Aus der
Klinik für Unfallchirurgie des Zentrums für Chirurgie
der Medizinischen Hochschule Hannover Leiter: Prof. Dr. med. Christian Krettek
Vergleich der software-unterstützten Vermessung von Röntgenaufnahmen der unteren Extremität im Rahmen der präoperativen Planung für
Korrektureingriffe mit der manuellen Planung
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin in der Medizinischen Hochschule Hannover
vorgelegt von Christian Hochhausen
aus Hemer
Hannover, 2004
Angenommen vom Senat der Medizinischen Hochschule Hannover am 08.02.06
Gedruckt mit der Genehmigung der Medizinischen Hochschule Hannover
Präsident: Prof. Dr. Dieter Bitter-Suermann Betreuer: Priv. -Doz. Dr. Martinus Richter Referent: Prof. Dr. Michael Galanski
Korreferent: Priv. -Doz. Dr. Christina Maria Stukenborg-Colsmann
Tag der mündlichen Prüfung: 08.02.06
Promotionsausschussmitglieder:
Prof. Dr. Carl-Joachim Wirth Prof. Dr. Claus Petersen Prof. Dr. Michael Winkler
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 4
1.1 Die Geometrie des Beines in der Frontalebene 4 1.2 Deformitäten der unteren Extremität und ihre Operationsindikationen 14
1.3 Die präoperative Planung 16
1.4 Fragestellung 18
2 Material und Methoden 20
2.1 Vergleich der Reproduktionsgenauigkeit von Messungen auf konventionelle Art mit den Messungen durch eine Computersoftware 20
2.1.1 Material 20
2.1.2 Werkzeug 21
2.1.3 Methodik 22
• Ausmessung der konventionellen Röntgenbilder 22
• Ausmessung der digitalisierten Röntgenbilder 26
2.2 Vergleich der Röntgenteilaufnahmen mit den Röntgenganzaufnahmen 29
2.2.1 Material 29
2.2.2 Methodik 29
2.3 Statistik 31
3 Ergebnisse 33
3.1 Vergleich der Messungen mit konventioneller Methode und MediCAD® 33
3.1.1 Absolute Werte der Winkel, MAD und der Beinlängen 33
• mechanischer lateraler distaler Femurwinkel (mLDFA) 34
• mechanischer medialer proximaler Tibiawinkel (mMPTA) 35
• mechanischer lateraler distaler Tibiawinkel (mLDTA) 36
• Centrum-Collum-Diaphysenwinkel (CCD, engl. NSA) 37
• anatomisch-mechanischer Winkel (AMA) 38
• Kniegelenkskonvergenzwinkel (JLCA) 39
• mechanischer lateraler proximaler Femurwinkel (mLPFA) 40
• mechanische Achsabweichung (MAD) 41
• Beinlänge ohne Korrekturfaktor 42
• Beinlänge mit Korrekturfaktor 43
3.1.2 Reproduktionsgenauigkeit bei der Bestimmung der Winkel, MAD und der Beinlängen 44
• mechanischer lateraler distaler Femurwinkel (mLDFA) 45
• mechanischer medialer proximaler Tibiawinkel (mMPTA) 46
• mechanischer lateraler distaler Tibiawinkel (mLDTA) 47
• Centrum-Collum-Diaphysenwinkel (CCD, engl. NSA) 48
• anatomisch-mechanischer Winkel (AMA) 49
• Kniegelenkskonvergenzwinkel (JLCA) 50
• mechanischer lateraler proximaler Femurwinkel (mLPFA) 51
• mechanische Achsabweichung (MAD) 52
• Beinlänge ohne Korrekturfaktor 53
• Beinlänge mit Korrekturfaktor 54
3.1.3 Zeiten 55
3.1.4 Zusammenfassung der selbst ermittelten Winkel ohne Osteosynthesematerial 56
3.1.5 Vergleich der Mittelwerte der ermittelten Winkel mit Angaben in der Literatur 56
3.1.6 Vergleich der Reproduzierbarkeit von Centrum-Collum- Diaphysenwinkel (CCD, engl. NSA) und mechanischer lateraler proximaler Femurwinkel (mLPFA) 57
3.2 Vergleich des aMPTA auf den Ganzbeinaufnahmen mit den
entsprechenden Teilaufnahmen 59
3.2.1 Absolute Werte 60
3.2.2 Standardabweichungen 61
4 Diskussion 62
4.1 Überblick über die Literatur 63
4.2 Winkel 63
4.3 Beinlängen und MAD 66
4.4 Zeitbedarf 67
4.5 Der Vergleich der Winkel NSA und mLPFA 67
4.6 Der Vergleich von Röntgenganz- mit Teilaufnahmen 68
5 Zusammenfassung 69
6 Literatur 70
7 Danksagung 74
1 Einleitung
Deformitäten der unteren Extremität bedürfen bei bestimmten Indikationen der operativen Korrektur. Unter diese Indikationen zählen Einschränkungen der Funktion, biomechanische sowie kosmetische Indikationen.
Im Rahmen der Indikationsstellung, präoperativen Planung und Operation sowie postoperativ kommt der genauen Bestimmung der Beingeometrie eine wichtige Rolle zu. Ziel der Arbeit war es, die Bestimmung der Beingeometrie im Rahmen der präoperativen Planung weiter zu verbessern.
Im folgenden werden die theoretischen Grundlagen für diese Arbeit skizziert.
1.1 Die Geometrie des Beines in der Frontalebene
1.1.1 Die mechanische und anatomische Achse des Femurs und der Tibia und die von ihnen gebildeten Winkel
Femur und Tibia besitzen jeweils eine mechanische und eine anatomische Achse.
Die mechanische Achse eines Knochens ist definiert als eine gerade Linie, die die Gelenkzentren der jeweils proximalen und distalen Gelenke des entsprechenden Knochens miteinander verbindet. Die anatomische Achse eines Knochens ist definiert als eine Linie, die den Knochen der Länge nach in der Mitte der Diaphyse durchläuft. So ist die anatomische Achse des Femurs in der Frontalebene gerade (Abb. 2), in der Sagittalebene gebogen (Abb. 3), bei der Tibia sind beide Achsen gerade (Abb. 4 u. 5).
Abb. 1: Die mecha- nische Achse des Femurs.
Modifiziert nach (2).
Abb. 2: Die anatomische Achse des Femurs.
Modifiziert nach (2).
Abb. 3: Die anatomische Achse des Femurs in der Sagittalebene. Beachte den gebogenen Verlauf.
Modifiziert nach (2)
Abb. 4: Die mechanische Achse der Tibia. Modifiziert nach (2).
Abb. 5: Die anatomische Achse der Tibia.
Sie verläuft parallel zur mechanischen Achse. Modifiziert nach (2).
In der Frontalebene sind die mechanische und anatomische Achse der Tibia parallel, die anatomische Achse ist einige Millimeter nach medial versetzt.
Aufgrund der Parallelität ist der anatomisch-mechanische Winkel der Tibia 0°.
Beim Femur sind diese Achsen nicht parallel, sondern bilden einen nach oben offenen Winkel, den anatomisch-mechanischen Winkel (anatomic mechanical angel - AMA) des Femur (Abb. 6). Fick gibt diesen Winkel mit 5 – 7° (1), Paley mit 7 ± 2° an (2).
AMA
Abb. 6: Der anatomisch- mechanische Winkel.
Modifiziert nach (2)
Die mechanischen Achsen von Femur und Tibia bilden den mechanischen tibiofemoralen Winkel (Abb. 7)). Moreland et al. ermittelten 1987 in ihrem Studienmaterial einen mechanischen tibiofemoralen Winkel von 1,3° ± 2° varus (3), Hsu et al (1990) von 1,2 ± 2,2° varus (4), Cooke et al. (1994) von 1,0° ± 2,8°
varus (5).
Die anatomischen Achsen von Femur und Tibia bilden den anatomischen tibiofemoralen Winkel (Abb. 8). Fick gibt diesen Winkel mit ca. 6° (1), Paley (2) mit 6,85° ± 1,4° an.
mechanischer
tibiofemoraler Winkel anatomischer
tibiofemoraler Winkel
Abb. 7; modifiziert nach (2) Abb. 8; modifiziert nach (2)
1.1.2 Die mechanische Achse des gesamten Beins
Schon 1878 betonte Mikulicz die Bedeutung der mechanischen Beinachse für die Biomechanik des Beins: „Die Druckverteilung auf die Gelenke und damit die Bewegung derselben durch die Belastung sind allein abhängig von der Stellung der mechanischen Achsen und unabhängig vom Verlauf der anatomischen Achsen der Knochen.“ (6) Mikulicz ermittelte an 100 Leichenextremitäten, dass diese mechanische Achse, von ihm Direktionslinie genannt, durch das Zentrum des caput femoris, die Kniegelenkmitte und die Mitte des oberen Sprunggelenks führte. Diese Beobachtung wurde später von Fick (1911; (1)) und v. Lanz und Wachsmuth (1938; (7)) bestätigt, sie nannten diese Achse Traglinie des Beines.
