards et al. [17]

Abbildung 15: Prüfvorrichtung, Cosgarea et al.[6]

Abbildung 16: Prüfvorrichtung, Davis et al.[18]

Abbildung 17: Kraft-Verschiebungs-Diagramm verschiedener Fixa- tionsvariationen, Davis et al.[18]

Abbildung 18: Prüfvorrichtung, Caldwell et al.[19]

Abbildung 19: Verschiebung der Tuberositas nach 500 Zyklen, Caldwell et al.[19]

Abbildung 20: Kraft-Verschiebungs-Diagramm nach zyklischer Konditionierung (500 Zyklen, 400 N), Caldwell et al

Abbildung 21: Versuchsvorrichtung, Draufsicht

Abbildung 22: Versuchsvorrichtung, Seitenansicht

Abbildung 23: Versuchsvorrichtung, Vorderansicht

Abbildung 24: Präparat im Urzustand

Abbildung 25: Präparat beim Freilegen der Muskulatur

Abbildung 26: Präparat mit freigelegter Muskulatur

Abbildung 27: Präparat mit verbliebenen Bändern und Sehnen

Abbildung 28 Freigelegte Patellar-Sehne zwischen Kniescheibe (links) und Tuberositas (rechts)

Abbildung 29: Probe nach Abtrennen der Tuberositas (links Schienbein, rechts Oberschenkel)

Abbildung 30: Draufsicht auf die entstandene Schnittfläche des Schienbeinknochens

Abbildung 31: refixierte Tuberositas (linkes Bein, Variation A: 4 x 3,5 mm)

Abbildung 32: Schraubenplatzierung (linkes Bein, Variation A: 4 x 3,5 mm)

Abbildung 33: Tuberositasunterseite mit angewinkelten Schrauben (Variation A)

Abbildung 34: Präparierte Probe mit angebrachtem Sehnenadapter

Abbildung 35: In Vorrichtung eingespannte Probe

Abbildung 36: In der Vorrichtung eingespannte Probe mit Markern

Abbildung 37: Tuberositasverschiebung nach 1000 Zyklen; Vergleich der Schraubenparameter

Abbildung 38: Weg-Stufen-Diagramm; Stufe 0 - 2000 (Probe 1326 links)

Abbildung 39: Weg-Stufen-Diagramm, Stufe 0 - 500 (Probe 1326 links)

Abbildung 40: Weg-Stufen-Diagramm, Stufe 1500 - 2000 (Probe 1326 links)

Abbildung 41: Maximalkraft an der Tuberositas nach 1000 Zyklen; Vergleich der Schraubenparameter

Abbildung 42: Kraft-Weg-Diagramm, Probe 1223 (4 x 3,5 mm Durchmesser)

Abbildung 43: Zerstörte Stufe des Schienbeinknochens

Abbildung 44: Verschiebung-Zyklen-Diagramm bei vorhandener Stufe (Probenpaar 1333 rechts)

Abbildung 45: Verschiebung-Zyklen-Diagramm bei entfernter Stufe (Probenpaar 1333 links)

Abbildung 46: Vergleich der Verschiebung von Proben aus Versuchsteil 1 und 2 (4 x 3,5 mm, mit Stufe)

Abbildung 47: Vergleich der Maximalkraft von Proben aus Versuchsteil 1 und 2 (4 x 3,5 mm, mit Stufe)

Abbildung 48: Probe mit aus der rückwärtigen Corticalis und aus der Tuberositas herausgerissenen Schrauben

1. Einleitung

Da die Qualität der Knochenheilung von der Steifigkeit der Verbindung abhängig ist und gleichzeitig eine gewisse Zeit beansprucht, werden beim Fügen zweier Knochenbestandteile hohe mechanische Anforderungen an die Fügezone gestellt. Da die Fügezone jedoch bereits in der Rehabilitationsphase belastet werden soll, muss die angewandte Fügetechnik die bis zur Knochenheilung auftretenden Kräfte übernehmen.

Hochfeste Stahldrähte, welche um die Knochenstücke verspannt werden und diese von außen verpressen, stellen eine übliche Methode der Kno- chenfixation dar. Solche sogenannten Cerclagen werden häufig in der or- thopädischen und Unfallchirurgie verwandt. Schrauben dienen alternativ zur Cerclage zum Verbinden von Knochenbestandteilen und sind weit verbreitet.

