Bestimmung der Hüftkraftrichtung aus Bruchflächen von Hüftgelenksprothesen

Seite 3/3

Untersuchungsergebnisse

Eine Müller-Prothese, auf die eine Kraft im Winkel von 25° zur Schaftachse einfällt, würde von dieser (die Kraft ist auf der Wirkungslinie frei verschiebbar) etwas unter der halben Schafthöhe geschnitten (Abb. 4). Das Biegemoment – es ergibt sich aus Kraft mal dem Abstand der gegenüberliegenden Prothesenseite senkrecht zur Wirkungslinie – kann dort vernachlässigt werden, wo letztere im Prothesenschaft verläuft. Demnach wären in diesem Bereich keine Brüche zu erwarten. Erfahrungsgemäß gehört gerade dieser Bereich aber zur Hauptbruchzone, die durch das gesamte mittlere Schaftdrittel gegeben ist. Das mag auch der Grund für die Hersteller gewesen sein, ihre Modelle, wie schon erwähnt, bei sehr steilem Krafteinfall (10°) zu prüfen.

Weit proximal gebrochene Prothese
Abbildung 5: Weit proximal gebrochene Prothese
a) Teilansicht: Einem längeren Lateralriss ist leicht versetzt ein Riss von medial her entgegengelaufen
b) Bruchfläche: die lokale Rissausbreitung ist durch Pfeile markiert, deutliche Abreißkante
c) Röntgenaufnahme: die Prothese zeigt Valgusstellung

Oberhalb der Schnittstelle verläuft nach Abbildung 4 die Kraft medial von der Prothese. Nur die Lateralseite steht unter Zug, und Risse als Folge der Wechselbeanspruchung müssten ausschließlich von dort her einlaufen. Wir haben jedoch gefunden, dass dies allenfalls bei Prothesen der Fall ist, die proximal, zu Beginn des mittleren Drittels, gebrochen sind. Interessanterweise war jedoch unsere am weitesten proximal gebrochene Prothese auch von medial her eingerissen (Abb. 5a und b). Das bedeutet, dass die Medialseite zyklisch unter Zug gestanden hat, die Prothese also nicht nur nach medial, sondern auch nach lateral gebogen wurde.
Anders ausgedrückt: Die Kraftwirkungslinie bzw. Hüftkraft ist zyklisch von medial/vertikal nach lateral/horizontal gependelt. Um das erforderliche Biegemoment entfalten zu können, dürfte sie noch jenseits der Halsachse verlaufen sein. Die Abreißkante gibt den Punkt an, wo die Biegemomente von beiden Seiten her gleich groß waren, kennzeichnet also eine gewisse Mittellage. Die Röntgenaufnahme (Abb. 5c) zeigt für diese Prothese die zu erwartende Valgusstellung.
Es handelt sich zwar bei dieser Prothese um einen Ausnahmefall, der aber eine Tendenz ankündigt: Nach unten zu wird der mediale Bruchanteil immer größer (Abb. 6), bis er schließlich fast die gesamte Bruchfläche einnimmt (Abb. 7). Die Bruchstrukturen zeigen sich im letzteren Fall als völlig eingeebnet. Tiefliegende Bruchstellen schränken die Gehfähigkeit offenbar wenig ein.

Bruch in Schaftmitte
Abbildung 6: Bruch in Schaftmitte
a) Übersichtsaufnahme
b) Ausschnitt: Von medial und lateral her sind Risse bis zu gleicher Tiefe eingelaufen, ein weiterer Medialriss (nachgezogen) findet sich unter der Bruchstelle
c) Bruchfläche: der mediale Anteil ist stark gestaucht

Auch proximal gebrochene Prothesen weisen gelegentlich völlig zerriebene Bruchflächen auf. Die Bruchflächenaufteilung bleibt gewöhnlich erkennbar, da gegenläufige Anrisse selten das gleiche Höhenniveau aufweisen. Gelegentlich fanden sich weitere Anrisse nahe der Bruchstelle. Sie verdeutlichen, dass während des Risswachstums die Einspannstelle der Prothese im Femur weiter absank, die Auslockerung des Gesamtverbundes also zunahm.

