Experimentelle Studien

Biomechanische Stabiliätsüberprüfung zweier retrograder tibiotalocalcanearer Arthrodesennägel unterschiedlichen Designs im osteoporotischen Kadavermodell

In enger Kooperation mit der Universität Münster verglichen wir den A3 in einem biokompatiblem Belastungsmodell mit humanen Präparaten mit einem anderen Arthrodesenagel

Hintergrund 
Die retrograde Marknagelung zur tibiotalocalcanearen Fusion ist zunehmend verbreitet, bei osteoporotischer Knochenqualität spielt jedoch die Verankerung eine entscheidende Rolle. Ziel der Studie war der biomechanische Vergleich der Primärstabilität zweier retrograder intramedullärer Nagelsysteme zur tibiocalcanearen Fusion ( A3, Small Bone Innovations, Morrisville, PA, USA; HAN, Synthes, West Chester, PA, USA) im Kadavermodell osteoporotischer Präparate.

Methode
Verwendet wurden neun Paare humaner Frischpräparate (5 Männer, 4 Frauen) mit einem mittleren Alter von 85.3 Jahren (range, 77 to 95).  Zunächst erfolgte in allen Präparaten die Bestimmung der Knochendichte (BMD).  Tibia und Fibula wurden bis zu 30cm vom oberen Sprunggelenk und bis zum Chopartgelenk präpariert und der Weichteilmantel bis auf den Syndesmosenkomplex und die Bandstrukturen entfernt.  
Biomechanisch getestet wurden 2 Nagelsysteme mit unterschiedlichen Verriegelungsmodi und Nageldesigns (Nagellänge 300mm- A3 und 240mm-HAN, Durchmesser proximal 10mm, winkelstabile Verriegelung calcanear 2Schrauben-HAN, 1 Schraube im Kompressionsmodus A3) mittels einer biaxialen servo-hydraulischen Testmaschine (Instron-8874; Instron, Darmstadt, Germany).  In quasi-statischen Tests unter Extension-Flexion, Varus-Valgus und Rotationsbelastung wurde die neutral Zone und das Bewegungsausmaß der Konstrukte bestimmt, nachfolgend unter sukzessiver zyklischer Belastung in Extension und Flexion beginnend mit 125 N für 6x220 Zyklen und mit 250 N für 14x220 Zyklen bis zum Versagen getestet.

Ergebnisse
Die durchschnittlichen Knochendichte betrug 67.4 mgHA/ccm und zeigte keine Unterschiede in den beiden Gruppen (t-test, p=.27). Unter zyklischer Belastung zeigte sich ein signifikant kleineres Bewegungsausmaß der HAN-Gruppe mit 7.3±2.6mm im Vergleich zur A3-Gruppe mit 12.3±2.7mm (t-Test, p= 0.27). Das Versagen der Konstrukte wurde beim HAN nach 4571.4±1133.9 Zyklen und nach 2343.8±1194.8 Zyklen beim A3 festgestellt (t-Test, p=.031).  Die Knochendichte korrelierte  signifikant mit der Anzahl der Zyklen bis zum Versagen in beiden Gruppen (Spearman-Rho, r>.69, p< 0.01).

Schlußfolgerungen
Das hohe Patientenalter und die geringe Knochendichte der Präparate simuliert eine Stabilisierung bei osteoporotischer Knochenstruktur. Der HAN mit nur einer distalen Krümmung und 2 calcanearen Verriegelungen zeigt eine höhere Primärstabilität  (höhere Anzahl an Zyklen bis zum Versagen und geringeres Bewegungsausmaß unter zyklischer Belastung) als der A3 mit zusätzlicher Krümmung dorsal jedoch nur einer Verrieglung calcanear. Beide Nagelsysteme zeigten eine suffiziente Stabilität im Vergleich zu bereits publizierten biomechanischen Daten.   Dementsprechend erscheinen beide Systeme geeignet zur retrograden tibiotalocalcanearen Arthrodese auch im osteoporotischen Knochen.

