Biomedizinische Technik Band 37 Heft 11/1992
Messung des intraossären Druckes an der Patella
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Biomed. Technik 37 (1992), 263-272
W. Häuf1 Th. Mittlmeier2 F.-W. Hagena1 W. Plitz3
Methode zur In-vivo-Messung des intraossären Druckes an der Patella In Vivo Measurement of the Intra-osseous Pressure of the Human Patella 1 Orthopädische Klinik 2
3
und Poliklinik der Universität München, Klinikum Großhadern Chirurgische Klinik und Poliklinik der Universität München, Klinikum Großhadern Labor für Biomechanik und experimentelle Orthopädie, Staatliche Orthopädische Klinik, München
Schlüsselwörter: In-vivo-Meßtechnik, intraossärer Druck, Arthrose, Chondropathia patellae Dem intraossären Druck (IOD) wird bei der Entstehung degenerativer Gelenkerkrankungen (Arthrose, Chondropathien) diagnostische und pathogenetische Bedeutung beigemessen. Meßtechnische Probleme und fehlende systematische Untersuchungen der Regelmechanismen des IOD haben bislang verhindert, entscheidende Erkenntnisse über die effektive Bedeutung des IOD zu sammeln. Es wird ein Meßverfahren vorgestellt, das eine artefaktarme Erfassung des IOD in vivo sowie eine standardisierte Weiterverarbeitung und Auswertung des Signals erlaubt. Das Verfahren wird an einem In-vitro-Modell hinsichtlich seiner Reliabilität getestet und der IOD an einem limitierten Patientengut intraoperativ bei Eingriffen am Kniegelenk gemessen. Einige Einflußgrößen (Gelenkerguß, Gelenkstellung, Veränderungen an den intraartikulären Weichgeweben) werden untersucht. Key-words: In vivo measuring method - intra-osseous pressure - ostheoarthritis - chondropathia patellae During the development of degenerative joint disease (osteoarthritis, chondropathy), a diagnostic or even pathogenetic role is attributed to the phenomenon of intraosseous pressure (IOP). Owing to technical problems and a lack of systematic experimental or clinical studies on the control mechanisms of the IOP, the actual importance of this factor is still not known with certainty. Now, a measuring method that enables correct recording of the IOP and standardized on-line processing of the measured Signal minimize artefact-related problems. The technique is evaluated f or reliability in an in vitro model of the human patella and in a limited clinical study of the IOP in patients undergoing knee surgery for various reasons. Factors such äs intraarticular effusion, joint position or changes in intra-articular soft tissue are examined for their influence of the primary Signal.
l Einleitung Degenerative Gelenkerkrankungen besitzen wegen ihrer relativen Häufigkeit bei zunehmender mittlerer Lebenserwartung und steigenden Ansprüchen an die Belastbarkeit der großen Gelenke auch im höheren Alter große sozialmedizinische Bedeutung. Abgesehen von den sogenannten sekundären Arthroseformen mit bekannter Ursache ist die Ätiopathogenese der zahlenmäßig am häufigsten beobachteten primären Arthrose nicht hinreichend geklärt. Bereits vor mehr als zwei Jahrzehnten wurde auf den möglichen Zusammenhang zwischen dem in Knochen herrschenden Binnendruck und klinischen Krankheitsbildern hingewiesen [l, 5, 28, 37]. Eine Erhöhung des intra-ossären Druckes (IOD) wurde sowohl bei degenerativen Erkrankungen als auch bei entsprechenden klinischen subjektiven Schmerzbildern ohne mor* phologisches Korrelat an verschiedenen Gelenken beobachtet {4, 6,13,16,17,18, 20, 21, 25, 27, 31). In der Ära vor der Etablierung des Gelenkersatzes bei durch fortgeschrittene Arthrose destruierten Gelenken konnte durch einmalige *Druckentlastung« durch ex-
ternes Aufbohren oder eine Osteotomie der gelenkbildenden Knochen (z. B. proximaler Humerus, Schenkelhals) eine längerfristig anhaltende Ad-hoc-Besserung der klinischen Beschwerden erzielt werden [1,16]. Weiterhin wird dem IOD auch eine physiologische Bedeutung im Sinne einer inneren Stabilisierung mit Erhöhung der In-vivo Belastbarkeit des »hydraulischen Systems Knochen« zugeschrieben [14]. Natürlich ist der IOD keine statische Größe und wird im wesentlichen als Nettobilanz von arteriellem Zustrom und venösem Abstrom bestimmt. So konnten bei Störungen des venösen Abstromes deutliche Steigerungen des IOD registriert werden [l, 2,3,4,8,15,16,17,18,23, 27, 32, 35]. Die Gelenkstellung [5, 9, 18, 23], die Belastung einer Extremität, die Betätigung der Muskelpumpe [20,26, 27], ein eventuell vorhandener Gelenkerguß [5,9,19,12,23], Medikamente [36], Änderungen des Säure-Basen-Haushaltes [34], und histomorphologische Veränderungen wie Synovitidcn [10, 23], Änderungen der Knorpel-Knochen-Struktur [7, 19, 30] oder das intramedulläre FeUzellvOlumen [36] nehmen signifikant Einfluß auf die aktuelle Höhe des IOD.