Distal-gebrochene-Prothese
Abbildung 7: Distal gebrochene Prothese
a) Übersicht
b) Ausschnitte: die Bruchenden sind stark gestaucht, oberhalb der Bruchstelle wird ein (weiterer) Medialriss sichtbar
c) Bruchfläche: trotz starker Stauchung ist die Bruchaufteilung erkennbar: einem tiefen Medialriss ist ein kurzer Lateralriss entgegengelaufen

In Abbildung 8 ist die Lage der Bruchstellen für die untersuchten 25 Prothesen eingezeichnet, getrennt nach den 3 Grundtypen. Markiert wurde immer die Abreißzone. Eventuelle Stellungsabnormalitäten (varus/valgus) wurden nicht berücksichtigt. Trotzdem gruppieren sich die Punkte recht gut um eine Linie, die für Normalprothesen im Winkel von etwa 27° zur Schaftachse liegt. Bei Kurzhalsprothesen beträgt dieser Winkel 28° und bei Langhalsprothesen 30°. Die Abreißzonen geben nur die Mittellage der Hüftkraft an. Das Auspendeln könnte man nach jeder Seite mit 17-18° annehmen. Das führt zu einem Pendelbereich, der sich von 10° bis 45° erstreckt und der in Abbildung 4 als Winkel P eingezeichnet ist. Der erste Wert wäre die Prüfrichtung der Hersteller, der letzte ist durch die Halsachse gegeben. Der genannte Pendelbereich, der insgesamt also 35° erfasst, ist etwas größer als der von Endler (1980) angegebene (17-41°).

Diskussion

Das gefundene starke Auspendeln der Hüftkraft bis etwa 45° nach lateral/horizontal kann nicht den Abduktoren angelastet werden, denn sie selbst ziehen mit etwa 30° zur Achse des Femurs bzw. der Prothese wesentlich steiler. Offenbar ist eine stark horizontal orientierte Muskelgruppe beim Gehen grundsätzlich beteiligt. Dabei kann es sich nur um die Muskeln handeln, die am oder im Becken unterhalb der Pfanne entspringen und zum Ansatz des Schenkelhalses ziehen (M. quadratus femoris, M. obturator externus und internus, Mm. Gemelli). Als lediglich Außenrotatoren sind sie sicherlich unterbewertet, vielmehr dürften sie den aus Fachwerkskonstruktionen der Technik gut bekannten Untergurt darstellen. Dieser sorgt dafür, dass die Stäbe eines Tragwerkes nicht auf Biegung, sondern nur auf Zug oder Druck beansprucht werden. Im Gegensatz zu Druckspannungen können Zugspannungen recht gut durch Seile („Seilspannwerk”, z. B. Hängebrücke) oder eben auch Muskeln usw. übertragen werden. Je tiefer diese Muskeln angreifen, um so wirksamer sind sie, das betrifft speziell den M. quadratus femoris und den M. obturator externus.

Bruchlagen von 23 Prothesen; markiert wurde die Abreißzone
Abbildung 8:
Bruchlagen von 23 Prothesen; markiert wurde die Abreißzone
a) Normalhalsprothesen; die Abreißzonen lassen sich einer „Bruchlinie” zuordnen, die vom Hüftkopf unter einem Winkel von 27° zur Schaftachse einfällt
b) Langhalsprothesen; Winkel der Bruchlinie etwa 30°
c) Kurzhalsprothesen; Bruchlinienwinkel 28°

Das gefundene starke Auspendeln der Hüftkraft bis etwa 45° nach lateral/horizontal kann nicht den Abduktoren angelastet werden, denn sie selbst ziehen mit etwa 30° zur Achse des Femurs bzw. der Prothese wesentlich steiler. Offenbar ist eine stark horizontal orientierte Muskelgruppe beim Gehen grundsätzlich beteiligt. Dabei kann es sich nur um die Muskeln handeln, die am oder im Becken unterhalb der Pfanne entspringen und zum Ansatz des Schenkelhalses ziehen (M. quadratus femoris, M. obturator externus und internus, Mm. Gemelli). Als lediglich Außenrotatoren sind sie sicherlich unterbewertet, vielmehr dürften sie den aus Fachwerkskonstruktionen der Technik gut bekannten Untergurt darstellen. Dieser sorgt dafür, dass die Stäbe eines Tragwerkes nicht auf Biegung, sondern nur auf Zug oder Druck beansprucht werden. Im Gegensatz zu Druckspannungen können Zugspannungen recht gut durch Seile („Seilspannwerk”, z. B. Hängebrücke) oder eben auch Muskeln usw. übertragen werden. Je tiefer diese Muskeln angreifen, um so wirksamer sind sie, das betrifft speziell den M. quadratus femoris und den M. obturator externus.
Wenn am Hüftgelenk ein solcher Untergurt betätigt wird, kann sein eigentlicher Sinn nur sein, dafür zu sorgen, dass der Schenkelhals kein „Biegestab” wird, sondern ein reiner „Druckstab” bleibt und dieses gemeinsam mit dem gegenüberliegenden Teil des Beckens (Sitzbein). Probleme des Gelenks werden damit zu Problemen der Abspannung der jeweiligen Partner. Eine Abspannung erfolgt grundsätzlich räumlich, weswegen es mehrerer Muskeln bedarf, und auch Bänder spielen als Bewegungssperre hierbei eine Rolle. Die Abspannung muss für jede Bewegungsphase neu ausgesteuert werden. Dazu benötigt der Knochen ein Kräfteerkennungssystem. Man kann annehmen, dass dieses System durch Entfernen des Schenkelhalses und der Gelenkkapsel stark geschädigt wird. Immerhin erkennt es, dass sich die Stelle der Krafteinleitung im Femur nach distal verschoben hat und stellt die Hüftkraft nun steiler. Die Krafteinleitung erfolgt außerdem über eine relativ breite Zone, die offenbar während eines Gehzyklus durch die Hüftkraft pendelnd überstrichen wird.
Zu diskutieren wäre, ob der Träger einer Endoprothese es möglicherweise deshalb geworden ist, weil am betreffenden Gelenk die Abspannung nicht mehr richtig ausgesteuert wurde, d. h., Schenkelhals und -kopf wurden nicht mittig (axial) belastet.

