Die stabilisierende Wirkung des atmosphärischen Druckes auf das Hüftgelenk bei Einwirkung einer Zugkraft - eine experimentelle Studie

Zusammenfassung

Studienziel: Die vorliegende Studie sollte die stabilisierende Wirkung des atmosphärischen Druckes auf das Hüftgelenk experimentell überprüfen. Methode: Hüftgelenkmodelle mit 28 mm, 32 mm und 36 mm Durchmesser wurden bei atmosphärischem Normaldruck einer ansteigenden Zugkraft ausgesetzt. Kraftwirkung und resultierender Dislokationsweg wurden bei hermetisch abgeschlossener sowie bei belüfteter Kapsel gemessen. Ergebnisse: Die Maximalwiderstandsmessung ergab bei hermetischem Kapselabschluss 7,6 kp für das 28-mm-Gelenk, 10,4 kp für das 32-mm-Gelenk und 12,4 kp für das 36-mm-Gelenk gegenüber 0,4 bis 1 kp bei Kapselbelüftung. Die Messergebnisse übertrafen somit die errechneten Ruhestabilitätspotenziale von 6 kp, 7,8 kp und 9,9 kp. Eine Gelenkflüssigkeitszunahme wirkte stabilitätsmindernd. Schlussfolgerung: Die Messergebnisse bestätigen die kontinuierliche stabilisierende Wirkung des atmosphärischen Druckes auf das ergussfreie Hüftgelenk, welche durch Ruhestabilitätspotenzial und Luxationsarbeit quantifiziert werden kann. Das Ruhestabilitätspotenzial als Produkt von atmosphärischem Druck, vermindert um den Dampfdruck der Gelenkflüssigkeit, und dessen effektiver Wirkfläche entspricht der Kraft, welche zur Luxation gegen den Widerstand des atmosphärischen Druckes erforderlich ist und wächst proportional zur 2. Potenz des Gelenkdurchmessers. Die Luxationsarbeit als Produkt von Kraft (Ruhestabilitätspotenzial) und Luxationsweg steigt proportional zur 3. Potenz des Gelenkdurchmessers. Somit bewirken bereits kleine Steigerungen der Gelenkgröße einen wesentlichen Stabilitätsgewinn, während der Zuwachs der Range of Motion immer geringer wird. Bei Hüftendoprothesenimplantationen sind deshalb eine Orientierung der Größe der Gelenkpartner am resezierten Hüftkopf sowie eine Rekonstruktion des hermetisch abgeschlossenen Gelenkkompartimentes anzustreben.

Abstract

Aim: We aimed to prove the stabilising effect of atmospheric pressure (AP) on the hip joint experimentally. Method: In the experiment, model joints of 28 mm, 32 mm und 36 mm diameter were subjected to increasing traction force. The acting force and the resulting dislocation distance were measured both with the capsule hermetically sealed, as well as with the capsula open. Results: For the hermetically sealed capsule we measured maximum resistances of 7.6 kp for the 28 mm joint, 10.4 kp for the 32 mm joint and 12.4 kp for the 36 mm joint. With the capsule open we found resistances from 0.4 kp to 1 kp. Our experimental results exceeded the predicted resistances of 6 kp, 7.8 kp and 9.9 kp. Increased amounts of synovial fluid reduced the stability. Conclusion: Our measurements confirm the continual stabilising effect of AP on the hip joint, which can be quantified as the resting potential of stability (RPS) or luxation work (LW). The RPS is calculated by multiplying the difference of AP and saturated vapour pressure of synovial fluid with the cross-sectional area of the femoral head. It represents the force, necessary for luxation of the joint against the resistance of AP. The RPS is proportional to the square of the joint diameter. The LW, calculated by multiplying RPS with the luxation distance, is proportional to the joint diameter cubed. That is why a small increase of joint diameter leads to a significant increase of stability, while the rate of the increase of range-of-motion decreases. To achieve stability of a total hip arthroplasty the size of the joint components should depend on the size of the resected femoral head. Also the hermetically sealed capsule should be reconstructed carefully.

