Zusammenfassung

Die vorliegende experimentelle biomechanische Arbeit untersucht und beurteilt die Stabilität und Belastbarkeit von mit Knochenschrauben refixierten Tuberositates (Knochenhügel des Schienbeins am Ansatz der Patellar-Sehne). Unter realitätsnahen Bedingungen gelang eine Abschätzung der Qualität der Fügezone im Laufe der Rehabilitationsphase.

Es wurde eine Prüfvorrichtung konstruiert und gefertigt, welche sowohl den biometrischen Kriterien der geprüften Kniegelenke als auch den versuchsspezifischen Anforderungen (Prüfplatz, Messprinzip usw.) entsprach. Diese Vorrichtung diente dem Einspannen und Prüfen menschlicher Kniegelenke mitsamt der refixierten Tuberositates. Die Kniegelenke wurden paarweise unter Variation der

Versuchsparameter (Verschraubungskonfiguration sowie Schnittführung beim Abtrennen der Tuberositas) einer zyklischen Konditionierung und einem nachfolgenden Zugversuch unterzogen. So konnten Aussagen über die Auswirkungen der Versuchsparameter auf die Stabilität und Belastbarkeit der Tuberositas-Schienbeinknochen-Verbindung gemacht werden.

In einem ersten Versuchsteil (Variation der Verschraubungskonfiguration) kamen zum einen vier Schrauben mit einem Durchmesser von 3,5 mm, zum anderen zwei Schrauben mit einem Durchmesser von 4,5 mm zur Anwendung. Beide Variationen erreichten eine hohe Stabilität nach der Konditionierung (Dislokation im belasteten Zustand nach 1000 Zyklen: 0,43 mm bei vier Schrauben (3,5 mm), 0,32 mm bei zwei Schrauben (4,5 mm)).

Die maximale Zugkraft lag bei der Verwendung von vier Schrauben mit 3,5 mm Durchmesser (2237 N) höher als bei zwei Schrauben mit 4,5 mm Durchmesser (1880 N).

In einem zweiten Versuchsteil (Variation der Schnittführung beim Entfernen der Tuberositas) vervielfachte sich nach dem Entfernen der proximalen Stufe am Schienbein die Dislokation der Tuberositas unter zyklischer Belastung. Schlussfolgerung der Untersuchung:

Es darf davon ausgegangen werden, dass die Verwendung von vier Schrauben mit 3,5 mm Durchmesser und die Ausbildung einer proximalen Stufe bei der Schnittführung die Rehabilitationszeit nach einer Tuberositasosteotomie verkürzen und zugleich postoperative Komplikationen vermindern kann.

Vorwort

Die vorliegende biomechanische Diplomarbeit untersucht Refixationsverfahren der Tuberositas tibiae nach einer Knieprothesenrevision. Die Tuberositas tibiae ist eine Erhebung auf der Vorderseite des Schienbeinknochens (lat. Tibia). An ihr setzt die Patellar-Sehne an, welche bei der Kniebeugung die Kraft des Oberschenkelmuskels auf den Unterschenkel überträgt.

Bei der Revision eines künstlichen Kniegelenks ist es von Vorteil, die Tuberositas mit zwei Schnitten vom Schienbeinknochen abzusägen, um einen besseren Zugang zum Kniegelenk zu erhalten. Nach der Implantation einer neuen Prothese muss die Tuberositas wieder mit dem Schienbein fixiert werden. Diese Refixation erfolgt unter Verwendung von speziellen Knochenschrauben.

Sowohl die Untersuchung der Schnittführung beim Abtrennen der Tuberositas als auch die Knochenschraubenkonfiguration bei der Refixation der Tuberositas waren Schwerpunkte dieser Arbeit. Anhand dieser Variationen sollten Aussagen über die optimale Fixierung der Tuberositas am Schienbein gemacht werden.

Betreut wurde die Untersuchung von der Arbeitsgruppe für Werkstoff- und Oberflächentechnik AWOK an der Technischen Universität Kaiserslautern sowie von der Klinik für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie an den Universitätskliniken des Saarlandes in Homburg. Unter Anleitung von Oberarzt Dr. Gödde konnten 20 menschliche Kniegelenke (paarweise von 10 verstorbenen Organspendern) in biomechanischen Experimenten präpariert, im Zugversuch geprüft und ausgewertet werden. Für die fachliche Betreuung der Arbeit danke ich Herrn Juniorprofessor Dr.-Ing. Paul Ludwig Geiß (AWOK, TU Kaiserslautern). Besonderer Dank gilt Herrn Oberarzt Dr. Stefan Gödde

(Universitätskliniken Homburg), dessen Fachwissen und Engagement essentiell für das Gelingen der Untersuchung waren.

