Vorwort

Eine der letzten Lehrveranstaltungen, die ich als Studentin der Sportwissenschaften an der Universität Wien besuchte, war die Lehrveranstaltung der biomechanischen 3D-Ganganalyse.

Die interessante Kombination aus Wissenschaft und Praxis weckte meine Neugier, mich mit dieser komplexen Thematik näher auseinanderzusetzen.

Nach erstmaligem Vorfühlen, ob die Möglichkeit bestehen würde, eine wissenschaftliche Untersuchung in diesem Bereich durchzuführen, reagierte der Vortragende, Hr. Mag. Andreas Kranzl, Leiter des Ganglabors des Orthopädischen Spitals Wien- Speising, mit Entgegenkommen.

Nach anfänglichen Gesprächen kristallisierte sich bald ein Thema für meine Diplomarbeit heraus.

Im Orthopädischen Spital in Wien- Speising werden viele Patienten und Patientinnen mit Rotationsfehlstellungen in der unteren Extremität behandelt.

Bei jenen Patienten, bei denen die anatomische Struktur erhebliche Fehlstellungen aufweist und dadurch das Gangbild stark eingeschränkt ist, ist zur Behebung dieser Pathologien ein operativer Eingriff notwendig.

Diese operative Korrektur verlangt eine durchdachte Planung im Vorfeld.

Bislang wurde von Seiten der Orthopäden und Operateure ausschließlich ein Computertomographisches Schnittbild (Rotations-CT; bzw. R-CT) zur

Operationsplanung herangezogen. Die Analyse des Rotations- CT’s berücksichtigt jedoch nur die anatomisch statische, bzw. die knöcherne Struktur. Da bei der Fortbewegung die Muskulatur eine große Rolle spielt, insbesondere bei Patienten, die angeborene Rotationsfehlstellungen aufweisen, stellte sich für Orthopäden und Sportwissenschafter des Orthopädischen Spitals Wien- Speising die Frage, ob und inwieweit eine Berücksichtigung und eine Miteinbeziehung der funktionell dynamischen, also der muskulären Struktur sinnvoll wäre. Das heißt, dass die Berücksichtigung der funktionelldynamischen Gegebenheiten durch die Ganganalyse möglicherweise zu einer anderen Operationsplanung führen könnte als das bislang als einzige Grundlage herangezogene Rotations- CT.

Seit einigen Jahren kommt im Spital in Wien- Speising das Instrumentarium der biomechanischen 3D- Ganganalyse zum Einsatz. Im so genannten Ganglabor werden Untersuchungen durchgeführt, die den menschlichen Gang aufzeichnen. Da die Aufzeichnungen während der Bewegung erfolgen, steht primär der muskuläre Faktor im Vordergrund - im Gegensatz zum Rotations- CT, das ausschließlich die knöcherne Struktur widerspiegelt.

Um zu eruieren, inwieweit eine Miteinbeziehung der Ganganalyse in die Operationsplanung von Rotationsfehlstellungen Sinn machen würde, galt in weiterer Folge, die strukturell anatomischen Daten und die funktionell dynamischen Daten zueinander - sinnvoll - in Beziehung zu setzten.

Die wissenschaftliche Aufbereitung erforderte viel Überlegung im Vorfeld, da zwei spezielle Gebiete - einerseits die (Kinder- ) Orthopädie, andererseits die Ganganalyse -aufeinander trafen. Zusätzlich musste berücksichtigt werden, dass die Wissensaneignung beider Gebiete jahrelange praktische Erfahrung erforderte.

Daher entstand diese Studie in Zusammenarbeit mit dem Orthopäden Hr. Dr. Radler Christof und dem Sportwissenschaftler Hr. Mag. Kranzl Andreas. Diesen beiden Herrn bin ich zu großem Dank verpflichtet. Die Erhebung des Datenmaterials, die Aufbereitung der Studie, sowie die Interpretation erforderten Zeit, Energie und Geduld, die mir von beiden Seiten entgegengebracht wurden.

Bei meinem Betreuer, Dr. Mario Heller möchte ich mich ebenso für die Unterstützung und Motivation bedanken.

Zu Beginn der Arbeit wird auf die Fragestellung und die für diese Studie notwendigen Begriffe und Definitionen der Medizin und der Ganganalyse eingegangen. Anschließend werden die Methodik, das Studiendesign und die Ergebnisse präsentiert, die schlussendlich interpretiert und diskutiert werden.

Es wird angemerkt, dass aufgrund der leichteren Lesbarkeit die männliche Form verwendet wird.

Inhaltsverzeichnis:

1  Einleitung.  1

1.1  Fragestellung.  2

2  Rotations- und Torsionsfehlstellungen.  4

2.1  Definitionen  5

2.1.1  Rotation  5

2.1.2  Torsion  7

2.1.2.1  Femurtorsion  8

2.1.2.2  Tibiatorsion.  9

2.1.3  Anteversion.  10

2.1.4  Retroversion  11

2.1.5  Antetorsion.  12

2.1.6  Retrotorsion  12

2.1.6.1  Entwicklung der Femurtorsion.  13

2.1.6.2  Entwicklung der Tibiatorsion  14

2.1.7  Zusammenfassende Bemerkungen zur Definition der Rotations- und  

Torsionsfehlstellungen   15

2.2  Ermittlung des Ausmaßes der Torsion des Femurs und der Tibia  15

2.2.1  CT- Winkelmessung Femorale Antetorsion  16

2.2.1.1  Genauigkeit und Reliabilität der Methode der Computertomographie  

bei  der Winkelmessung der Femurtorsion  19

2.2.1.2  Zusammenfassende Bemerkung zur Reliabilität der  

Messung  der Femurtorsion  20

2.2.2  CT- Winkelmessung Tibia  21

2.2.2.1  Genauigkeit und Reliabilität der Methode der Computer- Tomographie  

bei  der Winkelmessung der Tibiatorsion  23

2.2.2.2  Zusammenfassende Bemerkung zur Reliabilität der  

Messung  der Tibiatorsion.  24

2.3  Klinische Untersuchung.  25

2.3.1  Methode der Klinischen Untersuchung der Antetorsion  25

2.3.2  Methode der Klinischen Untersuchung der Tibiatorsion.  26

2.4  Osteotomie  27

2.5  Krankheitsbild und Ursachen von Torsionsfehlstellungen  30

3  Ganganalyse.  32

3.1  Gangzyklus (gait cycle)  32

3.2  Gangphasen (phases of gait)  33

3.2.1  Standphase (stance phase)  33

3.2.2  Schwungphase (swing phase)  37

3.3  Ergänzende Terminologie beim Gangzyklus.  39

3.4  Begriffsbestimmungen zur Beschreibung des menschlichen Ganges  39

3.5  Physiologisches Gangbild  42

3.6  Zusammenfassende Bemerkungen über die Ganganalyse  43

4  Patienten und Methoden.  44

4.1  Auswahl der Probanden  44

4.2  Diagnosen der ausgewählten Probanden.  45

4.2.1  Präoperativer Teil:  45

4.2.2  Postoperativer Teil:  46

4.3  Mittel und Methoden  47

4.3.1  Rotations- CT- Daten.  47

4.3.1.1  Erhebung der Rotations- CT- Daten  48

4.3.2  Ganganalyse- Daten.  49

4.3.2.1  Verwendete Geräte  50

4.3.2.2  Ablauf einer Ganganalyse.  52

4.3.2.3  Definition der Gelenkswinkel.  54

4.3.2.4  Beschreibung der graphischen Darstellung der kinematischen  

Parameter  der Ganganalyse  55

4.3.3  Berechnung gangspezifischer Parameter.  57

4.3.3.1  Beckenwinkel transversal:  57

4.3.3.2  Hüftgelenkswinkel transversal:  60

4.3.3.3  Kniegelenkswinkel transversal:  61

4.3.3.4  Fußöffnungswinkel:  62

4.3.3.5  Hilfsvariablen.  64

4.4  Statistische Vorgehensweise.  65

4.4.1  Statistische Prüfung  65

4.4.1.1  Statistische Prüfung auf Zusammenhang vor der Operation/  

Variante  1 - 2.  66

4.4.1.2  Statistische Prüfung auf Zusammenhang nach der Operation/  

Variante  3 - 4.  69

5  Ergebnisse.  72

5.1  Ergebnisse Variante 1.  73

5.1.1  Ergebnisse Variante 1.1  73

5.1.2  Ergebnisse Variante 1.2.  75

5.1.3  Ergebnisse Variante 1.3.  77

5.2  Ergebnisse Variante 2.  79

5.2.1  Ergebnisse Variante 2.1.  79

5.2.2  Ergebnisse Variante 2.2.  81

5.3  Ergebnisse Variante 3.  83

5.3.1  Ergebnisse Variante 3.1. und Variante 3.2.  83

5.3.2  Ergebnisse Variante 3.3. und Variante 3.4.  84

5.4  Ergebnisse Variante 4.  86

6  Interpretation und Diskussion  87

6.1  Zusammenfassung der interpretierten Ergebnisse mit Rückschlüssen  

f  ür die Praxis bzw. die Operationsplanung  100

7  Zusammenfassung  103

8  Literaturverzeichnis  106

9  Anhang.  111

Abbildungsverzeichnis   111

Tabellenverzeichnis 114   

Berechnungstabellen   116

Einleitung

1 Einleitung

Der menschliche Gang, die Möglichkeit zur Fortbewegung ohne externe Hilfsmittel, zählt zum Grundkapital eines jeden gesunden Menschen. Diese Gegebenheit basiert auf dem Zusammenspiel der anatomischen und muskulären Strukturen des Körpers.

Bei vielen Menschen ist dieses Zusammenspiel keine Selbstverständlichkeit, da sie mit anatomischen Deformitäten und muskulären Einschränkungen konfrontiert sind. Weicht einer dieser beiden Faktoren von der Norm ab, so kann der ergänzende Faktor möglicherweise durch seinen verstärkten Einsatz die vorhandene Abweichung ausgleichen.

Eine dieser anatomischen Einschränkungen kann durch Rotations- bzw. Torsionsfehlstellungen des Femurs oder der Tibia gegeben sein. Geschätzte 1% der Gesamtbevölkerung weisen laut Krengel und Staheli (1991, p.285) Torsionsfehlstellungen der Tibia auf. Kinder und Jugendliche weisen häufiger als Erwachsene diese Form der Pathologie auf. Führt das Ausmaß dieser Fehlstellungen zu erheblichen funktionalen Problemen, so ist meist eine operative Korrektur notwendig. Der operative Eingriff muss jedoch im Vorfeld geplant werden. Die Vorgehensweise der Operateure, wie eben diese Planung vorbereitet wird, bildete den Anstoß für diese Studie.

Die bisherige Vorgehensweise der Planung der Korrektur von Rotations- bzw. Torsionsfehlstellungen der unteren Extremität beschränkt sich darauf, dass die Operateure die Rotationskorrektur aufgrund der Analyse des Computertomographischen Schnittbildes (R- CT) und der klinischen Evaluierung planen. Das Rotations- CT gilt als ‚Goldstandard’, das heißt, als das aussagekräftigste Instrumentarium, das zur Analyse des Ausmaßes von Rotations- bzw. Torsionsfehlstellungen herangezogen wird. Dies wird nicht nur im Orthopädischen Spital in Wien- Speising so gehandhabt. International werden medizinische Eingriffe auf Grundlage dieses Goldstandards geplant und durchgeführt. Praktizierende Orthopäden sowie zahlreiche medizinische Publikationen verweisen auf diesen Tatbestand (vgl. Seber, Hazer, Köse, Götürk, Günal & Turgut, 2000, 255 pp.; Ounpuu, DeLuca, Davis & Romness, 2002, 139pp.; Dreher, Wolf, Braatz, Patikas & Döderlein, 2006, 16pp.).