Der Vorteil von Cerclagen ist die Verteilung der Anpresskraft des Stahl- drahtes über den Knochenumfang sowie die Schonung der Knochenstruk- tur (keine Bohrlöcher o.ä.). Hierdurch sinkt die Gefahr von Frakturen. Der Nachteil liegt in der vergleichsweise geringen Stabilität bei Belastung: die Knochenbestandteile zeigen in höherem Maße ein sogenanntes „zykli- sches Kriechen“ bei häufigen Lastwechseln, d. h. ein sukzessives Ver- schieben der Knochenfragmente gegeneinander unter Last.

Die verwendeten hochlegierten Knochenschrauben besitzen ein auf die Eigenschaften des Knochens abgestimmtes Gewinde (ähnlich dem von Holzschrauben) und erreichen somit eine hohe Verankerungswirkung über Form- und Kraftschluss.

Darüber hinaus erhält der Chirurg durch das manuelle Anziehen der Knochenschrauben eine gute Rückkopplung zum Knochenzustand. Das Anbringen der Knochenschrauben ist weniger aufwändig und kompliziert als die Verspannung einer Cerclage.

Durch den von Natur aus anisotropen Knochenaufbau kommt es jedoch zu lokalen Spannungsspitzen im direkten Umfeld der Schrauben. Diese Spannungen variieren (auch bei Verwendung eines Drehmomentschlüs- sels) von Anwendung zu Anwendung und sind schwer zu bestimmen. Beim Einsatz von Schrauben ist die Penetration des Knochens¹ essentiell für die erreichbare Haltekraft. Die erwähnte Anisotropie des Knochens gewährt dem Schraubengewinde nämlich nur im festen Randbereich (lat. Corticalis) einen sicheren Halt.

Zur Fixation der Tuberositas tibiae werden sowohl Knochenschrauben als auch Cercla- gen werden verwendet. Eine Tuberositas ist ein „knöcherner Vorsprung mit rauer Ober- fläche“[1]. Die Tuberositas tibiae sitzt am oberen vorderen Ende des Schienbeins (lat. Tibia; vgl. Abbildung 1).

Die Tuberositas tibiae sorgt bei der Knie- streckung für den Kraftfluss vom Ober- schenkelmuskel zum Unterschenkel- knochen: an ihr setzt die Patellar-Sehne an, welche zur Kniescheibe führt. Die Fortset- zung der Patellar-Sehne zu den Oberschen- kelmuskeln (lat. Quadrizeps) ist die Quadri- zeps-Sehne.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Tuberositas tibiae (roter Bereich)

Eine Abtrennung und Refixation der Tuberositas tibiae ist u. a. bei der Re- vision einer Kniegelenkprothese notwendig[2]. Künstliche Kniegelenke be- sitzen derzeit eine durchschnittliche Lebensdauer von 15 - 20 Jahren. Da die Lebenserwartung der Bevölkerung in den westlichen Industrienationen steigt, erhöht sich parallel dazu auch die Anzahl der Patienten, bei denen die erste Kniegelenkprothese durch mechanischen Verschleiß Schaden nimmt und eine Revision der Knieprothese nötig wird. Die Implantierung einer Folgeprothese gestaltet sich ungleich aufwändiger als die einer Pri- märprothese. Das zu entfernende Implantat ist mit dem Knochen fest ver- wachsen. Diese für den Alltag des Patienten gewünschte Symbiose von natürlichem Knochen und Biowerkstoff führt beim Austausch des Kniege- lenks dazu, dass im Umfeld der Prothese ein Anteil gesunder Knochen mit dem gebrauchten Implantat zusammen entfernt werden muss. Deshalb benötigt der Chirurg während der Operation einen besseren Zugang zum Kniegelenk als bei einer Primärimplantation.

Die Tuberositasosteotomie, d. h. die temporäre Abtrennung der Tuberosi- tas tibiae vom Schienbeinknochen, ermöglicht ein seitliches Wegklappen der über das Kniegelenk verlaufenden Kniescheibe und gewährleistet so- mit einen entschieden größeren und komfortableren Zugang zum Knie.

Nach dem Einsetzen der Revisionsprothese muss die Tuberositas wieder fixiert werden. In früheren Untersuchungen konnte die höhere Stabilität der Tuberositas-Schienbein-Verbin- dung bei Verwendung von Knochenschrauben im Vergleich zu Cerclagen belegt werden (vgl. Kapitel 3.6).

