Entwicklung eines Marknagels für den Humerus
©1999
Diplomarbeit
84 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Problemstellung:
Die Marknagelung ist eine schonende Methode zur operativen Behandlung von Frakturen langer Röhrenknochen und gewinnt gegenüber der Versorgung mit einer Platte immer mehr an Bedeutung. Die wichtigsten Vorteile bestehen in einem sehr kleinen Zugang ohne nennenswerte Narbenbildung und einer geschlossenen Reposition der Fraktur.
Der Nagel wird immer an der bruchfernen Stelle inseriert, da er so im größeren Fragment geführt wird, um das kleinere Stück besser auffädeln zu können. Daraus resultieren zwei Operationsverfahren mit retrogradem bzw. antegradem Zugang, die jeweils abhängig von der Frakturhöhe zur Anwendung kommen.
Die Verriegelungsnägel unterscheiden sich in aufgebohrte und unaufgebohrte Marknägel, wobei heute ein eindeutiger Trend zur unaufgebohrten Technik zu verzeichnen ist.
Aus der Abschätzung der Belastungen und Beanspruchungen im Humerus ergibt sich die Schlußfolgerung, dass das Implantat nicht nach der Belastbarkeit dimensioniert werden kann. Vielmehr muß für die durch die Markraumgeometrie vorgegebenen Abmessungen ein funktionstüchtiges Implantat entwickelt werden, dessen Festigkeiten die Belastungen des Humerus während der Heilungszeit begrenzen.
Das derzeit größte Problem bei fast allen Humerus-Marknägeln besteht bei der Verriegelung am insertionsfernen Ende. Dabei muß ein vorhandenes, ca. 4mm großes Loch im Implantat von außen gesucht, und mit dem Bohrer getroffen werden, was mit einer hohen Strahlenbelastung für Arzt und Patienten und einem hohen Zeitaufwand einhergeht.
Es wurde ein neues Implantat entwickelt, dessen insertionsferne Verriegelung mit einer aus dem Nagel ausfahrbaren Drahtkralle realisiert wird. Die Vorteile dieser Variante sind die entfallende Freihand-Verriegelung mit deutlicher Absenkung der Strahlenbelastung für Arzt und Patient, kürzere OP-Zeiten und der Verzicht auf einen zweiten Eingriff am insertionsfernen Ende des Humerus mit intraoperativer Umlagerung des Patienten.
Aufgrund seines geringen Außendurchmessers von nur 6mm ist dieser Nagel unaufgebohrt und ohne Führungsdraht inserierbar. Durch einen Kompressionszusatz am Zielbügel läßt sich der Frakturspalt intraoperativ schließen. Unter dieser Vorspannung werden größere Bewegungen der Fraktur vermieden, die sonst zu einer Pseudarthrosenbildung führen können.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
Kurzzeichenverzeichnis1
1.Einleitung2
2.Literatur- und Marktrecherche5
2.1Der Humerus-Marknagel5
2.2Die einzelnen […]
Die Marknagelung ist eine schonende Methode zur operativen Behandlung von Frakturen langer Röhrenknochen und gewinnt gegenüber der Versorgung mit einer Platte immer mehr an Bedeutung. Die wichtigsten Vorteile bestehen in einem sehr kleinen Zugang ohne nennenswerte Narbenbildung und einer geschlossenen Reposition der Fraktur.
Der Nagel wird immer an der bruchfernen Stelle inseriert, da er so im größeren Fragment geführt wird, um das kleinere Stück besser auffädeln zu können. Daraus resultieren zwei Operationsverfahren mit retrogradem bzw. antegradem Zugang, die jeweils abhängig von der Frakturhöhe zur Anwendung kommen.
Die Verriegelungsnägel unterscheiden sich in aufgebohrte und unaufgebohrte Marknägel, wobei heute ein eindeutiger Trend zur unaufgebohrten Technik zu verzeichnen ist.
Aus der Abschätzung der Belastungen und Beanspruchungen im Humerus ergibt sich die Schlußfolgerung, dass das Implantat nicht nach der Belastbarkeit dimensioniert werden kann. Vielmehr muß für die durch die Markraumgeometrie vorgegebenen Abmessungen ein funktionstüchtiges Implantat entwickelt werden, dessen Festigkeiten die Belastungen des Humerus während der Heilungszeit begrenzen.
Das derzeit größte Problem bei fast allen Humerus-Marknägeln besteht bei der Verriegelung am insertionsfernen Ende. Dabei muß ein vorhandenes, ca. 4mm großes Loch im Implantat von außen gesucht, und mit dem Bohrer getroffen werden, was mit einer hohen Strahlenbelastung für Arzt und Patienten und einem hohen Zeitaufwand einhergeht.
