Podcasts about femora

Die vorliegende Arbeit der Arbeitsgruppe Biomechanik/ Spannungsoptik (Ltg. Prof. Dr. E. Euler) befasst sich experimentell mit der Auswirkung unterschiedlicher Schraubenkonfigurationen bei der osteosynthetischen Versorgung der medialen Schenkelhalsfraktur auf den Kraftfluß am proximalen Femur. Zur Anwendung kommt das Verfahren der Spannungsoptik. Zur kopferhaltenden, osteosynthetischen Versorgung der medialen, instabilen Schenkelhalsfraktur werden heutzutage meist drei Spongiosazugschrauben verwendet. In der Literatur werden im wesentlichen 2 Varianten der Schraubenpositionierung empfohlen: Version 1: Zwei Schrauben liegen cranial in Bezug auf den Schenkelhalsquerschnitt, eine caudal im Bereich des Calcar femoris. Version 2: Zwei Schrauben liegen caudal im Bereich des Calcar femoris, eine weitere Schraube liegt cranial davon. Die Schrauben sollen parallel zueinander und senkrecht zum Bruchspalt liegen. Es gibt bisher kaum vergleichende experimentelle oder klinische Untersuchungen, die eine rationale Entscheidung für oder gegen eine dieser beiden Versionen erlauben. In dieser Arbeit wird der Frage nachgegangen, ob zwischen den beiden Versionen Unterschiede bezüglich des Kraftflusses am proximalen Femurende bestehen. Diese biomechanisch-experimentelle Untersuchung verwendet die Methode der Oberflächenspannungsoptik, auch Photo-Stress-Analyse genannt. Damit ist eine Visualisierung des Kraftflusses unter Belastung möglich. Hierzu wird eine optisch aktive Kunststoffschicht auf die Oberfläche eines Originaltestobjektes (Leichenfemora) appliziert. An der Oberfläche des belasteten Femur werden unter polarisiertem Licht farbige Belastungslinien (= Isochromaten) sichtbar, welche exakt messbar und einer definierten Dehnung zuordenbar sind. 4 Paare frischer, humaner Leichenfemora werden unter den Bedingungen der Steh-Phase während des Gehens entsprechend einer Geschwindigkeit von 2 km/h getestet, was einer typischen Belastung in der früh-postoperativen Phase gleichkommt. Die Tests werden in 2 Schritten ausgeführt: Testung des nativen Femur. Testung des standardisiert-frakturierten Femurs (Pauwels III-Fraktur) nach Stabilisierung mit einer der beiden Osteosynthesetechniken. Die jeweiligen gemessenen Isochromatenordnungen N können so miteinander verglichen werden. Weiterhin werden die Verschiebung des Kopffragments am Bruchspalt, die Maximalbelastbarkeit sowie die Art und Weise des Versagens des Präparates dokumentiert. Deutliche Veränderungen im Spannungsverhalten treten im wesentlichen im Bereich des Calcar femoris auf. Bei allen getesteten Knochenpaaren zeigt sich, dass die Isochromatenordnungen bei den mit Version 2 getesteten Präparaten deutlich unter denen mit Version 1 getesteten Präparaten liegen. Bei der Maximalbelastung der Präparate bis zum Versagen, halten dagegen die nach Version 1 versorgten Femora etwas höheren Belastungen stand. Innerhalb der einzelnen Femurpaare zeigt sich im Nativzustand eine weitgehende Übereinstimmung in Bezug auf Muster und Ordnung der Isochromaten. Somit scheint ein direkter Vergleich der beiden Verschraubungsversionen innerhalb eines Paares zulässig. Anhand der Untersuchungsergebnisse lässt sich feststellen, dass die nach Version 2 stabilisierten Femora im Vergleich zu Version 1 in Bezug auf die Isochromatenordnung sowie die Stressverteilung ein näher am Nativzustand liegendes Spannungsmuster aufweisen. Somit liegt der Kraftfluss bei den nach Version 2 versorgten Femora näher am physiologischen Nativzustand als bei denen, die nach Version 1 versorgt werden. Es liegt die Vermutung nahe, dass die Schraubenkonfiguration 2 im Vergleich zur Version 1 den physiologisch-anatomischen Verhältnissen am Schenkelhals besser Rechnung trägt. Somit scheint nach den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit die Positionierung von 2 Schrauben am Calcar femoris und einer cranial davon (= Version 2) der Schraubenkonfiguration mit 2 Schrauben cranial am Schenkelhalsquerschnitt und einer am Calcar femoris (=Version 1) vorzuziehen zu sein.