In dieser Arbeit soll speziell die beim Einsatz eines tibialen Stems (engl.: Stamm, Stiel; vgl. Abbildung 2) notwendige Schraubenkonfigu- ration untersucht werden. Dieser Stem wird im Röhrenknochen platziert und garantiert eine stabile Position der Prothese durch eine axiale Fixierung (vgl. Abbildung 3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Kniegelenkprothese mit Stems

Der Stem stellt jedoch ein Hindernis für die Knochenschrauben dar; sie müssen schräg an ihm vorbeilaufen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Querschnitte eines Schienbeinknochens mit zentralem Stem (graue Kreisfläche), Davis et al.[18]

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss der Schraubenkonfiguration (unter Berücksichtigung eines Prothesenstems im Schienbeinknochen) und der Schnittführung beim Abtrennen der Tuberositas auf die Stabilität und Belastbarkeit der refixierten Tuberositas untersucht.

2. Aufgabenstellung

2.1. Problemstellung

Biomechanische Studien zur Belastbarkeit der Fixation der Tuberositas tibiae mit Knochenschrauben sowie das Verhalten refixierter Tuberositates unter zyklischer Belastung existieren nicht bzw. beschränken sich beim Versuchsaufbau lediglich auf das Schienbein anstatt das vollständige Kniegelenk mit einzubeziehen. In dieser Arbeit soll erstmalig die Stabilität einer refixierten Tuberositas im realistischen Verbund mit dem kompletten Kniegelenk sowie unter den im Alltag auftretenden Belastungen unter- sucht und bewertet werden.

Von Interesse für den Chirurg ist zum einen die maximal ertragbare Last der Fügezone, d. h. von Tuberositas und Schienbein, zum anderen die „Bewegung“ der miteinander fixierten Bestandteile zueinander[3]. Da die Tuberositasosteotomie speziell bei der Prothesenrevision mit einem zentralen Stem in der Knochenmitte populär ist, ergibt sich eine Notwendigkeit einer dezentralen Schraubenpositionierung.

2.2. Lösungsansatz

In der folgenden Arbeit soll durch experimentelle biomechanische Unter- suchungen mit menschlichen Spenderpräparaten ein Vergleich verschie- dener Verschraubungskonfigurationen beim Fügen der Tuberositas tibiae mit dem Schienbein nach einer Osteotomie ermöglicht werden. Zusätzlich soll der Einfluss der Schnittführung beim Abtrennen der Tuberositas vom Schienbeinknochen auf die spätere Refixation geklärt werden.

Zur Beurteilung der Qualität der Tuberositas-Schienbeinknochen- Verbindung werden zwei Messwerte verwendet:

- die Stabilität der Fügezone bei zyklischer Zugbelastung, d. h. eine Relativverschiebung der Fügeteile Tuberositas und Schienbeinkno- chen während und nach einer simulierten Rehabilitationsmaßnah- me
- die maximal in der Fügezone ertragbare Zugkraft (nach der zyklischen Belastung). Diese Maximalkraft soll als ein Maß für die „Belastbarkeit“ der Verbindung gelten[4].

Versuchsart

Die Kraftübertragung von Muskeln zu den entsprechenden Knochen er- folgt über Sehnen, welche wie ein Seil lediglich Zugkräfte übertragen kön- nen. Die Quadrizeps-Sehne überträgt die Zugkraft des Oberschenkelmus- kels (lat. Quadrizeps) auf die Patellar-Sehne und weiter auf die Tuberosi- tas tibiae. Die Prüfung der Tuberositasstabilität erfolgt dementsprechend im Zugversuch durch Krafteinleitung in die Quadrizeps-Sehne (einige Un- tersuchungen setzen direkt an der Patellar-Sehne an; vgl. Kapitel 3.6).

Die Untersuchungsumstände sollen sich so eng wie möglich an die reale Belastung nach einer Operation anlehnen. Folgende Faktoren sollen deshalb berücksichtigt werden:

Die im Knie und an der Tuberositas während einer Rehabilitations- maßnahme auftretenden Belastungen dienen als Basis für den Prü- fungsverlauf.