Gelenkstabilität - atmosphärischer Druck - Luxation - Hüftgelenk

joint stability - atmospheric pressure - luxation - hip joint

Literatur

• 1 Weber W, Weber E. Mechanik der menschlichen Gehwerkzeuge. Göttingen; Dieterichsche Buchhandlung 1836: 147-160
• 2 Weber E, Weber W. Über die Mechanik der menschlichen Gehwerkzeuge nebst der Beschreibung eines Versuches über das Herausfallen des Schenkelkopfes im luftverdünnten Raume.  Ann Phys Chem. 1837;  40 1-13
• 3 Paschen W. Zur Pathologie der Knochen und Gelenke.  Dtsch Z Chir. 1873;  3 272-299
• 4 Schmid C. Über die Form und Mechanik des Hüftgelenkes.  Dtsch Z Chir. 1875;  5 1-24
• 5 Aeby C. Beiträge zur Kenntnis der Gelenke.  Dtsch Z Chir. 1876;  6 354-417
• 6 Braam Houckgeest von. Über den Einfluss des Luftdruckes für den Zusammenhalt der Gelenke.  Arch Anat Phyiol, Anat Abt. 1877;  381-387
• 7 Fick R. Handbuch der Anatomie und Mechanik der Gelenke. Bd. 2: Allgemeine Gelenk- und Muskelmechanik. Jena; Fischer 1910: 59
• 8 Semlak K, Ferguson Jr A B. Joint stability maintained by atmospheric pressure. An experimental study.  Clin Orthop. 1970;  68 294-300
• 9 Lang J, Wachsmuth W. Praktische Anatomie: Bein und Statik. 2. neubearb. Aufl. Berlin; Springer 1972: 153
• 10 Kumar V P, Balasubramaniam P. The role of atmospheric pressure in stabilising the shoulder. An experimental study.  J Bone Joint Surg [Br]. 1985;  67 719-721
• 11 Wingstrand H, Wingstrand A, Krantz P. Intracapsular and atmospheric pressure in the dynamics and stability of the hip. A biomechanical study.  Acta Orthop Scand. 1990;  61 231-235
• 12 Habermeyer P, Schuller U. Die Bedeutung des Labrum glenoidale für die Stabilität des Glenohumeralgelenkes. Eine experimentelle Studie.  Unfallchirurg. 1990;  93 19-26
• 13 Rose E. Die Mechanik des Hüftgelenkes.  Archiv für Anatomie, Physiologie u. wiss. Medicin. 1865;  521-557
• 14 Buchner H. Studien über den Zusammenhalt des Hüftgelenkes.  Arch Anat Physiol, Anat Abt. 1877;  22-45
• 15 Gerken N A. Über die Unabhängigkeit des Zusammenhalts der Gelenke von dem atmosphärischen Drucke.  Anat Hefte. 1897;  7 1-52
• 16 Strasser H. Lehrbuch der Muskel- und Gelenkmechanik. Bd. 1/2. Berlin; Springer 1908
• 17 Christen T. Richtigstellung zum Streit um den Gelenkdruck.  Anat Hefte. 1911;  43 379-396
• 18 Pauwels F. Gesammelte Abhandlungen zur funktionellen Anatomie des Bewegungsapparates. Berlin; Springer 1965: 522
• 19 Frick H, Leonhardt H, Starck D. Taschenlehrbuch der gesamten Anatomie. Bd. 1 Allgemeine Anatomie/Spezielle Anatomie I. 2. überarb. Aufl. Stuttgart; Thieme 1980: 33
• 20 Dorsche von H H. Taschenbuch der Anatomie. Bd. 1. Stuttgart; Fischer 1983: 34
• 21 Waldeyer A, Mayet A. Anatomie des Menschen. 1. Allgemeine Anatomie, Rücken, Bauch, Becken, Bein. 15. Aufl. Berlin, New York; de Gruyter 1987: 75
• 22 Arvidsson I. The hip joint: forces needed for distraction and appearance of the vacuum phenomenon.  Scand J Rehabil Med. 1990;  22 157-161
• 23 Bartz R L, Nobel P C, Kadakia N R, Tullos H S. The effect of femoral component head size on posterior dislocation of the artificial hip joint.  J Bone Joint Surg [Am]. 2000;  82 1300-1307
• 24 Crowninshield R D, Maloney W J, Wentz D H, Humphrey S M, Blanchard C R. Biomechanics of large femoral heads: what they do and don't do.  Clin Orthop Relat Res. 2004;  429 102-107
• 25 Burroughs B R, Hallstrom B, Golladay G J, Hoeffel D, Harris W H. Range of motion and stability in total hip arthroplasty with 28-, 32-, 38-, and 44-mm femoral head sizes.  J Arthroplasty. 2005;  20 11-19