Morphologische und biomechanische Untersuchungen der physiologischen Inkongruenz am Ellenbogengelenk des Hundes

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1 Morphologische und biomechanische Untersuchungen der physiologischen Inkongruenz am Ellenbogengelenk des Hundes J. Mairl Aktueller Stand der Literatur Mit dem Begriff der physiologischen Inkongruenz eines Gelenkes wird der Sachverhalt beschrieben, dass zwei Gelenkflächen in unbelasteten Zustand nicht ganz exakt aufeinander passen (Abb. 1b/I). Sie haben damit zunächst nur an wenigen Stellen punktförmigen oder kleinflächigen Kontakt. Dabei handelt es sich um Unterschiede in der Größenordnung von wenigen Zehntel Millimeter. Mit zunehmender Last (-/II, III) werden die Kontaktflächen größer und fließen schließlich zusammen und die Gelenkflächen passen sich einander an. Dies wird dadurch ermöglicht, dass aus dem Gelenkknorpel wie bei einem harten Schwamm unter Druck Flüssigkeit ausgepresst wird und sich dieser dadurch verformt. In diesem Zustand sind die Gelenkflächen kongruent, d.h. exakt passend geworden (Abb. 1b/III). Im entlasteten Zustand während der Ruhephasen kann die ausgepresste Flüssigkeit wieder in den Schwamm Gelenkknorpel zurückfließen. Auf diese Weise wird einerseits der gesamte Gelenkknorpel gleichmäßiger zur Lastübertragung herangezogen und gleichzeitig die optimale

2 Ernährung der Knorpelzellen gewährleistet. Im Gelenk, das bereits bei geringer Belastung passt, führen stärkere Kräfte (Abb. 1a/II, III) zu Lastspitzen im Zentrum des Gelenks, während die Peripherie weit weniger zur Lastübertragung herangezogen wird. Ganz im Gegensatz dazu steht die übliche Verwendung des Begriffes Inkongruenz in der Tiermedizin: Hier ist stets eine krankhafte Stufenbildung im Ellbogengelenk gemeint. Diese Erkrankung kann im Zusammenhang mit der Ellbogengelenkdysplasie (Fehlformung des Ellbogengelenks) auftreten und kann einerseits bedingt sein durch einen Hochstand der Speiche (Abb. 2b/Pfeil) oder einen Hochstand der Elle (Abb. 2c/Pfeil). Diese Stufenbildung wird von der International Elbow Working Group (kurz: IEWG) neben dem frakturierten Processus coronoideus medialis ulnae (FPCMU), dem isolierter Processus anconaeus (IPA), sowie der Chondrosis dissecans (CD) medial an der Trochlea humeri, als vierte Form der Ellbogengelenkdysplasie bezeichnet (incongruity of articular surface, INC). Die gestörte Gelenkmechanik als Folge dieser Erkrankungen mit ihren weitreichenden Veränderungen an Knorpel und Knochen ist unbestritten. Damit stellt die Ellbogengelenkdysplasie, auch aufgrund ihres häufigen Vorkommens, ein tiermedizinisch ernstzunehmendes Problem dar. Systematische Untersuchungen zur Biomechanik des gesunden Ellbogengelenks bei Hunden fehlen weitgehend. Die Angaben in der Literatur gehen davon aus, dass die Speiche der hauptsächlich gewichtstragende Knochen ist. Der Elle, speziell dem Processus coronoideus medialis (Abb. 4/Pcm), wird allenfalls eine unterstützende Funktion eingeräumt, die abhängig von der Stellung der Gliedmaße unterschiedlich groß ist.

3 Biomechanische Überlegungen lassen jedoch Zweifel an dieser Art der Lastverteilung aufkommen, da die Belastung eines Gelenkes ganz allgemein maßgeblich vom Zug der Muskeln abhängt, die dieses Gelenk bewegen. Diese Konstellation würde bedeuten, dass die Elle (Abb. 2a/E) beim Strecken des Ellbogengelenkes durch das Anziehen der Ellbogenstreckmuskeln massiv an die Gelenkwalze des Oberarmbeins (Abb. 2a/O) angepresst würde. Die Summe der Kräfte drückt die entsprechenden Gelenkflächen gegeneinander. Bei dieser vereinfachten statischen Betrachtung wird zunächst nicht berücksichtigt, dass sich die auf das Gelenk einwirkenden Kräfte in Bewegung und bei zunehmender Laufgeschwindigkeit des Hundes, noch enorm vergrößern. Die Verteilung der Druckspannungen im Gelenkknorpel und in der unmittelbar darunterliegenden (= subchondralen) Knochenschicht hängt maßgeblich von der Lage der Hauptbelastungsstelle, des sogenannten Durchstoßpunktes der Kraftrichtung ab. Verändert sich der Gelenkwinkel, ändert sich auch die Lage des Durchstoßpunktes. Als biologische Reaktion auf die langfristig immer wieder kehrenden Belastungen beim Laufen entwickelt sich eine charakteristische Verteilung der Knochendichte unmittelbar unter dem Knorpel. Dieses Verteilungsmuster spiegelt Langzeitbelastungen über Wochen und Monate hinweg wider, eine Auskunft über Spitzenbelastungen oder Momentansituationen gibt sie nicht. Im Zusammenhang mit der Beurteilung der Knochendichte ist die Frage nach der Form des Gelenkes wichtig. Dehnungsspannung tritt in der Biegung der Ellbogengelenkspfanne dann auf, wenn die gegenseitigen Gelenkflächen bei geringer Last nicht genau aufeinander passen (= physiologische Inkongruenz, siehe oben). Es wird angenommen, dass diese Dehnung auch als Reiz die Knochenzellen zur Neubildung von Knochengewebe anregt. Um langfristige Dehnungsspannungen im Knochengewebe darzustellen, kann die Ausrichtung der Kollagenfasern im Knochen untersucht