Kniegeometrie und Kniekinematik im Menschen sind überaus kom- plex (vgl. Kapitel 3.1 Geometrie und Mechanik des menschlichen Kniegelenks). Die Untersuchung soll aus diesem Grund das Knie als Einheit einbeziehen, um dessen spezielle biomechanische Ei- genschaften einfließen zu lassen. Daher wird der gesamte Knieap- parat von der Quadrizeps-Sehne als Krafteinleitungspunkt (vgl. Abbildung 1) über die Kniescheibe (lat. Patellar) und die Patellar- Sehne bis zur am Schienbeinknochen refixierten Tuberositas ge- prüft[5]. Der aus der Zugrichtung der Traverse resultierende Vektor der Prüfkraft (parallel zur z-Achse, d. h. senkrecht) an der Quadri- zeps-Sehne wird durch die erwähnte Biomechanik des Kniegelenks dreidimensional abgelenkt. Dies bedeutet, dass die die Tuberositas letztlich belastende Kraft entgegen der Zugkraft der Prüfmaschine „räumlich“ (x-, y- und z-Koordinate sind ungleich 0) ist. Die Verwen- dung des kompletten Kniegelenks statt lediglich des Schienbeins ist wesentlich für eine realitätsnahe Abbildung der Kräfte.

- Die Probenpräparation erfolgt exakt nach der Vorgehensweise einer realen Operation. Die Tuberositas wird mit den dort üblichen Instrumenten entfernt und wieder fixiert.
- Da die Verwendung einer Prothese mit stabilisierendem Stem (vgl. Abbildung 2) untersucht werden soll, erfolgt immer eine zur Schien- beinmitte angewinkelte Schraubenanordnung (vgl. Abbildung 32, Kapitel 5.3)
- Im ersten Versuchsteil werden zwei verschiedene Verschraubungs- konfigurationen bezüglich ihrer Stabilität und Belastbarkeit vergli- chen (vier Schrauben mit 3,5 Millimetern Durchmesser (Variation A) versus zwei Schrauben mit 4,5 Millimetern Durchmesser (Variation B)).
- Im zweiten Versuchsteil bleibt die Schraubenkonfiguration konstant (vier Schrauben mit 3,5 Millimetern Durchmesser)[6]. Hier wird der Einfluss der Schnittführung beim Abtrennen der Tuberositas vom Schienbeinknochen auf die Stabilität und Belastbarkeit der Refixation untersucht (vgl. Abbildung 9).

Zur Überprüfung der Stabilität und Belastbarkeit der Tuberositas bei gestrecktem Knie wird eine Vorrichtung entwickelt und hergestellt[7]. Diese Vorrichtung dient zur Fixierung der Präparate und soll zugleich eine Krafteinleitung in die Quadrizeps-Sehne zur Simulation der Kniebeugung in der Rehabilitationsmaßnahme ermöglichen.

Die Krafteinleitung erfolgt über eine Zugprüfmaschine. Mit einem an die Prüfmaschine angeschlossenen Video-Extensometer soll eine kontaktlose Messwerterfassung direkt an der operierten Tuberositas erfolgen. Zur Messwerterfassung benötigt das Video-Extensometer einen freien Blick auf die Messstelle. Wie in vivo wird die Kraft durch die Quadrizeps-Sehne eingeleitet. Entsprechend der natürlichen Belastung soll der Oberschen- kelknochen parallel zu dieser Kraft stehen. Die Kraft wird über die Knie- scheibe und die Patellar-Sehne auf die Tuberositas übertragen.

Vergleichbarkeit der Messwerte

Menschliche Proben weisen eine hohe Varianz in ihren mechanischen Kennwerten (Knochendichte, Elastizitätsmodul von Sehnen und Knochen, Festigkeit usw.) auf, welche durch die unterschiedliche Vorgeschichte der Spender (Beruf, Alter, Gewicht, gesundheitlicher Zustand, sportliche Akti- vitäten usw.) bedingt ist. Um die durch die Parametervariation innerhalb der Versuche erhaltenen Messwerte verlässlich miteinander vergleichen zu können, muss die Verwendung von Proben mit gleichen mechanischen Eigenschaften garantiert sein. Dies wird möglich, indem Probenpaare des gleichen Spenders verglichen werden (d. h. das linke Knie erhält eine Präparation mit Parameter A und wird direkt mit dem rechten Knie verglichen, welches mit Parameter B präpariert wurde).

Variation der Versuchsparameter

Der Untersuchungsschwerpunkt liegt auf der Refixation der Tuberositas mit Knochenschrauben. Bei zwei Proben mit identischen mechanischen Eigenschaften (linkes und rechtes Knie desselben Spenders) wird immer ein Parameter variiert.