Wenn die mechanische Beinachse durch Femurkopfzentrum, Kniegelenksmitte
und die Mitte des Sprunggelenks läuft, so ist der mechanische tibiofemorale Winkel (1.1.1) 0°. Wenn die mechanische Beinachse nicht durch die Kniegelenksmitte, sondern medial von ihr verläuft, so nimmt der mechanische tibiofemorale Winkel positive Werte an. Je weiter die mechanische Achse vom Kniemittelpunkt entfernt liegt, desto größer wird der tibiofemorale Winkel, diese Beziehung ist linear (8).
Mit den unter 1.1.1 genannten Werten für den tibiofemoralen Winkel ergibt sich ein zum Kniegelenksmittelpunkt medialer Verlauf der mechanischen Achse und somit eine physiologische Varusstellung des Beines. Petersen et al. (1988; (8)) und Paley et al. (1994; (9)) nutzen nicht den tibiofemoralen Winkel, um diese Varusstellung zu beschreiben, sondern sie nutzen die Strecke zwischen Kniegelenksmittelpunkt und mechanischer Beinachse. Paley nennt diese Strecke mechanical axis deviation (MAD) und gibt sie mit 9,7 ± 6,8 mm nach medial an (Abb. 9).
Abb. 9: Die mechanische Achse des gesamten Beines und die mechanische Achsabweichung MAD.
Modifiziert nach (2)
Im aufrechten Stand bei geschlossenen Beinen bildet die mechanische Achse mit dem Untergrund einen Winkel von 97°, abgetragen von lateral (2;10)
1.1.3 Die Zentren der Gelenke
Moreland et al. (1987) haben die Zentren von Hüft-, Knie- und Fußgelenk untersucht (3):
Das Zentrum des Hüftgelenks befindet sich in der Mitte des Caput femoris (Abb. 10).
Abb. 10: Das Zentrum des Hüft- gelenks. Modifiziert nach (2)
Beim Kniegelenk hat Moreland formuliert, dass es keinen signifikanten Unterschied mache, ob man die Kniegelenkmitte anhand von Strukturen des Femurs oder der Tibia bestimmt. Strecker et al. haben aber beschrieben, dass Femur und Tibia häufig nicht genau aufeinander ständen und sich so das Zentrum des Kniegelenks aus zwei Teilen, einem femoralen und einem tibialen zusammensetze. Diese beiden Punkte werden auch für die Ermittlung der jeweiligen mechanischen Achse von Femur und Tibia herangezogen (1.1.1). Für die Bestimmung der MAD schlagen Strecker et al. vor, den Mittelwert von femoralem und tibialem Mittelpunkt zu bilden (11) (Abb. 11).
Kniemittelpunkt Femur
X = gleiche Distanz Mittelpunkt nach Strecker et al. (11)
Kniemittelpunkt Tibia
Abb. 11: Die Ermittlung des Kniegelenksmittelpunktes nach Strecker et al. Die Darstellung einer Subluxation dient der Verdeutlichung
Beim Femur kann der Gelenkmittelpunkt durch die interkondyläre Einziehung oder den Mittelpunkt zwischen den Außenrändern von lateraler und medialer Kondyle gesetzt werden. Bei der Tibia geschieht dies durch die Bestimmung des Mittelpunktes der Außenränder von lateraler und medialer Kondyle oder durch Festsetzung des Punktes auf den Raum zwischen den beiden Eminentien. Wenn das Femur genau auf der Tibia steht, kann auch der Mittelpunkt des Weichteilschattens herangezogen werden (Abb. 12).
Interkondyläre Einziehung
Mittelpunkt laterale – mediale Kondyle Raum zwischen Eminentien
Mittelpunkt Weichteilschatten
Mittelpunkt laterale – mediale Kondyle
Abb.12: Verschiedene Möglichkeiten von femoraler und tibialer Kniegelenkmittelpunktbestimmung anhand anatomischer Strukturen.
Modifiziert nach (3).
Beim Fußgelenk kann das Zentrum auf den Mittelpunkt der Distanz zwischen den beiden Malleolen, der Distanz des auf der Aufnahme sichtbaren Weichteilschattens oder der Distanz zwischen medialem oder lateralem Rand des Talus festgelegt werden (Abb. 13).
Mittelpunkt Weichteilschatten Mittelpunkt Malleolendistanz
Mittelpunkt Talusbreite
Abb. 13: Verschiedene Möglichkeiten der Zentrumsbestimmung des oberen Sprunggelenks anhand anatomischer Strukturen. Modifiziert nach (3)
1.1.4 Die Orientierungslinien der Gelenke
Eine Linie kann die Orientierung eines Gelenkes in einer Ebene darstellen.
Da der Hüftkopf rund ist und so an sich keine Orientierung anzeigt, ist es notwendig, eine weitere Struktur für die Orientierung heranzuziehen. Paley schlägt den Femurhals oder den Trochanter major vor (2). Die Orientierungslinie des Hüftgelenks verläuft so durch das Zentrum des Femurkopfs und entweder zur am proximal gelegensten Stelle des Trochanter major oder durch die schmalste Stelle des Femurhalses (Abb. 14 u. 15 ).
Abb. 14: Orientierungslinie des Hüftgelenks mit Nutzung der Spitze des Trochanter major.
Modifiziert nach (2)
Abb. 15: Orientierungslinie des Hüftgelenks mit Nutzung der schmalsten Stelle des Femur- halses. Modifiziert nach (2)
Die Orientierungslinie des Kniegelenks für das distale Femur verläuft durch die zwei am distal gelegensten Punkte von medialer und lateraler Femurkondyle. Für die proximale Tibia verläuft sie durch die jeweils am distal gelegensten subchondralen Punkte der beiden konkaven Anteile des Tibiaplateaus (Abb. 16 u. 17).
Abb. 16: Orientierungslinie des distalen Femur. Modifiziert nach (2)
Abb. 17: Orientierungslinie der proximalen Tibia. Modifiziert nach (2)
Am Fußgelenk verläuft die Orientierungslinie durch die beiden proximalsten Punkte der Talusschulter (Abb. 18).
Abb. 18:Orientierungslinie des oberen Sprunggelenks. Modifiziert nach (2)
1.1.5 Die Gelenkwinkel
Die Achsen und Orientierungslinien der Gelenke bilden charakteristische Winkel, die bereits von vielen Autoren untersucht worden sind (1;5;7;9;10;12-17). Eine einheitliche Namensgebung existiert nicht. Paley et al. haben 1994 (9) ein Nomenklatursystem entwickelt, das mittlerweile als internationaler Standard angesehen und dementsprechend auch in dieser Arbeit angewendet wird:
Je nachdem, ob der Winkel zwischen der Orientierungslinie und einer mechanischen oder anatomischen Achse benannt werden soll, wird ein a für anatomisch oder ein m für mechanisch vorangestellt. Der Winkel kann medial (M) oder lateral (L) der jeweiligen Achse gemessen werden und zum proximalen (P) oder distalen (D) Gelenk von Femur (F) oder Tibia (T) gehören. Um der Internationalität Rechnung zu tragen, wurde der Buchstabe A für das englische angle statt das W für Winkel verwandt.
Es wird immer der kleinere der beiden von Achse und Orientierungslinie gebildeten Winkel angegeben.
Auf Ausnahmen dieser Nomenklatur wird bei der Beschreibung des jeweiligen Winkels eingegangen.
Übersicht
Mechanisch Anatomisch
mLPFA = 90°
(85-95°) NSA = 130°
(124-136°)
mLDFA = 88°
(85-90°)
JLCA (0±2°)
aLDFA = 81°
(79-83°)
aMPTA=87°
(85-90°) mMPTA = 87°
(85-90°)
aLDTA = 89°
(86-92°) mLDTA = 89°
(86-92°)
Abb. 19 gibt einen Überblick über die mechanischen Winkel des Beines.
Modifiziert nach (2)
Abb. 20 gibt einen Überblick über die anatomischen Winkel des Beines.
Modifiziert nach (2)
Die Winkel des Hüftgelenks
Fick nannte den Winkel zwischen anatomischer Femurschaftachse und der Orientierungslinie durch Femurkopf und Femurhals Schenkelhalsneigungswinkel (1), Müller nannte ihn CCD-Winkel (Centrum-Collum-Diaphysen-Winkel) (10), Paley neck shaft angle (NSA) (9). Seinen Betrag gab Mikulicz mit 125-126° an (6), v. Lanz ermittelte eine mittlere Schwankung von 120-133° (7). Paley et al. fanden einen NSA von 129,7 ± 6,2° (9).
Ein weiterer Winkel des Hüftgelenks ist der mLPFA zwischen mechanischer Femurschaftachse und der Orientierungslinie durch Femurkopfzentrum und Spitze des trochanter major. Chao et al. (13) ermittelten ihn in einer Gruppe von 127 gesunden Probanden und staffelten die Studiengruppe nach Alter (25-40 Jahre = jung, 41-60 Jahre = alt) und Geschlecht. Bei den Frauen konnten sie keinen signifikanten Zusammenhang zwischen Alter und Entwicklung dieses Winkels beobachten, sie bestimmten den Winkel bei den jüngeren Frauen bei 91,5 ± 4,6°
und bei den älteren Frauen bei 92,7 ± 4,9°. In der Gruppe der Männer konnte ein Zusammenhang zwischen Alter und Entwicklung des mLPFA beobachtet werden, bei den jüngeren Männern lag er bei 89,2 ± 5,0°, bei den älteren Männern bei
94,6 ± 5,5°. Paley et al. widmeten sich ebenfalls diesem Winkel und bestimmten ihn bei 25 gesunden Probanden und maßen den Winkel bei 89,9 ± 5,2° (9;18;19).