• A3 Anatomic Ankle Arthrodesis System®

Computer Assistierte Chirurgie (CAS) basierte Korrektur von Rück- und Mittelfußfehlstellungen ist genauer als C-Arm basierte Korrektur - Eine experimentelle Studie

Einleitung
Die Genauigkeit der Korrektur von Rück- und Mittelfußfehlstellungen korreliert mit klinischem Outcome. Mit der konventionellen C-Arm basierten Korrektur lässt sich häufig keine hohe Genauigkeit erreichen. In dieser experimentellen Studie sollte untersucht werden, ob Computer Assistierte Chirurgie (CAS) basierte Korrektur genauer ist.

Material und Methode
Sawbone® (Pacific Research Laboratories, Vashon, WA, USA) Modelle “Large Left Foot/Ankle With Equinus Deformity”, “Large Left Foot/Ankle With Calcaneus Malunion”, “Large Left Foot/Ankle With Equinovarus Deformity” wurden verwendet. Das Ziel der Korrektur war die Form des normalen Modells (“Large Left Foot/Ankle”) so genau wie möglich zu erreichen. Zwei Methoden wurden verwendet: a) konventionelle C-Arm basierte Korrektur, und b) CAS (CT basiert, PAO Modul von Surgigate™, Medivision, Oberdorf, Schweiz & Northern Digital Inc., Waterloo, Ontario, Kanada) basierte Korrektur. Fünf Präparate jedes Modells wurden mit jeder Methode korrigiert. Standarisierte Osteotomien wurden wenn nötig durchgeführt („Calcaneus Malunion“ und „Equinovarus“). Während der Korrektur wurde eine direkte Sicht des Chirurgen auf das Präparat durch Tücher verhindert und nur eine indirekte Visualisierung auf dem Bildschirm des C-Arms oder CAS-Geräts ermöglicht. Die Retention erfolgte mit K-Drähten.
Folgende Parameter wurden gemessen und zwischen beiden Methoden verglichen: Zeitaufwand, Durchleuchtungszeit, Differenz zwischen korrigiertem und normalem Präparat für Fußlänge, Länge/Höhe Längsgewölbe, Kalkaneusinklination, Rückfußwinkel für alle Modelle und zusätzlich Böhlerwinkel, Kalkaneuslänge für “Calcaneus Malunion” Modelle. Die Form wurde beurteilt und eingeteilt in normal, fast normal, abnormal und stark abnormal.

Ergebnisse
Die Form wurde bei allen Präparaten in der CAS Gruppe (n=15) und bei acht in der C-Arm Gruppe als normal beurteilt (restliche Beurteilungen in C-Arm Gruppe: fast normal: n=6, abnormal: n=1, Chi2-Test: p=0,05).
Parametervergleich (t-Test):
Zeitaufwand: CAS: 782 (450-1020) s, C-Arm: 410 (210-600) s, p<0,001;
Durchleuchtungszeit: CAS: 0 s, C-Arm:11 (8-19) s, p<0,001,
Fußlänge: CAS : -1,7+/-1,9mm, C-Arm: -4,1+/-3,8mm, p=0,03;
Länge Längsgewölbe: CAS: -0,9+/-0,9mm, C-Arm: -5,6+/-4,9mm, p=0,001;
Höhe Längsgewölbe: CAS: -0,1+/-0,5mm, C-Arm: 1,7+/-4,3mm, p=0,14
Kalkaneusinklination: CAS: 0,1+/-1,4°, C-Arm: 2,7+/-4,8°, p=0,05;
Kalkaneuslänge: CAS: -0,5+/-0,4mm, C-Arm: -2,8+/-1,3mm, p=0,005;
Böhlerwinkel: CAS: 0,4+/-1,1°, C-Arm: 4,1+/-8,6°, p=0,37.

Schlussfolgerungen
Bei dieser experimentellen Studie war die Genauigkeit der CAS basierten Korrektur von Rück- und Mittelfußfehlstellungen höher als bei C-Arm basierter Korrektur. Der Zeitaufwand von CAS war fast doppelt so hoch wie mit C-Arm. Bei CAS ist keine Durchleuchtung nötig (C-Arm: 8-19s).
CAS ist eine viel versprechende Methode zur Korrektur und damit auch Reposition am Rück- und Mittelfuß und lässt gute klinische Ergebnisse erwarten.