Professor Dr. Lüder Busch und seinen Mitarbeitern vom Institut für Anatomie der Universität zu Lübeck möchte ich für die freundliche Bereitstellung der 20 Präparate danken, welche die Experimente erst ermöglicht haben.

Nicht zuletzt danke ich meiner Familie für die Unterstützung während dieser Zeit.

Abbildungsverzeichnis   i

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis.   i

Abbildungsverzeichnis.   iii

1.  Einleitung  1

2.  Aufgabenstellung  5

2.1.  Problemstellung  5

2.2.  Lösungsansatz.  5

3.  Forschungsstand  10

3.1.  Geometrie und Mechanik des menschlichen Kniegelenks.  10

3.2.  Die Anwendung der Tuberositasosteotomie  15

3.2.1.  Operationstechnik  15

3.3.  Belastungen der Quadrizeps-Sehne  18

3.4.  Mechanische Eigenschaften der Kniegelenksehnen.  19

3.5.  Haltekraft von Knochenschrauben im Knochen  22

3.6.  Ergebnisse vorangegangener Untersuchungen zur Methode  

der  Tuberositasrefixation  25

4.  Konstruktiver Untersuchungsteil  32

4.1.  Vorhandene Messmittel  32

4.2.  Anforderungskatalog der Versuchsvorrichtung  33

4.3.  Konstruktion  35

5.  Experimenteller Untersuchungsteil  39

5.1.  Bestimmung der Belastungsparameter  39

5.2.  Versuchsdurchführung.  43

5.3.  Präparation  44

6.  Ergebnisse  53

6.1.  Einfluss von Schraubenanzahl und Schraubendurchmesser  

auf  Stabilität und Belastbarkeit der Tuberositas-Schrauben-  

Verbindung...................................................................................   53

6.1.1.  Stabilität der Tuberositas-Schienbein-Verbindung  54

6.1.2.  Belastbarkeit der Tuberositas-Schienbein-Verbin-  

dung   57

Abbildungsverzeichnis   ii

6.2.  Auswertung des ersten Versuchsteils  59

6.3.  Einfluss des Stufenschnitts auf die Tuberositas-Schienbein-  

Verbindung...................................................................................   62

6.3.1.  Stabilität der Tuberositas-Schienbein-Verbindung  62

6.3.2.  Belastbarkeit der Tuberositas-Schienbein-Verbin-  

dung.   65

6.4.  Auswertung des zweiten Versuchsteils  66

6.5.  Zur Kontinuität der Messwerte zwischen den Versuchsteilen.  67

6.6.  Schadensschemata  68

7.  Diskussion.  70

8.  Ausblick.  73

Glossar  verwendeter Fachausdrücke  75

Literaturverzeichnis.   76

Anhang   

Abbildungsverzeichnis iii

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Tuberositas tibiae (roter Bereich) ....................................... 2 Abbildung 2: Kniegelenkprothese mit Stems ........................................... 3 Abbildung 3: Querschnitte eines Schienbeinknochens mit

zentralem Stem (graue Kreisfläche), Davis et al. [18] ........ 4 Abbildung 4: Richtungsunterschied der Kraftvektoren von

Abbildung 5: Darstellung der Winkeldifferenz der Kräfte in

Abbildung 6: Darstellung der Sehnenkräfte bei verschiedenen Beugegraden, Huberti et al. [5]......................................... 13 Abbildung 7: Kräfteverhältnis Quadrizeps-Sehne/Patellar-Sehne

bei verschiedenen Beugegraden, Huberti et al. [5] .......... 13 Abbildung 8: Richtungs- und Ortsbezeichnungen im Körper................. 14 Abbildung 9: Tuberositasosteotomie; A & B: Bevelcut; C: Stepcut, Davis et al. [18] ................................................................. 16 Abbildung 10: Röntgenbild einer Tibiafraktur sechs Wochen nach

Abbildung 11: Kraft in der Quadrizeps-Sehne bei Kniestreckung

Abbildung 12: Kriechverhalten einer Quadrizeps-Sehne während 200 Zyklen, Schatzmann et al. [14] .................................. 21 Abbildung 13: Kriechverhalten einer Quadrizeps-Sehne zwischen Zyklus 150 und 200, Schatzmann et al. [14] .................... 22 Abbildung 14: Maximale Haltekraft von Knochenschrauben in