Die Winkel des Kniegelenks
Der laterale Winkel zwischen femoraler Orientierungslinie des Kniegelenks und der mechanischen Femurachse, der mLDFA, wird von Chao et al. (13) bei 88,1 ± 3,2° ermittelt, Paley et al. kommen in ihrer Studie hierzu zu ähnlichen Ergebnissen und geben ihn mit 87,8 ± 1,6° an (9). Cooke et al. (5) fertigten Röntgenaufnahmen von Hüfte und Knie an, indem sie die Extremitäten des Patienten, die geröntgt werden sollten, in einem Gestell fixierten, um die Reproduzierbarkeit von Röntgenaufnahmen zu verbessern. Bei 79 gesunden jungen Probanden ermittelten sie den mLDFA bei 86,0 ± 2,1°.
Da die mechanische und anatomische Achse der Tibia parallel verlaufen, und so der mediale Winkel zwischen tibialer Orientierungslinie des Kniegelenks und den Achsen der Tibia, der MPTA, gleich groß ist, kann auf die Voranstellung des jeweiligen Buchstabens a oder m verzichtet werden. Für die Ermittlung der Größe dieses Winkels staffelten Chao et al. (13) ihre Studiengruppe wiederum nach Alter und Geschlecht. Bei beiden Geschlechtern fand sich ein Winkel von 87,2 ± 2,1°.
Bei den Frauen fand sich wiederum kein signifikanter Unterschied zwischen älteren und jüngeren Studienteilnehmerinnen, bei den Männern hingegen konnte bei den jüngeren ein MPTA von 85,5 ± 2,9°, bei den älteren von 87,5 ± 2,6°
ermittelt werden. Cooke et al. (5) fanden ihn bei Nutzung ihres Fixationsgestells (s.o.) bei 86,7 ± 2,3°, Moreland bestimmt ihn bei 87,2 ± 1,5 (3), Paley et al. legen sich aufgrund dieser und ihrer eigenen Daten auf einen physiologischen MPTA von 87,2 ± 1,5° fest (9).
Die femorale und die tibiale Orientierungslinie verlaufen normalerweise parallel.
Ist dies nicht der Fall, so konvergieren sie und bilden den joint line convergence angle (JLCA).
Die Winkel des OSG
Die mechanische Tibiaachse und die Orientierungslinie des Fußgelenkes bilden auf der lateralen Seite den mLDTA. Moreland hat diesen Winkel 1987 mit 89,8 ± 2,7 ° ermittelt (3), Chao et al. (13) geben ihn mit 87,1 ± 3,3° an, Paley et al.
fanden ihn bei 88,6 ± 3,8° (9).
1.2 Deformitäten der unteren Extremität und ihre Operations- indikationen
Deformitäten der unteren Extremität, seien sie angeboren, ein Produkt von Wachstumsstörungen im Kindes- und Jugendalter oder posttraumatischer Natur, bedürfen bei bestimmten Indikationen der operativen Korrektur. Diese Indikationen können nach folgenden Kriterien eingeteilt werden:
• Funktion
• Biomechanik
• Kosmetik
1.2.1 Funktion
Einschränkungen des Bewegungsumfanges von Gelenken sind neben der Beeinträchtigung des Patienten im täglichen Tagesablauf häufig auch Grundlage von Schmerzen aufgrund mechanischer Über- bzw. Fehlbelastungen und Fehl-/
Schonhaltungen mit muskulärer Dekompensation. Von großer klinischer Bedeutung ist hier das Streckdefizit des Kniegelenks, das immer mit einer patello- femoralen Hyperkompression einhergeht (20). Offenkundig sind funktionelle Auswirkungen von Beinlängendifferenzen auf Becken und Wirbelsäule. Nicht kompensierte Längenunterschiede gehen häufig mit einer Skoliose, oft einer Torsionsskoliose, einher. Während Skoliosen in der Frühphase reversibel sind, kommt es in Abhängigkeit von der Dauer der Beinlängendifferenz und vom Patientenalter zur zunehmenden Fixierung derartiger Deformierungen (20) .
1.2.2 Biomechanik
In der Frontalebene führt jede Abweichung der mechanischen Achse von der physiologischen Norm zu einer Fehlbelastung der angrenzenden Gelenke.
Schon 1932 wurden von Bragard die Zusammenhänge zwischen Varus-/ und Valgusabweichungen der Beinachse und der Entwicklung einer Arthrose des Kniegelenks überprüft (12). Er konnte anhand von Röntgenbildern der Kniegelenke und anhand von Obduktionspräparaten ein gehäuftes Auftreten von Gonarthrosen bei Achsabweichungen des Beines feststellen.
Oest et al. haben 1974 anhand von 350 Beinachsganzaufnahmen ermittelt, dass ein Zusammenhang zwischen Stärke der Achsabweichung und Ausprägung der Arthrose besteht. Außerdem konnten sie statistisch nachweisen, dass dieser Zusammenhang mit zunehmendem Alter enger korreliert. Sie kommen zu dem Schluss, dass Beinachsenfehler nach Möglichkeit operativ zu korrigieren seien (21).
Tetsworth et al. (22) haben 1994 an Tiermodellen, biomechanischen Versuchen an Leichenextremitäten und klinischen Langzeitstudien aufgezeigt, dass Achsenfehlstellungen und Winkelabweichungen von der physiologischen Norm der Gelenke der unteren Extremität gehäuft zu degenerativen Gelenkerkrankungen führen.
Hsu et al. haben sich mit der Belastung der Kniegelenkskompartimente bei Achsabweichungen befasst (4). Sie ermittelten, dass bei einer physiologischen
mechanischen Beinachse (tibiofemoraler Winkel von 1,2° varus) das mediale Kniegelenkskompartiment zu 75%, das laterale zu 25 % belastet wird. Bei einer noch physiologischen intraindividuellen Differenz der mechanischen Beinachse von 2° schwankt die Druckbelastung im medialen Kniegelenkskompartiment zwischen 65% und 83% und entsprechend im lateralen zwischen 17% und 35%.
Bei einer Varusabweichung des Kniegelenks mit einem tibiofemoralen Winkel von 6° wird das mediale Kompartiment des Kniegelenks zu 100% belastet, das laterale dagegen vollständig entlastet. Bei einer Valgusabweichung von 6° wird das mediale Kniegelenkskompartiment zu 43% und das laterale zu 57% belastet (23) (Abb. 21 u. Diagramm 1).
Abb. 21 zeigt Schnittpunkte des Tibia- plateaus mit der mechanischen Beinachse und dem jeweils daraus resultierenden prozentualen medialen Flächendruck. Modifiziert nach (20)
Diagramm 1 zeigt die Verteilung des prozentualen medialen Flächendrucks in Abhängigkeit des Schnittpunktes der mechanischen Beinachse und des Tibia- plateaus. Modifiziert nach (4)
Zum Knie analoge Fehlbelastungen finden sich am oberen Sprunggelenk, sowohl bei Abweichungen der mechanischen Beinachse als auch bei Veränderungen der physiologischen Winkel im Sprunggelenk, z.B. bei posttraumatischen supramalleolären Deformitäten. Jede Varusdeviation führt zu einer medialen, jede Valgusdeviation zu einer lateralen tibio - talaren Hyperkompresson. Typische Folge sind cartilaginäre oder osteocartilaginäre Schäden an der medialen oder lateralen Talusschulter, wie etwa bei der Osteochondrosis dissecans (20).
Das Hüftgelenk ist ein Kugelgelenk und kompensiert daher frontale und sagittale Achsabweichungen besser als Knie- und oberes Sprunggelenk. Nach Pauwels (24) beträt der auf den Hüftkopf wirkende Druck beim Stand auf beiden Beinen etwa ein Drittel des Körpergewichts, erreicht aber während der Standbeinphase des Ganges etwa das Viereinhalbfache des Körpergewichts. Anatomische und funktionelle Veränderungen im Bereich des Hüftgelenks wirken sich daher besonders während des Ganges aus. Für die Beanspruchung des Hüftgelenks sind die Hebelarme der am Hüftgelenk angreifenden Kräfte und die Belastungsfläche von Hüftkopf und Pfanne ausschlaggebend.
Die Hebelarme werden durch eine Änderung des NSA vergrößert oder verkleinert.
Wird bei der Coxa valga der Hebelarm der Abduktoren-Muskulatur beispielsweise halbiert, so muss in der Muskulatur die doppelte Kraft aufgewendet werden, um
im Resultat das Bein mit der gleichen Kraft zu abduzieren. Das bedeutet für den Hüftkopf eine Mehrbelastung um fast das Doppelte.
Bei der Coxa vara sind die Verhältnisse umgekehrt: Im Vergleich zu Normalverhältnissen ergibt sich eine Verlängerung des Muskelhebelarmes, eine Verminderung der notwendigen Muskelkraft und damit eine Herabsetzung der Beanspruchung des Hüftkopfes.