Literatur

  1. Braune, W.; und Fischer, O.: Der Gang des Menschen. Versuche am unbelasteten und belasteten Menschen. Abh. math.-phys. Cl. Königl. Sächs. Ges. Wiss. 21 (1895) 153-322.
  2. Charnley, J.: The Low Friction Arthroplasty of the Hip. Berlin: Springer Verlag 1979.
  3. Dietschi, C.: Zur Problematik des künstlichen Hüftgelenks. Schriftenr. Mediz. Orthop. Techn., Bd. 3, Stuttgart: A. W. Gentner Verl. 1978.
  4. Endler, F.: Einführung in die Biomechanik und Biotechnik des Bewegungsapparates. In: Orthopädie in Praxis und Klinik, Hrsg. A. N. Witt u. a., Stuttgart: Georg-Thieme Verlag 1980, Bd. 1, Kap. 2.
  5. Hildebrandt, G.; und Möser, M.: Implantatbrüche – klinische und fraktographische Untersuchungen. Beitr. Orthop. Traumatol. 29 (1982) 541-554.
  6. Möser, M.: Fraktographische Untersuchungen an gebrochenen Hüftgelenkprothesen. Hermsdorfer Techn. Mitteil. 62 (1983) 1962/63.
  7. Pauwels, F.: Gesammelte Abhandlungen zur funktionellen Anatomie des Bewegungsapparates. Berlin: Springer Verlag 1965.
  8. Ders.: Atlas zur Biomechanik der gesunden und kranken Hüfte. Prinzipien, Technik und Resultate einer kausalen Therapie. Berlin: Springer Verlag 1973.
  9. Pohl, E.: Das Gesicht des Bruches metallischer Werkstoffe. Bd. I/II. München u. Berlin: Allianz-Versicherungs-AG 1956.
  10. Ritter, G.; Grünert, A.; und Schweikert, C.-H.: Biomechanische Ursachen von Lockerung und Bruch der Hüftendoprothesen. Arch. orthop. Unfall-Chir. 77 (1973) 154-164.
  11. Röhrle, H. u. Mitarb.: Der Kraftfluss bei Hüftendoprothesen. Arch. orthop. Unfall-Chir. 89 (1977) 49-60.
  12. Semlitsch, W.; und Willert, H. G.: Kobaltbasis-Legierungen im Guss- und Schmiedezustand als Implantatwerkstoff. Medizin. Orthopäd. Techn. 96 (1976) 86-90.
  13. Sorbie,C.; und Zalter, R.: Bioengineering studies of the forces transmitted by joints. I. In: Biomechanics and Related Bioengineering Topics. Ed. K. Kenedi Oxford: Pergamon Press 1965 p. 359-367, zit. nach Endler, F.
  14. Ungethüm, M.: Technological test-methods for hip prostheses. Arch. Orthop. Traumat. Surg. 97 (1980) 285-292.
  15. Willert, H.-G., Buchhorn, U.; und Zichner, L.: Clinical experience with Mueller total hip endoprosthesis of different design and material. Arch. Orth. Traumat. Surg. 97 (1980) 197-205.

Zurück zu Seite 2
Zurück zur Biomechanik
Zurück zur Homepage