Der Effekt der valgisierenden öffnenden hohen Tibiaosteotomie (HTO) auf die Druckverteilung im Knie- und oberen Sprunggelenk

Aus der

Klinik für Unfallchirurgie

in der Medizinischen Hochschule Hannover

Der Effekt der valgisierenden öffnenden hohen Tibiaosteotomie (HTO) auf die Druckverteilung im Knie- und oberen Sprunggelenk

Dissertation

zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin in der

Medizinischen Hochschule Hannover (MHH)

vorgelegt von

Yaman Sabbagh Hannover 2016

Seite 2 Angenommen vom Senat: 08.11.2017

Präsident: Prof. Dr. med. Christopher Baum Wissenschaftliche Betreuung: Prof. Dr. med. Emmanouil Liodakis

1. Referent: Prof. Dr. med. Benno Ure 2. Referent: Prof. Dr. med. Norbert Maassen

Tag der mündlichen Prüfung: 08.11.2017

Prüfungsausschuss

Vorsitz: Prof. Dr. med. Henning Windhagen 1. Prüfer Prof. Dr. med. Claus Petersen 2. Prüfer Prof. Dr. med. Michael Winkler

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Inhaltsverzeichnis

1 Publikation...4

2 Zusammenfassung ... 12

2.1 Einleitung………...………...12

2.2 Methodik………...15

2.3 Ergebnisse……….……..23

2.4 Diskussion……….……….……….29

2.5 Schlussfolgerung………...………..………31

3 Literaturverzeichnis ... 31

4 Lebenslauf ... 37

5 Erklärung gemäß § 2 Abs. 2 Nr. 5 und 6 PromO ... 38

6 Danksagung ... 39

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1 Publikation

Originalarbeit:

Journal of Orthopaedic Research: 33:598–604, April 2015

Effect of Medial Opening Wedge High Tibial Osteotomy on Intraarticular Knee and Ankle Contact Pressures

Eduardo M. Suero^1*, Yaman Sabbagh^1*, Ralf Westphal², Nael Hawi¹, Musa Citak¹, Friedrich M. Wahl², Christian Krettek¹, Emmanouil Liodakis¹

1 Unfallchirurgische Klinik, Medizinische Hochschule Hannover (MHH)

2 Institut für Robotik und Prozessinformatik, Technische Universität Braunschweig

* Eduardo M. Sueround Yaman Sabbaghhaben eine geteilte Erstautorenschaft, da sie sich gleichmäßig an der Durchführung der Studie, bei der Auswertung der Ergebnisse und beim Schreiben des Manuskriptes beteiligt haben.

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2 Zusammenfassung

2.1 Einleitung

Als Beinachsendeviationen bezeichnet man Abweichungen der mechanischen Beinachse vom physiologischen Normwert. Diese Abweichungen (Valgus- und Varusdeformitäten) werden häufig mit Kniebeschwerden assoziiert¹. Als etabliertes Verfahren, um die Beschwerden zu lindern, bietet sich bei Varusdeformität eine valgisierende proximale Tibiaosteotomie (Hohe Tibiaosteotomie, HTO) an. Dabei wird die mechanische Tragachse des Beines nach lateral verlagert und somit das mediale femorotibiale Kompartiment entlastet². Vor allem bei jungen und aktiven Patienten werden Beschwerden gelindert und die Aktivität der Patienten erhöht³. Eine gelenkersetzende Operation ist im Vergleich dazu in erster Linie für ältere Patienten geeignet, da mit zunehmender Implantatstandzeit das Lockerungsrisiko steigt und es zusätzlich im Rahmen von infektiösen Geschehen zu periprothetischen Infekten kommen kann. Bei einer Revision eines Gelenkersatzes ist mit einem hohen Verlust an Knochensubstanz zu rechnen, was dann das Verwenden von Spezialimplantaten erfordert.

Die Indikation zur valgisierenden öffnenden Umstellungsosteotomie HTO besteht nach Galla und Lobenhoffer bei einer unikompartimentellen medialen Gonarthrose, begleitet mit einer Varusdeviation der unteren Extremität bei Patienten mit körperlichem Aktivitätsanspruch⁴. Die Umstellungsosteotomie kann mit anderen knorpel- bzw. meniskusrekonstruktiven Eingriffen als auch in Kombination mit Bandplastiken durchgeführt werden. Als Kontraindikationen sind hochgradige Bewegungseinschränkungen, Patientenalter von über 65 Jahren (relative Kontraindikation), starkes Übergewicht, Meniskusverlust im lateralen Kompartiment sowie Knorpelschäden dritten oder vierten Grades im lateralen Gelenkabschnitt zu nennen⁴.

In verschiedenen Studien wurden die genauen Auswirkungen von Umstellungsosteotomien auf die Biomechanik des Kniegelenks untersucht^2,5-11. Agneskirchner et al. haben gezeigt, dass Veränderungen der mechanischen Beinachse zu Veränderungen der Belastungsverteilung im Kniegelenk führen².

Verschiedene Studien belegen, dass nach einer Änderung der mechanischen Beinachse eine signifikante Linderung der Knieschmerzen auftritt, zusätzlich verbessert sich die Lebensqualität und die Gehleistung³.