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Messung des intraossären Druckes an der Patella
Zum jetzigen Zeitpunkt ist nicht geklärt, ob den Schwankungen oder etwaigen »Sollwertvorstellungen« des IOD primär Bedeutung bei den erwähnten Krankheitsbildern zukommt oder ob es sich um ein reines Begleitphünomen bzw. meßtechnisch bedingte Fehlinterpretationen handelt, Demnach erscheint heute im Zuge einer weiteren Klärung des Phänomens IOD eine möglichst korrekte Bestimmung des IOD wünschenswert. Die Widersprüchlichkeit bisheriger experimenteller oder klinischer Studien zur Erfassung des IOD beruht nicht zuletzt auf der teil weisen Unzulänglichkeit der applizierten Systeme und Methoden zur Erfassung und Aufzeichnung des IOD.
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2 Material und Methode 2.1 Meßkanüle
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Gefordert war eine Kanüle, die einerseits bei geringem Außendurchmesser (Schonung des zu punktierenden Knochens durch geringe Defektbildung) robust genug zur Punktion corticalen Knochens war, keinen Druckverlust zuließ und andererseits nicht durch Knochenpartikel/Knochenmehl häufig verlegt wurde bzw. angespült werden mußte (artefizielle Erhöhung des IOD bei kleinem Verteilungsvolumen). . ·
Nach ersten Erprobungsserien mit einem selbst entwikkelten Kanülenmodell wurde auf die in der gynäkologischen Laparoskopie gängige »Veress-Kanüle« zuHauptziele der vorliegenden Studien sollten deshalb rückgegriffen. Aufbau und Funktionisweise der Kanüle, sein: die aus einer Außen- (2x125 mm) und einer Innenkanüle besteht, sind in Bild l schematisch dargestellt. Wäh1. Ein geschlossenes Meßsystem Meßkanüle-Drucksenrend des Punktionsvorganges befindet sich die Innensor zu entwickeln, das einen potentiellen Druckverkanüle vollständig in die Außenkanüle zurückgezogen, lust durch Manipulation wie Anbohren oder Anspüwodurch eine Verlegung des Kanülenlumens vermieden len der Meßkanüle vermeidet, wird. Nach Durchstoßen der Corticalis wird die Innen2. ein computergestütztes Verfahren zur On-line-Re- kanüle um einige Millimeter nach vorne geschoben, so gistrierung/Auswertung des IOD zu schaffen - ggf. daß die seitliche Öffnung der Innenkanüle freiliegt und im Verbund mit der gleichzeitigen Aufzeichnung wei- die Messung des IOD ermöglicht wird.Ein verschließterer Meßgrößen -, das auch raschen Änderungen des barer Drehhahn verhindert einen Druckverlust wähIOD bei dynamischen Vorgängen gerecht wird, rend des Punktionsvorganges. Nach korrekter Plazie3. eine In-vitro-Testung des Meßsystems zur Erfassung rung erfolgt die Verbindung von Kanüle und Druckaufnehmer über einen mit physiologischer Kochsalzder Meßgenauigkeit und lösung gefüllten Infusionsschlauch am Luer-Lockan4. eine erste limitierte klinische Erprobung an einem schluß der Kanüle. Zur Vermeidung von Blutgerinnseln Patientenkollektiv mit verschiedenen bekannten an der Kanülenspitze ist der Salzlösung eine kleine Krankheitsbildern durch Messung des IOD der Patella Menge Heparin beigemischt. ' ,/ durchzuführen.