Robotergestützte experimentelle Testung einer neuen Sprunggelenksprothese an humanen Präparaten (German Ankle System)

Einleitung
Im Rahmen einer experimentellen Studie an humanen Präparaten sollten Veränderungen von Kräften, Drehmomenten und Knochenbewegungen nach Implantation von zwei verschiedenen Prothesen am oberen Sprunggelenk im Vergleich zum Präparat ohne Prothese untersucht werden. Es wurde angenommen (Hypothese), dass die untersuchten Parameter zwischen den zwei Prothesen nicht unterschiedlich sind.

Material und Methode
Zwei Prothesen wurden untersucht (Hintegra®, Newdeal SA, Vienne, France;  German Ankle System®, ARGE Medizintechnik, Hannover). Die Prothesen wurden mit randomisierter Reihenfolge und Seitenlokalisation in sieben gepaarte humane Präparate eingesetzt. Die Präparate wurden an einen modifizierten Industrieroboter angebracht (RX 90, Stäubli Tec-Systems, Bayreuth, Abb. 1). Die Robotersteuerung erfolge navigationsgestützt (VectorVision®, Brainlab, Heimstetten). Das System registrierte die Bewegung des Präparats ohne Prothese mit 30 kg Teilbelastung innerhalb von 100 Zyklen. Nach Einsetzen der Prothese wurde vom System dann dieselbe Bewegung für 100 Zyklen durchgeführt. Die resultierenden Kräfte und Drehmomente wurden mittels einer Kraftmessdose (FT Delta SI-660-60; Schunk, Lauffen) aufgezeichnet. Die Bewegungen von Tibia und Fibula und der Fussplatte wurden mit Ultraschallsensoren (CMS HS; Zebris Inc., Tuebingen) registriert. Die ermittelten Parameter wurden zwischen beiden Prothesentypen verglichen.

Ergebnisse
Hintegra and German Ankle System erhöhten mit einer Ausnahme Kräfte und Drehmomente signifikant im Vergleich zu den Präparaten ohne Prothese [t-test, jedes p≤0,01 (Ausnahme: Parameter „Laterale Kraft“ mit German Ankle System, p=0,34)]. Die Kraft-, Drehmoment- und Bewegungsunterschiede zwischen Präparaten ohne und mit Prothese waren beim German Ankle System niedriger als bei Hintegra (t-test, jedes p≤0.05).

Schlussfolgerungen
Das German Ankle System veränderte Kräfte, Drehmomente und Knochenbewegungen im Vergleich zum Präparat ohne Prothese weniger als Hintegra. Dies stellt eine gute Basis für eine Funktionsverbesserung und Minimierung der Lockerungsrate im klinischen Einsatz dar.

Künstliche Kalkaneusknochen zeigen bei der experimentellen Testung unterschiedliche biomechanische Eigenschaften wie Leichenknochen.

Einleitung
Im Rahmen einer experimentellen Studie sollten die biomechanischen Eigenschaften von Kalkaneuskunst- und Leichenknochen verglichen werden. Bisher wurde eine solch realitätsnahe Testung nicht durchgeführt, womit der Beweis für eine ausreichende Biokompatibilität der Kunstknochen fehlt.

Material und Methode
Vier verschiedene Präparatetypen wurden verwendet: Zwei verschiedene Kalkaneuskunstknochen (Sawbone®, Pacific Research Laboratories, Vashon, WA, USA & Synbone®, Synbone Inc. Davos Schweiz), konservierte Leichenkalkanei (alle männlich, Durchschnittsknochendichte: 313,1±40,9 g/cm²) und „fresh-frozen“ Leichenkalkanei (Durchschnittsknochendichte: 238,5±29,98 g/cm²) wurden verwendet. Je sieben Präparate jeden Typs wurden getestet.  Die Testung aller Präparate erfolgte bei Zimmertemperatur (20°). Eine mechanische Testmaschine (Zwick, Ulm) wurde für Belastung und Messung verwendet. Die Belastung erfolgte über eine Talusnachbildung unter realitätsnaher Belastungsrichtung. Um ein weites Belastungsspektrum abzudecken, erfolgte eine stufenweise Erhöhung der Kraft. Begonnen wurde hierbei mit einer Belastung von 1000 N. Nach jeweils 100 Zyklen erfolgte eine Erhöhung um 100 N, bis die maximale Belastung von 2500 N erreicht wurde (0,5 mm/s). Danach erfolgte  „load to failure“ bis maximal 5000 N (0,5 mm/s, Vorlast: 20 N). Die Auslenkungen während der zyklischen Belastung in der primären Belastungsrichtung und Maximalkraft und Gelenkdepression der hinteren Gelenkfacette bei/nach „Load to failure“ wurden analysiert (ANOVA; Pearson).