In einem ersten Versuchsteil wird die erreichbare Stabilität und Belastbar- keit einer mit vier Schrauben des Durchmessers 3,5 mm refixierten Tube- rositas mit der Stabilität und Belastbarkeit einer refixierten Tuberositas verglichen, welche mit zwei Schrauben mit einem Durchmesser von 4,5 mm befestigt wurde.

Der zweite Versuchsteil untersucht den Einfluss der Schnittführung beim Abtrennen der Tuberositas zu Beginn der Operation auf die Stabilität und Belastbarkeit der refixierten Tuberositas. Üblicherweise wird beim Abtren- nen der Tuberositas durch eine Stufe im Schienbeinknochen eine form- schlüssige Verbindung erzeugt und ein späteres Verschieben der Tubero- sitas bei Belastung verhindert. Diese Stufe wird bei der Vergleichsgruppe entfernt. Der Einfluss der Schnittführung auf die Tuberositasrefixation kann so ermittelt werden.

3. Forschungsstand

In diesem Kapitel wird auf das zum Verständnis der Untersuchung notwendige Fachwissen näher eingegangen. Sowohl die spezifischen Eigenschaften des Kniegelenks (Mechanik, Werkstoffkennwerte, Belastungen usw.) als auch Erkenntnisse aus vorangegangenen Untersuchungen fließen in die Versuchsplanung ein und werden erläutert.

3.1. Geometrie und Mechanik des menschlichen Kniegelenks

Kniebreite

Tripp² verarbeitet in ihrer Dissertation statistische Erhebungen deut- scher Betriebskrankenkassen und resümiert, dass 99 Prozent aller deut- schen Männer im Alter von 55 - 64 Jahren eine Kniebreite (inklusive äuße- rem Fett- und Hautgewebe) von 117 mm oder weniger haben. Alle ande- ren Vergleichsgruppen (Frauen, jüngere Probanden usw.) weisen eine geringere Breite auf. Die allgemeine Kniebreite liegt in Deutschland also unter 120 mm[8].

Kniegelenk als Drehscharniergelenk

Das Kniegelenk (lat. Articulatio genus) ist das Verbindungsgelenk zwi- schen Ober- und Unterschenkel. Beim Menschen ergibt sich durch innen- und außenverlaufende Bänder eine maximale Beugung von etwa 150°. Zu dieser Funktion als Scharniergelenk kommt im gebeugten Zustand noch eine Rotationsfähigkeit (medizinisch: Rollung) hinzu. Üblicherweise ist ei- ne Innenrotation um 10° und eine Außenrotation um 30° - 40° möglich. Die Seitenbänder (lat. Ligamenta collaterale) sind nur im gestreckten Zustand gespannt; bei einer Beugung liegen sie entspannt vor und ermöglichen so die Rotation. Aufgrund dieser zwei Freiheitsgrade (Beugung/Streckung und Rotation) spricht man von einem sogenannten Drehscharniergelenk[9].

Coronaler Richtungsunterschied der knieinternen Kräfte (y,z-Ebene)

O’Donoghue et al. ³ beschreiben die Geometrie des Kniegelenks in der Frontalansicht (vgl. Abbildung 4). Bei ausgestrecktem Knie (d. h. bei einem Beuge- winkel von 0°) ergibt sich zwischen den resultierenden Kraftvektoren in der Quadri- zeps-Sehne und Patellar-Sehne ein Winkel Q von Q = 8° - 10° bei Männern und Q = 12° - 16° bei Frauen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Richtungsunterschied der Kraftvektoren von Quadrizeps- und Patellar- Sehne, O’Donoghue et al.[3]

Sagittale Winkeldifferenz QT zwischen Quadrizeps- und Patellar-Sehne (x,z-Ebene)

Matthews et al.⁴ bestimmten in einer empirischen Untersuchung den Winkel zwischen der am oberen Ende der Kniescheibe (lat. Patellar) en- denden Quadrizeps-Sehne und deren Fortsetzung, der Patellar-Sehne am unteren Ende der Kniescheibe (vgl. Abbildung 5). Diese Winkeldifferenz QT kann als Funktion des Beugungswinkels „Flex“ des Beins wie folgt dargestellt werden:

QT= 30° + ½ Flex.

