Dynamische Analyse von Osteosynthesen am Olecranon: ein in-vitro Vergleich zweier Osteosynthesesysteme

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1 Biomed Tech 2008; 53: by Walter de Gruyter Berlin New York. DOI /BMT Dynamische Analyse von Osteosynthesen am Olecranon: ein in-vitro Vergleich zweier Osteosynthesesysteme Dynamic analysis of olecranon osteosyntheses an in vitro comparison of two osteosynthesis systems Tobias E. Nowak 1,a, *, Lars P. Mueller 1,a, Werner Sternstein 1, Klaus J. Burkhart 1, Martin Reuter 2, Lutz A. Mueller 3 und Pol M. Rommens 1 1 Klinik und Poliklinik für Unfallchirurgie, Johannes- Gutenberg-Universität, Mainz, Deutschland 2 Abteilung für Chirurgie, St. Josefs-Hospital Cloppenburg, Deutschland 3 Klinik und Poliklinik für Orthopädie, Friedrich- Alexander-Universität, Erlangen-Nürnberg, Deutschland Zusammenfassung Hintergrund: Ziel dieser Studie war die Entwicklung eines Test-Setups mit kontinuierlicher Winkeländerung für die Imitation der Gelenkbewegung des Ellenbogens zum mechanischen Vergleich von Zuggurtungosteosynthese und einem neu entwickelten intramedullären Nagelsystem. Material und Methode: Der Rotationsmotor des servopneumatischen Testapparates arbeitet winkelgesteuert für die Ellenbogenbewegung, der Linearmotor kraftgesteuert für den M. triceps brachii. Das Frakturmodell wurde dynamisch unter zyklischer Belastung getestet. An 14 frischen Leichenulnae wurde eine schräge Osteotomie des Olecranon durchgeführt und zwei verschiedene Osteosynthesesysteme angelegt. Eine Gruppe erhielt die Zuggurtungsosteosynthese, die andere Gruppe den intramedullären Nagel implantiert. Das Bewegungsausmaß des Ellenbogengelenkes änderte sich zwischen 08 Extension und 1008 Flexion unter einer dynamischen Zugkraftvariation zwischen 25 und 150 N. Anhand zweier Paare von Markerpins, die jeweils am proximalen und am distalen Fragment frakturnah angebracht waren, wurde die Relativbewegung zwischen den Pins gemessen. Die Bewegungsanalyse wurde nach 4 und nach 300 Zyklen kontinuierlicher Belastung durchgeführt. Ergebnisse: Nach 300 Zyklen war die Lockerung der Zuggurtungsosteosynthese signifikant höher als die der intramedullären Nagelosteosynthese. Diskussion: Andere Untersuchungen von Osteosynthesen mit Gelenkbeteiligung veränderten die Krafteinwirkung nicht dynamisch. Das Test-Setup der vorliegenden a Diese Autoren haben zu gleichen Teilen zu diesem Artikel beigetragen. *Korrespondenz: Tobias Nowak, Klinik und Poliklinik für Unfallchirurgie, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, Langenbeckstr. 1, Mainz, Deutschland Phone: q49-(0) Fax: q49-(0) nowak@unfall.klinik.uni-mainz.de Studie imitiert die Gelenkbewegung mit einer kontinuierlichen Änderung des Gelenkwinkels. Das ist eine wichtige Voraussetzung für eine akkurate biomechanische Untersuchung von unterschiedlichen Osteosyntheseverfahren zur Fixierung von Olecranonfrakturen. Das getestete intramedulläre Nagelsystem zeigte im Vergleich zur Zuggurtungsosteosynthese eine signifikant geringere Lockerung unter Belastung. Schlüsselwörter: biomechanische Analyse; intramedulläre Nagelosteosynthese; Olecranonfraktur. Abstract Introduction: The aim of the present study was to develop a test setup with continuous angle alteration to imitate elbow joint motion for the mechanical evaluation of tension band wiring and a newly designed intramedullary nail. Materials and methods: The servo-pneumatical test stand worked with a rotational angle-adjusted and a linear force-adjusted engine. The fracture model was dynamically tested under cyclic loading imitating elbow joint