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Einleitung

Bei dieser Vorgehensweise wird jedoch der muskuläre Faktor, die dynamische Komponente, nicht berücksichtigt. Um diese quantitativ zu erfassen, wird das Instrumentarium der biomechanischen 3D- Ganganalyse angewandt. Kadaba, Ramakrishnan und Wooten (1989, p. 383) deuten auf die Notwendigkeit und Nützlichkeit der 3D- Ganganalyse einerseits in der Therapieplanung und andererseits in der Evaluierung der Ergebnisse der angewandten Methoden der Therapie hin.

Somit stellt sich die Frage, ob und inwieweit eine Berücksichtigung und eine Miteinbeziehung der funktionell dynamischen, also der muskulären Struktur zur Operationsplanung sinnvoll wäre. Aus diesen Überlegungen heraus ergaben sich das Thema dieser Arbeit und die folgenden Fragestellungen.

1.1 Fragestellung

Durch die einleitend angeführten Überlegungen kristallisierte sich das Thema dieser Arbeit heraus, das wie folgt lautet:

„Zum möglichen Einfluss einer 3D- Ganganalyse auf die Operationsplanung bei Rotationsfehlstellungen der unteren Extremität“

Um die Auseinandersetzung mit dieser Thematik zu präzisieren ergeben sich zwei weitere Fragestellungen, die es zu untersuchen gilt:

Besteht ein Zusammenhang zwischen präoperativen Rotations- CT- Ergebnissen und präoperativen Ganganalyseergebnissen?

Besteht ein Zusammenhang der Ergebnisse der postoperativen Ganganalyse zum Derotierungsgrad des operativen Eingriffes unter Berücksichtigung der präoperativen Ganganalyse?

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Einleitung

Im ersten Teil der Studie gilt es zuerst zu klären, ob eine Korrelation zwischen den statischen Werten (Winkelgrade, mittels R- CT erhoben) und den dynamischen Werten (Winkelgrade, mittels Ganganalyse erhoben) besteht.

Der zweite Teil der Arbeit setzt sich mit der Frage auseinander, ob die knöcherne Korrektur (operativer Eingriff) ein normales Gangbild bezüglich der Rotationswerte ermöglicht oder ob es zu Über- bzw. Unterkorrekturen im Gangbild kommt. Wenn eine Über- oder Unterkorrektur existiert, gilt es zu prüfen, ob der präoperative Ganganalysewert einen besseren Indikator für die Derotation darstellen würde.

Nachdem der Unterschied zwischen den präoperativen und den postoperativen Daten der Ganganalyse statistisch geprüft wird (postoperative Rotations- CT’s stehen nicht zur Verfügung), wird der Differenzwert der post- und präoperativen Ganganalyse- Daten mit dem Wert, um den operativ derotiert worden ist, auf einen statistischen Zusammenhang geprüft.

Bei Patienten mit Rotations- bzw. Torsionsfehlstellungen wird primär die anatomische Fehlstellung evaluiert und diese auch operativ behandelt. Die funktionelle Kompensationfalls vorhanden - wird nicht berücksichtigt. Dies kann unter Umständen zu Über- bzw. Unterkorrekturen führen. Durch die dreidimensionale Ganganalyse ist ein Erfassen der Fehlstellung dynamisch möglich.

Das Ziel der Untersuchung liegt primär darin, den Zusammenhang zwischen den Ergebnissen des Rotations- CT’s und den Rotations- Ergebnissen aus der 3D-Ganganalyse aufzuzeigen. Das heißt, für die Untersuchung interessant ist, inwieweit die knöcherne Struktur, die Statik, mit der aktiven Komponente, der Dynamik korreliert.

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Rotations- und Torsionsfehlstellungen

2 Rotations- und Torsionsfehlstellungen

Zur Analyse und zum Verständnis der anatomischen Strukturen der unteren Extremitäten ist eine genaue Definition der unterschiedlichen Begriffe notwendig. In der Literatur (vgl. Eckhoff & Winter, 1994, p.2) werden die Begriffe Rotation und Torsion häufig synonym verwendet, d. h. es werden unterschiedliche Begriffe für inhaltlich gleiche Aussagen verwendet, was in weiterer Folge die Auseinandersetzung mit der Thematik erschwert und verkompliziert.

In diesem Kapitel werden die verschiedenen Definitionen der Begriffe Rotation und Torsion mit pathologischen Deformitäten, die für diese Arbeit relevant sind, dargelegt und - wenn notwendig - gegenübergestellt.

Anschließend wird festgelegt, welche inhaltliche Bedeutung diverse Begriffe im weiteren Verlauf dieser Arbeit haben werden.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Betrachtung ausschließlich aus der Transversalebene erfolgt. Die Transversalebene oder auch Horizontalebene wird in der Medizin als die Ebene bezeichnet, in der Bewegungen um die eigene Längsachse erfolgen. In der folgenden Abbildung ist diese Ebene mit der Frontalebene (Blick von vorne) und der Sagittalebene (Blick von der Seite) graphisch dargestellt.

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Rotations- und Torsionsfehlstellungen

2.1 Definitionen

2.1.1 Rotation

Als Rotation im physikalischen Sinne wird die Bewegung eines Körpers oder eines Segments um eine Rotationsachse bezeichnet. Ursache für eine Rotation ist immer die Wirkung eines Drehmoments. Um die Möglichkeit zu bestimmen, inwiefern in einem Gelenk Bewegungen hervorgerufen werden können, müssen zwei Parameter herangezogen werden: die Kraft (F) und der Hebelarm (HA), der sich als kürzester Abstand (cos F) zwischen der Wirkungslinie der Kraft und dem Rotationszentrum darstellt. Aus dem Produkt der beiden Parameter ergibt sich das Drehmoment, Ursache der Rotation. (vgl. Klein & Sommerfeld, 2004, S.212)

In biologischen Strukturen verlaufen die Rotationsachsen durch die Gelenke. Das heißt, es rotiert ein Segment (beispielsweise der Oberschenkel- Knochen) um ein oder mehrere Achsen (je nach Bauart des Gelenks), ohne dass sich die anatomische Struktur des Knochens verändert (siehe Abb. 2).