Ebenso wie die Länge der Hebelarme wird die Größe der Belastungsfläche von Hüftkopf und Pfanne durch den NSA beeinflusst. Als weiterer Faktor kommt die Neigung der Pfanneneingangsebene hinzu. Eine Coxa valga und eine starke Neigung der Eingangsebene führen zu einer Verkleinerung des Auftreffwinkels nach v. Lanz (7), während eine Coxa vara und eine geringe Neigung der Pfanneneingangseben den Auftreffwinkel vergrößern. Ein großer Auftreffwinkel bedeutet jedoch eine große Belastungsfläche und damit eine Herabsetzung des Drucks (25).
Mit den unterschiedlichen Angaben der operationsindizierenden Ausmaße von Achsenfehlstellungen in der Literatur haben sich Siebert et al. befasst (26), diese sollen aber im Rahmen dieser Arbeit nicht diskutiert werden.
1.2.3 Kosmetik
Beinlängendifferenzen, auch geringeren Ausmaßes, werden gerade von jüngeren Menschen nur ungern akzeptiert, insbesondere von jüngeren Frauen, da durch das Tragen von orthopädischen Schuheinlagen zur Kompensation der Beinlängendifferenz nicht jedes Schuhwerk getragen werden kann (20). Dieser Aspekt sollte nicht nur aus rein biomechanischem Blickwinkel gesehen werden, er kann auch zu psychischen Problemen führen. Des Weiteren werden bereits Längenunterschiede von weniger als 1 cm beim Barfußlaufen als störend empfunden(20). Sie wirken sich auch bei vielen Sportarten ungünstig aus, so dass ein Einfluss auf die aktive Freizeitgestaltung, die gegenwärtig einen großen Stellenwert inne hat, berücksichtigt werden sollte (20).
1.3 Die präoperative Planung
1.3.1 Bedeutung
An den oben genannten Beispielen zeigt sich, dass der genauen Bestimmung der Beingeometrie eine große Rolle zukommt. Erstens, um die Abweichungen von der physiologischen Norm exakt zu bestimmen und so eine Operationsindikation stellen zu können. Zweitens, um einen genauen Plan für die operative Korrektur erarbeiten zu können, da Millimeter oder einige Winkelgrade, die in der präoperativen Planung falsch oder nicht bestimmt worden sind, zu unbefriedigenden postoperativen Ergebnissen führen, die im schlimmsten Fall einer Nachoperation bedürfen.
Die Forderung nach einer genauen präoperativen Planung wird in der Literatur von vielen Autoren gestellt (27-32).
1.3.2 Stellenwert bei der Behandlung
Wade et al. befragten 1998 100 Assistenten und Fachärzte der Chirurgie im Nordwesten Englands nach ihrer Meinung zur präoperativen Planung und inwieweit diese von den Befragten durchgeführt werde. 97% der Fachärzte und 92% der Assistenten gaben an, die präoperative Planung bei Operationen an der unteren Extremität für sehr wichtig zu halten, aber nur 50% der Fachärzte und 56
% der Assistenten führten diese regelmäßig durch. 88% der Assistenten und 91%
der Fachärzte waren der Meinung, dass Chirurgen öfter planen sollten, für ihre Assistenten forderten die Fachärzte dies zu 97 %. Des Weiteren äußerten 70%
der Fachärzte den Wunsch, dass ihre Assistenten die Aufzeichnungen ihrer präoperativen Planungen öfter dokumentieren sollten.
1.3.3 Problematik
Über die Gründe, warum von den befragten Ärzten so wenig geplant wird, werden keine Angaben gemacht. Zu diskutieren ist hier die auch in Deutschland vorherrschende Problematik des Zeitmangels aufgrund fehlenden Personals und hoher Arbeitsbelastungen (33). Eine Planung ist platzaufwendig, da ein Leuchttisch benötigt wird (16), um auf den Röntgenaufnahmen zeichnen zu können (2;16;23) Die rutschfeste Fixierung ist auf an der Wand angebrachten Bildbetrachtern kaum oder nicht möglich, verrutschte Folien können zu Ungenauigkeiten beim Abzeichnen der Konturen und so zu falsch geplanten Operationen führen. Für die Simulation von Korrekturosteotomien werden Folien oder Pergamentpausen der Röntgenaufnahmen zerschnitten und entsprechend der angestrebten Korrektur wieder zusammengesetzt (27;34). Die von den Fachärzten erwünschte Dokumentation der Planungen ist aufwendig, da die Folien oder Pauspapiere, die benutzt werden, groß und unhandlich und daher schwer in die entsprechende Patientenakte zu heften sind. Eine gesonderte Archivierung in einem dafür vorgesehenen Raum ist eine Alternative, allerdings ist der Zugriff auf die Planungen, so zum Beispiel zur postoperativen Kontrolle, mit Zeitaufwand durch Suchen verbunden. Obligatorisch sollte im Archiv eine geordnete und strukturierte Sammlung sein, ansonsten werden die Planungen nur mit Mühe oder gar nicht wiedergefunden.
1.3.4 Planungssoftware
Eine Planungssoftware bietet die Möglichkeit, erstellte Planungen zu speichern und mittels Netzwerken an jedem Rechner der Klinik aufzurufen. Platz für die Archivierung wird nicht benötigt.
Statt mit abgezeichneten Knochenkonturen und zerschnittenen Folien zu hantieren, bieten Computerprogramme die Möglichkeit, die Röntgenaufnahmen virtuell zu bearbeiten, zuzuschneiden und gemäß der gewünschten Operationsart wieder zusammenzusetzen (35). Es werden lediglich die Konturen nachgezeichnet und anatomische Landmarken gesetzt, die Messungen werden von dem Programm selbständig durchgeführt. Aufgrund der einfachen Arbeitsschritte formulieren Keppler et al. eine Zeitersparnis (23).
Die genannten Vorteile haben dazu geführt, dass Planungsprogramme an einigen Kliniken bereits im täglichen Ablauf genutzt werden und dass sie in anderen Kliniken kurz vor der Einführung stehen.
1.4 Fragestellung
Die möglichen positiven Effekte einer Planungssoftware auf Planungshäufigkeit, Zeitmanagement und organisatorische Abläufe in der Klinik sind aufgezeigt worden. Überzeugende Aussagen über die Genauigkeit von Computerprogrammen für die präoperative Planung an der unteren Extremität und ein damit verbundener positiver Effekt für den Patienten finden sich in der Literatur nicht.
1.4.1 Vergleich einer Planungssoftware mit konventionellen Methoden der präoperativen Planung
Anhand von Röntgenganzaufnahmen der unteren Extremität soll die Reproduzierbarkeit von Messwerten der Beingeometrie ermittelt werden, die einerseits nach den unter 1.3.3 genannten konventionellen Methoden, andererseits mit einer Planungssoftware bestimmt werden. Diese werden im Anschluss miteinander verglichen. Die Zeiten, die bei beiden Planungsmethoden benötigt werden, sollen ebenfalls betrachtet werden.
1.4.2 Die Beinlänge in der Messung nach konventioneller Methode und mit MediCAD® (Hectec GmbH, 84169 Altfraunhofen, Deutschland) Bei gegenwärtig überwiegend durchgeführter Teleradiographie der unteren Extremität zur Bestimmung von Achsen, Längen und Winkeln entstehen Projektionsfehler, die zu einer Vergrößerung oder einer Verkleinerung des Objektes auf dem Röntgenbild führen. Zu diesen Projektionsfehlern zählen die Strahlendivergenz (29;36), Fokus-Objekt-, sowie Objekt-Film-Abstände (15;36).
Die Projektionsfehler führen zu falschen Werten in der Bestimmung der Beinlänge und der MAD.
Für die Ermittlung der realen Länge eines Objektes ist die Einbringung eines Referenzmaßes bestimmter Länge zu der zu durchleuchtenden Extremität erforderlich. Wichtig hierbei ist, dass sich das Referenzmaß während der Aufnahme in der gleichen Ebene befindet wie das Objekt, dessen Länge bestimmt werden soll. So sollte z.B. für die Bestimmung der Femurlänge das Referenzmaß nicht mit den Weichteilen des Oberschenkels auf der Röntgenplatte liegen, sondern in der Ebene des Femur fixiert werden. Dies kann u.a. durch Ablage des Referenzmaßes auf einer Unterlage, die so dick ist wie der Abstand der Röntgenplatte zum Femur, bewerkstelligt werden. In dieser Arbeit wurde das LISS als Referenzmaß herangezogen, da dieses direkt an den für die Längenbestimmung heranstehenden Knochen angebracht war und so in derselben Ebene wie der Knochen lag.
Ebenfalls ist zu berücksichtigen, dass bei einem Längenmaß, das als Referenz dienen soll, der Strahlengang genau senkrecht durch dieses Maß gehen muss, ansonsten ergeben sich Projektionsfehler, die zu falschen Werten bei der
Ermittlung der realen Beinlänge führen. Dies konnte bei den vorliegenden Röntgenaufnahmen nicht gewährleistet werden, insofern handelt es sich bei den ermittelten realen Beinlängen nur um Näherungen. Da allerdings bei den konventionellen Messungen wie auch bei den Messungen mit MediCAD® jeweils die gleiche Röntgenaufnahme zugrunde liegt, spielen diese Fehler beim Vergleich der mit den beiden unterschiedlichen Methoden ermittelten Längen keine Rolle.