motion. In total, 14 fresh cadaver upper extremities underwent olecranon fracture by means of transverse osteotomy and were assigned to two groups: tension band wiring and intramedullary nailing. There was a continuous angle alteration between 0 and 1008 of flexion, with continuous changing pull force between 25 N and 150 N. Two steel pins were placed in the proximal, two in the distal olecranon fragment for video analysis of the motion between the two pairs of pins. Displacement in the fracture gap was determined after 4 and 300 cycles. Results: After 300 cycles, the displacement in the fracture fixation model was significantly higher in the tension band wiring group than in the intramedullary nailing group. Discussion: Other studies evaluating biomechanical properties of olecranon osteosyntheses with joint involvement did not change the force direction dynamically. We introduced a test setup with continuous angle alteration to imitate joint motion. This is an important step for accurate biomechanical evaluation of the treatment of different fixation methods in olecranon fractures. The tested nailing system showed significant advantages in loosening under cyclic loading compared to tension band wiring. Keywords: biomechanical analysis; intramedullary nailing; olecranon fracture. 2008/32

2 T.E. Nowak et al.: In-vitro Vergleich zweier Osteosynthesesysteme am Olecranon 87 Einleitung Bis heute ist die Zuggurtung nach Maßgabe der Arbeitsgruppe für Osteosynthesefragen (Weber und Vasey) w13x das Standardverfahren für die Versorgung von Olecranonfrakturen. Gute Heilungsraten mit einem guten funktionellen Ergebnis zeigen sich in mehreren Nachuntersuchungen. Eine Komplikationsrate von bis zu 14% w4, 9, 11x und Schmerzen, die in bis zu 80% der Fälle durch subkutane Implantatlage w6, 14x verursacht sind, rechtfertigen die Forderung nach alternativen Verfahren zur Verbesserung der Operationsergebnisse. In einer biomechanischen in-vitro Studie wurde im Vergleich zur Zuggurtung die Anwendung eines intramedullären Nagelsystem-Prototypen auf ausreichende Stabilität nach dynamischer Belastung mit kontinuierlicher Änderung des Gelenkwinkels in Bezug auf die Wirkung des M. triceps brachii am Hakenfortsatz der Elle in allen Gelenkpositionen geprüft. Material und Methode Vierzehn frische Leichenulnae (9 männliche, 5 weibliche, Alter 69 bis 78 Jahre) wurden vom Anatomischen Institut der Universität Mainz gespendet. Die Verwendung von frischen Humanpräparaten zur biomechanischen Testung wurde von der Ethik-Kommission der Landesärztekammer Rheinland-Pfalz mit dem Beschluss vom genehmigt (Bearbeitungsnummer ). Um beschädigte Knochen auszusondern, wurden Röntgenkontrollen durchgeführt. Alle Proben wurden vom Weichteilgewebe bis auf den Ansatz und den distalen Teil des M. triceps brachii, welcher bis auf eine Länge von etwa 6 cm gekürzt wurde, befreit. Die Ulnae wurden in der Schaftmitte auf eine Länge von 13 cm verkürzt. Die Proben wurden in Plastikbeuteln bei einer Temperatur von -188 bis -258C aufbewahrt. Eine schräge Osteotomie von etwa 608, entsprechend einer Schatzker-Typ-C-Fraktur, wurde beginnend in der Incisura trochlearis nach distal verlaufend durchgeführt. In jeder der beiden Gruppen wurde eine identische Osteosynthese implantiert. Gruppe 1 erhielt eine Zuggurtungsosteosynthese (Weber und Vasey) mit zwei 2-mm-Kirschnerdrähten und einem 1,25-mm-Monofilamentdraht (Abbildung 1A). Gruppe 2 erhielt den intramedullären Nagel-Prototypen (ONS, Synthes, Oberdorf, Schweiz) (Abbildung 1B) mit einem Durchmesser von 5 mm auf einer Länge von 90 mm, verriegelt mittels 