b)
d)
Bild la-d. Schematischer Punktionsvorgang an der Patella mit der Veresskanüle (Doppellumenkanüle): Die innere Meßkanüle weicht beim Aufsetzen auf den Knochen zurück und wird erst am Meßort wieder vorgeschoben; somit wird eine Verlegung der Kanüle durch Knochendebrjs vermieden. > · · . · · . , : v ·.· . : ··.·-·.>. Brought to you by | New York University Bobst Library Technical Services Authenticated Download Date | 6/6/15 9:38 PM
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Messung des intraossären Druckes an der Patella
2.2 Druckaufnehmer Als Druckaufnehmer wurde der bereits von anderen Autoren [24] zur interstitiellen Muskelkompartmentdruckmessung eingeführte S.T.LC.-Aufnehmer (Firma Stryker, CH-1700 Granges) verwandt (Bild 2). Geringes Gewicht (150 g), kleine Dimensionierung (120 70 35 mm) und netzunabhängige Versorgung durch 9-VBatterie bei steriler Einwegmeßkammer gaben den Ausschlag für die Wahl dieses Aufnehmertyps. Der Meßbereich von 0-200 mmHg (0-266,6 hPa; wegen der
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Wandler mit einer Wandelzeit von 5 ms. Bei einem Meßwertebereich von 0-200 mmHg entspricht dies einer maximalen Auflösung von 0,05 mmHg. Der 4-Kanal-Wandler erlaubt neben der Verarbeitung des IODSignals die weitere Verarbeitung von Meßgrößen wie dem arteriellen Blutdruck und dem zentralen Venendruck des Patienten in digitaler Form. Aufgrund der' Arbeitsspannung üblicher A/D- Wandler von ± 5Vmußte das Millivoltsignal des S.T.I.C. um den Faktor 100 mittels eines Vorverstärkers verstärkt werden (PTLElektronik, München). Computer und Vorverstärker werden durch einen eingebauten 6-V-Akku versorgt. Ein achtzigstelliges LCD-Display und eine Tastatur mit 16 vierfach belegbaren Tasten erlauben eine Kommunikation mit dem PC-Rechner als Terminal (Bild 3). Bei einer maximalen Speicherkapazität von 32 kB im externen RAM kann der Computer bis zu 16000 einzelne Druckwerte speichern. Jeder Meßwert belegt somit 2 Byte Speicherplatz. Die anfallenden Daten werden im ASCII-Format gespeichert. Die Programmierung erfolgte unter Zuhilfenahme eines PC, an welchen der Meßcomputer über die serielle Schnittstelle angeschlossen ist. Das Meßprogramm hat eine Größe von 2000 Byte und ist im Basic-EPROM gespeichert, aus welchem es auch ausgeführt wird. Dies hat den Vorteil, daß die Meßsoftware keinen RAMSpeicher belegt. Das Meßprogramm wurde interaktiv gehalten und erlaubt die individuelle Wahl der Meßfrequenz (derzeit bis maximal 8 Hz). Zusätzlich besteht die Möglichkeit der Kommentareingabe und somit der Zuordnung zum Meßort bzw. der Beugestellung eines Gelenkes. 2.4 Datenauswertung
Bild 2. Der S.T.LC.-Aufnehmer mit angeschlossenem Kanülensystem.
in der Medizin noch gebräuchlichen Angabe in mmHg wird auch im folgenden diese Einheit weiterverwandt) bei einer Meßfrequenz von 100 Hz lassen den Aufnehmer für die Messung des IOD als geeignet erscheinen. Der Nullabgleich erfolgt gegen den Umgebungsdruck mittels »Zero«-Taste. Neben einer Direktausgabe des gemessenen Druckes an einer Digitalanzeige verfügt der S.T.I.C. über eine Ausgangsbuchse, die ein drucklineares Millivoltsignal von 0-50 mV abgibt.
Nach Verbindung von Meßcomputer und PC durch ein steriles Kabel erfolgt die Übernahme der aufgezeichneten Daten und Kommentare mit Hilfe eines Übernahmeprogrammes auf Festplatte bzw. Diskette. Werden initial am PC Patientenname und Geburtsdatum eingegeben, so wird die Meßdatei vom Programm automatisch mit den Initialen des Patienten und dessen Geburtsdaten benannt. Nach Abschluß der Übergabe beendet sich das Übernahmeprogramm selbst. Ein versehentliches Überschreiben von Meßdaten ist nicht möglich, da die Daten im RAM-Speicher gelöscht werden müssen, bevor dieser wieder freigegeben wird. Unter Zuhilfenahme eines Auswerteprogrammes läßt sich die Meßdatci graphisch und statistisch aufarbeiten.