Ergebnisse
Die Auslenkungen bei zyklischer Belastung unterschieden sich zwischen den 4 verschiedenen Präparatetypen (maximale Auslenkung (mm) während Belastung für alle 1.600 Zyklen: Sawbone: 1,7±0,46 Synbone: 2,4±0,61; konserviert: 0,8±0,12; „fresh-frozen“: 0,9±0,24; ANOVA: p>0,05, keine Überschneidungen der 95% -Konfidenzintervall-Fehlerbalken zwischen den Leichenkalkanei und den Kunstknochen). Die „failure loads“ waren für alle Präparatetypen etwa gleich (um 4700 N). Die geringste Auslenkung bei „Load to failure“ erreichten die „fresh frozen“ Leichenkalkanei ohne signifikante Unterschiede zu den konservierten Leichenknochen. Die Kunstknochenmodelle erreichte eine signifikant höhere Auslenkung gegenüber den Leichenkalkanei.

Schlussfolgerungen
Wir stellen einen experimentellen Versuchsaufbau zur mechanischen Testung zum Vergleich von Kalkaneuskunstknochen und Leichenkalkanei unter realitätsnaher zyklischer Belastung vor. Die zyklische Belastung erlaubt bessere Rückschlüsse über die Stabilität als die vielfach nur durchgeführte „Load to failure“. Die verwendeten Kunstknochenkalkanei zeigten bei zyklischer Belastung unter biokompatibler Belastung am Frakturmodell unterschiedliche biomechanische Eigenschaften wie konservierte oder „fresh-frozen“ Leichenkalkanei.

Winkelstabile Kalkaneusplatten zeigen am Kalkaneusfrakturmodell bei zyklischer Belastung höhere Stabilität als nicht winkelstabile Platten.

Einleitung
Im Rahmen einer experimentellen Studie sollten winkelstabile Kalkaneusplatten untereinender und mit einer Platte ohne winkelstabile Schrauben realitätsnah an einem Frakturmodell getestet werden. Bisher wurde eine solche realitätsnahe Testung nicht durchgeführt, womit der Beweis für die höhere Stabilität der winkelstabilen Kalkaneusplatten fehlt.

Material und Methode
Kalkaneuskunstknochen (Sawbone, Pacific Research Laboratories, Vashon, WA, USA) wurden verwendet.  Vier Platten wurden getestet: eine Platte ohne winkelstabile Schrauben (Synthes Osteosynthese, Bochum), und drei Platten mit winkelstabilen Schrauben (Newdeal, Vienne, Frankreich; Darco, Diessen;  Synthes Osteosynthese, Bochum). Die Kunstknochen wurden in ein Frakturmodell (Typ Sanders IIb, Zwipp 4/2) zersägt und die Platten nach internationalen Standards angebracht. Je sieben Kunstknochen wurden mit jeder Platte ausgestattet und getestet. Eine mechanische Testmaschine (Zwick, Ulm) wurde für Belastung und Messung verwendet. Die Belastung erfolgte über eine Talusnachbildung unter realitätsnaher Belastungsrichtung. Eintausend zyklische Belastungen mit 800 N (0,5 mm/s, Vorlast: 20 N,) und „Load to failure“ (0,5 mm/s) wurden durchgeführt. Die Auslenkungen während der zyklischen Belastung in der primären Belastungsrichtung und Maximalkraft, plastische Plattenverformung und verbleibende Gelenkdepression der hinteren Gelenkfacette bei/nach „Load to failure“ wurden analysiert (ANOVA; Pearson).