Es wurde ein neues Implantat entwickelt, dessen insertionsferne Verriegelung mit einer aus dem Nagel ausfahrbaren Drahtkralle realisiert wird. Die Vorteile dieser Variante sind die entfallende Freihand-Verriegelung mit deutlicher Absenkung der Strahlenbelastung für Arzt und Patient, kürzere OP-Zeiten und der Verzicht auf einen zweiten Eingriff am insertionsfernen Ende des Humerus mit intraoperativer Umlagerung des Patienten.
Aufgrund seines geringen Außendurchmessers von nur 6mm ist dieser Nagel unaufgebohrt und ohne Führungsdraht inserierbar. Durch einen Kompressionszusatz am Zielbügel läßt sich der Frakturspalt intraoperativ schließen. Unter dieser Vorspannung werden größere Bewegungen der Fraktur vermieden, die sonst zu einer Pseudarthrosenbildung führen können.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
Kurzzeichenverzeichnis1
1.Einleitung2
2.Literatur- und Marktrecherche5
2.1Der Humerus-Marknagel5
2.2Die einzelnen […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
ID 3162
Bartsch, Eric: Entwicklung eines Marknagels für den Humerus / Eric Bartsch -
Hamburg: Diplomica GmbH, 2001
Zugl.: Zwickau, Fachhochschule, Diplom, 1999
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Inhaltsverzeichnis
Kurzzeichenverzeichnis
1
1.
Einleitung
2
2.
Literatur- und Marktrecherche
5
2.1. Der Humerus-Marknagel
5
2.2. Die einzelnen Marknägel
6
2.3. Die Operationstechniken
12
3.
Abschätzung der Belastungen und Beanspruchungen im Humerus
14
3.1. Berechnungsparameter
15
3.2. Berechnungsmodell
17
3.3. Ergebnisse
18
3.4. Auswertung
21
4.
Anforderungen an einen Humerus-Marknagel
26
4.1. Pflichtenheft und Begriffsnetz
26
4.2. Präzisierung der Aufgabenstellung
28
5.
Variantengewinnung
28
5.1. Bewertung der Varianten
30
5.2. Ideen zur Gestaltung der insertionsfernen Verriegelung
36
5.3. Patentrecherche
37
6.
Dimensionierung und Konstruktion
38
6.1. Beschreibung der Funktion des Marknagels
39
6.2. Dimensionierung
40
6.3. Nachrechnung
41
6.4. Konstruktion und Fertigung der Prototypen
42
7.
Zusammenfassung
44
8.
Ausblick
45
Literaturverzeichnis
46
Anhang
48
1
Kurzzeichenverzeichnis
Kurzzeichen Maßeinheit
Erläuterung
A
mm
2
Querschnittsfläche
a mm
Länge
b mm
Länge
D mm
Außendurchmesser
d mm
Innendurchmesser
F N
Kraft
FG N
Gelenkskraft
FM N
Muskelkraft
FX
N
Querkraft im Humerus
FY
N
Längskraft im Humerus
M Nm
Moment
M
b
Nm
Biegemoment im Humerus
m m/s
2
Konstante für Kraftberechnung
m m
2
/s
2
Konstante für Momentenberechnung
n
N
Konstante für Kraftberechnung
n
Nm
Konstante für Momentenberechnung
R
m
N/mm
2
Zugfestigkeit
R
p 0,2
N/mm
2
Streckgrenze
r mm
Radius
s m
Hebelarm
x kg
Handlast
° Winkel
° Winkel
b
N/mm
2
Biegespannung
bw
N/mm
2
Biegewechselfestigkeit
d
N/mm
2
Druckspannung
z
N/mm
2
Zugspannung
2
1. Einleitung
Abbildung 1: Humerus
Abbildung 2: Oberarm
anterior
Abbildung 3: Oberarm
posterior
Anatomie [1], [2]
Der Humerus gehört zu den langen Röhrenknochen und läßt sich in eine
proximale
!
!
!
!
und eine distale Epiphyse
"
"
"
"
, sowie eine Diaphyse
#
#
#
#
unterscheiden. Er trägt am proximalen Ende den Humeruskopf für das
Schultergelenk und verbreitert sich distal, um mit den Epicondyli medialis
$
$
$
$
und lateralis
%
%
%
%
einen Teil des Ellenbogengelenkes zu bilden (Abb. 1). Die
beiden Epiphysen des Knochens sind mit Spongiosa ausgefüllt, an die sich
proximal mit Beginn der Metaphyse und distal in Höhe des unteren
Humerus-Sechstels der Markraum anschließt. Der Isthmus, die engste
Stelle, liegt zwischen dem mittlerem und distalen Drittel des Humerus.