2.3 Datenspeicher/Software Da ein X-Y-Schreiber zur Datenausgabe bei raschen Druckänderungen wegen des erheblichen Aufwands und entsprechend den geltenden Vorschriften zum Einsatz am Patienten im OP als wenig geeignet erschien, wurde ein spezieller netzunabhängiger Meßcomputer konstruiert. Kernstück des Computers ist ein Basis-EMUF (Firma Elektronikladen, Detmold) mit einem 4-Kanal-12-bit-
2.5 In-vitro-Messung an der Patella Zur Überprüfung der Meßgenauigkeit des Druckaufnehmers bzw. zur Ermittlung dos optimalen Meßortes mit geringem Corticaliswiderstand wurde eine Leichenpatclla in Epoxidharz eingebettet und an der Gelenkfläche über ein Verbindungsstück ein skaliertes Plcxiglassteigrohrangeschlossen.Diesennöuliehteden Aufbau eines definierten etatischen . Nach dem
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Messung des intraossüren Druckes an der Patella
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Bild 3a, b. Der Meßcomputer a) schematisch, b) in der verwendeten Ausführung.
Aufbohren der Harzschicht wurde die Patella mit der Veress-Kanüle punktiert (Bild 4). Bild 5 zeigt die vier Meßorte an der Patella Schema tisch. Die Messung wurde mit dem S.T.I.C.-Monitor und dem im klinischen Gebrauch zur blutigen arteriellen Druckmessung verwandten Statham-Element bei verschiedenen hydrostatischen Drucken durchgeführt. 2.6 In-vivo-Messung an der Patella Die vorgestellte Technik zur Erfassung des IOD wurde an 11 Patienten, die sich einem operativen Eingriff am Knie unterzogen, angewandt (vgl. Tabelle 1). Eine zusätzliche individuelle Einwilligung jedes Patienten zu
Bil4 4. In-vitro-Modell der Druckmessung an der Patella,
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Messung des intraossären Druckes an der Patella
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basix paiellat -Pitellidruck ex i
80
fmmHg]
70 60
•PttelUdruck ex 2 •Patelladruck ex 3 • Patelladrnck ex 4
50 40 30 20 10
90
• apex patellae
100
Bild 8. Ergebnis der In-vitro-Messung an den Punkten 1-4 bei hydrostatisch angelegtem Druck mittels Steigrohr.
Bild 5. Schema der Meßorte 1-4 an der Patella.
dieser Maßnahme wurde im Rahmen der Aufklärung zur Operation eingeholt (»informed consent«). Nach entsprechender Vorbereitung wird unter sterilen Kautelen an der lateralen PateUaf acette 2 cm distal der Patellabasis eine Stichinzision vorgenommen und anschließend mit der Veresskanüle die Patella punktiert (vgl. Bild 5, Punkt 4 sowie Bild 6 und 7). Vorgängig
werden der Infusionsschlauch und die Punktionskanüle mit heparinhaltiger physiologischer Kochsalzlösung entlüftet. Nach Nullabgleich wird der Verschlußhahn der Kanüle geöffnet. Das Meßprogramm wird durch Einschalten des Computers gestartet. Der IOD wird in 0°-, 45°- und 90°-Beugestellung sowie bei maximaler Beugung des Kniegelenkes gemessen. Während der Änderung der Gelenkstellung wird die Aufzeichnung in der Regel unterbrochen und ein entsprechender Kommentar vermerkt. 3 Ergebnisse 3.1 In-vitro-Messung
Büd 6. Punktionsvorgang der Patella In-vivo,
Bild 7 Radiologische Lagekontroll* der Meßkenülenspllzc in der Patella (Tagentialaufnahme).
Bild 8 gibt das Ergebnis der In-vitro-Messung an den vier bezeichneten Punktionsstellen wieder. Es findet sich eine nahezu lineare Entsprechung zwischen »angelegter« Wassersäule und Druckwert in Millimeter Quecksilber. Die minimalen Differenzen zwischen den einzelnen Meßorten sind bei unveränderter Höhe des Verbindungsstückes Wassersäule/Kniescheibe beeinflußt durch die Höhe des Druckaufnehmers am entsprechenden Meßpunkt: befindet sich der Druckaufnehmer höher als die Anschlußstelle des Steigrohres, subtrahiert sich diese Höhendifferenz von der Höhe der »angelegten« Wassersäule, liegt er tiefer, addiert sie sich. Somit wird an den Punkten l und 4 ein zu niedriger Druck, an Punkt 3 ein etwas zu hoher Druck gemessen. Punkt 2 befindet sich exakt auf Höhe des Steigrohranschlusses. Bei Gegenüberstellung der Ergebnisse mit dem Statham-Element findet sich im gesamten Meßbereich eine maximale Abweichung < l %. 3.2 In-vivo-Mcssung Tabelle l gibt die Kenndaten der Patienten, der OPDiagnose, der Anästhosieform sowie der Meßwerte des IOD als mittlerer Druck bzw. die Maximal- und Minimalwerte bei den verschiedenen Gelenkstellungen wieder. Soweit die Meßwertaufzeichnung während der Änderung der Gelenkstellung nicht unterbrochen war, wurde auf eine Mittelwertbestimmung verzichtet, da die Druckspitzen, die bei der Änderung der Gelenkbeugung auftraten, die Mittelwelle verfälschen würden.