Ebenso konnten weitere Studien zeigen, dass eine Fehlstellung der distalen Tibia zu einer Änderung der Druckverteilung im oberen Sprunggelenk führen kann^12-14. Tarr et al.

beschreiben, dass eine Fehlstellung von 15° in der frontalen Ebene in der distalen Tibia zu einer Verringerung der Kontaktfläche von 42% im oberen Sprunggelenk führt¹⁴. Ebenso beschreiben

Seite 13 Knupp et al. eine Verringerung der Kontaktfläche im oberen Sprunggelenk von 36% bei einer Valgusfehlstellung von 15°¹³. Takakura et al. beschreiben die supramalleoläre Osteotomie als eine alternative Behandlungsmethode für die idiopathische Arthrose im Sprunggelenk¹². Das Behandlungsziel liegt hierbei auf eine Umverteilung der Belastung auf ein Areal, welches nicht arthrotisch verändert ist und somit eine Schmerzlinderung resultiert.

Die biomechanischen Auswirkungen einer HTO auf das obere Sprunggelenk wurden noch nicht ausreichend untersucht. Jeong et al. beschreiben in einer Fallbeschreibung neu entstehende persistierende Schmerzen im Sprunggelenk nach der valgisierenden öffnenden HTO beidseits¹⁵.

Lee et al. beschreiben nach Implantation einer totalen Knieendoprothese mit Achsenkorrektur bei 21,8% der Patienten eine neu entstandene oder eine Zunahme der vorbestehenden Arthrose im oberen Sprunggelenk¹⁶. Elson et al. beschreiben dagegen eine Verbesserung der Instabilität und Verringerung von Schmerz im oberen Sprunggelenk bei einem Patienten nach valgisierender Umstellungsosteotomie (HTO)¹⁷.

Des Weiteren beschreiben Lee et al., dass sich die distale Tibiaflächentangente nach der valgisierenden öffnenden HTO zur Horizontalen signifikant verändern kann (Abbildung 1). Die Autoren schließen hieraus eine flächigere Lastverteilung im oberen Sprunggelenk¹⁸. Diese Veränderung führte jedoch nicht zu einer relevanten klinischen Arthrose im oberen Sprunggelenk nach einem Jahr.

Zusätzlich zeigt sich bereits im Rahmen der Planung einer öffnenden HTO eine Winkeländerung zwischen der mechanischen Traglinie und der Sprunggelenkslinie. Dieses lässt ebenfalls eine Druckumverteilung im Sprunggelenk nach HTO vermuten (Abbildung 2).

Ziel der vorliegenden Studie ist zu analysieren, wie sich der Druck und die Kontaktverteilung bei einer öffnenden HTO unter axialer Stauchung sowohl im Kniegelenk als auch im Sprunggelenk ändern.

Seite 14 Abbildung 1:

Änderung der Winkel zwischen der

Tibiaplateautangentenlinie und der Horizontalen (a) sowie der distalen Tibiaflächentangentenlinie (b) und der Horizontalen (gepunktete Linie) nach öffnender

valgisierender HTO

(A) präoperativ (8° Varus): der Winkel zwischen der Linie (a) und der Bodenlinie beträgt 0,4° und zwischen der Linie (b) und der Horizontalen beträgt 12°

(B) postoperativ (3,5° Valgus): der Winkel zwischen der Linie (a) und der Horizontalen beträgt 3,6° (3,2° mehr als präoperativ) und der Winkel zwischen der Linie (b) und der Horizontalen beträgt 1° (11° weniger als präoperativ)

(aus dem Paper: Changes of knee joint and ankle joint orientations after high tibial osteotomy¹⁸. Osteoarthritis and Cartilage. 2015;23, 2015, Genehmigungsnummer 3655810091752)

Abbildung 2:

Änderung des Winkels zwischen der mechanischen Beinachse und der Sprunggelenkslinie um 3° nach öffnender valgisierender HTO von 11°,

(A) vor HTO (B) nach HTO

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2.2 Methodik

Die vorliegende Studie wurde dem Ethikkomitee der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) als Studienplanung vorgelegt und genehmigt (1199-2011).

Die Messungen wurden an vier Ganzkörperkadavern durchgeführt, wobei sieben Kniegelenke und sieben Sprunggelenke eingeschlossen wurden. Bei dem ausgeschlossenen Kniegelenk lag eine III° Arthrose mit Verlust des vorderen Kreuzbandes vor.

Die Messungen wurden im CAOS Labor (Computer assoziierte orthopädische Chirurgie) der Unfallchirurgischen Klinik der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) durchgeführt.

Setup

Navigationssystem

Für die Versuche wurde das Navigationssystem Vector Vision® der Firma BrainLab AG (Feldkirchen, Deutschland) verwendet. Das Navigationssystem besteht aus einer Kameraeinheit, Workstation und Touchscreen-Monitor, welche auf einer beweglichen Einheit montiert sind. Die Akquirierung der Fluoroskopie-Bilder erfolgte über den Iso-C 3D Bogen Siremobil® (Fa. Siemens) (Abbildung 3).

Siremobil Iso-C 3D

Das Siremobil Iso-C 3D der Firma Siemens, Medizintechnik, Erlangen, besteht aus einem mobilen C-Bogen mit 17 cm Bildverstärker und einer Röntgenröhre mit integrierter Tiefenblende. Zusätzlich besteht es aus einem Monitorwagen mit Computer und Monitor zur Visualisierung. Eine universelle Schnittstelle bietet die Möglichkeit einer Anbindung an chirurgische Navigationssysteme (Abbildung 3).

Seite 16 Abbildung 3: Versuchs-Setup mit Navigationssystem (1), Siremobil Iso-C 3D (2), Monitorwagen des Iso-C 3D (3), und sowohl tibial als auch femoral fixierte Navigationsreferenzen (4).