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Rotations- und Torsionsfehlstellungen

Eckhoff & Winter (1994, p.2) bezeichnen beispielsweise

die Rotation des Femurs und der Tibia als eine Verdrehung des Knochens entlang seiner Längsachse. Die Rotation eines Knochens, die in Richtung und Ausmaß der

„Normalversion“ bezeichnet, und eine Rotation, die nicht im definierten Normbereich liegt, wird als „Torsion“ bezeichnet. Der Rotationswinkel wird durch die Referenzachsen entlang der proximalen und distalen Knochenbegrenzungen bestimmt. Am Beispiel des Femurs präzisieren die Autoren dies als jenen Winkel, der von der Schenkelhalsachse (Achse durch Femurkopf und Schenkelhals) und der Achse entlang der distalen Condylen (Achse entlang der posterioren Begrenzung durch Condylus medialis und Condylus lateralis des Femur) eingeschlossen wird. (siehe Abb. 3)

Rotations- und Torsionsfehlstellungen

Anhand dieses Beispiels wird aufgezeigt, dass häufig eine eigentliche Torsion des Knochens als Rotation bezeichnet wird und umgekehrt. Denn die von den Autoren Eckhoff et al. (1994, p.2) bezeichnete ‚Rotation’ ist eigentlich eine Torsion, die durch die beiden genannten Achsen (Schenkelhalsachse und Kondylenachse) beschrieben wird.

Auf das Verfahren, wie die Achsen ermittelt werden, wird später eingegangen.

Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wird eine Rotation ausschließlich als eine Drehung des Knochens um das Rotationszentrum (meist im Gelenk) bezeichnet, ohne die anatomische Veränderung der knöchernen Struktur zu berücksichtigen.

2.1.2 Torsion

Torsion - im Gegensatz zur Rotation - ist eine Formveränderung fester Körper durch entgegengesetzt gerichtete Drehmomente. Die Knochen der unteren Extremität - Femur und Tibia - sind beide tordiert. Wird der Normbereich überschritten, so spricht man von einer Torsions- Fehlstellung.

Die Torsion der knöchernen Struktur, insbesondere der unteren Extremität hat sowohl für das klinische Gangbild, als auch für eine Vielzahl von medizinischen Erkrankungsbildern eine hohe Relevanz. Um das Ausmaß der Torsion bzw. der Torsionsdeformitäten der unteren Extremitäten zu ermitteln und zu analysieren, ist eine präzise Etagendiagnostik der gesamten Gliederkette erforderlich. In der folgenden Abbildung (Abb. 4) ist die Vorgehensweise grafisch skizziert. In den nächsten beiden Kapiteln wird auf die genaue Technik zur Bestimmung des Torsionswinkels eingegangen.

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Rotations- und Torsionsfehlstellungen

2.1.2.1 Femurtorsion

Die Torsion des Femurs wird anhand des Winkels, der von der Schenkelhalsachse (Achse durch Femurkopf und Schenkelhals) und der Kondylenachse (diese wird ermittelt durch eine Tangente entlang der stärksten dorsalen Vorwölbung beider Femurkondylen) eingeschlossen wird, bestimmt. Gemessen wird dieser Winkel in der Transversalebene, meist mit Hilfe der Technik der Computertomographie. (vgl. Tönnis & Heinecke, 1999, S.154)

Beim gesunden Erwachsenen weicht die Schenkelhalsachse um ca. 12° - 15° zur Kondylenebene ventralwärts ab. Dieser Normwert wird in der Literatur sehr einheitlich angeführt. Nach Cordier& Katthagen (2000, S. 795) sind die Schenkelhalsachse und Sprunggelenkachse gleichsinnig verdreht - bei frontaler Einstellung der queren Kniegelenksachse steht der Fuß nach außen, die Schenkelhalsachse nach vorne.

In der folgenden Abbildung wird die als „normal“ bezeichnete Torsion noch einmal anschaulich dargestellt. Hier wird die korrekte Position des Femurkopfes in der Hüftpfanne repräsentiert. Der Winkel zwischen Schenkelhalsachse und Condylen ist ident mit dem Winkel, der von der Schenkelhalsachse und der Frontalebene des Körpers eingeschlossen wird.

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Rotations- und Torsionsfehlstellungen

2.1.2.2 Tibiatorsion

¹ vgl.: http://www.univie.ac.at/cga/faq/torsion.html, Zugriff am 10.11.2006

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Rotations- und Torsionsfehlstellungen

Eckhoff & Johnson (1994, p. 43) gingen dieser Problematik nach, indem sie anhand drei unterschiedlicher Referenzachsen entlang der proximalen Tibia (Achse entlang der posterioren Tibiakondylen, Achse entlang der anterioren Tibiakondylen und transverse Achse in der Mitte des Tibia Plateaus) Differenzen zu erkennen versuchten. Die drei unterschiedlich angelegten Achsen wurden in acht zueinander parallelen Ebenen gemessen. Es wurde jedoch kein signifikanter Unterschied des Ausmaßes der Tibiatorsion zwischen den 3 Referenzachsen nachgewiesen.

Auf die genaue Messung der Tibia- bzw. Femurtorsion wird im folgenden Kapitel (siehe Kapitel 2.2) noch näher eingegangen.

Bei gesunden Erwachsenen beträgt der Torsionswinkel ca. 20°- 23°. (vgl. Lampert et al., 2000, S. 802; Bouchard et al., 2004, S. 1279).