Der Humeruskopf bildet mit der Scapula das Schultergelenk. Es ist ein
typisches Kugelgelenk mit 3 Freiheitsgraden und das beweglichste Gelenk
unseres Körpers, da die kleine, flache Pfanne keine typische Führung wie
etwa die Hüftgelenkspfanne übernimmt.
Die Gelenkkapsel ist weit und schlaff, weswegen die Sicherung des
Gelenkes hauptsächlich von der Muskulatur übernommen wird. Zu den
wichtigsten Muskeln zwischen Schultergürtel und Oberarm gehört der M.
deltoideus
&
. Er besteht aus 3 Anteilen, die gemeinsam an der Außenseite
des Humerus ansetzen und das Schultergelenk wie eine Kappe
umschließen. Der M. deltoideus ist mit seinen verschiedenen Anteilen sein
eigener Antagonist und fixiert schon durch seinen Ruhetonus das
Schultergelenk. Weitere wichtige Muskeln zur Schultergelenks-sicherung
sind die Mm. supraspinatus
'
, infraspinatus
(
und teres minor
)
,
die in direkter Nähe des Humeruskopfes ansetzen (Abb. 2).
Distal bildet der Humerus mit Radius und Ulna das Ellenbogengelenk. Es
besteht aus 3 Teilgelenken, einem humero-ulnaren Scharniergelenk, einem
humero-radialen Dreh-Winkelgelenk und einem radio-ulnaren Drehgelenk.
Dieses komplexe Gelenk besitzt 2 Freiheitsgrade und ermöglicht die
Bewegung des Unterarmes gegenüber des Oberarmes als Flexion und
Extension, sowie das Verdrehen des Unterarmes als Supination und
Pronation. Die Muskulatur zwischen Oberarm und Unterarm unterteilt
sich in eine Beugergruppe mit den Mm. biceps brachii
*
, brachialis
+
,
brachioradialis
,
und deren Antagonisten, den Streckermuskel M. triceps
brachii
-
(Abb. 2 und 3).
!
!
!
!
#
#
#
#
"
"
"
"
%
%
%
%
$
$
$
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&
(
'
)
-
,
*
+
3
Die Humerusfrakturen unterteilen sich in proximale, distale und Schaftfrakturen, wobei sich das
Anwendungsgebiet von Marknägeln derzeit auf den Bereich der Schaftfrakturen begrenzt. Die
Arbeitsgemeinschaft für Osteosynthesefragen (AO) in Davos hat eine Klassifikation aller Frakturarten
erarbeitet, welche sich europaweit in der Klinik durchgesetzt hat [3]. In Tabelle 1 auf Seite 4 sind die
Frakturklassifikationen für den Humerus nach AO dargestellt.
Die Humerusschaftfraktur ist der gutartigste Schaftbruch und eine traditionelle Domäne der
konservativen Behandlung [4], [5], [6], [7], [8]. Die Knochenheilung verläuft in der Regel ungestört,
selbst größere Achsabweichungen können ohne wesentliche funktionelle oder kosmetische Einbußen
toleriert werden [6]. Trotz der guten Ergebnisse mit konservativen Methoden kann in vielen Fällen auf
einen operativen Eingriff nicht verzichtet werden. Absolute Indikationen hierfür stellen offene Frakturen,
Nerven- und Gefäßverletzungen sowie Kettenfrakturen (Oberarm und Unterarm), nicht reponierbare
Frakturen, pathologische Frakturen (tumorös bedingt) und Pseudarthrosen dar. Desweiteren werden
polytraumatisierte Patienten zur besseren Pflegbarkeit und Mobilisierung operiert, sowie übermäßig
adipöse oder magere Patienten und Patienten mit fehlender Fähigkeit zur therapeutischen Mitarbeit
[5]. Grundsätzlich eignen sich die Schaftfrakturtypen A1, (A2), B1, C1 und C3 (Tabelle 1, Seite 4) eher
für eine konservative Behandlung, während bei A3, B2, B3 und C2 ein operativer Eingriff bevorzugt
wird (Prof. Dr. med. Nerlich, Uni-Klinik Regensburg).
Proximale Frakturen treten zehnmal häufiger auf als Schaftfrakturen, für rund 70 bis 80% genügt aber
die konservative Behandlung mit kurzfristiger Ruhigstellung und frühfunktioneller Therapie [4].
Ein großes Problem bei der operativen Versorgung stellt die Gefahr einer
Schädigung des Nervus radialis dar, welcher um den Humerus herum liegt und
sehr empfindlich auf Zug reagiert (Abb. 4). Ulrich [9] untersuchte die klinischen
Ergebnisse der Frakturbehandlung und stellte in einem Vergleich konservative
und operative Methode gegenüber, wobei sich ein Risiko von 10%
postoperativer Radialisparesen bei Plattenosteosynthese ergab, was er als
,,nicht akzeptabel" bezeichnete.