Der Quotient aus der in-vivo – Länge des Referenzmaßes und seiner Länge auf dem Röntgenbild ergibt einen Korrekturfaktor, mit dem die auf dem Film abgelichtete Länge multipliziert wird (37;38). Diese Rechnung erfordert Zeit und wird in der Klinik nicht immer durchgeführt, was zu falschen Ergebnissen bei Beinlängenkorrekturen oder Korrekturen von Achsabweichungen nach falscher Bestimmung der MAD führen kann.
In dieser Arbeit werden die Werte von konventionell gemessenen Beinlängen ohne Korrekturfaktor mit den mit MediCAD® ermittelten Beinlängen verglichen, ebenso werden die Werte von konventionell gemessenen Beinlängen, die mit einem Korrekturfaktor verrechnet wurden, mit den mit MediCAD® ermittelten Beinlängen verglichen.
1.4.3 Wertung der Winkel NSA und mLPFA für die präoperative Planung Der NSA (Neck-shaft-angle)wird von vielen Operateuren als Maß für die Neigung des Schenkelhalses zur anatomischen Achse des Femur herangezogen. Neben der bereits von Mikulicz formulierten geringen Aussagekraft des Verlaufs der anatomischen Achsen für die Belastung der Gelenke (6) ist die Konstruktion des NSA im Gegensatz zum mechanischen lateralen proximalen Femurwinkel aufwendiger und birgt so ein größeres Potential für Fehler in seiner Ermittlung.
In dieser Arbeit soll die Reproduzierbarkeit der Messung von NSA und mLPFA überprüft und diese miteinander verglichen werden.
1.4.4 Die Bedeutung der Ganzbeinstandaufnahmen
Für die präoperative Planung werden häufig Röntgenteilaufnahmen der unteren Extremität benutzt, auf denen nur das Kniegelenk und unterschiedlich große Anteile von Femur und Tibia zu erkennen, Hüft- oder Fußgelenk aber nicht abgebildet sind. Bei diesen Planungen können nur die anatomischen Achsen und die von ihnen mit den Orientierungslinien gebildeten Winkel herangezogen werden, da die mechanischen Achsen nicht bestimmt werden können.
Patel et al. (39) verglichen die Messungen von anatomischen tibiofemoralen Winkeln auf Ganzbein- sowie auf Teilaufnahmen desselben Beines und fanden eine Differenz von 1,6° zwischen den Mittelwerten. Sie forderten daher, dass für die präoperative Bemaßung des Beines Röntgenganzaufnahmen heranzuziehen seien. Diese Forderung wird ebenfalls von Oest et al. gestellt (15;40).
Das zur Verfügung stehende Untersuchungsmaterial bietet die Möglichkeit, die anatomischen Achsen der Röntgenteil- und der entsprechenden Röntgenganzaufnahme desselben Beines mit dem Computerprogramm MediCAD® zu messen. Die Ergebnisse werden dann mit den Aussagen in der Literatur verglichen.
2 Material und Methoden
2.1 Vergleich der Reproduktionsgenauigkeit von Messungen auf konventionelle Art mit den Messungen durch eine
Computersoftware
2.1.1 Material
Grundlage dieses Teils der Arbeit sind 59 Röntgenaufnahmen von 30 Patienten (13 Frauen, 17 Männer) aus den Jahren 1998 bis 2000, die nach einem standardisierten Protokoll postoperativ mit dem Röntgengerät Siemens MULTIX PRO® angefertigt wurden. Es handelt sich um Ganzbeinstandaufnahmen a.p. mit einem Film-Fokus-Abstand von 300 cm. Dieser Abstand wurde vom medizinisch- technischen Radiologieassistenten-Personal mittels eines Zollstocks ausgemessen. Gemessen wurde vom Röntgenfilm bis zu der werkseitig von Siemens festgelegten Markierungsmarke an dem Gerät. Der Zentralstrahl wurde auf das Kniegelenk fokussiert. Geröntgt wurde jeweils das linke und rechte Bein des Patienten. Das durchschnittliche Alter der Patienten betrug 46,8 Jahre (19-89 Jahre). Alle Patienten hatten Femur- oder Tibiafrakturen, die mit einem LISS (Less Invasive Stabilization System) (41;42) stabilisiert worden waren. Dieses System wird nach Angaben des Herstellers bei distalen Femurschaft- und proximalen Tibiafrakturen angewandt und existiert in verschiedenen Längen:
Distales Femur Proximale Tibia
Länge Max. Lochdistanz Länge Max. Lochdistanz
5-Loch 156 mm 135,8 mm 139,8 mm 118,9 mm
9-Loch 236 mm 215,8 mm 219,8 mm 198,9 mm
13-Loch 316 mm 295,8 mm 299,8 mm 278,9 mm
Tab. 1: Angaben zum LISS nach Angaben des Herstellers, Fa. Mathys, Bettlach, Schweiz
Bei 27 der 30 Patienten wurde jeweils eine Femur- oder Tibiafraktur mit einem LISS versorgt. Bei einem Patienten bestanden beidseits Femurfrakturen, die mit einem LISS stabilisiert wurden. 1 Patient wurde mit einem LISS versorgt, die Röntgenaufnahme des anderen Beines war aufgrund einer Knieendoprothese, durch die die anatomischen Strukturen des Knies nicht abzugrenzen waren, nicht verwertbar. Insgesamt waren so 32 Beine mit dem LISS versehen, von den 27 Beinen ohne LISS waren nur 17 ohne jeglichen operativen Eingriff. Die übrigen 10 und die mit dem LISS versorgten Beine wiesen zusätzliche andere Osteosyntheseoperationen auf:
• 9 Femora waren mit einem Marknagel versorgt, zwei zusätzlich mit einer dynamischen Hüftschraube und von diesen einer mit Zugschrauben im proximalen Anteil
• 8 Femora hatten Zugschrauben im distalen Ende, einer von diesen zusätzlich Spickdrähte, ein anderer aus dieser Gruppe Osteosynthesen der beiden Malleolen durch Spickdrähte mit zusätzlicher Platte am lateralen Malleolus.
Dies war bei einem weiteren Femur ebenfalls der Fall, dieser wurde allerdings nicht mit Zugschrauben stabilisiert
• Ein Femur war distal mit einer konventionellen Plattenosteosynthese versorgt worden
• 3 Tibiae waren zurvor mit einem Marknagel versorgt worden
• 1 Tibia wurde mit 2 Osteosyntheseplatten und einer Zugschraube proximal versorgt
• 1 Tibia hatte Zugschrauben im proximalen Anteil, die Fibula proximal eine Platte und Spickdrähte
• 1 Patient hatte eine totale Hüftendoprothese, zusätzlich Spickdrähte und eine Zuggurtung am distalen Femur
• 1 Patient hatte eine Knieprothese erhalten
Eine Zusammenfassung des verwendeten Materials findet sich in Tabelle 2.
Anzahl Beine mit LISS distales Femur
Anzahl Beine mit LISS proximale Tibia
Anzahl der nicht mit dem LISS versorgten Beine
Summe
Anzahl der gar nicht operierten
Beine
5-Loch 8 1
9-Loch 17 0
13-Loch 6 0
gesamt 31 1 27 59 17
Tab. 2: Zusammenfassung der Beinachsaufnahmen unter Berücksichtigung der jeweiligen LISS-Platten-Länge, der Anzahl der nicht mit einem LISS versorgten Beine und der Anzahl der gar nicht operierten Beine
Die Röntgen-Beinachsaufnahmen wurden für die digitale Bemessung im Fotolabor der Unfallchirurgischen Klinik der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) digitalisiert. Dazu wurden diese auf einem Leuchttisch fixiert und mit einer Fuji FinePix® - Digitalspiegelreflexkamera abfotografiert. Anschließend wurden die Aufnahmen auf einen PC überspielt und mit dem Bildbearbeitungsprogramm Photoshop®, Firma Adobe, San Jose, Kalifornien, USA bearbeitet.
Die Daten liegen im Joint Photographic Experts Group (JPEG) - Format vor.
2.1.2 Werkzeug
Für die Messungen der konventionellen Röntgenaufnahmen wurden verwandt:
• Transparente Folien 0,3 x 15m, die den Röntgenaufnahmen entsprechend zugeschnitten wurden
• Orthopädischer Winkelmesser = Goniometer
• Handelsübliches Geometriedreieck
• Lineal 30 cm mit Griffleiste
• Lineal 100 cm
• Permanente Folienstifte in den Farben Schwarz, Grün, Rot
• Schere
• Leuchttisch 124,5 cm x 50,5 cm
• Stoppuhr
Für die Messungen der digitalisierten Röntgenaufnahmen wurden verwandt:
• Handelsüblicher PC auf Windows NT-Basis
• Software MediCAD®
• Stoppuhr
Bei MediCAD® handelt es sich um ein Computerprogramm. Es besitzt Module sowohl für die präoperative Planung zur Hüftendoprothetik, Knieendoprothetik und Osteotomie als auch für die Biometrie und Coxometrie. In dieser Arbeit wurde das Modul Osteotomie verwandt, das die unter dem Punkt 1.1 beschriebene Methode zur präoperativen Bemaßung nach Dror Paley (43) verwendet.