Foliensystem zur Druckmessung

Das Foliensystem der Firma TekscanTM (Typ 4000, South Boston, USA) verfügt über Sensoren, mit welchen der Druck von 0,1 MPa bis max. 172 MPa gemessen werden kann. Die Druckhöhe wird dabei über die Messung von Widerstandsänderungen durch Druckänderungen auf den entsprechenden Sensoren erfasst. Die 0,1 mm dünne Sensorfolie besteht aus zwei getrennten Sensorfeldern. Jedes Sensorfeld besteht aus 26 x 22 Leiterbahnen. Jede Kreuzung zweier Leiterbahnen ergibt einen Sensor, so dass jedes Sensorenfeld aus 572 Sensoren besteht.

Die Kalibrierung erfolgte vor dem Experiment im Labor mit bis zu 550 Newton (Abbildung 4).

Seite 17 Abbildung 4:

Foliensystem der Firma TekscanTM (rechts), die Sensorfolie wurde verstärkt mit braunem Pflaster, damit die Fäden beim Ziehen zur Einführung in das Gelenk nicht ausreißen (links).

Beinbelastungsfixateur

In Kooperation mit der Forschungswerkstatt der Medizinischen Hochschule Hannover erfolgte die Entwicklung eines axialen Belastungsfixateurs. Kranial erfolgt die Befestigung des Belastungsfixateurs am Os Ileum mittels Schanzscher Schrauben (Abbildung 5). Kaudal schließt der Belastungsfixateur mit einer Platte ab, die unterhalb der Fußsohle zu liegen kommt.

Diese kaudale Platte kann mit einem Kurbelmechanismus kranialisiert werden, womit mehr Druck auf die betroffene Extremität ausgeübt wird. Zusätzlich beinhaltet die Platte eine Messzelle, die an einen Computer angeschlossen wird und kontinuierlich die applizierte Kraft ermittelt. Der Einsatz dieses Belastungsfixateurs erfolgte bereits in verschiedenen Studien¹⁹.

Abbildung 5: Beinbelastungsfixateur.

Achsbrett

Das Achsbrett enthält eine lange schräge röntgendichte Linie und mehrere horizontalen Linien.

Es ermöglicht die intraoperative Abbildung der mechanischen Beinachse am Tibiaplateau nach vorheriger Zentrierung am Femurkopf und Sprunggelenk (Abbildung 6).

Seite 18 .

Abbildung 6: Achsbrett

Fixateur Externe

Bei dem Fixateur externe handelt es sich um ein von außen zu befestigendes Haltesystem, mit dem bestimmte Stellungen am Situs fixiert werden können. Hierfür erfolgt die Fixierung der Schanzschen Schrauben im Knochen, welche dann über Karbonstäbe miteinander verbunden werden (Abbildung 7).

Abbildung 7:Operationssitus nach Durchführung einer HTO mit Anlage eines Fixateur externe (1) und

intraartikulär einliegenden Sensorfolien (2).

Seite 19 Versuchsablauf

Die Prüfkörper wurden in Rückenlagerung auf einem konventionellen Operationstisch gelagert, anschließend folgten folgende Schritte (Abbildung 10):

1. Arthrotomie und Exploration des Knie- und Sprunggelenks unter Schonung der ligamentären Strukturen.

2. Release der oberflächigen Fasern des medialen kollateralen Ligaments (Abbildung 11).

3. Implantation einer vorgefertigten kalibrierten Sensorfolie (Typ 4000) der Firma Tekscan^TM (Boston, USA) im Kniegelenk über dem medialen und lateralen Tibiaplateau.

4. Implantation einer vorgefertigten kalibrierten Sensorfolie (Typ 4000) der Firma Tekscan^TM (Boston, USA) im oberen Sprunggelenk zentriert über der Talusrolle (Abbildung 12).

5. Anlage eines axialen Belastungsfixateurs, welcher supraacetabulär mit 2 Schanzschen Schrauben fixiert wird und distal an der Fußsohle abschloss. Über dieses Gestell wurde die axiale Stauchung appliziert. Die applizierte axiale Belastung wurde anhand einer speziellen Messlatte am Fußende kontinuierlich in Echtzeit gemessen²⁰.

6. Platzierung der Navigationsreferenzen am Tibia- und Femurschaft zur Bestimmung der mechanischen Beinachse. Im Anschluss erfolgte ein 3D-Scan des Kniegelenks mit dem Iso- C 3D. Die Bilder wurden sodann mit dem Navigationssystem synchronisiert, so dass zu jeder Zeit die Beurteilung der mechanischen Achse möglich war.

7. Messung des nativen intraartikulären Druckes sowohl in den tibiofemoralen Kompartimenten als auch im oberen Sprunggelenk. Daraufhin folgte eine kontinuierliche Erhöhung der axialen Stauchung stufenweise bis zu 550 Newton mit kontinuierlicher Druckmessung sowohl im Knie- als auch im Sprunggelenk¹⁴.

8. Durchführung einer biplanaren medialen HTO nach der Beschreibung von Lobenhoffer et al. nach vorheriger Markierung der Osteotomierichtung mittels zwei paralleler 2,5mm Kirschner Drähten unter Bildwandlerkontrolle²¹. Beide Drähte müssen auf die obere Grenze des proximalen Tibiofibulargelenks zielen. Im Anschluss erfolgt die horizontale Osteotomie unterhalb der Drähte bis ca. 10mm vor der lateralen Kortikalis der Tibia.