Heutzutage steht zunehmend wieder die Implantatwahl Platte oder Nagel zur
Diskussion, wobei bei allen Autoren ein eindeutiger Trend zugunsten des
Marknagels als schonenderes Verfahren zu verzeichnen ist. Die Nachteile der
Platte, ein ausgedehnter Zugang mit Narbenbildung, Gefahr iatrogener
Schädigung des N. radialis, Störung der Frakturbiologie durch Ablassen des
Frakturhämatoms und die schlechtere biomechanische Situation (Stabilisierung
von außen anstatt von innen) führten in letzter Zeit zu einer Renaissance der
intramedullären Verfahren.
Unabhängig vom gewählten Nagel haben sie den Vorteil eines äußerst
schonenden, limitierten Zugangs und die Möglichkeit einer geschlossenen
Reposition. Bei Humerusschaftfraktur-Operationen werden in der Uni-Klinik
Regensburg inzwischen bis zu 95% Marknägel eingesetzt, nur noch in 5% der
Fälle kommt die Platte zur Anwendung.
Abbildung 4:
Humerus mit
N. radialis
Frakturen proximales Humerusende
Humerusschaftfrakturen
Frakturen distales Humerusende
11 A
1
11 A
2
11 A
3
12 A
1
12 A
2
12 A
3
13 A
1
13 A
2
13 A
3
11 B1
11 B2
11 B3
12 B1
12 B2
12 B3
13 B1
13 B2
13 B3
11 C1
11 C2
11 C3
12 C1
12 C2
12 C3
13 C1
13 C2
13 C3
Tabelle 1
5
2. Literatur- und Marktrecherche
2.1. Der Humerus-Marknagel
,,Das Ziel der Marknagelung ist eine weitgehende Wiederherstellung von Länge, Achse und Rotation
der verletzten Extremität, ohne daß eine exakte anatomische Reposition einzelner Fragmente
angestrebt wird." ,,Durch die intramedulläre Schienung in der neutralen Achse kann eine übungs- bis
belastungsstabile Form der Osteosynthese erreicht werden, die eine frühfunktionelle Nachbehandlung
der verletzten Extremität ermöglicht" [10].
Marknägel für den Humerus sind in den unterschiedlichsten Arten, Materialien und Funktionsweisen
erhältlich. Es gibt dünne, flexible Nägel, die das Frakturgebiet schienen ohne es fest zu stabilisieren,
und Verriegelungsnägel, welche mittels Schrauben, Bolzen, ausspreizbaren Flanschen oder
Verankerungen per Ausklinkdrähten im Humerus befestigt werden. Diese lassen sich wiederum in
kompakte und geschlitzte / ungeschlitzte Hohlnägel unterteilen. Ausgehend von der Operationstechnik
unterscheiden sich die Verriegelungsnägel in aufgebohrte und unaufgebohrte Marknägel, wobei heute
ein eindeutiger Trend zur unaufgebohrten Technik zu verzeichnen ist.
Der Vorgang des Aufbohrens dient der Vorbereitung des Intramedullarraumes zur Aufnahme möglichst
großer und widerstandsfähiger Kraftträger und der Vergrößerung der kortikalen Kontaktfläche zur
Verbesserung der Rotationsstabilität des Nagels.
Der Knochenschaft wird von intramedullären Ästen der Arteria nutricia versorgt, nur die äußeren
Kortikalisschichten werden durch das Periost ernährt [8]. Beim Aufbohren werden diese inneren
Blutgefäßsysteme zerstört, gleichzeitig kommt es zu einer erhöhten Belastung der Lungenstrombahn
durch Mikroaggregateinschwemmungen [11]. Desweiteren führt der Aufbohrvorgang im Knochenrohr
zu einer Temperaturerhöhung; schon bei einer Temperatur von 47°C und 1 Minute Expositionsdauer
sind lokale Osteonekrosen nachweisbar [12]. Hinzu kommt die Gefahr einer intraoperativen
Schaftsprengung, da vor allem bei etwas zierlichen Patienten sehr schnell eine kritische
Kortikalisstärke erreicht wird.
Generell führt jede Manipulation am Markraum zu einer Erhöhung des Binnendruckes und den damit
verbundenen Zellnekrosen und embolischen Effekten. Heinz [12] konnte in einer Studie beim
Einschieben des Führungsspießes in den Markraum Druckwerte von 900mm Hg nachweisen. Um die
Biologie des Markraumes nicht unnötig zu stören, wird ein Implantat angestrebt, welches unaufgebohrt
eingebracht werden kann und gleichzeitig eine ähnliche Stabilität wie die großkalibrigen Nägel
aufweist. Dabei wird vor allem der Verriegelung eine Schlüsselrolle zukommen, die eine sichere,
achsial- und rotationsstabile Verankerung des Nagels im Knochen gewährleisten muß.