2,7-mm-Verriegelungsschrauben. Ein Langloch im proximalen Nagelanteil erlaubt die variable Verriegelung des proximalen Fragmentes mit einem Winkel zwischen 308 und 608 zwischen Schraube und Nagelachse. Die Position der proximalen Verrieglungsschraube wird durch eine Madenschraube im Sinne einer winkelstabilen Sicherung fixiert. Im proximalen Anteil befindet sich eine weitere Verriegelungsmöglichkeit senkrecht zur Nagelachse und um 908 zur Schraube des Langloches gedreht. Distal befinden sich drei weitere senkrechte Verriegelungsmöglichkeiten, die proximalere in einem Winkel von 908 zu den beiden distalen Schrauben. Die biomechanische Testung erfolgte an einer in zwei Achsen arbeitenden servo-pneumatischen Testmaschine Abbildung 1 (A) In PMMA gebettete Ulna-Probe mit Zuggurtungsosteosynthese der Schatzker-Typ-C-Fraktur und Verlängerung der Trizepssehne durch Nylonfäden. (B) Prototyp des Olecranon-Nagels (ONS). (SincoTec, Clausthal-Zellerfeld, Germany), die mit einer Kraftänderung bis 150 N in einer Frequenz von 0,1 Hz arbeitete. Der lineare Motor imitierte kraftgesteuert den Zug des M. triceps brachii. Der pneumatische Rotationsmotor imitierte winkelgesteuert die Ellenbogenbewegung. Die Proben wurden mit der Gelenkachse des Ellenbogens im Verlauf der Prüfachse des Testapparates positioniert und auf der Maschinenbasis am Ulnaschaft eingespannt. Über einen Kurbelarm mit zwei kugelgelagerten Rollen wurde die Zugkraft am M. triceps brachii appliziert, um unabhängig von der Bewegungsrichtung des Ellenbogens die Achse des Testapparates beizubehalten (Abbildung 2). Der Trizepsmuskel wurde mit jeweils 3 Nylonfäden verlängert, die über eine Metallöse mit einem 1,2-mm-Drahtseil verbunden wurden, über welches die Zugkraft wirkte (Abbildung 3). Beide Motoren der Prüfmaschine arbeiteten zyklisch und synchronisiert. Zum Start der Prüfung wurde die Probe in 508-Ellenbogenflexion bei einer Zugkraft von 25 N gehalten. Nach dem Start änderten sich auf sinusförmigen Parameterkurven (Abbildung 4) mit einer Frequenz von 0,1 Hz das Bewegungsausmaß des Ellenbogengelenkes mit einer Amplitude von 1008 und die Zugkraft am Trizepsmuskel von 25 N bis zu 150 N, 908 phasenverschoben zueinander. Die angewandten Kräfte imitieren die physiologischen Kräfte des Ellenbogengelenkes w1, 5x. Ein Bewegungszyklus besteht aus der Flexion, beginnend bei 508 und einer Zugkraft von 25 N, sich weiter fortsetzend bis zur vollen Flexion von 1008 und einer Zugkraft von 90 N, dann folgt die Extensionsbewegung, während die Zugkraft weiterhin ansteigt und einen Maximalwert von 150 N bei einer Flexionsstellung von 508 erreicht. Bei der vollen Extension besteht noch eine Zugkraft von 90 N, welche auf den Minimalwert von 25 N bei wieder einsetzender Flexion bis 508 abfällt. Ein voller Bewegungszyklus der Ellenbogengelenksprobe dauert insgesamt 10 s. Die variablen Parameter wurden in einer optisch kalibrierten Ebene anhand der Bewegungen von vier Markern erfasst. Zwei der Stahlpin-Marker wurden lateral im

3 88 T.E. Nowak et al.: In-vitro Vergleich zweier Osteosynthesesysteme am Olecranon Abbildung 4 Während eines Belastungszyklus ändert sich die Ellenbogenbewegung von 08 (Extension) zu 1008 (Flexion) und die Zugkraft ändert sich von 25 N bis zu 150 N, synchronisiert und phasenverschoben. Die maximale Zugkraft wird in einer Flexion von 508 nach fünf Sekunden und eine minimale Zugkraft von 25 N ebenfalls bei einer Flexion von 508 am Ende eines Zyklus nach 10 Sekunden ausgeübt. Abbildung 2 Im Test-Setup auf der rotierenden Plattform (1) eingespannte Ulna-Probe: Die Krafteinwirkung erfolgt