Danach wird nach ventral eine aufsteigende Osteotomie hinter der Ansatzstelle der Patellarsehne an der Tuberositas Tibiae durchgeführt, wobei die aufsteigende Osteotomie einen Winkel von ca. 110° zur horizontalen Osteotomielinie bildet (Abbildung 8).

9. Anlage eines Fixateur externe zur Stabilisierung der HTO tibio-tibial (Abbildung 7).

Seite 20 10.Die Valgisierung erfolgt durch Aufspreizen des Osteotomiespaltes durch vorsichtiges

Einbringen eines Flachmeißels in den Osteotomiespalt. Weiteres Aufspreizen des Spaltes erfolgt durch Einbringen von weiteren Flachmeißeln (Abbildung 9).

11.Stabilisierung des Fixateur externe nach Valgisierung der mechanischen Achse der unteren Extremität bei a) 5°, b) 10° und c) 15° unter Navigationskontrolle. Zusätzlich erfolgte die Kontrolle der mechanischen Beinachse unter Verwendung des Achsbretts²².

12.Daraufhin folgte eine kontinuierliche Erhöhung der axialen Stauchung stufenweise bis zu 550 Newton mit kontinuierlicher Druckmessung sowohl im Knie- als auch im Sprunggelenk jeweils bei a) 5°, b) 10° und c) 15° Valgus der mechanischen Beinachse¹⁴.

Abbildung 8: Höhenbestimmung der Osteotomie durch Vorbohren von 2 Drähten unter Bildwandlerkontrolle. (Aus TomoFix Mediale Tibiaplatte Operationstechnik, Fa. DePuy Synthes, Genehmigungsdatum 31.08.2015)

Abbildung 9: Valgisierung der Osteotomie durch Aufspreizen der Osteotomie mit Meißeln. (Aus TomoFix Mediale Tibiaplatte Operationstechnik, Fa. DePuy Synthes, Genehmigungsdatum 31.08.2015)

Seite 21 Abbildung 10: Versuchs-Setup mit Iso-C 3D (1), Belastungsfixateur (2), Datenerfassungsmodul als Schnittstelle zwischen Folie und Computer (3), Sensorfolie (4), Fixateur externe (5) und sowohl tibial als auch femoral fixierten Navigationsreferenzen (6).

Abbildung 11: Operationssitus mit Darstellung des oberflächlichen Innenbandes.

Proximal Distal

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Abbildung 12: Intraartikulär einliegende Sensorfolien (oberes Sprunggelenk-links, Kniegelenk-rechts).

Statistik

Die statistische Analyse erfolgte mit Stata/SE 12,1 (StataCorp LP, College Station, TX). Für alle Ergebnisse wurde p < 0,05 als statistisch signifikant festgelegt. Die Daten wurden durch Mittelwert mit 95% Konfidenzintervall angegeben.

Multiple lineare Regressionsanalysen wurden verwendet, um die Änderungen des Druckes und des Oberflächenkontaktes sowohl im Kniegelenk als auch im tibiotalaren Gelenk in Folge der Valgisierung von 5°, 10° und 15° zu beschreiben. Hierbei wurden die Variablen paarweise mittels WALD-Test verglichen. Wir haben die Bonferroni-Korrektur angewendet, um das Signifikanzniveau an der Anzahl der durchgeführten Tests zu adjustieren. Zusätzlich haben wir robuste Standardfehler berechnet, um den störenden Effekt einer möglich vorliegenden Heteroskedastizität zu beheben.

Die folgenden Variablen wurden als Kovariablen berücksichtigt: Seite, Kräfte (axial, horizontal und vertikal), Drehmoment (axial, horizontal und vertikal), Änderung im Kniegelenksalignment (Varus und Valgus, Ante- oder Retrokurvation) sowie im Sprunggelenksalignment (Neutral, Varus und Valgus) (Tabellen 3 und 4).

Die Kontaktdrücke wurden in N/mm² und die Kontaktoberfläche in mm² gemessen. Alle Messungen während der axialen Stauchung wurden in Echtzeit aufgenommen.

Proximal Proximal

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2.3 Ergebnisse

Die Änderungen im Kniegelenk

Alle gemessenen Daten können der Tabelle 1 entnommen werden.

Eine Valgisierung von 5° führt zu einer nicht signifikanten Zunahme (33%) des Kontaktdruckes im lateralen Kniekompartiment im Vergleich zur Ausgangsmessung (p > 0,05). Im Vergleich dazu führt eine höhere Valgisierung zu einer signifikanten Kontaktdrucksteigerung, nämlich 84% bei 10º und 141% bei 15º (p < 0,05).

Im medialen Kompartiment führt eine Valgisierung von 5° zu einer Erhöhung des Kontaktdruckes um 3% (p < 0,05), eine Valgisierung von 10° zu einer Verringerung des Kontaktdruckes um 23% (p > 0,05) und eine Valgisierung von 15° einer Verringerung des Kontaktdruckes um 64% (p < 0,05) (Abbildung 13).

Abbildung 13: Effekt der Valgisierung auf den Kontaktdruck im lateralen Kniekompartiment (A) und im medialen Kniekompartiment (B)

Die Kontaktfläche des lateralen Kompartimentes wurde nicht signifikant verändert bei 5° und 10° Valgus (p > 0,05). Bei einer Valgisierung von 15° kam es zu einer Verringerung der Kontaktfläche von 2% (p < 0,05). Im medialen Kompartiment ergab eine Valgisierung von 5º eine Steigerung der Kontaktfläche um 9% (p < 0,05). Im Gegensatz dazu führte die Valgisierung von 10º zu einer Verringerung der Kontaktfläche um 21% (p < 0,05). Eine Valgisierung von 15° führte zu einer Verringerung von 46% (p > 0,05) (Abbildung 14).