2.1.3 Methodik
Jede Beinachsaufnahme wurde von mir in konventioneller und digitalisierter Form randomisiert jeweils 5-mal und an jeweils unterschiedlichen Tagen vermessen.
Dies geschah, um einen Erinnerungseffekt auszuschließen.
Ausmessung der konventionellen Röntgenbilder
Ausgangspunkt der Messung war die auf dem angeschalteten Leuchttisch ausgebreitete Beinachsaufnahme. Die Zeitmessung begann mit dem Ausrollen der Folie über die Röntgenaufnahme. Es wurden Femur-, Tibia- und Taluskontur mit einem schwarzen permanenten Folienstift nachgezeichnet.
Für die Ermittlung der mechanischen Achse der unteren Extremität, die gleichzeitig die Beinlänge definiert, wurden nun auf der Folie das Zentrum des Caput femoris mittels der konzentrischen Kreise auf dem orthopädischen Winkelmesser bestimmt, anschließend der Mittelpunkt der Talusbasis und die beiden entstandenen Punkte miteinander verbunden.
Für die Ermittlung der Winkel und der MAD wurden nun einige zusammenhängende zeichnerische Schritte unternommen:
• Zeichnen der Hüftgelenksorientierungslinie: Verbindung des Zentrums des Caput femoris mit der höchsten Spitze des Trochanter major
• Zeichnen der distalen femoralen Kniegelenksorientierungslinie: Ermitteln des jeweils am distal gelegensten Punkt von medialer und lateraler Femurkondyle mit anschließender Verbindung dieser beiden Punkte
• Zeichnen der proximalen tibialen Kniegelenksorientierungslinie: Ermitteln des jeweils am distal gelegensten subchondralen Punkt der beiden konkaven Anteile des Tibiaplateaus mit anschließender Verbindung dieser beiden Punkte
• Zeichnen der oberen Sprunggelenksorientierungslinie: Ermitteln der beiden am proximal gelegensten Punkte der Talusschulter mit anschließender Verbindung dieser beiden Punkte
• Konstruieren der anatomischen Femurhalsachse: An der schmalsten Stelle des Femurhalses wurde der Mittelpunkt ermittelt und dieser mit dem Zentrum des Femurkopfes verbunden
• Einzeichnen des femoralen Aspektes des Kniegelenkmittelpunktes: An der breitesten Stelle zwischen medialem und lateralem Kondylus wurde der
Mittelpunkt bestimmt und dieser senkrecht auf die distale femorale Kniegelenksorientierungslinie projiziert. Auf den Aufnahmen, wo aufgrund der Versorgung mit dem LISS die breiteste Stelle nicht zu sehen ist, wurden alternative Punkte gewählt, die notiert und bei den darauffolgenden Bemessungen dieser Aufnahme berücksichtigt und ebenfalls angewandt wurden
• Einzeichnen des tibialen Aspektes des Kniegelenkmittelpunkts: An der breitesten Stelle zwischen medialem und lateralem Kondylus wurde der Mittelpunkt ermittelt und dieser senkrecht auf die proximale tibiale Kniegelenksorientierungslinie projiziert.
• Konstruieren der anatomischen Femurschaftachse: Das Femur wurde zwischen der Hüftgelenksorientierungslinie und der distalen femoralen Kniegelenksorientierungslinie mit Abschätzung des Verlaufs der anatomischen Achse gedrittelt. Am Übergang vom ersten zum zweiten und vom zweiten zum dritten Drittel wurde jeweils der Mittelpunkt ermittelt und diese Punkte dann miteinander verbunden. Auf den Aufnahmen, wo aufgrund der Versorgung mit dem LISS die Konturen des Schaftes nicht zu erkennen sind, wurden alternative Punkte gewählt, die notiert und bei den darauffolgenden Bemessungen dieser Aufnahme berücksichtigt und ebenfalls angewandt wurden
• Zeichnen der mechanischen Femurachse: Verbinden des Femurkopfzentrums mit dem femoralen Aspekt des Kniegelenkmittelpunktes
• Zeichnen der mechanischen Tibiaachse: Verbinden des tibialen Aspektes des Kniegelenkmittelpunktes mit dem Talusplateaumittelpunkt
Im Anschluss wurden die Winkel mLDFA, mMPTA, mLPFA, mLDTA, NSA, AMA und JLCA sowie die MAD gemessen.
Mit dem Notieren des Wertes für die MAD wurde die Zeitmessung gestoppt.
Nach Anhalten der Zeitmessung wurden bei den Aufnahmen mit LISS mittels deren jeweiligen in-vivo-Länge und ihrer gemessenen Länge auf dem Röntgenbild der Vergrößerungsfaktor des Röntgenbildes berechnet und dieser anschließend mit der gemessenen Beinlänge multipliziert. Um auch die Beinlänge der gesunden Gegenseite unter Berücksichtigung des Vergrößerungsfaktors zu berechnen wurde die Länge der LISS auf der operierten Seite als Referenz herangezogen und auf die gesunde Seite angewandt.
Eine Beispielplanung zeigt die Abbildung 22, eine Zusammenfassung der auf der Folie notierten Größen findet sich in Tabelle 3.
Abb. 22 zeigt eine Beispielplanung auf Folie
Beschriftung auf der Folie Bedeutung Länge LISS Länge des bei dem Patienten verwandten LISS
Länge LISS gem Länge des LISS, wie es auf dem Röntgenbild zu sehen und messen war
Beinlänge gem Die Beinlänge von Femurkopfmitte bis Talusplateamitte, wie sie auf dem Röntgenbild zu messen war
Beinlänge Die wahre Beinlänge, ermittelt aus der Rechnung:
(Länge LISS/Länge LISS gem) x Beinlänge gem Beinlänge mLDFA mechanical lateral distal femoral angle =
mechanischer lateraler distaler Femurwinkel
MPTA medial proximal tibial angle = medialer proximaler Tibiawinkel
mLPFA mechanical lateral proximal femoral angle = mechanischer lateraler proximaler Femurwinkel mLDTA mechanical lateral distal tibial angle =
mechanischer lateraler distaler Tibiawinkel NSA neck shaft angle = Kopfhalswinkel (CCD)
AMA anatomical-mechanical angle =
Winkel zwischen anatomischer und mechanischer Femurachse MAD mechanical axis deviation = Entfernung vom Zentrum des
Kniegelenkes zur mechanischen Achslinie JLCA joint line convergence angle =
konvergierender Kniegelenkswinkel Zeit
Tab. 3: Zusammenfassung der auf der Folie notierten Winkel und Längen
Ausmessung der digitalisierten Röntgenbilder
Ausgangspunkt der Messung war die mit dem Programm MediCAD® geöffnete digitalisierte Röntgenaufnahme, die auf einer CD abgespeichert war. Gemessen wurde gemäß dem Bedienungsmanual des Programms, das, wie unter dem Punkt 2.1.2 bereits erwähnt, den von Paley beschriebenen Standard der präoperativen Bemaßung verwendet.
Die Zeitmessung begann mit der Kalibrierung der Röntgenaufnahme. Diese dient dazu, die Aufnahme mit einem Maßstab zu versehen.
Bei den 32 Beinachsen, die mit dem LISS versorgt worden waren, wurde die Länge des LISS als Referenzmaß verwandt.
Bei den 27 nicht operierten Beinen der Gegenseite wurde davon ausgegangen, dass die Größe der Hüftköpfe (n=20) oder die Breite des Tibiaplateaus (bei nicht eindeutig abzugrenzendem Hüftkopf; n=9) von linkem und rechten Bein übereinstimmen und daher die gegenseitige Größe des Hüftkopfes oder Tibiaplateaus als Referenz verwendet. Dazu wurden diese auf dem kalibrierten Bild mit der LISS bestimmt und auf das nichtoperierte Bein angewandt.
Nach der Kalibrierung wurden gemäß der vom Programm vorgesehenen Reihenfolge die Femur- und Tibiakontur mit dem Cursor nachgezeichnet.
Es folgten:
• Bestimmung des Zentrums des Caput femoris: Hierzu wurden drei Punkte auf der Kontur des Femurkopfes bestimmt, die sodann einen Kreis definierten.
Gesetzt wurden diese Punkte bei rechten Femurköpfen jeweils auf 5, 1, und 11 Uhr, bei linken auf 7, 11 und 1 Uhr. Dies geschah, um die Einziehung der Rundung des Femurkopfes durch die Fovea capitis zu umgehen.
• Bestimmung der Hüftgelenksorientierungslinie: Klick auf die höchste Spitze des proximalen Anteils des Trochanter major, das Programm zeichnete die Linie selbständig ein.
• Konstruktion der distalen femoralen Kniegelenksorientierungslinie und des femoralen Aspektes des Kniegelenkmittelpunktes: Jeweils einen Klick auf den am weitesten distal gelegenen Punkt von medialer und lateraler Femurkondyle und jeweils einen Klick auf den äußeren lateralen und medialen Rand der Kondylen. Das Programm zeichnete die Linie und den femoralen Aspekt des Kniegelenkmittelpunktes selbständig ein. Auf den Aufnahmen, wo aufgrund der Versorgung mit dem LISS die äußeren Ränder der Kondylen nicht zu erkennen waren, wurden wie bei der konventionellen Methode alternative Punkte gewählt, die notiert und bei den darauffolgenden Bemessungen dieser Aufnahme berücksichtigt und ebenfalls angewandt wurden.