Im folgenden Abschnitt werden die einzelnen, heute gängigen Humerus-Marknägel vorgestellt und ihre
charakteristischen Merkmale beschrieben. Die Informationen über Hersteller, Stückpreise und
Verkaufszahlen stammen hauptsächlich vom Vertrieb der SULZERMEDICA und sind daher im
Literaturverzeichnis nicht referenziert. Zur Beschreibung der Nägel wurde die Literaturrecherche von
Dr. L. Cebulla [13] verwendet, Informationen aus anderen Quellen sind gesondert gekennzeichnet.
6
2.2. Die einzelnen Marknägel [13]
ACE AIM
®
-Titan Humerus Nagel [14]: ungeschlitzter Hohlnagel mit Nagelendkappen
Material: Titan
Länge:
200 bis 300mm (320mm für ø 9mm) in Abständen von 20mm
Durchmesser: 7, 8 und 9mm
Verriegelung: prox. selbstschneidende Kortikalis- oder Spongiosaschrauben
distal
selbstschneidende
Kortikalisschrauben
OP-Technik:
unaufgebohrt, Zugang antegrad, mit verlängertem Zielgerät auch retrograd
Hersteller:
DEPUY
(USA)
Preis pro Stück: 529,- DM [15]
1997 verkauft:
20 Stück in Deutschland
Abbildung 5: ACE AIM
®
-Titan Humerus Nagel
Marchetti-Vicenzi Nagel: kurzes festes Rohr mit 4-5 entspringenden flexiblen Drähten
Material: Stahl
Länge:
4 Drähte: 210 bis 270mm in Abständen von 10mm
5 Drähte: 230 bis 310mm in Abständen von 10mm
Durchmesser: 4 Drähte: festes Rohr 8mm, Bündel 7mm, Drähte 2,5mm
5 Drähte: festes Rohr 9mm, Bündel 8mm, Drähte 2,5mm
Verriegelung: prox. divergierende Verankerung der Drähte in Spongiosa
distal schräg posteroanterior eingeführte Schraube
OP-Technik:
aufgebohrt, Zugang retrograd
Hersteller:
ZIMMER
(USA)
Preis pro Stück: 900.000,- Lira
1997 verkauft:
300 Stück in Italien
Abbildung 6: Marchetti-Vicenzi Nagel
7
Monachia Nagel: ungeschlitztes Rohr, komplett verschlossen
Material: Stahl
Länge:
180 bis 320mm in Abständen von 20mm
Durchmesser: 6mm, an der Basis 9mm, Wandstärke 0,6mm
Verriegelung: Spitze Ausklinkdrähte, Basis 2 Fragmentschrauben
OP-Technik:
unaufgebohrt, aufgebohrt, Zugang retrograd und antegrad
Hersteller:
TREU-INSTRUMENTE
(Deutschland)
Abbildung 7: Monachia Nagel
Polarus / Polarus Plus Nagel [16]: kompakter Nagel, Krümmung 9°
Material: Titan
Länge:
Polarus 150mm / Polarus Plus 200 bis 260mm in Abständen von 20mm
Durchmesser:
7,75mm
Verriegelung: prox. 5mm Schrauben
distal
3mm
Kortikalisschrauben
OP-Technik:
unaufgebohrt, Zugang antegrad
Hersteller:
ACUMED
(USA)
Abbildung 8: Polarus / Polarus Plus Nagel
8
Russel-Taylor Nagel: ungeschlitzter Nagel, Krümmung nicht angegeben
Material: Stahl
Länge:
180
bis
300mm
Durchmesser: 7mm Vollmaterial, 8 und 9mm Rohr
Verriegelung: 4mm Kortikalisschrauben an Basis und Spitze
OP-Technik:
aufgebohrt, teils auch unaufgebohrt, Zugang antegrad, auch
retrograd
möglich
Hersteller:
SMITHNEPHEW RICHARDS (USA)
Preis pro Stück: 515 - 575,- DM [15]
1997 verkauft:
486 Stück in Deutschland
Abbildung 9: Russel-Taylor Nagel
Seidel Nagel: ungeschlitzter Hohlnagel mit kleeblattförmigem Querschnitt, Krümmung 7°
Material: Stahl
Länge:
180 bis 280mm in Abständen von 20mm
Durchmesser: 8 und 9mm, Wandstärke 1,5mm
Verriegelung: prox. 2 senkrechtstehende Spongiosaschrauben
distal drei 25mm lange Spreizflansche
OP-Technik:
aufgebohrt, Zugang antegrad
Hersteller:
HOWMEDICA
(USA)
Preis pro Stück: 261 - 309,- DM [15] / 467.000 Lira
1997 verkauft:
2123 Stück in Deutschland
200
Stück
in
Italien
Abbildung 10: Seidel Nagel
9
True-Flex Humerus Nagel: kompakter Nagel mit 5 regelmäßigen Längsrillen [13], [17]
Material: Titan
Länge:
keine
Angaben
Durchmesser:
keine
Angaben
Verriegelung: prox. spezieller Kobalt-Chrom Schraubenkopf
OP-Technik:
unaufgebohrt, Zugang antegrad
Hersteller:
ENCORE ORTHOPEDICS (USA)
Abbildung 11: True-Flex Humerus Nagel
UHN-Nagel (Unaufgebohrter Humerus Nagel): kompakter Nagel, Krümmung 4°
Material: Titan
Länge:
190 bis 325mm in Abständen von 20mm
Durchmesser: 6,7mm, 7,5mm (Standard) und 9,5mm
Verriegelung: selbstschneidende Verriegelungsbolzen 3,4 und 3,9mm
OP-Technik:
unaufgebohrt, Zugang retrograd und antegrad
Hersteller:
SYNTHES Bochum (Deutschland)
Preis pro Stück: 414 - 494,- DM [15]
1997 verkauft:
615 Stück in Deutschland
Hersteller:
SYNTHES Freiburg (Deutschland)
Preis pro Stück: 460 - 561,- DM [15] / 840.000 Lira
1997 verkauft:
486 Stück in Deutschland
40
Stück
in
Italien
Abbildung 12: UHN Nagel
10
Weitere, nicht verriegelbare Nägel
Dynamische 3-Punkt-Stabilisierung [18]: Titanwendel
Material: Titan
Länge:
120
und
150mm
Durchmesser: außen: 9, 10 und 12mm, innen:
5, 6 und 8mm
OP-Technik:
unaufgebohrt
Hersteller:
ITS IMPLANTAT TECHNOLOGIE SYSTEME (Österreich)
Abbildung 13: Dynamische 3-Punkt-Stabilisation
Spiralbündelnagel [19]: in Kombination mit anderen Füllnägeln
Material: Stahl
Länge:
420mm
Durchmesser: Spiralkopf 1,2 x 3,5mm
OP-Technik:
aufgebohrt, Ausfüllen des Markraumes mit mehreren dünnen Nägeln
Hersteller:
KÖNIGSEE IMPLANTATE (Deutschland)
Abbildung 14: Spiralbündelnagel (oben) mit Füllnägeln
14
3. Abschätzung der Belastungen und Beanspruchungen im
Humerus
Die Biomechanik von Oberarm und Unterarm ist in ihrer gesamten Komplexizität in einem einfachen
Modell nicht berechenbar. Allein an der Beugung und Streckung des Ellenbogengelenkes wirken vier
Muskeln mit (Mm. biceps brachii, brachialis, brachioradialis und triceps brachii), die an 11
verschiedenen Stellen angreifen und auf den Knochen Kräfte aufbringen, welche wiederum von der
Belastung, Gelenkstellung und dem Kräfteverhältnis der einzelnen Muskeln untereinander abhängig
sind. Die Kraft, die ein Muskel aufbringen kann, ist von seiner Querschnittsfläche abhängig und
individuell sehr verschieden. Sie kann somit nicht pauschal angesetzt werden. Desweiteren erzeugt ein
Muskel nicht eine bestimmte konstante Kraft, sondern kompensiert je nach Belastung entstehende
äußere Kräfte, so daß die gewünschte Armstellung beibehalten wird.
Für die Abschätzung der Belastungen und Beanspruchungen im Ober- und Unterarm wird aufgrund
der angeführten Problematik folgendes vereinfachtes Berechnungsmodell verwendet:
·
Es werden die Belastungen in drei verschiedenen Gelenkstellungen untersucht
(Abb. 17-19)
·
Oberarm und Unterarm werden als gelenkig verbundene, starre Körper betrachtet
·
Die Schultermuskulatur (Mm. supraspinatus, infraspinatus und teres minor) bewirkt in
Humeruskopfhöhe eine feste Einspannung des Oberarmknochens
·
Die Berechnungen erfolgen für jeden Muskel und jede Gelenkstellung separat
Da sich die Zugkraft beim Beugen des Ellenbogengelenkes auf die 3 Flexoren verteilt, ist auch die
Belastung des Knochens an den Muskelansätzen geringer, als würde ein einziger Muskel allein diese
Aufgabe übernehmen. Bei der separaten Berechnung werden sich somit höhere Belastungen ergeben
als tatsächlich vorherrschen. Die Ergebnisse verstehen sich als maximale Grenzwerte für worst-case-
Situationen und schließen Weichteilverletzungen, die bei Frakturen mit auftreten können
(Sehnenabriß, Muskelausfall durch Nervenverletzung etc.) in die Betrachtung mit ein. Der
Streckermuskel M. triceps brachii als Antagonist wurde bei dieser Betrachtung vernachlässigt, auf ihn
wird bei der Auswertung der Berechnung näher eingegangen.