Seite 24 Abbildung 14: Effekt der Valgisierung auf die Kontaktfläche im lateralen Kniekompartiment (A) und im medialen Kniekompartiment (B)

Die Änderungen im oberen Sprunggelenk

In Tabelle 2 sind die gemessenen Daten aufgeführt.

Eine Valgisierung von 5º erhöht nicht signifikant den Druck im Sprunggelenk (p > 0,05).

Allerdings kommt es bei höheren Valgisierungen von 10° zu einer Verringerung des Kontaktdruckes von 14% (p < 0,05) und bei 15° zu einer Verringerung von 17% (p < 0,05).

Die Kontaktoberfläche ändert sich nicht signifikant bei einer Valguskorrektur von 5°, dafür erfolgt allerdings eine signifikante Verringerung von 19% bei 10° (p < 0,05) und 20% bei 15°(p

< 0,05) (Abbildung 15 und 16).

Abbildung 15: Effekt der Valgisierung auf den Kontaktdruck (links) und die Kontaktfläche (rechts) im tibiotalaren Gelenk

Zusätzlich zeigte sich die präoperative Sprunggelenksneigung (ankle tilt) in der Regressionsanalyse als signifikanter Prädiktor (p <0,05) für die Druckverteilung im Knie und Sprunggelenk nach Valgisierung (Tabellen 3 und 4).

Seite 25 Abbildung 16: Die graphische Darstellung zeigt die Reduzierung der intraartikulären Kontaktfläche im oberen Sprunggelenk nach 5°, 10° und 15° Valgisierung. Die grün dargestellten Flächen stehen für Areale mit erhöhtem Druck und die blau markierten Flächen stehen für Areale mit weniger Druck.

Tabelle 1

Die intraartikuläre Druck- und Kontakoberflächenänderungen im Kniegelenk nach Valgisierung Laterales Kompartiment Mediales Kompartiment

Achsen- änderung

Mittlerer Kontaktdruck

(N/mm²)

95%

Konfidenz- intervall

Änderung p-Wert

Mittlerer Kontaktdruck

(N/mm²)

95%

Konfidenz- intervall

Änderung p-Wert

Nativ 1636,6 1527,7-

1745,5 - 2150,0 2073,2-

2226,8 -

5°

Valgisierung

2182,1 2015,8-

2348,3 33% 0,480 2209,8 2073,7-

2345,9 3% 0,018

10°

Valgisierung

3016,1 2774,3-

3257,9 84% 0,008 1665,2 1483,2-

1847,2 -23% 0,751

15°

Valgisierung

3937,3 3750,7-

4124,0 141% 0,008 772,1 681,5-

862,7 -64% 0,017

Achsen- änderung

Mittlere Kontakt- oberfläche

(mm²)

95%

Konfidenz- intervall

Änderung p-Wert

Mittlere Kontakt- oberfläche

(mm²)

95%

Konfidenz- intervall

Änderung p-Wert

Nativ 4,1 3,9-4,2 - 4,6 4,5-4,7 -

5°

Valgisierung 4,5 4,4-4,6 11% 0,055 5,0 4,9-5,1 9% 0,014

10°

Valgisierung 4,1 4,0-4,2 1% 0,104 3,6 3,5-3,8 -21% 0,012

15°

Valgisierung 4,0 3,9-4,0 -2% 0,004 2,5 2,3-2,6 -46% 0,355

Seite 26 Tabelle 2

Die intraartikuläre Druck- und Kontakoberflächenänderungen im Sprunggelenk nach Valgisierung

Achsenänderung

Mittlerer Kontaktdruck (N/mm²)

95% Konfidenzintervall Änderung p-Wert

Nativ 2700,0 2509,5-2890,4 - -

5° Valgisierung 3197,0 2996,5-3397,4 18% 0,061

10° Valgisierung 2308,5 2100,6-2516,4 -14% 0,007

15° Valgisierung 2249,3 2083,9-2414,7 -17% 0,015

Achsänderung

Mittlere Kontaktoberfläche (mm²)

95% Konfidenzintervall Änderung p-Wert

Nativ 3,5 3,4-3,5 - -

5° Valgisierung 3,4 3,3-3,5 -1% 0,663

10° Valgisierung 2,8 2,7-2,9 -19% 0,014

15° Valgisierung 2,8 2,7-2,8 -20% 0,001

Seite 27 Tabelle 3Der Effekt der Valgisierung auf die Kontaktfläche im lateralen und medialen

Kniekompartiment in der Regressionsanalyse (*: p <0,05).