über das Drahtseil (2), welches über zwei Umlenkrollen (3,4) mit der Trizepssehne verbunden ist. Abstand von 10 mm auf dem distalen Fragment, zwei weitere auf dem proximalen Fragment angebracht. Die Videokamera wurde senkrecht zur longitudinalen Achse der Ulna platziert. Die Frequenz der Bewegungsanalyse betrug 5 Hz, die optische Auflösung betrug 540=540 Pixel auf 3 cm 2. Die Genauigkeit der Meßmethode betrug 1/50 mm. Es wurde die Distanz zwischen den vier Markern bei 08 Extension und 908 Flexion jeweils in horizontaler und vertikaler Richtung gemessen. Die aus 4 aufeinander folgenden Zyklen resultierenden Koordinatendifferenzen wurden für beide Markerpaare in Mittelwerten als variable Endparameter der horizontalen (gemessen in 08 Extension) und vertikalen (gemessen in 908 Flexion) Fragmentbewegung zusammengefasst (Abbildung 5). Nach einem Probedurchgang wurden die ersten 4 Bewegungszyklen als Baseline-Werte aufgenommen. Nach 300 weiteren Bewegungszyklen wurden die folgenden 4 Zyklen wieder aufgezeichnet. Aus beiden Ergebnissen erfolgte die Berechnung hinsichtlich einer möglichen Lockerung der Osteosynthesen. Ergebnisse Bei der Zuggurtungsosteosynthese zeigte sich nach 4 Zyklen dynamischer Belastung eine durchschnittliche Spaltbildung von 0,23 mm bei 908 Flexion (Tabelle 1). Der ONS-Nagel zeigte eine mittlere Spaltbildung von Abbildung 3 Beim Blick auf das Test-Setup aus einer anderen Perspektive sieht man die Incisura trochlearis (1), den Processus coronoideus (2) und den Ansatz des M. triceps brachii (3). Die Nylonfäden werden über eine Rolle umgelenkt (4) und dann mit einem 1,2-mm-starken Stahlseil verbunden, welches über eine weitere Umlenkrolle (5) in Richtung der Krafteinwirkung (6) umgeleitet wird. Abbildung 5 Ulna-Probe mit implantierten ONS in Flexion mit jeweils einem Markerpaar am distalen und proximalen Fragment. Der Abstand (a und b) zwischen zwei Markerpaaren wurde als Mittelwert (ms(aqb)/2) gemessen, um näherungsweise die Bewegung im Mittelpunkt (x) zwischen den beiden Fragmenten zu zeigen.

4 T.E. Nowak et al.: In-vitro Vergleich zweier Osteosynthesesysteme am Olecranon 89 Tabelle 1 Mittelwerte der Distanzen im Osteotomiespalt nach 4 und 300 Zyklen unterteilt in Extension und Flexion. Osteosynthese Kraftrichtung n Distanz (Mittelwert) Distanz (Mittelwert) Lockerung nach 300 zwischen den Markern zwischen den Markern Zyklen (mm) nach 4 Zyklen (mm) nach 300 Zyklen (mm) Zuggurtung Extension 7 0,21 0,38 0,17 Flexion 0,23 0,48 0,25 ONS Extension 7 0,14 0,15 0,01 Flexion 0,10 0,10 0,00 Die Lockerung beschreibt die Differenz zwischen den Markern nach 4 und 300 Zyklen. 0,10 mm bei 908 Flexion (Tabelle 1). In der Extensions- Position (08) wurde bei der Zuggurtung eine Spaltbildung von 0,21 mm, beim ONS-Nagel von 0,14 mm gemessen (Tabelle 1). Nach 4 Zyklen wurden die Parameter der Lockerung, welche durch die Mittelwerte der Differenz der Distanzen zwischen den beiden Markerpaaren berechnet werden, mit dem Mann-Whitney-U-Test statistisch analysiert (Tabelle 2). Für keine der beiden Osteosynthesen wurde nach 4 Belastungszyklen eine signifikante Überlegenheit, weder bei Flexion noch Extension, gemessen. Nach 300 Belastungszyklen zeigte sich eine durchschnittliche Spalterweiterung von 0,48 mm bei 908 Flexion bei der Zuggurtung, und von 0,10 mm beim ONS-Nagel (Tabelle 1). In 08 Extension war der Osteotomiespalt bei der Zuggurtungsosteosynthese im Mittel 0,38 mm, bei der Nagelosteosynthese 0,15 mm (Tabelle 1). Im Mann-Whitney-U-Test ergab sich nach 300 Belastungszyklen eine signifikante Überlegenheit der Nagelosteosynthese gegenüber der