Abbildung 17: Unterarm 0°
Abbildung 18: Unterarm 45°
Abbildung 19: Unterarm 90°
15
3.1. Berechnungsparameter
In Tabelle 2 sind die für die Beugung des Ellenbogengelenkes verantwortlichen Muskeln und deren
Angriffspunkte an den Knochen aufgeführt [21]. Die Positionen der jeweiligen Ursprungs- und
Ansatzpunkte wurden von lateral mit Hilfe eines Knochenmodells von STUDIMEX, Zürich (Schweiz)
ermittelt, daß gemäß Hersteller eine mittlere europäische Größe repräsentiert.
Muskel
Ursprung / Ansatz
Position von lateral
M. biceps brachii:
Ursprung:
Ansatz:
Caput longum Tuberculum
supraglenoidale
Caput breve Processus
coracoideus
Tuberositas radii
Mitte Humeruskopf
3cm anterior Humeruskopf
5cm distal vom Ellenbogen
M. brachialis:
Ursprung:
Ansatz:
distale Hälfte der
Vorderfläche des Humerus
Tuberositas ulnae
12cm prox. vom Ellenbogen
4cm distal vom Ellenbogen
M. brachioradialis:
Ursprung:
Ansatz:
Margo lat. Humeri
prox. vom Processus
styloideus radii
10cm prox. vom Ellenbogen
prox. Ende des Radius
Tabelle 2
Veeger et al. [22] untersuchten die Parameter der oberen Extremitäten des menschlichen Körpers an
vier Patienten unterschiedlichen Alters, Gewichts und Körpergröße, wobei jeweils der rechte Arm, bei
einer Person zusätzlich der linke Arm untersucht wurde. In Tabelle 3 sind die Mittelwerte dieser
Untersuchungen dargestellt.
Oberarm
Unterarm
Hand
Länge (cm)
34,1 26,5 17,5 *
Masse (kg)
1,79 1,09 0,46
Massenschwerpunkt
(cm von prox.)
20,1 10,5 4,3
Tabelle 3
* Abmessung Modell STUDIMEX
16
Aus den Massen der Körperteile resultieren die Schwerkräfte, die in den jeweiligen Massen-
schwerpunkten am Knochen angreifen:
Oberarm:
F
kg
m s
N
1 1 79
9 81
17 56
2
=
=
,
,
/
,
Unterarm:
F
kg
m s
N
2 1 09
9 81
10 70
2
=
=
,
,
/
,
Hand:
F
kg
m s
N
3 0 46
9 81
4 51
2
=
=
,
,
/
,
McPherson et al. [23] bestimmten an 93 Kadaver-Humeri die Radien und Durchmesser des
Röhrenknochens in verschiedenen Schnitthöhen. Aus den Ergebnissen, die in Tabelle 4 aufgeführt
sind, wurden die Mittelwerte gebildet, die für die Abschätzung der Beanspruchungen benötigt werden.
Schnittposition Ergebnisse
gebildete
Mittelwerte
10 cm distal vom
ø außen:
21,9
±
3,8mm
Humeruskopf anteroposterior ø innen:
15,3
±
2,6mm ø außen:
20mm
10 cm distal vom
ø außen:
18,2
±
2,4mm
Humeruskopf mediallateral
ø innen:
12,6
±
2,6mm ø innen:
14mm
Tabelle 4
In Tabelle 5 und Abbildung 20 sind die spezifischen Winkel eines
jeden Muskels angegeben, die sich aus den zu betrachtenden
Stellungen und den Positionen von Ursprung und Ansatz am Knochen
(Tabelle 2) ergeben.
Abbildung 20
Stellung
Winkel
M. biceps
M. brachialis
M. brachiorad.
gestreckt
0° 0° 0°
0° 0° 0°
45° gebeugt
40,8° 35,75° 10,35°
4,2° 9,25° 34,65°
90° gebeugt
81,6° 71,5° 20,7°
8,4° 18,5° 69,3°
Tabelle 5
Unterarm
Mu
ske
l
Ober
ar
m
17
3.2. Berechnungsmodell
Berechnungsschritte:
·
Das System Oberarm-Unterarm wird im Ellenbogengelenk freigeschnitten.