Für die vorliegende Diplomarbeit (gestrecktes Knie mit 0° Beugung) beträgt die Winkeldifferenz folglich QT = 30°.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Darstellung der Winkeldifferenz der Kräfte in Quadrizeps- und Patellar- Sehne bei verschiedenen Beugegraden, Matthews et al.[4]

Kräfteverhältnis zwischen Patellar-Sehne (FL) und Quadrizeps-Sehne (FQ) FL/FQ

Das Verhältnis der Kräfte von Quadrizeps-Sehne (FQ) zu Patellar-Sehne

(FL) beträgt in der Realität nicht 1:1, da die Kniescheibe (Patellar) die durch den Oberschenkelmuskel erzeugte Kraft nicht einfach umlenkt. Vielmehr erzeugt sie neben einer geringen Reibung gegen den Oberschenkelknochen auch eine dritte Reaktionskraft C (vgl. Abbildung 5), die vertikal zur Kontaktfläche der Kniescheibe verläuft.

Huberti et al.⁵ untersuchten den Einfluss des Beugegrades auf das Kräfteverhältnis FL/FQ. Aufgrund der komplexen Geometrie der Gleitflächen von Kniescheibe und Oberschenkelknochen sowie dem mit der Kniebeugung veränderlichen Kontaktbereich (vgl. Abbildung 6) ergibt sich ein vom Beugegrad abhängiges Verhältnis (vgl. Abbildung 7). Je nach Kniebeugung und untersuchtem Patient lag FL/FQ bei 0,7 bis 1,27.

Für die besprochene Diplomarbeit (Kniebeugung 0°) kann ein Verhältnis der Kraftbeträge von 1:1 vorausgesetzt werden. Es wird jedoch ausdrück- lich auf die zuvor besprochene Winkeldifferenz der Kraftvektoren hinge- wiesen, welche die Verwendung des gesamten Knieapparates notwendig macht (bei 0° Beugung sind zwar die Kraftbeträge in Quadrizeps- und Pa- tellar-Sehne gleich, es liegt jedoch immer noch eine Ablenkung der Kraftrichtung vor).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Darstellung der Sehnenkräfte bei verschiedenen Beugegraden, Huberti et al.[5]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Kräfteverhältnis Quadrizeps-Sehne/Patellar-Sehne bei verschiedenen Beugegraden, Huberti et al.[5]

Zusammenfassung der kniespezifischen Biomechanik

Die in diesem Kapitel geschilderte Komplexität des Knies und der im Kniegelenk wirkenden Kräfte macht deutlich, dass das Knie, insbesondere die Kniescheibe, die durch den Oberschenkelmuskel aufgebrachte Kraft in Abhängigkeit vieler Parameter auf die Tuberositas umlenkt. Es entsteht ein dreidimensionales Kräftespiel, welches zusätzlich durch die Reibung der Kniescheibe (und den Kniebeugegrad) komplexer wird. Die Verwen- dung des kompletten Knieapparates mit sämtlichen Einflussfaktoren (Bän- der, Sehnen, Minisken, knieinterne Reibung, der Einfluss der Kniescheibe usw.) ist bei der Prüfung ein entscheidendes Kriterium zur Verlässlichkeit experimentell bestimmter Daten.

Speziell für die vorliegende Arbeit (d. h. bei gestrecktem Knie) ergeben sich folgende Einflüsse auf die Belastung der Tuberositas: Der an der Tuberositas angreifende Kraftvektor der Patellar-Sehne ist im Vergleich zum Kraftvektor der Quadrizeps-Sehne (d. h. zum Kraftvektor der Prüfmaschine) in der coronalen (y,z-)Ebene um Q = 8° - 10° bei Män- nern und Q = 12° -16° bei Frauen medial angewinkelt. Dazu kommt in der sagittalen (x,z-)Ebene noch eine Winkelabweichung von 30° in die ventrale Richtung (vgl. Abbildung 8).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Richtungs- und Ortsbezeichnungen im Körper

3.2. Die Anwendung der Tuberositasosteotomie

Die Tuberositasosteotomie wird in der modernen Schulmedizin zur Therapie verschiedener Krankheitsbilder verwendet:

- Beim Implantieren (bzw. bei der Revision) einer Kniegelenksprothese erreicht man durch die Tuberositasosteotomie einen besseren Zugang zum Gelenk, da die Kniescheibe während der OP zur Seite weggeklappt werden kann[10].
- Durch sie kann eine Patellarinstabilität behandelt werden (vgl. Cosgarea et al.⁶ ).
- Sie dient zur Vermeidung und Behandlung von Retropatellararthro- se. Ursache dieser Arthrose ist eine angeborene ungünstige dezen- trale Position der Kniescheibe. Nach Kohn⁷ ist der höhere An- pressdruck der Kniescheibe für die Arthrose verantwortlich. Durch operative Zentrierung der Tuberositas wird der Druck der Kniescheibe auf den Oberschenkelmuskel während der Bewegung vermindert.
- Durch mehrfache Eingriffe am Kniegelenk oder angeborene Fehler kann es zu sogenannten Laxitäten (Schlaffheiten) im Knieapparat kommen. Die als Therapie angewandte „Kniegelenknahe tibiale Flexionsosteotomie“ erfordert ebenfalls eine Osteotomie der Tuberositas tibiae (vgl. Bonin et al.⁸ ).

3.2.1. Operationstechnik

Schnittführung bei der Tuberositasosteotomie

Bei der Tuberositasosteotomie wird das untere Ende der Patellar-Sehne mitsamt dem damit verwachsenen Knochenhügel vom Schienbein ge- trennt. Die Trennung der Tuberositas erfolgt üblicherweise mit einer elek- trischen Knochensäge. Hierbei bieten sich zwei gängige Schnittführungen an: beim sogenannten „Bevel Cut“ wird die Tuberositas in einer gleichmä- ßigen Rundung vom Schienbein getrennt. Im Gegensatz dazu erhält die Tuberositas beim „Step Cut“ an ihrem proximalen (d. h. dem zur Körper- mitte gerichteten, oberen) Ende eine Stufe (vgl. Abbildung 9). Dieser Step Cut soll eine besser ausgebildete „formschlüssige“ Verbin- dung der Tuberositas mit dem Schienbeinknochen erzeugen und einer Relativbewegung der refixierten Tuberositas entgegenwirken, indem der Schnitt zwischen oberem Tuberositasende und Schienbeinknochen als Stufe ausgebildet wird und so bei Zugbelastung eine Teillast übernimmt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Tuberositasosteotomie; A & B: Bevelcut; C: Stepcut, Davis et al.[18]

Tuberositasrefixation mit Knochenschrauben

Nach der Prothesenimplantation bzw. der geplanten Ausrichtung der Seh- ne wird die Tuberositas wieder am Schienbein fixiert. Wie erwähnt stehen dem Chirurg zwei unterschiedliche Techniken zur Fixation der abgetrenn- ten Tuberositas zur Verfügung (Cerclagen oder Knochenschrauben). In dieser Arbeit wird die Verwendung von Knochenschrauben näher unter- sucht.

In der Fachliteratur werden mögliche Schädigungsmechanismen durch die Verwendung von Knochenschrauben bei der Fixierung der Tuberositas tibiae behandelt. Aktuelle Veröffentlichungen beschreiben proximale Tibia- frakturen (d. h. Knochenbrüche am oberen Schienbeinende) im Zusam- menhang mit Tuberositasoperationen, bei welchen Schrauben zur Fixierung verwendet wurden.

Gödde et al.⁹ berichten von zwei Patienten, die nach einer Tuberositas- refixation zwar eine komplikationslose Rehabilitation abgeschlossen hat- ten (die Tuberositates wurden durch jeweils zwei Schrauben fixiert), sechs Monate nach der Operation jedoch beide beim Joggen eine Fraktur des Schienbeins erlitten.

Von vier Versagensfällen bei insgesamt 53 Eingrif- fen berichten Bellemans et al.¹⁰. Alle vier Patienten litten unter einem pathologischen Q- Oberschenkel Winkel (vgl. Kapitel 3.1) und chronischen Knieschmerzen. Die Osteotomie der Tuberositas erfolgte entsprechend Fulkerson¹¹. Die Schrauben Tuberositas wurde durch je zwei Schrauben fixiert. Vier bis sieben Wochen nach dem Eingriff erlitten die Patienten bei sportlichen Aktivitäten Brüche des oberen Schienbeins nahe der Tuberositas (vgl. Abbildung 10).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Röntgenbild einer Tibiafraktur sechs Wochen nach einer Tuberositas- refixation mit zwei Schrauben, Bellemans et al.[10]

Diese Untersuchungen zeigen, dass durch das Fixieren der Tuberositas und die damit zwangsläufig einhergehenden Spannungszustände Spätfolgen in Form von Brüchen auftreten können. Dies soll keine Wertung der Fügetechnik Verschrauben darstellen, sondern lediglich auf die möglichen Risiken aufmerksam machen.