4 werden. An Stellen mit entsprechender Belastung lässt sich diese Ausrichtung anhand der Spaltlinien sichtbar machen. Typischerweise ist an ausschließlich druckbelasteten Stellen keine bestimmte Richtung mehr erkennbar. Untersuchungsgut und Methoden Zur Untersuchung kommen nur Ellbogengelenke von Hunden über 20 kg Körpermasse, da vor allem bei großwüchsigen Rassen die eingangs erwähnten Störungen auftreten. Für das vorgestellte Projekt sind keine Tierversuche nötig, da alle Untersuchungen an anatomischen Präparaten durchgeführt werden können. Dafür werden nur solche Gelenke verwendet, deren Knorpel keinerlei Schäden aufweist. Knochendichte Die Knochendichte wird mit Hilfe von Röntgenstrahlen im Computertomographen gemessen (Computertomographie-Osteoabsorptiometrie, CT-OAM; Müller-Gerbl et al., 1989; Müller-Gerbl et al., 1990). Dabei werden die präparierten Gelenke im Computertomographen gescannt. Aus diesen Daten werden die Knochen am Computer dreidimensional rekonstruiert und auf der Gelenkfläche die maximalen Werte der röntgenologisch ermittelten Knochendichte projiziert. Die Lage der Dichtemaxima wird durch Zuordnung von Falschfarben hervorgehoben (siehe Abb. 3/4/5). Die Knochendichte wird dabei in Hounsfield-Einheiten (= Hounsfield Units, HU) angegeben: 500 HU stellen eine mittlere Knochendichte dar, während HU typische Messwerte für dichten Knochen sind. Knorpeldicke Aus dem gleichen Datensatz kann über ein Grenzwertverfahren die Dicke des Knorpels flächenhaft bestimmt werden.

5 Spaltlinien An entkalkten Präparaten der am Gelenk beteiligten Knochen lässt sich anhand der Spaltlinienmethode sichtbar machen, ob und in welcher Richtung die Kollagenfasern ausgerichtet sind. Kontaktflächen / Gelenkspaltweite / Druckmessung Für die im folgenden genannten Untersuchungen werden die Gelenkpräparate in einer Materialprüfmaschine eingespannt und können so definiert belastet werden. Die Vermessung der Größe und Lage der Kontaktflächen und der Weite des Gelenkspaltes erfolgt mit Hilfe von Abformmassen aus der Zahnheilkunde, die im belasteten Gelenkpräparat aushärten. Mit Hilfe dieser Methode lassen sich die druckbelasteten Stellen ermitteln. Der Anpressdruck an diesen Stellen muss auf andere Weise, nämlich mit Hilfe von druckempfindlichen Filmen, ermittelt werden. Erste Ergebnisse Knochendichte An der Gelenkwalze des Oberarmbeins ist vor allem im Bereich der Fossa olecrani ein Knochendichtemaximum erkennbar (Abb. 3a/*). In der Ansicht von vorne und unten zeigen sich nur mehr vereinzelte Bereiche hoher Dichte (Abb. 3b/*). Insbesondere zu den Gelenkrändern ist die Mineralisierung der subchondralen Knochenschicht geringer. An der Elle (Abb. 4) erstreckt sich der Bereich maximaler Dichte im wesentlichen innen an der Incisura trochlearis vom Proc. anconaeus (-/Pa) zum Proc. coronoideus medialis (-/Pcm). Dieser kann in der Tiefe der Incisura trochlearis unterbrochen sein (Abb. 4/It). Nach außen zum Proc. coronoideus lateralis (-/Pcl) fällt die Mineralisierung auf minimale Werte ab. Die Speiche (Abb. 5) weist ein umschriebenes Maximum innen (-/*) auf, das am kompletten Gelenk unmittelbar neben dem Proc. coronoideus medialis der Elle liegt. Auch hier ist nach außen (-/a) und hinten die Knochendichte niedriger.