Abbildungsverzeichnis iv

Abbildung 15: Prüfvorrichtung, Cosgarea et al. [6] .................................. 25 Abbildung 16: Prüfvorrichtung, Davis et al. [18]....................................... 26 Abbildung 17: Kraft-Verschiebungs-Diagramm verschiedener Fixationsvariationen, Davis et al. [18]...................................... 28 Abbildung 18: Prüfvorrichtung, Caldwell et al. [19] .................................. 28 Abbildung 19: Verschiebung der Tuberositas nach 500 Zyklen, Caldwell et al. [19]............................................................. 30 Abbildung 20: Kraft-Verschiebungs-Diagramm nach zyklischer

Abbildung 21: Versuchsvorrichtung, Draufsicht....................................... 35 Abbildung 22: Versuchsvorrichtung, Seitenansicht ................................. 37 Abbildung 23: Versuchsvorrichtung, Vorderansicht................................. 38 Abbildung 24: Präparat im Urzustand ...................................................... 45 Abbildung 25: Präparat beim Freilegen der Muskulatur .......................... 45 Abbildung 26: Präparat mit freigelegter Muskulatur ................................ 45 Abbildung 27: Präparat mit verbliebenen Bändern und Sehnen ............. 45 Abbildung 28 Freigelegte Patellar-Sehne zwischen Kniescheibe (links) und Tuberositas (rechts) ........................................ 45 Abbildung 29: Probe nach Abtrennen der Tuberositas (links Schienbein, rechts Oberschenkel)............................................... 46 Abbildung 30: Draufsicht auf die entstandene Schnittfläche des Schienbeinknochens......................................................... 47 Abbildung 31: refixierte Tuberositas (linkes Bein, Variation A: 4 x 3,5 mm) ................................................................................... 49 Abbildung 32: Schraubenplatzierung (linkes Bein, Variation A: 4 x 3,5 mm) ............................................................................. 49 Abbildung 33: Tuberositasunterseite mit angewinkelten Schrauben (Variation A) ...................................................................... 50 Abbildung 34: Präparierte Probe mit angebrachtem Sehnenadapter...... 50 Abbildung 35: In Vorrichtung eingespannte Probe .................................. 51 Abbildung 36: In der Vorrichtung eingespannte Probe mit Markern........ 52 Abbildung 37: Tuberositasverschiebung nach 1000 Zyklen;

Vergleich der Schraubenparameter.................................. 55

Abbildungsverzeichnis v

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

links).................................................................................. 55 Abbildung 39: Weg-Stufen-Diagramm, Stufe 0 - 500 (Probe 1326

links).................................................................................. 56 Abbildung 40: Weg-Stufen-Diagramm, Stufe 1500 - 2000 (Probe

1326 links)......................................................................... 56 Abbildung 41: Maximalkraft an der Tuberositas nach 1000 Zyklen; Vergleich der Schraubenparameter.................................. 57 Abbildung 42: Kraft-Weg-Diagramm, Probe 1223 (4 x 3,5 mm

Durchmesser) ................................................................... 58 Abbildung 43: Zerstörte Stufe des Schienbeinknochens......................... 58 Abbildung 44: Verschiebung-Zyklen-Diagramm bei vorhandener Stufe (Probenpaar 1333 rechts) ....................................... 64 Abbildung 45: Verschiebung-Zyklen-Diagramm bei entfernter Stufe (Probenpaar 1333 links) ................................................... 65 Abbildung 46: Vergleich der Verschiebung von Proben aus Versuchsteil 1 und 2 (4 x 3,5 mm, mit Stufe).................... 67 Abbildung 47: Vergleich der Maximalkraft von Proben aus Versuchsteil 1 und 2 (4 x 3,5 mm, mit Stufe).................... 68 Abbildung 48: Probe mit aus der rückwärtigen Corticalis und aus der Tuberositas herausgerissenen Schrauben....................... 69

Einleitung 1

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 Knochenfixation dar. Solche sogenannten Cerclagen werden häufig in der orthopädischen 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 Stahldrahtes über den Knochenumfang sowie die Schonung der Knochenstruktur (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 „zyklisches Kriechen“ bei häufigen Lastwechseln, d. h. ein sukzessives Verschieben 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.