Ergebnisse
Alle winkelstabilen Platten erreichten bei zyklischer Belastung geringere Auslenkungen als die Platte ohne winkelstabile Schrauben (maximale Auslenkung (mm) während Belastung für alle 1.000 Zyklen: Synthes: 3,5±1,25; Darco: 4,5±3,17; Newdeal: 5,0±3,79; Synthes ohne winkelstabile Schrauben, 7,5±5,25; ANOVA: p<0,001, keine Überschneidungen der 95% -Konfidenzintervall-Fehlerbalken). Die „failure loads“ waren für alle Plattenmodelle etwa gleich (um 2.500 N). Die geringste Auslenkung bei „Load to failure“ erreichte die Platte von Darco ohne signifikante Unterschiede. Die Platte von Newdeal erreichte eine signifikant geringere plastische Plattenverformung und verbleibende Gelenkdepression der posterioren Facette nach „Load to failure“ (p<0,05). Weder Plattenverformung noch Gelenkdepression korrelierten mit den Auslenkungen bei der zyklischen Belastung (p>0,05).

Schlussfolgerungen
Wir stellen einen experimentellen Versuchsaufbau zur mechanischen Testung von Kalkaneusplatten unter realitätsnaher zyklischer Belastung vor. Die zyklische Belastung erlaubt bessere Rückschlüsse über die Stabilität als die vielfach nur durchgeführte „Load to failure“. Die nach „Load to failure“ gemessene plastische Plattenverformung und verbleibende Depression der hinteren Gelenkfacette korrelieren nicht mit der Auslenkung bei der zyklischen Belastung. Winkelstabile Platten waren bei zyklischer Belastung unter biokompatibler Belastung am Frakturmodell signifikant stabiler als Platten ohne winkelstabile Schrauben. Am stabilsten war dabei die Platte von Synthes.

Eine Kalkaneusplatte mit polyaxialen winkelstabilen Schrauben (RIMBUS®) ist stabiler als Kalkaneusplatten mit uniaxialen winkelstabilen Schrauben - eine experimentelle Studie am Frakturmodell.

Einleitung
Im Rahmen einer experimentellen Studie wurden Kalkaneusplatten mit uniaxialen oder polyaxialen winkelstabilen Schrauben realitätsnah an einem Frakturmodell getestet. Ziel der Studie war ein Stabilitätsvergleich der verschiedenen Plattensysteme.

Material und Methode
Bei dieser experimentellen Studie wurden Kalkaneuskunstknochen (Sawbone, Pacific Research Laboratories, Vashon, WA, USA) verwendet. Vier Platten wurden getestet: drei Platten mit uniaxialen winkelstabilen Schrauben (Newdeal, Vienne, Frankreich; Darco, Diessen; Clinical House, Bochum) und eine Platte mit polyaxialen winkelstabilen Schrauben (Modell RIMBUS, Intercus, Rudolstadt). Die Kunstknochen wurden in ein Frakturmodell (Typ Sanders IIb, Zwipp 4/2) zersägt und die Platten nach internationalen Standards angebracht. Je sieben Kunstknochen wurden mit jeder Platte ausgestattet und getestet. Alle Schrauben wurden bikortikal eingebracht.  Die mittlere Plattenschraube unter der posterioren Facette sollte der das Sustentakulum treffen um die Stabilität zu erhöhen. Nur mit der Platte mit nicht winkelstabilen Schrauben in diesem Bereich (Newdeal) und der Platte mit polyaxialen winkelstabilen Schrauben (Intercus) konnte dies erreicht werden (Darco 1 von 7 „Sustentakulum“-Schrauben korrekt platziert, Synthes 0 von 7). Eine mechanische Testmaschine (Zwick, Ulm) wurde für Belastung und Messung verwendet. Eintausend zyklische Belastungen mit 800 N (0,5 mm/s, Vorlast: 20 N,) und „Load to failure“ (0,5 mm/s) wurden durchgeführt. Die Auslenkungen während der zyklischen Belastung in der primären Belastungsrichtung und Maximalkraft, plastische Plattenverformung und verbleibende Gelenkdepression der hinteren Gelenkfacette bei/nach „Load to failure“ wurden analysiert (ANOVA; Pearson).