6 Spaltlinien Im Bereich des Fossa olecrani (Abb. 3a/Fo) an der Gelenkwalze des Oberarmbein ist eine streng querverlaufende Orientierung zu finden. Ansonsten sind die Spaltlinienmuster eher uneinheitlich. Die Ausrichtung der Linien ist an der Elle (Incisura trochlearis, Abb. 4/It) streng vom Proc. anconaeus zum Proc. coronoideus medialis. An der Speiche verlaufen die Linien von der vorne und innen gelegenen Knochennase (Abb. 5/Knochenvorsprung oberhalb von * ) annähernd strahlenförmig nach hinten und außen. Kontaktversuche Messungen der Kontaktflächen am Ellbogengelenk des Hundes bei 90 -Beugewinkel konnte gezeigt werden, dass die Gelenkwalze des Oberarmbeins bei geringen Lasten (bis ca. 100 N) vor allem im Bereich des Proc. anconaeus und Proc. coronoideus medialis (Abb. 4/Pa, bzw. Pcm) Kontakt mit der Incisura trochlearis hat. Bei höheren Lasten (ab ca. 200 N) konfluieren diese Bereiche. Schlussfolgerungen Die bisherigen Befunde lassen den Schluss zu, dass sich die Lastverteilung im Ellbogengelenk anders verhält als bisher in der Literatur beschrieben. Die Elle übernimmt die Hauptlast, während die Speiche eher eine untergeordnete Rolle spielt. Die Knochendichteverteilung am Oberarmbein, insbesondere das Maximum in der Fossa olecrani (Abb. 3a), legt nahe, dass zusätzlich zur Druckbelastung auch Querkräfte wirken. Dies wird durch die Ausrichtung der Spaltlinien bestätigt. Erklärbar wird dies durch Kräfte in der Querebene, die in der Ganganalyse beim Laufen ermittelt werden konnten. Darüber hinaus kann man beim Ellbogengelenk des Hundes davon ausgehen, dass das Phänomen der physiologischen Inkongruenz mit seinen biologischen Vorteilen verwirklicht ist. Die vorliegenden und geplanten Untersuchungen im Rahmen dieses Projektes bilden einen weiteren Mosaikstein für ein biomechanisch

7 korrektes Verständnis der physiologischen Ellbogengelenkfunktion als Grundlage für die Untersuchung von erkrankten Gelenken. Danksagung An dieser Stelle möchte ich schon jetzt der Gesellschaft zur Förderung Kynologischer Forschung und ihren Mitgliedern herzlich für die Unterstützung der Studie bedanken. Literatur Müller-Gerbl, M. (1991). CT-Osteoabsorptiometrie (CT-OAM) und ihr Einsatz zur Analyse der Langzeitbeanspruchung der großen Gelenke in vivo. Anatomische Anstalt. München, LMU. Müller-Gerbl, M., R. Putz, N. Hodapp, E. Schulte, Wimmer, B. (1989). Computed tomography-osteoabsorptiometry for assessing the density distribution of subchondral bone as a measure of long-term mechanical adaptation in individual joints. Skeletal Radiol. 18: Eckstein, F., F. Löhe, M. Müller-Gerbl, M. Steinlechner und R. Putz (1994): Stress distribution in the trochlear notch. A model of bicentric load transmission through joints. J. Bone Joint Surg. [Br] 76-B, Legenden Abb. 1: Schematische Darstellung der Belastung in einem exakt passenden (= kongruenten) Gelenk (a) und einem physiologisch inkongruenten Gelenk (b) (aus Eckstein et al., 1994). Beachte die unterschiedliche Verteilung der Spannung im Gelenk bei den unterschiedlichen Belastungsstufen (I-III).

8 Abb. 2: Darstellung der Knochen des Ellbogengelenks (Das Gelenk ist in einer Oberarmbein (O) ist von den Knochen des Unterarms entfernt) a) normale Stellung von Speiche (S) und Elle (E), keine Stufenbildung; b) Hochstand der Speiche gegenüber der Elle (Pfeil) c) Hochstand der Elle gegenüber der Speiche (Pfeil) Abb. 3: Gelenkwalze des linken Oberarmbeins (Condylus humeri) a) Ansicht von hinten und oben b) Ansicht von vorne und unten Klammer zeigt die Breite der Fossa olecrani (Fo) * Lage des Knochendichtemaximums

9 Abb. 4: Linke Elle (Ulna) a) Ansicht von oben und innen b) Ansicht von unten und außen It Incisura trochlearis Pa Processus anconaeus Pcl Processus coronoideus lateralis Pcm Processus coronoideus medialis * Lage des Knochendichtemaximums Abb. 5: Linke Speiche (Radius) Ansicht von oben (Die Graustufen sind die gleichen wie in Abb. 3/4) a außen i innen Dr. J. Maierl Institut für Tieranatomie, Veterinärstr. 13, München, Tel: 0 89/ Fax: 0 89/ ; j.maierl@anat.vetmed.uni-muenchen.de