Einleitung 2

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 Drehmomentschlüssels) von Anwendung zu Anwendung und sind schwer zu bestimmen. Beim Einsatz von Schrauben ist die Penetration des Knochens 1 essentiell für die erreichbare Haltekraft. Die erwähnte Anisotropie des Knochens gewährt dem Schraubengewinde nämlich nur im festen Randbereich (lat. Corticalis) einen sicheren Halt.

Abbildung 1: Tuberositas tibiae (roter Bereich)

Eine Abtrennung und Refixation der Tuberositas tibiae ist u. a. bei der Revision einer Kniegelenkprothese notwendig 2 . Künstliche Kniegelenke besitzen derzeit eine durchschnittliche Lebensdauer von 15 - 20 Jahren. Da die Lebenserwartung der Bevölkerung in den westlichen Industrienationen

1 Die Schrauben müssen den Knochen auf der Rückseite durchstoßen.

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

Einleitung 3

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 Primärprothese. Das zu entfernende Implantat ist mit dem Knochen fest verwachsen. Diese für den Alltag des Patienten gewünschte Symbiose von natürlichem Knochen und Biowerkstoff führt beim Austausch des Kniegelenks 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 Tuberositas tibiae vom Schienbeinknochen, ermöglicht ein seitliches Wegklappen der über das Kniegelenk verlaufenden Kniescheibe und gewährleistet somit einen entschieden größeren und komfortableren Zugang zum Knie.

Abbildung 2: Kniegelenkprothese mit Stems

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

Einleitung 4

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.

Aufgabenstellung 5

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 untersucht 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 Untersuchungen mit menschlichen Spenderpräparaten ein Vergleich verschiedener 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.

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.

Aufgabenstellung 6

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

ƒƒdie Stabilität der Fügezone bei zyklischer Zugbelastung, d. h. eine Relativverschiebung der Fügeteile Tuberositas und Schienbeinknochen während und nach einer simulierten Rehabilitationsmaßnahme

ƒƒdie 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 erfolgt über Sehnen, welche wie ein Seil lediglich Zugkräfte übertragen können. Die Quadrizeps-Sehne überträgt die Zugkraft des Oberschenkelmuskels (lat. Quadrizeps) auf die Patellar-Sehne und weiter auf die Tuberositas tibiae. Die Prüfung der Tuberositasstabilität erfolgt dementsprechend im Zugversuch durch Krafteinleitung in die Quadrizeps-Sehne (einige Untersuchungen 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:

ƒƒDie im Knie und an der Tuberositas während einer Rehabilitationsmaßnahme auftretenden Belastungen dienen als Basis für den Prüfungsverlauf.

ƒƒKniegeometrie und Kniekinematik im Menschen sind überaus komplex (vgl. Kapitel 3.1 Geometrie und Mechanik des menschlichen

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.

Aufgabenstellung 7

Kniegelenks). Die Untersuchung soll aus diesem Grund das Knie als Einheit einbeziehen, um dessen spezielle biomechanische Eigenschaften einfließen zu lassen. Daher wird der gesamte Knieapparat von der Quadrizeps-Sehne als Krafteinleitungspunkt (vgl. Abbildung 1) über die Kniescheibe (lat. Patellar) und die Patellar-Sehne bis zur am Schienbeinknochen refixierten Tuberositas geprüft 5 . Der aus der Zugrichtung der Traverse resultierende Vektor der Prüfkraft (parallel zur z-Achse, d. h. senkrecht) an der Quadrizeps-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 Verwendung des kompletten Kniegelenks statt lediglich des Schienbeins ist wesentlich für eine realitätsnahe Abbildung der Kräfte.

ƒƒDie Probenpräparation erfolgt exakt nach der Vorgehensweise einer realen Operation. Die Tuberositas wird mit den dort üblichen Instrumenten entfernt und wieder fixiert.

ƒƒDa die Verwendung einer Prothese mit stabilisierendem Stem (vgl. Abbildung 2) untersucht werden soll, erfolgt immer eine zur Schienbeinmitte angewinkelte Schraubenanordnung (vgl. Abbildung 32, Kapitel 5.3)

ƒƒIm ersten Versuchsteil werden zwei verschiedene Verschraubungskonfigurationen bezüglich ihrer Stabilität und Belastbarkeit verglichen (vier Schrauben mit 3,5 Millimetern Durchmesser (Variation A) versus zwei Schrauben mit 4,5 Millimetern Durchmesser (Variation B)).

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.