Zuggurtung hinsichtlich der Lockerung sowohl in Flexion als auch in Extension (Tabelle 2). Nach 300 Zyklen wurde bei der Zuggurtungsosteosynthese in Flexion und Extension ein Öffnen des Frakturspaltes ventral im Bereich der Gelenkfläche beobachtet. Bei der intramedullären Nagelosteosynthese mit dem ONS wurde nach 300 Zyklen ein Klaffen des dorsalen, gelenkfernen Frakturspaltes in Flexion und Extension wahrgenommen. Diskussion Alle anderen uns bekannten Studien zur biomechanischen Untersuchung von Osteosynthesen am Olecranon veränderten die Zugkraftrichtung nicht dynamisch im Sinne einer Imitation der Gelenkbewegung w2, 3, 7, 8, 10x. Wir verwendeten erstmals die Testanordnung mit kontinuierlicher Winkeländerung und dynamischer Belastung zum Vergleich einer neu entwickelten intramedullären Nagelosteosynthese mit einer herkömmlichen Zuggurtungsosteosynthese am Olecranon. Diese dynamische Versuchsanordnung mit physiologischer Kraftapplikation stellt eine wichtige Voraussetzung für die Testung von Osteosynthesen mit Gelenkkomponente am Olecranon dar. Zyklische Belastungen sind eine notwendige Voraussetzung für die Bestimmung von Implantatmigration im Sinne von Lockerung. Daher sind die Ergebnisse der vorliegenden Studie nicht mit den gegenwärtig in der Literatur vorhandenen Studien mit statischer Belastung (Load-to-failure) w2, 3, 7, 9, 10x vergleichbar. Fyfe et al. konnten in einer statischen Versuchsanordnung die Überlegenheit einer doppelt angelegten Zuggurtung (zirkulär und achtertourig) gegenüber allen anderen Verfahren wie einfache Zuggurtung, Platten- und Schraubenosteosynthese bei der transversen Osteotomie w2x zeigen. Prayson et al. verglichen geflochtenen mit monofilem Draht bei der Versorgung der transversen Osteotomie. Diese statischen Tests zeigten eine Überlegenheit des geflochtenen Drahtes unabhängig von der Anlage der Zuggurtung w10x. Murphy et al. zeigten in einer statischen biomechanischen Studie die Überlegenheit der Zuggurtungsosteosynthese gegenüber einer alleinigen Schraubenosteosynthese w8x. Diese Ergebnisse wurden von Wadsworth et al. bestätigt w12x. In beiden Studien brachte die Kombination einer Schraube mit einer Zuggurtung keinen weiteren Vorteil w8, 12x. Dagegen berichten Hutchinson et al. über eine Verbesserung der Stabilität einer 7,3-mm-Schraube kombiniert mit einer Zuggurtung im Vergleich zu einer klassischen Zuggurtungsosteosynthese nach AO-Maßgabe w3x. Ein Ziel einer idealen Osteosynthese ist die korrekte Rekonstruktion der Gelenkflächen. Das steht aber im Gegensatz zu unseren Ergebnissen nach 300 Zyklen kontinuierlicher Belastung, wenn man die Zuggurtungsosteosynthese mit ihrem ventralen Klaffen der Gelenkfläche betrachtet. Dagegen sah man bei der intramedullären Nagelosteosynthese eher ein dorsales Öffnen des Frakturspaltes. Eine sogenannte,,klaffende Fuge bedeutet für die Zuggurtungsosteosynthese, dass der gelenknahe Frakturbereich nicht unter Druck gesetzt ist w5x. Limitierungen der vorliegenden Studie gründen sich vor allem auf die Verwendung von Kadaverknochen. Obwohl die frischen Humanpräparate die klinischen Tabelle 2 Statistische Analyse der Distanz zwischen den Markern nach 4 Zyklen und der Lockerung nach 300 Zyklen unterteilt in Extension und Flexion. Mann-Whitney-U-Test Signifikanzen (P-Wert) Extension Flexion Distanz zwischen den Markern Zuggurtung - ONS 0,902 0,097 nach 4 Zyklen Lockerung nach 300 Zyklen Zuggurtung - ONS 0,026 0,017 Lockerung ist die Differenz zwischen den Markern nach 300 Zyklen verglichen mit der Differenz nach 4 Zyklen. Die Unterschiede sind signifikant ab einem Wert von p-0,05.