2.1.3 Anteversion

(Aus dem Lateinischen übersetzt bedeutet ante= vor/ vorwärts/voraus/ vorher)

Spricht man von einer Anteversion, so befindet sich der Femur, der eine korrekte anatomische Torsion aufweist, in einer „abnormalen“ Position in der Hüftpfanne. Wie die folgende Abbildung zeigt, resultiert aus dieser Fehlstellung eine Außenrotation des Femurs.

Insbesondere die Anteversion wird in der Literatur häufig gleichgesetzt mit der Antetorsion. 3

² vgl.: http://www.univie.ac.at/cga/faq/torsion.html, Zugriff am 10.11.2006

³ vgl.: http://www.massgeneral.org, Zugriff am 14.11.2006

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Rotations- und Torsionsfehlstellungen

Auch Klein & Sommerfeld (2004, S. 193) beschreiben den Anteversionswinkel des Femurs als eine Abweichung des Schenkelhalses nach ventral von der Frontalebene, der durch eine Torsion innerhalb der Femurdiapyse entsteht.

In Abb. 8 bildet die Bezugsachse zur Schenkelhalsachse die Achse durch die Femurkondylen, im Unterschied zu Abb. 7, bei der die Bezugsachse die Frontalachse ist. Es wird beide Male von einer Anteversion gesprochen, wobei der Autor Chris Kirtley ⁴ den Anteversionswinkel laut Klein & Sommerfeld (ebda) ausschließlich als Antetorsionswinkel bezeichnet.

In diesem Zusammenhang wird noch einmal auf die Notwendigkeit einer genauen Definition und insbesondere auf die Erläuterung des Bezugssystems verwiesen.

Im weiteren Verlauf dieser Arbeit entspricht eine Anteversion einer Außenrotation des Femurs. Anteversion und Torsion werden strikt getrennt.

2.1.4 Retroversion

Eine Retroversion ist eine Verminderung des Winkels zwischen der Schenkelhalsachse und der Frontalebene des Körpers. Der „normal“ tordierte Femur befindet sich in einer nicht korrekten Position in der Hüftpfanne bzw. der Hüftkopf zeigt nach dorsal. Aus diesem Missverhältnis resultiert eine Innenrotation des Femurs wie in Abb. 9 veranschaulicht.

⁴ vgl.: http://www.univie.ac.at/cga/faq/torsion.html, Zugriff am 10.11.2006

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Rotations- und Torsionsfehlstellungen

2.1.5 Antetorsion

Antetorsion bedeutet eine Vergrößerung des Winkels der Schenkelhalsachse relativ zur Achse der Femurkondylen. Der Winkel zwischen Schenkelhalsachse und Frontalebene ist im Normbereich, daher resultiert aus einer Antetorsion ein nach innen tordierter bzw. gedrehter Femur.

2.1.6 Retrotorsion

Bei der Retrotorsion verringert sich der Winkel zwischen der Schenkelhalsachse und der Achse entlang der Femurkondylen. In der folgenden Abbildung beträgt der Winkel annähernd 8 Grad. Der Winkel, den die Schenkelhalsachse mit der Frontalebene einschließt, ist annähernd normal, der Femur ist jedoch zu wenig nach innen torsiert. Die Retrotorsion weist daher einen nach außen rotierten bzw. tordierten Femur auf.

⁵ vgl.: http://www.univie.ac.at/cga/faq/torsion.html, Zugriff am 10.11.2006

⁶ vgl.: http://www.univie.ac.at/cga/faq/torsion.html, Zugriff am 10.11.2006

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Rotations- und Torsionsfehlstellungen

2.1.6.1 Entwicklung der Femurtorsion

Ein Exkurs in die physiologische Entwicklung der Femurtorsion zeigt, dass sich der Femur von einer pränatalen, negativen Torsion (=Retrotorsion) von ca. 26° (vgl. Guidera et. al, 1994, p. 19) bis hin zum Geburtszeitpunkt in eine positive femorale Torsion (=Antetorsion) von durchschnittlich 25° bis 31° entwickelt. Cordier & Katthagen geben sogar einen durchschnittlichen Wert der femoralen Antetorsion von 35° an. Die weitere Femurtorsionsentwicklung im Kleinkindes- und Kindesalter verläuft nicht linear und ist gekennzeichnet durch zwei entscheidende Detorsionsschübe. Der 1. Schub findet zwischen dem 4. und 6. Lebensjahr, der 2. zwischen dem 13. und 15. Lebensjahr. Danach normalisiert sich die Antetorsion bis zum Wachstumsabschluss auf einem durchschnittlichen Antetorsionswinkel von 12°-15°. Insbesondere Keppler, Strecker& Kinzl (1999, S. 939) konnten dieses Phänomen durch eine standardisierte CT- Methode bestätigen. Diese Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, dass zur Beurteilung pathologischer Torsionswinkelabweichungen insbesondere die alters- aber auch die methodenabhängigen Normalwerte bekannt sein müssen.

⁷ vgl.: http://www.univie.ac.at/cga/faq/torsion.html, Zugriff am 10.11.2006

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Rotations- und Torsionsfehlstellungen

2.1.6.2 Entwicklung der Tibiatorsion

Die Tibia weist zum Geburtszeitpunkt keine Torsion auf, das heißt die Fußachse ist parallel

zum Oberschenkel. Sobald sich das Individuum aufrichtet und zu gehen beginnt, entwickelt sich eine malleolare Torsion von durchschnittliche 18° - 23°, die im 5.-6. Lebensjahr ausgereift ist. Le Damany (1994, p.7) beobachtete interessanterweise Entwicklung der Torsion der rechten

Tibia im Unterschied zur linken. Diese Differenz wird auf die funktionelle Asymmetrie der Extremitäten, auf die bekannte ausgeprägte Dominanz der mehrheitlich überwiegenden rechten Seite zurückgeführt.