Laterales Kompartiment Mediales Kompartiment

Mittlerer Kontaktdruck (N/mm²)

Mittlere Kontaktoberfläche (mm²)

Mittlerer Kontaktdruck (N/mm²)

Mittlere Kontaktoberfläche (mm²) Regres-

sions- koeffi- zient

Stan- dard-

fehler P-Wert

Regres- sions- koeffi- zient

Stan- dard- fehler

P-Wert

Regres- sions- koeffi- zient

Stan- dard- fehler

P-Wert

Regres- sions- koeffi- zient

Stan- dard- fehler

P-Wert

Achsenänderung

Nativ Referenz

5°

Valgisierung 360,75 479,63 0,480 0,78 0,33 0,055 1263,24* 392,73 0,018 1,60* 0,46 0,014

10°

Valgisierung

1792,32* 462,14 0,008 0,67 0,35 0,104 258,31 778,80 0,751 1,08* 0,30 0,012

15°

Valgisierung

3416,31* 343,53 0,000 0,91* 0,20 0,004 -1351,30* 415,26 0,017 -0,34 0,34 0,355

Sprunggelenksneigung/ Rückfußachse

Nativ Referenz

Valgusstellung 670,64 845,94 0,458 2,48* 0,32 0,000 -2592,45* 454,98 0,001 2,61* 0,67 0,008

Varusstellung 603,52 692,58 0,417 1,49* 0,40 0,010 -1220,39 499,73 0,050 1,68* 0,41 0,007

Kombination Achs-Valgisierung und Sprunggelenksneigung

5° Neutral Referenz

5° Valgus 801,64 644,59 0,260 -0,69* 0,24 0,029 -911,17 486,32 0,110 -2,00* 0,49 0,006

5° Varus -345,66 600,14 0,586 -0,70 0,40 0,134 -1028,98 515,13 0,093 -2,12* 0,51 0,006

10° Neutral Referenz

10° Valgus 2507,64 1114,86 0,066 0,38 0,59 0,541 91,09 1306,21 0,947 -3,75* 0,81 0,004

10° Varus -2628,08* 796,56 0,016 -1,68* 0,46 0,011 -899,19 986,68 0,397 -1,48* 0,33 0,004

15° Neutral Referenz

15° Valgus -346,98 769,36 0,668 -0,30 0,51 0,575 2027,12 978,69 0,084 -4,27* 0,86 0,003

15° Varus -2550,51 703,23 0,011 -2,17* 0,32 0,001 921,73 578,69 0,162 -1,40* 0,56 0,046

Linke Seite 869,22 861,71 0,352 1,04 0,48 0,072 1124,99 779,40 0,199 3,55* 0,28 0,000

Axiale Kraft 7,81 3,85 0,089 0,01* 0,00 0,017 13,86* 4,41 0,020 0,00 0,00 0,242

Horizontale

Kraft -50,92 9,90 0,002 -0,01 0,00 0,225 18,74* 3,55 0,002 0,04* 0,01 0,009

Vertikale Kraft

d

-3,03 14,89 0,845 -0,01 0,01 0,188 -31,04 12,77 0,051 -0,02 0,01 0,072

Axiales

Drehmoment 649,91* 231,37 0,031 0,20* 0,05 0,007 -56,99 131,74 0,680 0,05 0,10 0,641 Horizontales

Drehmoment 133,73* 17,28 0,000 0,09* 0,03 0,017 66,17 36,78 0,122 -0,12 0,05 0,056

Vertikales

Drehmoment 210,22* 25,89 0,000 0,02 0,02 0,319 6,45 32,04 0,847 -0,13 0,02 0,001

Achsenänd.

(Valgus/Varus) -29,07 24,59 0,282 -0,08* 0,03 0,028 -83,02 43,97 0,108 -0,09* 0,02 0,011 Änderung

Ante/Retro- kurvation Knie

a

45,55 159,60 0,785 0,19 0,11 0,128 440,21 171,36 0,042 0,53* 0,10 0,002

Änderung des axialen Winkels

-259,89* 92,20 0,030 -0,14* 0,05 0,027 -91,14 79,60 0,296 0,10 0,08 0,239

Konstant -1832,65 1122,37 0,154 -0,10 0,61 0,878 -2026,45 1302,02 0,171 -1,06 0,80 0,235

Bestimmtheits-

maß R² 0,92 0,92 0,86 0,95

Seite 28 Tabelle 4 Effekt der Valgisierung auf den Kontaktdruck und die Kontaktfläche im tibiotalaren Gelenk in der Regressionsanalyse (*: p <0,05).

Mittlerer Kontaktdruck (N/mm²) Mittlere Kontakt-oberfläche (mm²) Regressions-

koeffizient Standardfehler P-Wert Regressions-

koeffizient Standardfehler P-Wert Achsenänderung

Nativ Referenz

5° Valgisierung -472,64 205,51 0,061 -0,17 0,37 0,663

10° Valgisierung -1168,86* 290,11 0,007 -0,36* 0,10 0,014

15° Valgisierung -1339,63* 397,26 0,015 -0,88* 0,14 0,001

Sprunggelenksneigung/ Rückfußachse

Neutral Referenz

Valgusstellung -7402,27* 631,10 0,000 -1,58* 0,37 0,005

Varusstellung -3905,02* 689,90 0,001 -0,49 0,28 0,134

Kombination Achs-Valgisierung und Sprunggelenksneigung

5° Neutral Referenz

5° Valgus 1880,04* 275,85 0,000 -0,01 0,38 0,982

5° Varus 1487,79* 394,63 0,009 0,05 0,45 0,917

10° Neutral Referenz

10° Valgus 3295,45* 426,53 0,000 -0,06 0,25 0,824

10° Varus 183,96 643,78 0,785 -1,06* 0,29 0,011

15° Neutral Referenz

15° Valgus 4258,59* 433,27 0,000 0,47 0,38 0,266

15° Varus 746,52 521,70 0,202 -0,28 0,25 0,317

Linke Seite 3219,30* 527,18 0,001 2,06* 0,15 0,000

Axiale Kraft 6,07 3,35 0,120 0,00 0,00 0,127

Horizontale Kraft -5,53 9,52 0,583 0,00 0,00 0,445

Vertikale Kraft 22,84* 2,43 0,000 0,00 0,01 0,887

Axiales Drehmoment

s

234,03* 89,33 0,040 0,07 0,07 0,356

Horizontales Drehmoment

a

-338,72* 38,23 0,000 0,08* 0,02 0,018

Vertikales Drehmoment

2

87,59* 32,38 0,035 0,04* 0,01 0,038

Achsenänderung (Valgus/Varus)