CalbindinD28k ist ein Kalzium-bindendes Protein, dessen Rolle in der Kalzium-Homöostase und im Kohlenhydrat-Stoffwechsel bis heute unklar ist. Um dieser Frage nachzugehen und um eventuelle wechselseitige Interaktionen zwischen diesem Kalzium-bindenden Protein und dem Vitamin D-Rezeptor (VDR) zu testen, untersuchten wir CalbindinD28k-Knockout-Mäuse und VDR/CalbindinD28k-Doppel-Mutanten. Die CalbindinD28k-Knockout-Mäuse wurden auf Normaldiät gesetzt und im Alter von 9 Monaten untersucht. Die Doppel-Mutanten dagegen waren zum Zeitpunkt der Untersuchung erst 3 Monate alt und bekamen eine mit 2,0% Kalzium, 1,25% Phosphor und 20% Lactose angereicherte Diät (sog. Rescue Diet). Bei allen Tieren wurde Serum und Urin untersucht. Die Knochen wurden mittels histomorphometrischer und knochendensitometrischer Methoden analysiert. Die VDR-Knockouts auf Rescue Diet zeigten Normokalzämie, ein erhöhtes Kalzium/Kreatinin-Verhältnis im Urin, einen erhöhten renalen Kalzium-Verlust und erhöhte Serum-PTH-Werte. Bei den Doppel-Knockouts verstärkten sich diese Effekte noch zusätzlich. Bei den jungen und alten CalbindinD28k-Knockout-Mäusen konnten keine signifikanten Veränderungen im Kalzium-Haushalt festgestellt werden. Somit scheint CalbindinD28k per se wohl keine wesentliche Funktion in der Kalzium-Homöostase zu haben. Eine direkte Interaktion zwischen dem VDR und CalbindinD28k konnten wir in Bezug auf die Kalzium-Homöostase nicht feststellen. Die Untersuchung der Femora von jüngeren und älteren CalbindinD28k-Knockouts zeigte eine deutliche Reduktion der trabekulären Knochenmineraldichte. Nach getrenntgeschlechtlicher Auswertung zeigte sich diese Osteopenie des trabekulären Knochens vor allem bei männlichen Tieren. Die Ursache hierfür ist unklar, da wir bei diesen Tieren keine signifikanten Veränderungen in der renalen Kalzium-Exkretion, in den Serum-PTH-Werten und der Knochenformationsrate feststellen konnten. In Bezug auf die Glukosetoleranztests zeigten die CalbindinD28k-Knockouts eine signifikant höhere Area under the curve (AUC) als die Wildtyp-Mäuse. Desweiteren konnten wir einen deutlichen Effekt des Geschlechts feststellen, das heisst männliche Tiere wiesen eine höhere AUC auf als weibliche. Bei den VDR-Knockouts zeigte sich kein signifikanter Unterschied im Vergleich zu den Wildtyp-Mäusen. In Bezug auf den durch Streptozotocin induzierten Diabetes mellitus zeigten CalbindinD28k-Knockout keine veränderte Empfindlichkeit, während VDR-Knockouts eine geringere Empfindlichkeit als Wildtyp-Kontrollen aufwiesen. Weitere Studien werden notwendig sein, um die molekulare Funktion des CalbindinD28k in der Kalzium-Homöostase und im Kohlenhydratstoffwechsel herauszufinden.

Zur weiteren Aufklärung von funktionellen Anpassungsmechanismen menschlicher Röhrenknochen an Biegebelastungen wurden aus 60 rechten Femora (35 männlich, 25 weiblich) in einem Altersbereich von 17 bis 92 Jahren in 5 definierten Schnitthöhen jeweils 2 mm dicke Transversalschnitte entnommen und von diesen röntgenologisch Dichteprofile ermittelt. Nach Digitalisierung der Aufnahmen wurde eine morphometrische Analyse der Querschnitte durchgeführt. Eine statistische Auswertung des Datenmaterials führte zu folgenden Ergebnissen: Die Richtungen der Biegeanpassung der Femurdiaphysen variieren mit der Diaphysenhöhe und sie drehen mit steigendem Alter tendenziell von sagittal nach mediolateral. Die Anpassung der Femora an die Richtung der größten Biegebelastung ist beim weiblichen Geschlecht schärfer als beim männlichen. Beim weiblichen Geschlecht nehmen die Flächen der Femurquerschnitte und der Markhöhlen im Alter zu, während die durchschnittliche Kortikalisdicke abnimmt. Die Kalksalzverteilung über die Querschnitte erfolgt nicht zufällig, sie trägt zur funktionellen Anpassung bei. In einer Faktorenanalyse wurden 6 Faktoren ermittelt, die die funktionelle Anpassung von Femurdiaphysen an Biegebelastungen beschreiben.