3.3. Belastungen der Quadrizeps-Sehne

Rupp et al.[12] maßen während der Kniestreckung die Kraft in der Quadrizeps-Sehne[11]. Sieben Spenderbeine wurden mit einer speziellen Kraftmessdose präpariert, sodass die Kräfte der Sehnen bestimmt werden konnten. Der Oberschenkel war horizontal gelagert; der Unterschenkel hing entsprechend der Gravitation locker in einem rechten Winkel vertikal nach unten. Es wurde die Kraft aufgezeichnet, welche die Quadrizeps- Sehne aufbringen musste, um das Knie gegen die Gewichtskraft des Un- terschenkels zu strecken. Bei 0° Beugung, d. h. bei ausgestrecktem Bein, erreichte die Kraft ihr Maximum (400 N; vgl. Abbildung 11).

An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die bei Rupp et al. be- stimmten 400 N auch in der vorliegenden Diplomarbeit als Referenzwert zur Simulation einer realistischen Quadrizepskraft herangezogen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Kraft in der Quadrizeps-Sehne bei Kniestreckung gegen die Schwerkraft, abhängig vom Beugewinkel, Rupp et al.¹²

[...]

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¹ Die Schrauben müssen den Knochen auf der Rückseite durchstoßen.

² Bei der Implantation der ersten Knieprothese kann meist darauf verzichtet werden.

³ Im Zuge einer Rehabilitationsbehandlung nach der Operation muss der Patient das Knie belasten. Diese Belastung kann eine Relativbewegung der Bestandteile bewirken und somit ein Verwachsen der Knochen behindern.

⁴ Der Zugversuch nach der zyklischen Konditionierung dient lediglich dem Vergleich der Versuchsvariationen untereinander. Die vorangegangene Konditionierung hat sicherlich einen Einfluss auf die absoluten Messwerte. Diese Arbeit erhebt keinen Anspruch auf eine allgemeingültige Aussage der maximalen Belastbarkeit einer refixierten Tuberositas.

⁵ Die bisher zu diesem Thema veröffentlichten Untersuchungen beschränken sich bei der Präparation auf den aus dem Kniegelenk losgelösten Schienbeinknochen und benutzen direkt die Patellar-Sehne zur Krafteinleitung. Es kann folglich davon ausgegangen wer- den, dass die so erhaltenen Messwerte verschieden zu den in der vorliegenden Diplom- arbeit sind.

⁶ Nun werden immer vier Schrauben mit einem Durchmesser von 3,5 Millimetern ver- wendet; der geringere Durchmesser soll ein besseres Ausweichen um den Stem ermögli- chen. Ausserdem ergab sich in der Auswertung des ersten Versuchsteils (vgl. Kapitel 6.2) kein für die Knochenheilung relevanter Vorteil durch die Schrauben mit größerem Durchmesser.

⁷ Um die Versuchsvorrichtung in späteren Untersuchungen der Tuberositasrefixation mit beliebigen Beugegraden verwenden zu können, soll ein Einspannen des Unterschenkels in variablen Winkelgraden möglich sein.

⁸ Diese maximale Kniebreite wird bei der Vorrichtungskonstruktion als Referenz zur Dimensionierung verwendet.

⁹ Die in dieser Diplomarbeit erstellte Vorrichtung musste so konstruiert werden, dass die Kniebeugung in späteren Untersuchungen ermöglicht wurde.

¹⁰ Die Tuberositasosteotomie wird überwiegend bei einer Revision, d. h. beim Austausch einer bestehenden Prothese angewandt. Solch eine Revision ist bedeutend komplexer und verlangt somit auch einen besseren Zugang zur Operationszone des Kniegelenks.

¹¹ Sehne vom Oberschenkelmuskel zur Kniescheibe. In der vorliegenden Untersuchung wurde die Quadrizeps-Sehne zur Krafteinleitung gewählt.

¹² Sehnengewebe neigt bei zyklischer Belastung (wie auch in dieser Diplomarbeit) zu Verfestigungserscheinungen. Dies bedeutet eine Veränderung der mechanischen Kenn- werte Steifigkeit und Festigkeit nach mehreren unterkritischen Belastungen. Mit dieser Verfestigung geht auch ein Kriechen einher (d. h. die Probe verformt sich in Richtung der anliegenden Belastung).