Ein verminderter Wert führt zu einer Innentorsion- bzw. Rotation des Unterschenkels. Dies ist in der Ganganalyse mit einem adduziertem Gangbild gleichzusetzen. Ein erhöhter Wert führt

⁸ vgl.: http://www.univie.ac.at/cga/faq/torsion.html, Zugriff am 10.11.2006

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Rotations- und Torsionsfehlstellungen

zu einer Außentorsion- bzw. Rotation, was auch als abduzierter Gang bezeichnet werden kann. (vgl. Le Damany, 1994, p.7)

2.1.7 Zusammenfassende Bemerkungen zur Definition der Rotations-und

Torsionsfehlstellungen

Durch umfangreiche Literaturrecherche ist ein klarer Sachverhalt einheitlicher Definitionsansätze hervorgegangen, der in aller Kürze noch einmal festgehalten wird.

Ist beim Femur von einer Torsion die Rede, bzw. wird der Torsionswinkel gemessen, so wird die Schenkelhalsachse in Relation zur Achse entlang der Femurkondylen gesetzt, d.h. die proximale Achse des Femurs wird in Relation zur distalen Achse des Femurs gesetzt.

Spricht man von einer Ante- oder Retroversion, so wird die Schenkelhalsachse relativ zur Frontalebene bzw. zum Raumkoordinatensystem gesetzt. Antetorsion und Retroversion bewirken eine ‚Innenrotation bzw. Innentorsion’ des Femurs und Anteversion wie auch Retrotorsion bewirken eine ‚Außenrotation bzw. Außentorsion’ des Femurs. (vgl. Cordier & Katthagen, 2000, S.795- 801; Kirtley ⁹ )

Als Tibiatorsion gilt die Verdrehung ihrer proximalen und distalen Gelenkachsen entlang der longitudinalen Unterschenkelachse. Der Winkel, der von den beiden Referenzachsen eingeschlossen wird ergibt das Ausmaß der vorliegenden Tibiatorsion. (vgl. Bouchard et al., 2004, S. 1279)

2.2 Ermittlung des Ausmaßes der Torsion des Femurs und der Tibia

Bei vielen Erkrankungen der unteren Extremität im Kindes- und Jugendalter ist zur Therapieplanung eine möglichst genaue Bestimmung der femoralen Torsion und der Tibiatorsion erforderlich. Die Torsionsmessungen können einerseits klinisch und andererseits apparativ erfolgen. Die apparativen Methoden gliedern sich auf in externe Apparaturen, mit denen der Winkel direkt abgelesen werden kann (z.B. Goniometer; wird ausschließlich zur Messung der Tibiatorsion verwendet) und in bildgebende Verfahren, bei denen der Winkel bestimmt werden kann.

Letztere genannte Methoden sind das Röntgen, die Sonographie (Ultraschall) sowie die Computertomographie (CT) und Kernspintomographie. Die Computertomographie sowie die Kernspintomographie sind bildgebende Verfahren, bei denen ein zweidimensionales Bild von

⁹ vgl.: http://www.univie.ac.at/cga/faq/torsion.html, Zugriff am 10.11.2006

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Rotations- und Torsionsfehlstellungen

einem dreidimensionalem Objekt bzw. Körper wiedergegeben wird. Mittels digitaler Informationsverarbeitung wird ein röntgenologisches Schnittbild, welches entlang einer Rotationsachse gemacht wird, hergestellt.

Die Reproduzierbarkeit, Praktikabilität und damit klinische Wertigkeit der einzelnen Methoden ist sehr unterschiedlich. Die Ultraschallmessung wird in der Praxis weniger für die Feststellung der knöchernen Struktur verwendet, im Gegensatz zur Computertomographie und Kernspintomographie. Die sonographische Methode scheint dennoch ausreichend hoch zur orientierenden Darstellung der femoralen Antetorsion in der Diagnostik, jedoch für operative Eingriffe ist die Genauigkeit dennoch nicht ausreichend. (vgl. Günther, Kessler, Tomczak, Pfeifer& Puhl, 1996, S.295; Lampert et al., 2000, S. 802)

Neben anderen möglichen Methoden kommt heute wegen der hohen Genauigkeit in erster Linie die Methode der Computertomographie zur Bestimmung der Beinachsen zum Einsatz.

Die Computertomographie ermöglicht eine sehr genaue Abbildung der

Schenkelhalsantetorsion, auch wenn Fehlermöglichkeiten bei der Bestimmung der Schenkelhalsachse die Messgenauigkeit teilweise einschränken. Die Kernspintomographie wird ebenso als höchst exakt eingestuft, wobei hierbei der hohe Kostenaufwand ein erhebliches Hindernis in der praktischen Anwendung darstellt. (vgl. Günther et al., 1996, S. 300; vgl. Cordier et al., 2000, S.797)

Des Weiteren wird in diesem Kapitel die Vorgangsweise der Torsions- Winkelmessung mittels Computertomographie für den Femur und die Tibia beschrieben. Ergebnisse zur Genauigkeit und Reliabilität der Methode werden am Ende präsentiert und gegenübergestellt.

2.2.1 CT- Winkelmessung Femorale Antetorsion

Es gibt unterschiedliche Methoden der Aufnahme. Bei der Methode von Visser wird der Patient in Bauchlage untersucht.

Am Häufigsten jedoch werden die Aufnahmen in Rückenlage vorgenommen. Die Patienten werden in horizontaler Lage mit gestreckten Hüften und Beinen, die zueinander parallel sind, platziert.

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Rotations- und Torsionsfehlstellungen

In Abb. 14 ist ein transversales

Schnittbild Abbildung zeigt das Becken mit Blick Richtung schädelwärts. Die helleren Konturen bilden den Schenkelhals, den Femurkopf und die Hüftgelenkspfanne. Da die Aufnahme am Rücken liegend gemacht wurde, stellt das Becken auf der linken

Körperhälfte und das Becken auf der rechten Bildseite die linke Körperhälfte mit Teilen der unteren Extremität dar.

Das untere Bild zeigt die Kondylen des

Femurs in transversaler Ebene. Die Kondylen auf der linken Bildseite stellen wiederum die Kondylen des rechten Femurs dar und umgekehrt.