• Konstruktion der proximalen tibialen Kniegelenksorientierungslinie und des tibialen Aspektes des Kniegelenkmittelpunkts: Jeweils einen Klick auf den am weitesten distal gelegenen subchondralen Aspekt der beiden konkaven Anteile des Tibiaplateaus, gefolgt von jeweils einem Klick auf die äußereren Seiten von medialem und lateralem Tibiakondylus. Das Programm zeichnete die Linie und den tibialen Aspekt des Kniegelenkmittelpunktes selbständig ein.
• Konstruktion der Sprunggelenksorientierungslinie und des Mittelpunktes der Talusbasis: Jeweils einen Mausklick auf die beiden am weitesten proximal gelegenen Punkte der Talusschulter und jeweils einen Mausklick auf den lateralen und medialen Rand des Talus. Das Programm zeichnete die Linie
und den Mittelpunkt der Talusbasis selbständig ein. Auf den Aufnahmen, bei denen der Talus pyramidenförmig nach distal ausläuft und so keinen senkrechten Rand besitzt, wurden die Punkte für die Bestimmung der Talusbasismitte an der Hälfte der Rundungen an den oberen Kanten des Talus gesetzt.
• Ermittlung der anatomischen Femur- und Tibiaschaftachse: Das Programm drittelt das Femur und die Tibia automatisch. Durch einen medialen und lateralen Klick am Übergang vom ersten zum zweiten und vom zweiten zum dritten Drittel werden die anatomischen Achsen von Femur- und Tibiaschaft automatisch eingezeichnet. Auf den Aufnahmen, wo aufgrund der Versorgung mit dem LISS die Konturen des Schaftes nicht zu erkennen sind, wurden alternative Punkte gewählt, welche notiert und für die nächste Messung dieses Bildes wieder herangezogen wurden.
Der nächste Schritt war die automatische Erstellung der präoperativen Bemaßung. In dieser wurden alle geforderten Längen und alle Winkel bis auf den NSA aufgeführt.
Das Programm MediCAD® sieht im Modul Osteotomie eine automatische Ermittlung des NSA nicht vor, dieser Winkel musste manuell konstruiert werden.
Dazu wurde an der schmalsten Stelle des Femurhalses der Mittelpunkt bestimmt, dieser mit dem Zentrum des Femurkopfes verbunden und anschließend der NSA gemessen.
Mit Einzeichnen des NSA wurde die Zeitmessung gestoppt und anschließend noch die für die gesunde Aufnahme der Gegenseite, soweit vorhanden, benötigte anatomische Struktur für die Kalibrierung gemessen und notiert (s. o.).
Ein Beispiel für eine präoperative Planung mit dem Programm MediCAD® findet sich in Abbildung 23.
Abb. 23 zeigt ein Beispiel für die präoperative Planung mit dem Programm MediCAD®
2.2 Vergleich der Röntgenteilaufnahmen mit den Röntgenganzaufnahmen
2.2.1 Material
Grundlage dieses Teils der Arbeit sind 14 der unter Punkt 2.1.1 erläuterten Ganzbeinaufnahmen und diesen entsprechende Röntgenteilaufnahmen, die für die Verlaufskontrolle der erwähnten durchgeführten Osteosynthesen angefertigt wurden. Auf diesen sind unterschiedlich große Abschnitte von Femur und Tibia mit dem sie verbindenden Kniegelenk abgelichtet. Die Teilaufnahmen sind größtenteils in zeitlicher Nähe zu den Großaufnahmen gefertigt worden (am gleichen Tag: n=5; bis zu einem halben Jahr: n=8, wobei Minimum 2 Tage, Maximum 152 Tage, Mittelwert 67,4 Tage waren; bis ca. 3 Jahre: n=1: 1114 Tage). Die Ganzbeinaufnahmen lagen bereits in digitalisierter Form vor, die Teilaufnahmen wurden im Fotolabor der Unfallchirurgischen Klinik der MHH digitalisiert, die Bilder liegen im JPEG-Format vor.
2.2.2 Methodik
Für die Bemessung der Röntgenaufnahmen wurden diese nach Ganzbein-/ und Teilaufnahmen randomisiert und von mir jeweils 5-mal an unterschiedlichen Tagen vermessen. Dies geschah, um einen Erinnerungseffekt auszuschließen.
Vermessung der Ganzbeinaufnahmen
Die Ganzbeinaufnahmen waren bereits konturiert und vermessen. So waren die anatomischen Achsen von Femur und Tibia bereits eingezeichnet, ebenso die Orientierungslinien des femoralen und tibialen Kniegelenkanteils.
Nach Aufrufen des entsprechenden bearbeiteten Bildes wurde mit der Winkelmessfunktion des Programms MediCAD® der anatomische mediale proximale Tibiawinkel (aMPTA) gemessen. Anschließend wurde das Tibiaplateau in der Breite vermessen, um ein Referenzmaß für die Kalibrierung der entsprechenden Teilaufnahme zu haben.
Vermessung der Teilaufnahmen
Nach Aufrufen der gewünschten digitalisierten Röntgenteilaufnahme wurde das Bild kalibriert, um ihm einen Maßstab zu geben. Dies geschah unter Zuhilfenahme der auf der Ganzaufnahme ausgemessenen Tibiaplateaubreite. Nach der Kalibrierung folgte die Konturierung der abgelichteten Anteile der Tibia, dann die Konstruktion der tibialen Orientierungslinie des Kniegelenks.
Für die Bestimmung der anatomischen Achse der Tibia wurde der erste Punkt mitt-diaphysär am Übergang von den Kondylen zum Tibiaschaft gesetzt; in der Abb. 24 ist dieser Übergang zur Verdeutlichung durch eine Linie markiert. Der Abstand dieses Punktes zum Kniemittelpunkt der Tibia wurde ausgemessen und für die weiteren Messungen dieser Röntgenaufnahmen ebenfalls angewandt. Den zweiten Punkt der anatomischen Achse bildete der mitt-diaphysäre Punkt am
Ende des abgelichteten Tibiaabschnittes. Die anatomische Achse wurde sodann automatisch eingezeichnet und anschließend der aMPTA mit der Winkelmessfunktion des Programms zwischen anatomischer Achse und Orientierungslinie der Tibia bestimmt. Abbildung 25 zeigt eine Beispielplanung für die Vermessung einer Teilaufnahme.
Kniemittelpunkt der Tibia
m
Abstand des ersten Punktes für die Achsenfestlegung zum Kniemittelpunkt
Linie am Übergang der Kondylen zum Tibiaschaft
Anatomische Achse Mitt-diaphysärer
Punkt
Mitt-diaphysärer Punkt am Ende des abgebildeten Tibiaausschnittes
Abb. 24 veranschaulicht die Ver- messung des Tibiaausschnittes
Abb. 25 zeigt ein Beispiel für die Vermessung einer Teilaufnahme
2.3 Statistik
Bei der Auswahl des statistischen Tests und seiner Durchführung stand dankenswerterweise Herr Diplom-Mathematiker Heinz Geerlings, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts für Biometrie der MHH, beratend zur Seite.
Bei der statistischen Auswertung wurden folgende Verfahren angewendet:
2.3.1 Vergleich der absoluten Werte der Winkel und ihrer
Reproduzierbarkeit in der konventionellen Messung und der Messung mit MediCAD®
Für die Bestimmung der Winkel im ersten Teil der Arbeit wurde jedes der 59 Röntgenbilder 5-mal auf konventionelle Art und mit MediCAD® vermessen.
Von diesen 10 Werten pro Röntgenbild wurden der arithmetische Mittelwert und die Standardabweichung errechnet, daraus resultierten 118 Mittelwerte und Standardabweichungen, 59 auf konventionelle Art ermittelt und 59 mit MediCAD®. Diese Mittelwerte und Standardabweichungen bildeten aufgrund der gleichen zugrunde liegenden Röntgenaufnahme und des gleichen gemessenen Winkels jeweils 59 verbundene Paare.
Für die Überprüfung, inwieweit die beiden Methoden der Messung zu einem gleichen Ergebnis für den absoluten Wert eines Winkels kommen, wurden alle 59 Paare der Mittelwerte mit dem T-Test für verbundene Stichproben auf signifikante Unterschiede in ihrer mittleren Differenz hin untersucht.
Um die Reproduzierbarkeit der Winkel zu überprüfen und eine Aussage über die Intraobserver-Reliabilität bei der Messung mit beiden Methoden machen zu können, wurden die 59 Paare der Standardabweichungen verglichen, sie wurden ebenfalls mit dem T-Test für verbundene Stichproben auf signifikante Unterschiede in ihrer mittleren Differenz hin untersucht.
2.3.2 Zusammenfassung der absoluten Winkelwerte der nicht operierten Beine
Da es sich bei dem vorliegenden Material wie unter Punkt 2.1.1 beschrieben um Osteosynthesematerial handelt, bei dem in den physiologischen Verlauf der Achsen und in die Größe der Winkel der Beine eingegriffen worden ist, werden für den Vergleich mit den Werten in der Literatur nur die Werte der nicht operierten Beine herangezogen. Für diese 17 Mittelwerte des jeweiligen mit MediCAD®
ermittelten Winkels wurden der Mittelwert und die Standardabweichung berechnet sowie das Minimum und das Maximum angegeben.