Die vorliegende Untersuchung zielte zum einen auf die Entwicklung eines Modells zur in vitro Testung von pertrochantären Frakturen ab, zum anderen auf das Sichtbarmachen des Kraftflusses an der Oberfläche des proximalen Femur sowie auf die Darstellung der Veränderungen dieses Kraftflusses, bedingt durch verschiedene Stabilisierungsverfahren für pertrochantäre Femurfrakturen. Es ist nach wie vor wenig darüber bekannt, wie der Kraftfluss am proximalen Femur erfolgt, insbesondere darüber, wie die Kraftübertragung in den Femurknochen erfolgt, wenn dieser mit unterschiedlichen, für die Versorgung von pertrochantären Frakturen üblichen Systemen stabilisiert wird, nämlich der Dynamischen Hüftschraube (= DHS), dem Gamma-Nagel oder dem Proximalen Femur Nagel (= PFN). Aus diesem Grund erfolgte die Entwicklung eines Testmodells, welches es ermöglichte, den Kraftfluss am standarisiert-frakturierten humanen Leichenfemur sichtbar zu machen. Diese Visualisierung wurde mittels der PhotoStress-Methode erzielt: Optisch aktive Polymerschichten wurden direkt auf das gewünschte Testobjekt modelliert. An der Oberfläche des belasteten Femur wurden nun unter polarisiertem Licht farbige Belastungslinien (= Isochromaten) sichtbar, welche exakt meßbar und einer definierten Dehnung zuordbar sind. Nach der Entwicklung eines Testmodells (2 Femurpaare), welches eine möglichst physiologische Simulation einer Belastung erlaubt, wurden 10 Paare frischer Leichenfemora unter den Bedingungen der Steh-Phase während des Gehens mit einer Geschwindigkeit von 2 km/h getestet, was einer typischen Belastung in der früh-postoperativen Zeit gleichkommt (F = 9°, T = 0°, Belastung = 300% des Körpergewichts, Bergmann 1993). Folgende Konfigurationen wurden gegeneinander getestet: DHS versus Gamma-Nagel, Gamma-Nagel versus PFN, PFN-Stahl versus PFN-Titan. Die Tests wurden in 2 Schritten ausgeführt: a) Testung des nativen Femur. b) Testung des standarisiert-frakturierten Femur nach Stabilisierung mit einem der 3 Implantate. Die jeweiligen gemessenen Isochromatenordnungen N konnten so miteinander verglichen werden. Unter Bezug auf die eingangs erwähnten Ziele dieser Studie läßt sich folgendes festhalten: 1. Es ist gelungen, ein Modell zu entwickeln, welches es ermöglicht, humane Leichenfemora in vitro einer möglichst physiologischen Belastungssituation auszusetzen. Diese Belastungssimulation diente im weiteren Verlauf zur Testung von Femora, die nach Erzeugung einer artifiziellen, pertrochantären Hüftfraktur mit unterschiedlichen Osteosyntheseverfahren stabilisiert wurden. 2. Die PhotoStress-Methode, auch spannungsoptisches Oberflächenschichtverfahren genannt, ist in der Lage, sinnvolle und weiterführende Erkenntnisse in der in vitro Untersuchung von künstlich frakturierten, unter Belastung stehenden Femora zu liefern. 3. In der vorliegenden Arbeit ließen sich eindeutige biomechanische Unterschiede der drei Implantate DHS, Gamma-Nagel und PFN aufdecken. Derartige Unterschiede lassen sich sehr gut mit Erfahrungen aus dem klinischen Gebrauch der Implantate korrelieren. Aus den experimentell gewonnenen Ergebnissen können eindeutige Schlußfolgerungen für eine optimierte klinische Anwendung dieser Osteosynthesematerialien gezogen werden. Nach der Beantwortung der eingangs gestellten, allgemeinen Ziele bzw. Fragen, nun zu den konkreten Schlussfolgerungen, die aus den durchgeführten Versuchen gezogen werden können: 1. Die verwendete PhotoStress-Methode ermöglicht es erstmals, den Kraftfluss am belasteten, frakturierten, humanen