Um das Ausmaß der Torsion des Femurs zu ermitteln, müssen die beiden Aufnahmen in eine sinnvolle Beziehung zueinander gesetzt werden,

Im Kapitel der Definition der Femurtorsion wurde bereits über die Lokalisation der Referenzachsen gesprochen. Um ein besseres Verständnis zu fördern, ist in der folgenden Grafik (Abb. 15) der genaue Verlauf der vom Untersucher konstruierten Geraden gekennzeichnet.

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Rotations- und Torsionsfehlstellungen

In Theorie und Praxis sind sich Autoren,

Orthopäden und Radiologen im Großen und Ganzen darüber

Bezugspunkte die Achsen gelegt werden. Grundsätzlich

Referenzachse- die Schenkelhalsachse- mittig vom Kopf des Femurs durch den Schenkelhals. Die distale Referenzachse wird entlang der posterioren Begrenzung der Femurkondylen gezogen. (vgl. Tönnis & Heinecke, 1999, S.154)

Zu beiden Geraden wird eine Horizontale, bezogen

auf den Blattrand, bzw. eine Parallele zur Senkrechten des CT’s gezogen. Eingangs werden zwei separate Winkel, jeweils von der Horizontalen eingeschlossen, ermittelt. Ausgehend vom distalen Winkel in Nähe des Kniegelenks (Winkel, der von der Kondylen- Achse und der Horizontalen eingeschlossen wird) wird bei vorliegender Abweichung nach innen der ermittelte Wert zum proximalen Winkel (Winkel, der von der Kondylen-Achse und der Horizontalen eingeschlossen wird) hinzugezählt, bei einer Abweichung nach außen abgezogen.

Auf diese Art und Weise wird das Ausmaß der Torsion des Femurs ermittelt. (vgl. Cordier et al., 2000, S.798)

Im abgebildeten CT sind die Konturen der anatomischen Strukturen relativ gut ersichtlich. Trotzdem kann es zu geringen Abweichungen beim Vermessen kommen, da die Schenkelhalsachse entlang der Mitte des Schenkelhalses verläuft und dadurch eine geringe Abweichung entstehen kann.

Es wird angemerkt, dass die Angabe der Winkel von Seiten der Orthopäden und Radiologen üblicherweise mit zwei Dezimalstellen erfolgt. Im nächsten Kapitel wird über die Genauigkeit der CT- Messung gesprochen. Es kann darüber diskutiert werden, ob eine Angabe in dieser Präzision erforderlich ist, da doch eine gewisse Schwankungsbreite besteht.

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Rotations- und Torsionsfehlstellungen

2.2.1.1 Genauigkeit und Reliabilität der Methode der Computertomographie bei der Winkelmessung der Femurtorsion

Von den möglichen Untersuchungsmethoden zur Ermittlung der Torsion wird die Computertomographie als sehr genau bezeichnet. Steht eine Operation bevor, wird das CT analysiert und zur Operationsplanung herangezogen. Aufgrund der Ergebnisse des CT’s wird die Vorgehensweise der Operation seitens des Orthopäden geplant. Weist der Patient eine Rotations- bzw. Torsionsfehlstellung auf, wird bei der Operation eine Derotation vorgenommen. Der Arzt führt ein gezieltes Trennen des Knochens durch (= Osteotomie), damit die der Norm entsprechenden anatomischen Achsenverhältnisse wieder hergestellt werden. Auf das Operationsverfahren der Osteotomie wird in weiterer Folge noch näher eingegangen.

Die Autorengruppe Jaarsma, Bruggemann, Pakvis, Verdonschot, Lemmens& Van Kampen (2004, S. 553) gingen der Verlässlichkeit und Reproduzierbarkeit der CT- Winkelmessung nach, indem die ‚interobserver Variability’ und die ‚intraobserver variability’ erhoben wurde. Bei der interobserver variability vermaßen 3 verschiedene Untersucher die CT’s von 3 Patienten zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten. Bei der intraobserver variability wurden die CT’s von den 3 zufällig ausgewählten Patienten von ein und demselben Untersucher zu fünf verschiedenen Zeitpunkten wiederholt gemessen. Der Mittelwert der Standardabweichungen ergab die inraobserver variability. Die interobserver variability errechnete sich aus den Mittelwerten der wiederholten Messungen eines jeden Untersuchers.

Das Ergebnis zeigte eine interobserver variability von 15,6° unter den verschiedenen Untersuchern. Die intraobserver varibility ergab durchschnittlich 10,8°. Die dementsprechend große Streuung unter den Untersuchern ist zurückzuführen auf die Ungenauigkeit der Konstruktion der Schenkelhalsachse. Der Vorschlag seitens der Autoren zur Erhöhung der Genauigkeit ist ein zweimaliges Vermessen der CT’s zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten. In der Praxis wird das jedoch kaum gemacht, da dies vom zeitlichen Aufwand schwer durchführbar ist.

Günther et al. (1996, S.295ff.) befassten sich ebenso mit der Reliabilität und Praktikabilität unterschiedlicher Messverfahren zur Ermittlung der Torsion bzw. Antetorsion, unter anderem mit der Computertomographie.

Es wurden die klinische Untersuchung, die Sonographie, die Computertomographie und die Kernspintomographie miteinander verglichen. Zur Bestimmung der Reliabilität wurden alle

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Messungen durch jeweils zwei Untersucher im Abstand von 4 Wochen zweimal vorgenommen.

Die Inter- Observer- Reliabilität (Messung durch zwei Untersucher A und B) wie auch die Intra- Rater- Reliabilität (Messung eines Untersuchers zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten) ergab bei computertomographischer und kernspintomographischer Bestimmung eine vergleichbar hohe Reliabilität.

In der Untersuchung von Günther et al. (1996, 295ff.) liegt der Fokus auf der Betonung der Genauigkeit des Verfahrens. Die proximale Femur- Achse wurde durch das Hüftkopfzentrum und den durch eine einhüllende Ellipse graphisch aproximierten Flächenmittelpunkt des Trochanter major festgelegt.