2

-41,41 56,54 0,492 -0,04* 0,01 0,014

Änderung Ante/Retrokur-

vation Knie

2

-20,47 90,61 0,829 -0,05 0,05 0,368

Änderung des

axialen Winkels -496,93* 63,68 0,000 0,02 0,01 0,263

Konstant 3413,96 1601,57 0,077 3,42* 0,50 0,000

Bestimmtheitsmaß

R² 0,92 0,90

Seite 29

2.4 Diskussion

Die Ergebnisse der durchgeführten Versuchsreihe bestätigen die Ergebnisse bisheriger Studien, welche eine Entlastung des medialen Kompartiments im Kniegelenk nach valgisierender HTO beschreiben². Wenige Studien befassten sich bisher mit den Folgen der Achsenänderung der unteren Extremität auf das obere Sprunggelenk. In unserer Versuchsreihe haben wir diese Druckänderungen im tibiotalaren Gelenk nach der öffnenden HTO in Abhängigkeit verschiedener Valgisierungsgrade evaluiert. Wir konnten zeigen, dass es zu einer Druckumverteilung im tibiotalaren Gelenk kommt. Dieses Phänomen sollte bei Planung einer Umstellungsosteotomie berücksichtigen werden.

Puno et al. beschreiben, dass eine Fehlstellung der Tibia zu einer Änderung der Neigung im Knie- und Sprunggelenk führt²³. Sie konnten zeigen, dass eine Fehlstellung von einem bestimmten Grad im Bereich der Tibia zu Veränderungen im Knie- und Sprunggelenk führt, welche in Summe dem bestimmten Grad entsprechen. Je näher die Lokalisation der Fehlstellung zum Gelenk ist, desto höher fällt die Änderung in diesem Gelenk aus.

Knupp et al. beschreiben, dass die supramalleoläre valgisierende Tibiaosteotomie zu einem anteromedialen Shift des Zentrums der Kräfte über dem Talus führt¹³. Forst et al. beschrieben, dass die HTO zu einer Änderung der Biomechanik des Sprunggelenks führt²⁴. Dies ist damit zu begründen, dass eine Fibularotation mit der Umstellungsosteotomie einhergeht. Es wurde dargelegt, dass eine maximale dorsale Flexion des Sprunggelenks zu einer Innenrotation der Fibula führt. Unter normalen Ausgangsbedingungen führt eine maximale dorsale Flexion zu einer Außenrotation der Fibula.

Elson et al. beschreiben in einer Fallbeschreibung eine Verbesserung von Instabilität und Schmerzen im oberen Sprunggelenk nach valgisierender HTO¹⁷. Ebenfalls beschreibt Takeuchi et al. eine Besserung der Beschwerden im Sprunggelenk nach valgisierender HTO bei den Patienten mit Arthrose im Sprunggelenk kombiniert mit einer Varusfehlstellung in der frontalen Ebene²⁵. In unserer Studie konnte nachgewiesen werden, dass ein solcher Eingriff zu einer Reduktion der Kontaktfläche zwischen Tibia und Talus führt. Dies kann eine Begründung für weniger Schmerz und Instabilität sein.

Unsere Studie zeigte ebenfalls eine lineare Reduktion der Kontaktfläche bei zunehmender Valgisierung. Auch Tarr et al. und Wagner et al. schildern ähnliches in ihren Studien^14,26. Eine Achsenfehlstellung der proximalen oder distalen Tibia führt zu einer Reduktion der Kontaktoberfläche im tibiotalaren Gelenk. Dieses führt zu einer Lastverteilung im oberen

Seite 30 Sprunggelenk auf eine geringere Fläche, was eine Änderung der Biomechanik nach sich ziehen kann mit dem Begünstigen einer Arthrose. Dieses Phänomen wird häufig nach Umstellungsosteotomien oder nach Implantation von Knieprothesen mit Achsenkorrektur des Beins beobachtet15-17,27,28.

Stuffkens et al. beschreiben ähnliche Ergebnisse²⁹. So kommt es bei Varisierung oder Valgisierung zu einer Reduktion der Kontaktfläche. Eine Osteotomie der Fibula führt zu einer Steigerung des Valgisierungs- oder Varisierungseffekts auf die Kontaktfläche im oberen Sprunggelenk.

Ebenfalls kommen Krause et al. zu einer ähnlichen Schlussfolgerung³⁰. Bei einer valgisierenden HTO kommt es zu einer Reduktion und Umverteilung des Kontaktdrucks im oberen Sprunggelenk. Die Autoren beschreiben hierbei auch die Rolle des subtalaren Gelenkes. Hier zeigte sich, dass eine Fixierung des subtalaren Gelenkes vor allem in der Varusstellung zu einer Steigerung der Veränderung im Sprunggelenk führte. Ebenfalls zeigten Ting et al., dass selbst bei einer leichten Fehlstellung der Tibia die Verhältnisse zwischen Tibia und Talus unverändert bleiben, basierend auf dem kompensatorischen Effekt des subtalaren Gelenkes³¹.