2.3.3 Vergleich der Reliabilität der Messung der Winkel NSA und mLPFA Im Vergleich der Winkel NSA und mLPFA auf ihre Reproduzierbarkeit hin wurden die oben genannten 118 Standardabweichungen pro genannten Winkel, die sich durch die Ermittlung mit den beiden Methoden ergaben, herangezogen. Allerdings wurden hier die 59 Standardabweichungen des NSA zusammen mit den 59 Standardabweichungen des mLPFA betrachtet. Das heißt, die Standardabweichungen des konventionell gemessenen NSA wurden mit denen des konventionell gemessenen mLPFA im T-Test für verbundene Stichproben verglichen, ebenso die Standardabweichungen des mit MediCAD® ermittelten NSA mit denen des mit MediCAD® ermittelten mLPFA.
2.3.4 Vergleich der absoluten Beinlängen und der MAD und ihre
Reliabiliät in der konventionellen Messung und der Messung mit MediCAD®
Für den Vergleich der mit den beiden Methoden ermittelten Beinlängen und der MAD wurden, wie unter Punkt 2.3.1 beschrieben, die Mittelwerte und Standardabweichungen berechnet und mit dem T-Test für verbundene Stichproben auf signifikante Unterschiede in ihrer mittleren Differenz hin untersucht. Dafür wurden aus dem vorliegenden Material 32 Röntgenbilder, die mit dem LISS ein Referenzmaß besaßen, herangezogen.
Alle Rechnungen für die T-Tests wurden auf dem Niveau einer Irrtumswahrscheinlichkeit von α = 0,05 durchgeführt. Für die Berechnungen wurden die Daten mit Microsoft Excel erstellt und verwaltet und mit dem Statistikprogramm SPSS berechnet.
2.3.5 Vergleich der benötigten Zeiten für die konventionelle Messung und die Messung mit MediCAD®
Für den Vergleich der für die Messung mit den unterschiedlichen Methoden benötigten Zeit wurden für die jeweilige Methode der arithmetische Mittelwert und die Standardabweichungen der benötigten Minuten und Sekunden berechnet außerdem das Maximum und Minimum. Für die Berechnung flossen pro Methode 290 Zeitwerte ein.
2.3.6 Vergleich der Ganzbeinaufnahmen mit den Teilaufnahmen
Für den Vergleich der Ganzbeinaufnahmen mit den Teilaufnahmen im zweiten Teil der Arbeit wurde der Winkel aMPTA auf den beiden Arten der Aufnahme desselben Beins mittels MediCAD® bestimmt und wiederum die Mittelwerte und die Standardabweichungen berechnet. Die Werte waren paarweise verbunden durch die Ermittlung mit MediCAD® und durch die Messung des gleichen Winkels auf beiden Aufnahmen. Anschließend wurden diese Paare mit einem T-Test für verbundene Stichproben auf signifikante Unterschiede in ihrer mittleren Differenz hin untersucht. Es wurden 14 Ganzbein- mit den entsprechenden 14 Teilaufnahmen verglichen.
3 Ergebnisse
3.1 Vergleich der Messungen mit konventioneller Methode und MediCAD®
Im folgenden werden die Ergebnisse für die 7 untersuchten Winkel, die mechanische Achsabweichung (MAD) und die Beinlängen dargestellt. Unter Punkt 3.1.1 werden die absoluten Werte der Wertepaare von konventioneller und digitaler Messung betrachtet, unter Punkt 3.1.2 ihre Reproduktionsgenauigkeit dargestellt und verglichen.
3.1.1 Absolute Werte der Winkel, der mechanischen Achsabweichung (MAD) und der Beinlängen
Die 59 Mittelwerte der jeweiligen Winkel und die 32 Mittelwerte der mechanischen Achsabweichung (MAD) und der Beinlänge werden in zwei Diagrammen, eines für die konventionelle Messung, eines für die Messung mit MediCAD, dargestellt.
Dabei werden die Gradzahlen oder Längen gegen ihre Anzahl abgetragen. Aus diesen Diagrammen kann die Verteilung der Mittelwerte abgeschätzt werden. In einem weiteren Diagramm werden jeweils die mit den zwei Methoden ermittelten Mittelwerte gegenübergestellt. Aus ihnen kann aus der Nähe der Punkte zur Geraden sowie der Steigung der Geraden abgeschätzt werden, inwieweit die beiden Methoden zu gleichen Mittelwerten für den jeweils gemessenen Winkel, der MAD und der Beinlänge kommen.
Des weiteren wurden die 59 Mittelwerte der jeweiligen Winkel, bzw. 32 für die MAD und die Beinlänge zu einem einzigen Mittelwert zusammengefasst, wobei ein gesamter Mittelwert für die Werte konventionellen Messungen und einer für die Werte der digitalen Messungen errechnet wurde. Diese Mittelwerte werden unter den entsprechenden Überschriften genannt. Die Standardabweichung, die bei den jeweiligen Mittelwerten angegeben wird, ist meist recht groß. Sie liegt aber nicht in der Ungenauigkeit der Messung begründet, sondern resultiert aus der Verteilung der Mittelwerte, vor allem aus der Spannweite des betrachteten Kollektivs an verschiedenen Röntgenaufnahmen und ihrer Geometrie.
mLDFA
Die Verteilungen der 59 im Patientenkollektiv ermittelten Mittelwerte für den mechanischen lateralen distalen Femurwinkel abhängig von der Methode finden sich in den Diagrammen 2 und 3.
In der Zusammenfassung dieser 59 Mittelwerte ergibt sich bei der konventionellen Methode der Messung ein Mittelwert von 88,14° ± 3,55° und bei der Messung mit MediCAD® ein Mittelwert von 88,12° ± 3,65°.
80 85 90 95
mLDFA konventionell (°)
3 6 9 12
Anzahl
80 85 90 95
mLDFA MediCAD (°)
3 6 9 12
Anzahl
Diagramm 2: Verteilung der Mittelwerte der konventionell ermittelten mLDFA
Diagramm 3: Verteilung der Mittelwerte der mit MediCAD® ermittelten mLDFA
Die mittlere Differenz zwischen den beiden Mittelwerten beträgt 0,02° ± 0,68°
(p=0,838). Eine Gegenüberstellung der Mittelwerte findet sich in Diagramm 4.
mLDFA konventionell (°)
100 95 90 85 80 75 70
mLDFA MediCAD (°)
100
95
90
85
80
75
70
Diagramm 4:
Gegenüberstellung der Mittelwerte von den auf konventionelle Art und mit MediCAD® er- mittelten mLDFA
MPTA
Die Verteilungen der 59 im Patientenkollektiv ermittelten Mittelwerte für den mechanischen medialen proximalen Tibiawinkel abhängig von der Methode finden sich in den Diagrammen 5 und 6.
In der Zusammenfassung dieser 59 Mittelwerte ergibt sich bei der konventionellen Methode der Messung ein Mittelwert von 86,92° ± 2,66° und bei der Messung mit MediCAD® ein Mittelwert von 86,82° ± 2,76°.
80 84 88 92
MPTA konventionell (°)
0 5 10 15
Anzahl
80 84 88 92
MPTA MediCAD (°)
0 5 10 15
Anzahl
Diagramm 5: Verteilung der Mittelwerte der konventionell ermittelten MPTA
Diagramm 6: Verteilung der Mittelwerte der mit MediCAD® ermittelten MPTA
Die mittlere Differenz zwischen den beiden Mittelwerten beträgt 0,10° ± 0,45°
(p=0,112). Eine Gegenüberstellung der Mittelwerte findet sich in Diagramm 7.
MPTA konventionell (°)
94 92 90 88 86 84 82 80 78
MPTA MediCAD (°)
94 92
90
88 86
84
82
80 78
Diagramm 7:
Gegenüberstellung der Mittelwerte von den auf konventionelle Art und mit MediCAD® ermittelten MPTA
mLDTA
Die Verteilungen der 59 im Patientenkollektiv ermittelten Mittelwerte für den mechanischen lateralen distalen Tibiawinkel abhängig von der Methode finden sich in den Diagrammen 8 und 9.
In der Zusammenfassung dieser 59 Mittelwerte ergibt sich bei der konventionellen Methode der Messung ein Mittelwert von 86,23° ± 4,83° und bei der Messung mit MediCAD® ein Mittelwert von 86,18° ± 4,86°.
75 80 85 90 95
mLDTA konventionell (°)
0 4 8 12
Anzahl
75 80 85 90 95
mLDTA MediCAD (°)
0 4 8 12
Anzahl
Diagramm 8: Verteilung der Mittelwerte der konventionell ermittelten mLDTA
Diagramm 9: Verteilung der Mittelwerte der mit MediCAD® ermittelten mLDTA
Die mittlere Differenz zwischen den beiden Mittelwerten beträgt 0,05° ± 0,65°, (p=0,534). Eine Gegenüberstellung der Mittelwerte findet sich in Diagramm 10.
mLDTA konventionell (°)
100 95 90 85 80 75 70
mLDTA MediCAD (°)
100
95
90
85
80
75
70
Diagramm 10:
Gegenüberstellung der Mittelwerte von den auf konventionelle Art und mit MediCAD® ermittelten mLDTA