Da mit Hilfe eines Computer Systems gearbeitet wurde, ist die Variabilität zwischen zwei Untersuchern in dieser Studie wesentlich geringer als in der von Jaarsma et al. (2004) angeführten.

Nicht nur Günther et al. (1996, S. 295- 300) heben die Reliabilität des CT’s im Vergleich zu anderen möglichen Methoden hervor, auch Berman, Mitchell & Katz (1987) befanden diese Art des Bild gebenden Untersuchungsverfahren als sehr verlässlich.

2.2.1.2 Zusammenfassende Bemerkung zur Reliabilität der Messung der Femurtorsion

Um die femorale Torsion zu ermitteln stehen dem Untersucher und der Untersucherin die Möglichkeit der klinischen Untersuchung oder die Analyse von röntgenologischen Schnittbildern zur Verfügung. Die Computertomographie gilt allgemein als das bildgebende Verfahren, das die anatomische Struktur exakt wiedergibt und somit einen wesentlichen Beitrag zur Operationsplanung liefert. In der Literatur gibt es eine Zahl von Studien und Untersuchungen, die einen aussagekräftigen Vergleich zu anderen möglichen Methoden aufzeigen. (vgl. Günther et al., 1996, S.296; German et al., S.268)

Die Genauigkeit der Winkelmessung des Femurs wird jedoch teilweise in Frage gestellt (Jaarsma et al., 2004, p.552), da der Vermesser bzw. die Vermesserin individuell die Referenzachsen konstruiert und die Bezugspunkte - insbesondere der proximalen Schenkelhalsachse - nicht klar definiert sind.

Keppler et al. (1999, S.940) geben eine Fehlerbreite der CT- Torsionswinkelbestimmung von ±3,5° an.

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Rotations- und Torsionsfehlstellungen

Dies bleibt ein zu berücksichtigender Faktor in der Ermittlung der Genauigkeit der Winkelmessung.

2.2.2 CT- Winkelmessung Tibia

Die Tibiatorsion bezeichnet den Winkel der proximalen Tibiakondylen gegenüber der Intermalleolarachse, welche weitgehend übereinstimmt mit der Talusrotationsache im oberen Sprunggelenk.

Bei der Ermittlung der Torsion der Tibia liegt - wie auch beim Femur - das Problem der unterschiedlichen Definitionen der Winkel bestimmenden Bezugsachsen vor. Im Folgenden wird die am häufigsten verwendete Vermessungsmethode dargestellt. Andere mögliche Methoden werden aufgezeigt und deren Reliabilität diskutiert.

Im folgenden transversalen Schnittbild bilden die weißen Konturen in der oberen Hälfte des Bildes der Abb. 16.a die Umrisse der Tibiakondylen. Die untere Bildhälfte Abb. 16.b stellt einen Querschnitt durch die obere Sprunggelenksachse dar. Die Aufnahme erfolgte wiederum in Rückenlage; daher repräsentiert die linke Bildseite die rechte Tibia und die rechte Bildseite die linke Tibia.

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Rotations- und Torsionsfehlstellungen

Bei der Vermessung des CT’s bilden die Bezugspunkte der proximalen Referenzachse die am weitesten ausladenden Punkte der Dorsalseite des Tibiakopfes. Die distale Referenzachse konstruiert sich aus zwei Bezugspunkten. Zum einen aus dem Flächenmittelpunkt einer den Malleolus medialis einhüllenden Ellipse, zum anderen aus dem Flächenmittelpunkt einer Ellipse in der Incisura fibularis tibiae. Die Verbindungsgerade beider Ellipsenmittelpunkte bildet die distale Referenzachse.

Zu beiden Geraden wird eine Horizontale bezogen auf den Blattrand, bzw. eine Parallele zur Senkrechten des CT’s gezogen. Ausgehend vom distalen Winkel in Nähe des Sprunggelenks (Winkel, der von der distalen Referenzachse und der Horizontalen eingeschlossen wird) wird bei vorliegender Abweichung nach innen der ermittelte Wert zum proximalen Winkel (Winkel, der von der Kondylen- Achse und der Horizontalen eingeschlossen wird) hinzugezählt, bei einer Abweichung nach außen abgezogen. (vgl. Bouchard et al., 2004, S.1280)

Diese Vorgehensweise beruht auf dem gleichen Schema wie die Messung der Femurtorsion.

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Rotations- und Torsionsfehlstellungen

Bei diesen ausgewählten CT- Methoden orientieren sich die Bezugspunkte der Messung ausschließlich an der Tibia. Die tibiofibulare Torsion wird in diesem Zusammenhang nicht berücksichtigt.

2.2.2.1 Genauigkeit und Reliabilität der Methode der Computertomographie bei der Winkelmessung der Tibiatorsion

Das computertomographische Verfahren gilt aufgrund der hohen Genauigkeit und guten Reproduzierbarkeit auch bei der Untersuchung der Tibia als „Goldstandard“. Dies betrifft nicht nur die Messungen der Knochendichte oder Frakturklassifikationen, insbesondere auch die Winkelmessung von definierten Achsen. Butler- Manuel et al. (1992, p.125) zeigten in einer Untersuchung, dass der Unterschied zwischen direkter fotografischer Messung am Skelettknochen und computertomographischer Messungen <1° beträgt.

Bouchard et al. (ebda) bestätigten diesen Wert in ihrer Messung mit Varianzen von ±3° bei der Interobservervariabilität der CT’s.

Da auch bei der Tibia keine exakte

Definition

Konstruktion der Messachsen existiert, hat Eckhoff et al. (1994, p. 44) die Messungen drei unterschiedlich angelegter, proximaler Achsen miteinander verglichen. (siehe folgende Abbildung).

Die Ergebnisse der drei unterschiedlichen

Achsen der proximalen Tibia wiesen keine statistische Signifikanz auf.