Leichenfemur zu visualisieren. Sie stellt somit ein wichtiges methodisches Instrument für die medizinisch-biomechanische Testung von Osteosynthesematerialien dar. 2. Das Sichtbarmachen der Kraftlinien am proximalen Femur mittels Oberflächenspannungsoptik erlaubt es, Testmodelle zu entwickeln, welche eine möglichst physiologische Belastungssimulation zulassen. Die in zahlreichen Studien weit verbreitete Krafteinleitung in das Femur mit einem (zu großen) Winkel F (z. B. F = 25°) führt zu einem unphysiologischen, artifiziellen Biegemoment im Femurschaftbereich. Dieses Biegemoment konnte in unserem Modell unter Zuhilfenahme der PhotoStress-Methode durch einen auf F = 9° verminderten Winkel minimiert werden. Diese Art der Krafteinleitung erlaubt somit eine Minimierung von Artefakten. 3. Für die DHS zeigt sich, dass sie ein physiologischeres Spannungsmuster erzeugt als der Gamma-Nagel. Dies ist auf die Konzeption als „load sharing“ Implantat zurückzuführen. Eine Refixierung des medialen Fragmentes ist aus biomechanischer Sicht sinnvoll, und sollte, wenn klinisch ohne zu großen Aufwand möglich, erfolgen. Die DHS zeigt eine ausreichende Maximalbelastbarkeit auch in unphysiologisch hohen Belastungen, wenngleich die Maximalbelastbarkeit deutlich unter der des Gamma-Nagels liegt. Während der Belastungsphasen erscheint das Frakturrisiko für die DHS deutlich niedriger als für den Gamma-Nagel. Das Spannungsmuster der DHS liegt dem nativen Spannungsmuster von allen drei getesteten Implantaten am nächsten. 4. Für den Gamma-Nagel gilt, dass er aufgrund seiner Konfiguration als „load bearing“ Implantat einen Großteil der Kraft selbst trägt. Er zeigt im Gegensatz zur DHS eine wesentlich größere Maximalbelastbarkeit. Der Gamma-Nagel weist einen deutlich kürzerem Hebelarm auf als die DHS. Als Hauptkomplikation muß die distale Femurschaftfraktur (ausgehend von den distalen Verriegelungsschrauben) gefürchtet werden. Aufgrund seiner Konfiguration erscheint der Gamma-Nagel besonders für instabile Frakturen geeignet. 5. Proximaler Femur Nagel und Gamma-Nagel führen am frakturierten Femur zu einem qualitativ sehr ähnlichen Stressmuster. Um das Risiko für Frakturen im Bereich der distalen Verriegelungsschrauben zu minimieren, ist es unbedingt zu empfehlen, bei beiden Implantaten distal nur mit einer statt mit zwei Schrauben zu verriegeln. Dies führt zu einer Verringerung von Interferenzen, welche durch die Verwendung von zwei distalen Verriegelungsschrauben hervorgerufen werden. Die zu erwartenden Spannungsspitzen in diesem Bereich sind für den PFN geringer als für den Gamma-Nagel. Soll aus klinischen Gründen heraus distal dennoch mit zwei Schrauben verriegelt werden, so ist die Gefahr für eine spätere Schaftfraktur bei Anwendung des Gamma-Nagels deutlich größer als für die Anwendung des PFN. Die Maximalbelastbarkeit der beiden intramedullären Kraftträger ist in etwa vergleichbar groß. Wichtig ist es, darauf hinzuweisen, dass die Isochromatenwerte im Bereich der Verriegelungsbolzen beim PFN stets deutlich unter denen des Gamma- Nagels waren. Somit zeigt der PFN gegenüber dem Gamma-Nagel ein eindeutig vorteilhaftes Spannungsmuster. Einen weiteren Vorteil zeigt der PFN durch seine Antirotationsschraube, welche eine mögliche Rotation des Hüftkopffragmentes vermindert. Wird der PFN verwendet, so ist aufgrund des etwas günstigeren Spannungsmusters der Titanversion diese zu bervozugen. Insgesamt scheinen die biomechanischen Eigenschaften des PFN denen des Gamma-Nagels überlegen zu sei