Die Untersuchungsergebnisse unserer Studie konnten außerdem wichtige Informationen bei der Behandlung von osteochondralen Defekten am Talus aufzeigen. Bruns und Rosenbach beschreiben, dass der höchste Druck im Sprunggelenk meist über dem medialen Rand des Talus zu finden ist. Dort sind auch die meisten osteochondralen Defekte lokalisiert³². Dies kann die ausbleibende Heilung bei der Osteochondrosis dissecans erklären^33,34. Diese Erkenntnisse könnten in Zukunft bei der Therapie von osteochondralen Defekten am Talus hinzugezogen werden.

Unsere Versuchsreihe hat aufgrund der experimentellen Laborbedingungen Limitationen. Zu diesen gehört, dass mit dem axialen Belastungsfixateur lediglich die Ausübung axialer Stauchungen möglich ist. Außerdem können die Messungen nur bei fixierten Kniegelenken durchgeführt werden. Der Effekt des muskulären Apparates bei Bewegungen konnte hierbei nicht berücksichtigt werden. Es ist demzufolge möglich, dass die Änderungen im Sprunggelenk bei Bewegungen anders ausfallen würden. Frühere Studien haben einen Zusammenhang zwischen der Druckverteilung im oberen Sprunggelenk und der Sprunggelenkneigung bzw.

Rückfußachse festgestellt²⁸. Aus diesem Grund haben wir die Messung des Sprunggelenksalignments als Cofaktor in allen Fällen berücksichtigt und die Änderung der Sprunggelenksneigung in einem Regressionsmodell analysiert. Unsere Ergebnisse bestätigen

Seite 31 den Einfluss der Sprunggelenksneigung auf die Druckverteilung im Knie- und Sprunggelenk.

Dieses Phänomen ist klinisch relevant, da die präoperative Sprunggelenksneigung die langfristigen Ergebnisse der HTO beeinflusst. Daher sollte die präoperative Bestimmung der Sprunggelenksneigung ebenfalls Bestandteil der präoperativen Planung sein.

2.5 Schlussfolgerung

Die durchgeführte Studie hat gezeigt, dass die valgisierende öffnende proximale Tibiaosteotomie ab 10° Valgisierung zu einer Verminderung des Druckes und der Kontaktoberfläche im medialen Kompartiment des Kniegelenkes führt.

Im oberen Sprunggelenk führt derselbe Eingriff ab 10° Valgisierung zu einer Verminderung der Kontaktoberfläche. Gleichzeitig erfolgt eine Umverteilung des Druckes im tibiotalaren Gelenk. Zusätzlich zeigte sich die präoperative Sprunggelenksneigung (ankle tilt) in der Regressionsanalyse als signifikanter Prädiktor für die Druckverteilung im Knie und Sprunggelenk. Hierdurch ergibt sich eine klinische Relevanz bei der Behandlung von Tibiafehlstellungen und Sprunggelenksbeschwerden.

Seite 32

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Seite 39

5 Erklärung gemäß § 2 Abs. 2 Nr. 6 und 7 PromO

Ich erkläre, dass ich die bei der Medizinischen Hochschule Hannover zur Promotion eingereichte Dissertation mit dem Titel: „Der Effekt der valgisierenden proximalen öffnenden Tibiaosteotomie (HTO) auf die Druckverteilung im Knie- und oberen Sprunggelenk“ in der Klinik für Unfallchirurgie unter Betreuung von Prof. Dr. med. Emmanouil Liodakis und von Priv.-Doz. Dr. med. Nael Hawi ohne sonstige Hilfe durchgeführt und bei der Abfassung der Dissertation keine anderen als die dort aufgeführten Hilfsmittel benutzt habe.

Die Gelegenheit zum vorliegenden Promotionsverfahren ist mir nicht kommerziell

vermittelt worden. Insbesondere habe ich keine Organisation eingeschaltet, die gegen Entgelt Betreuerinnen und Betreuer für die Anfertigung von Dissertationen sucht oder die mir obliegenden Pflichten hinsichtlich der Prüfungsleistungen für mich ganz oder teilweise erledigt.

Ich habe diese Dissertation bisher an keiner in- oder ausländischen Hochschule zur Promotion eingereicht. Weiterhin versichere ich, dass ich den beantragten Titel bisher noch nicht erworben habe.

Die Ergebnisse der Dissertation wurden als Originalarbeit im Journal of Orthopaedic Research Society 33:598-604, 2015 veröffentlicht.

Hannover, den 28.11.2017 Yaman Sabbagh

Seite 40

6 Danksagung

Herrn Prof. Dr. med. Christian Krettek danke ich für die Möglichkeit in seiner Abteilung zu promovieren.

Besonders Dank schulde ich meinem Doktorvater Priv.-Doz. Dr. med. Emmanouil Liodakis für die Bereitstellung der interessanten Thematik und der sehr engagierten und motivierenden Betreuung.

Bei meinem Betreuer der Arbeit Priv.-Doz. Dr. med. Nael Hawi bedanke ich mich für die ausführliche Einarbeitung in die Versuchsabläufe und die hervorragende Unterstützung.

Meiner lieben Familie, meiner lieben Ehefrau Marua sowie meinen süßen Mädchen Bayaan und Janna danke ich für die andauernde Unterstützung und Verständnis.