Ergebnisse
Die Platte mit polyaxialen winkelstabilen Schrauben erreichte bei zyklischer Belastung geringere Auslenkungen als die Platten mit uniaxialen winkelstabilen Schrauben (maximale Auslenkung (mm) während Belastung für alle 1.000 Zyklen: Synthes: 3,5±1,25; Darco: 4,5±3,17; Newdeal: 5,0±3,79; Intercus, 3,13±0,68; ANOVA: p<0,001, keine Überschneidungen der 95% -Konfidenzintervall-Fehlerbalken). Die Intercus-Platte erreichte die geringste verbleibende Gelenkdepression der posterioren Facette nach „load to failure“ (p<0,001). Die restlichen Messungen bei und nach „load to failure“ („failure loads“, Auslenkung, plastische Plattenverformung) zeigten keine signifikanten Unterschiede.  Sämtliche Messungen bei und nach „load to failure“ korrelierten mit den Auslenkungen bei der zyklischen Belastung (p>0,05).

Schlussfolgerungen
Die Platte mit polyaxialen winkelstabilen Schrauben (RIMBUS/Intercus) war bei zyklischer Belastung unter biokompatibler Belastung am Frakturmodell signifikant stabiler als Platten mit uniaxialen winkelstabilen Schrauben (Newdeal, Darco, Synthes). Diese erhöhte Stabilität könnte Vorteile bei der klinischen Anwendung wie beispielsweise einen geringeren Korrekturverlust im Verlauf bieten.

Höhere Kräfte im Chopartgelenk als im OSG bei durch plantaren Impakt verursachten Fusswurzelfrakturen.

Einleitung
Fusswurzelfrakturen (F) bereiten Probleme bei Diagnostik und Therapie und führen zu hoher Langzeitmorbidität; daher spielt die Prävention hier eine wichtige Rolle. Die genaue Kenntnis des Verletzungsmechanismus ist dafür essentiell. F entstehen zu einem Grossteil bei PKW Insassen Fussraumdeformierung; Krafteinwirkung (Deformierung) und Kraftauswirkung (Verletzungsmuster) sind bekannt. Die Vorgänge im Fuss selbst sind unbekannt und sollten mit neuartigen Messmethoden analysiert werden. Basierend darauf soll eine Optimierung des bisherigen Fussdummys erfolgen.

Material und Methode
Elf unkonservierte intakte Leichen (Alter 36,8 (16-21) Jahre, männlich) wurden 24 bis 72 Stunden post mortem verwendet. Bei 3 Leichen (5 Füsse) wurde das Setup zur Erzeugung von F optimiert: gesamte Leiche gestreckt auf dem Rücken liegend, plantar des Lisfrancgelenks auftreffendes Pendel (Effektive Höhe: 2,3 m; Gewicht: 50 kg). OSG, Talonavicular-gelenk (TN) und Calcaneocuboidgelenk (CC) wurden mit Drucksensoren ausgestattet (Novel, München, OSG 3x3 cm, TN/CC je 2x2 cm, Auflösung 1 cm2, Abtastrate 500 Hertz, Messfehler < 5%).

Ergebnisse
Sechzehn Füsse wurden gemessen. F enstanden in 11 Fällen. Der Maximaldruck betrug 1.22 bis 2.55 MPa (2.36±0.412) 0,005-0,195 Sekunden (0.067±0.059) nach dem Impakt. Der Maximaldruck trat in 8 (50%) Fällen im OSG, in 7 (44%) im TN and 1 (6%) im CC auf. Der Vergleich der ersten 200 Messungen nach dem Impact (0 - 0,4 Sekunden) aller Sensorfelder ergab höhere Kräfte (d.h. Druck x Fläche des Gelenk zu Zeitpunkt) im Chopartglenk (TN+CC) als im OSG (t-test: p<0.001). Diese Kraftunterschiede waren höher in Fällen mit F (Gemischtes Modell der Varianzanalyse, zufälliger Effekt: Leiche, untersuchter Effekt: F-Inzidenz; p=0.003).

Schlussfolgerungen
Mit dem vorgestellten Setup können reproduzierbar F erzeugt werden. Ein parallel zur Chopartgelenkfläche und senkrecht zu OSG Fläche gerichteter Impact verursachte höhere Kräfte im Chopartgelenk als im OSG, besonders bei auftretenden F. Diese Unterschiede lassen sich nur mit hoher Abtastrate erkennen. Wir empfehlen die zusätzliche Ausstattung des aktuellen Fussdummys mit einem Kraftaufnehmer im Fusswurzelbereich zur Registrierung von Kräften in der Fusslängsachse.