5 90 T.E. Nowak et al.: In-vitro Vergleich zweier Osteosynthesesysteme am Olecranon Gegebenheiten bezüglich des Knochens gut repräsentieren, fehlen dagegen die Effekte der Blutversorgung, der Weichteile und auch der Knochenheilung. Diese Studie berücksichtigt nur den Trizepsmuskel für die Stabilität hinsichtlich der Olecranonfraktur, andere Muskeln am Ellenbogen spielen jedoch ebenso eine wichtige Rolle. Trotz all dieser Einschränkungen lassen sich aus der vorliegenden Studie wichtige Erkenntnisse erschließen. In einem dynamisch belasteten Olecranon-Frakturmodell hat ein neu entwickeltes intramedulläres Verriegelungsnagelimplantat eine signifikant geringere Auslockerungsrate verglichen mit der Standardtechnik der Zuggurtungsosteosynthese. Weitere Studien sind nötig, um diese Technik zu etablieren und auch klinisch zu untersuchen. Literatur w1x w2x w3x w4x An KN, Morrey BF. Biomechanics of the elbow. In: Morrey BF, editor. The elbow and its disorders. Philadelphia: W.B. Saunders 2000: Fyfe IS, Mossad MM, Holdsworth BJ. Methods of fixation of olecranon fractures. An experimental mechanical study. J Bone Joint Surg Br 1985; 67: Hutchinson DT, Horwitz DS, Ha G, Thomas CW, Bachus KN. Cyclic loading of olecranon fracture fixation constructs. J Bone Joint Surg Am 2003; 85-A: Kozin SH, Berglund LJ, Cooney WP, Morrey BF, An KN. Biomechanical analysis of tension band fixation for olecranon fracture treatment. J Shoulder Elbow Surg 1996; 5: w5x w6x w7x w8x w9x w10x w11x w12x w13x w14x Labitzke R. Theory of traction. Determination of the optimal arrangement of metal in the dorsal traction of an olecranon fracture. Arch Orthop Unfallchir 1975; 81: Macko D, Szabo RM. Complications of tension-band wiring of olecranon fractures. J Bone Joint Surg Am 1985; 67: Molloy S, Jasper LE, Elliott DS, Brumback RJ, Belkoff SM. Biomechanical evaluation of intramedullary nail versus tension band fixation for transverse olecranon fractures. J Orthop Trauma 2004; 18: Murphy DF, Greene WB, Gilbert JA, Dameron TB Jr. Displaced olecranon fractures in adults. Biomechanical analysis of fixation methods. Clin Orthop 1987; 224: Paremain GP, Novak VP, Jinnah RH, Belkoff SM. Biomechanical evaluation of tension band placement for the repair of olecranon fractures. Clin Orthop 1997; 335: Prayson MJ, Williams JL, Marshall MP, Scilaris TA, Lingenfelter EJ. Biomechanical comparison of fixation methods in transverse olecranon fractures: a cadaveric study. J Orthop Trauma 1997; 11: Rommens PM, Kuchle R, Schneider RU, Reuter M. Olecranon fractures in adults: factors influencing outcome. Injury 2004; 35: Wadsworth TG. Screw fixation of the olecranon after fracture or osteotomy. Clin Orthop 1976; 119: Weber BG, Vasey H. Osteosynthesis in olecranon fractures. Z Unfallmed Berufskr 1963; 56: Wolfgang G, Burke F, Bush D, et al. Surgical treatment of displaced olecranon fractures by tension band wiring technique. Clin Orthop 1987; 224: Eingereicht: 19. April 2007; akzeptiert: 4. Dezember 2007