·
Im Unterarm wird mit den Gleichungen
Fx
Fy
M
=
=
=
0
0
0
,
,
mit
M
F s
=
und der
Zwangsbedingung
FMx
FM
FMy
FM
=
=
cos ,
sin
, die Muskelkraftanteile
FMx
und
FMy
und
die Gelenkskraftanteile
FGx
und
FGy
ermittelt.
·
Im Oberarm wird mit den Gleichungen
Fx
Fy
M
=
=
=
0
0
0
,
,
, und der Zwangsbedingung
FMx
FM
FMy
FM
=
=
sin ,
cos
, sowie den bekannten Gelenkskräften
FGx
und
FGy
die
Längskraft FY, die Querkraft FX und das Biegemoment M
b
an der festen Einspannung berechnet.
Zur besseren Übersicht wird nicht mit einer bestimmten Handlast gerechnet, sondern es wird für jeden
Muskel und jede Stellung eine lineare Gleichung y = mx + n aufgestellt, die es ermöglicht sehr schnell
für jede beliebige Last die Belastung des Humerus zu bestimmen. Die Variable x entspricht der
Handlast in Kilogramm. Eine ausführliche Beispielrechnung ist im Anhang beigefügt.
Besonderheit: Der M. biceps ist ein zweigelenkiger Muskel, dessen 2 Köpfe nicht am Humerus,
sondern am Schulterblatt entspringen. Er trägt keine direkte Muskelkraft an den
Humerus an, sondern klemmt ihn beim Kontrahieren zwischen Unterarm und
Schultergelenk ein und belastet ihn gemeinsam mit dem M. triceps indirekt auf Druck.
35 cm
26,5 cm
31 cm
10,5 cm
5 cm
44 cm
4 cm
20
c
m
34
c
m
24
c
m
22
c
m
F 1
F 2
F 3
F 4
Last
M. biceps
M. brachialis
M. brachioradialis
Abbildung 21: biomechanisches Modell
11
Probleme und Komplikationen
Bei 10 Implantationen des Marchetti-Vicenzi Nagels trat eine intraoperative Schaftsprengung auf,
zweimal kam es zu einem revisionspflichtigen Austreten des Implantates aus dem Humeruskopf. Es
gab keine Infekte, N. radialis-Paresen oder technische Probleme.
Der Monachia Nagel wurde von 3 Autoren in 18 Implantationen ohne nennenswerte Komplikationen
eingesetzt.
Bei dem Russel-Taylor Nagel mußte in 10% der antegraden Insertion die proximale Schraube wegen
Beschwerden entfernt werden, in 4% aller Fälle kam es zu einem Schulterimpingement aufgrund der
Migration des Implantates. Technische Probleme traten retrograd bei der Handhabung des Zielbügels
auf, der wegen Größe und Gestalt mit dem Epicondylus lateralis in Konflikt kam.
Durch Lockerung der Speizschraube oder zu weites Aufbohren kommt es beim Seidel Nagel zu einer
Beeinträchtigung der distalen Verriegelung. Die ungenügend stabile Verriegelung verursacht nach
verschiedenen Autoren in bis zu 30% der Implantationen eine Migration des Nagels, es kommt zu
einem Schulterimpingement, welches die vorzeitige Entfernung des Implantates erfordert. Die von
Seidel vorgeschlagene Aufbohrung bis auf 11mm kann zu einer kritischen Verdünnung der Kortikalis
führen; fehlendes Aufbohren des distalen Frakturfragmentes begünstigt eine mögliche
Knochensprengung beim Vorschieben des Nagels.
Der True-Flex Humerus Nagel wurde von einem Autor zwölfmal ohne Komplikationen implantiert,
eine Fraktur verheilte verzögert.
Bei der Implantation des UHN-Nagel kam es bei 7% zu einer Pseudarthrosenbildung, in 4% zu einer
N. radialis-Parese. Während der OP traten bei 6% Schwierigkeiten mit der Freihandverriegelung unter
BV-Durchleuchtung auf, technische Probleme waren selten.
Zusammenfassung:
Die wesentlichen Nachteile bei den heutigen Humerus-Marknägeln resultieren aus:
·
Problemen mit der insertionsfernen Verriegelung
(Freihandverriegelung unter BV-Durchleuchtung bei Russel-Taylor Nagel und UHN-Nagel,
ungenügend stabile Verriegelung beim Seidel Nagel)
·
iatrogenen Schädigungen, die häufig beim Aufbohren des Markkanals entstehen
(intraoperative Frakturen, Schaftsprengungen und N. radialis-Paresen)
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 1999
- ISBN (eBook)
- 9783832431624
- ISBN (Paperback)
- 9783838631622
- Dateigröße
- 1.4 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Westsächsische Hochschule Zwickau, Standort Zwickau – unbekannt
- Note
- 1,0
- Schlagworte
- humerus traumarologie marknagel fraktur