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Messung de* intraossftren Druckes an der Patella
Tabelle l. Kenndaten und summarische Ergebnisse des Patientenkollektivs: *bestehender Gelenkergu , { PD Pedduralan sthesie, ITN Intubationsnarkose.
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120 / 70 130 / 70 120 / 80
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15
13
42.90
47
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130 /80 120 / 70
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12
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43
(34)
56
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(40)
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120 / 70 140 / 60
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45
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6,2
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12.12
13
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140 / 70 130 / 70 160 / 90 180 / 90
TEP
27,10
29
24
(20)
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-
-
-
160 / 60 150 / 70
-
-
PO
160 / 90
PO TN TN PO
Br ck [m Hg]
35 f 38 25
ΛΑ/ΜΙ/ ΛΛ_ΛΜ/ΤΊθΓ
Zflf 15
1B-5
Zeit [secl 10
20
-t30
40
Bild 9. In-vivo-Druckmessung bei 85j hriger Patientin mit Pangonarthrose (Ziffern siehe Text). In diesem Falle wurde als IOD der zuletzt in dieser Stellung gewonnene Wert in die Tabelle aufgenommen. Die entsprechenden Werte sind durch runde Klammern in der Tabelle gekennzeichnet. Schlie lich sind noch die zu Beginn und am Ende der Aufzeichnung registrierten Blutdruckwerte in der Tabelle aufgef hrt. Wenn auch eine eindeutige Zuordnung zum IOD nicht m glich ist bzw. weitestgehend keine Abh ngigkeit ber einen weiten Blutdruckbereich besteht, so k nnen diese Werte doch der Verifizierung eines normotensiven Druckes dienen.
Bild 9 zeigt den IOD-Verlauf der Patella bei einer 85j hrigen Patientin, bei der wegen einer fortgeschrittenen Pangonarthrose eine Knietotalendoprothese implantiert wurde. Die Beweglichkeit des Kniegelenkes betrug 0/10/120° bei Streckung/Beugung bei gleichzeitiger Varusf ehlstellung von 20°. Intraoperativ fand sich eine zarte Synovialis ohne wesentliche Hypertrophie. DermedialeFemurcondyluswarvollst ndigeburnisiert, ebenso wie die korrespondierende Fl che des Tibiaplateaus. Die Patellar ckfl che war glatt erhalten und zeigte au er · randst ndiger Osteophytenbildung keine arthrotischen Ver nderungen. Gemessen wurde bei 10°,
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Messung des intraossären Druckes an der Patella
45° und 120° passiver Beugung des Kniegelenkes, wobei letzterer Wert der maximalen Beugefähigkeit des Gelenkes entsprach. Insgesamt wurden 365 Meßwerte registriert; pro Sekunde wurden 8 Meßwerte aufgezeigt.
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Dieser Abschnitt des Schaubüdes zeigt lediglich die Zeitspanne an, bis der gemessene Druck wieder in den Meßbereich des S.T.I.C. abgefallen ist.
- Bis zur Markierung (5) scheint sich der Druck bei einem Wert von 140 mmHg einpendeln zu wollen, um dann bis zur Markierung (6) sehr rasch auf 60 mmHg - Bis zur Markierung (1) wurde in 10°-Beugung gemesabzufallen. sen. - Zwischen Markierung (1) und (2) wurde mit der Hand Bild 11 dokumentiert die Druckwerte, die bei einer ein mäßiger Druck auf das Gelenk von außen ausgeübt. 59jährigen Patientin anläßlich der Implantation einer - Zwischen Markierung (2) und (3) erfolgte die Messung Knietotalendoprothese gemessen wurden. In einer vorin 45°-Beugung. ausgegangenen Operation war bei der Patientin bereits - Markierung (3) und (4) begrenzen die Messung in 120°- der prothetische Ersatz des femoro-patellaren GleitlaBeugung. gers durchgeführt worden. Bei 8 Messungen pro Sekunde Bild 10 zeigt den lOD-Verlauf bei einem 26jährigen Pa- wurden im Verlauf der Messung insgesamt 1776 Werte tienten, bei dem wegen therapieresistenter Kniegelenk- aufgezeichnet. Bei dieser Messung wurden Druckwerte beschwerden eine diagnostische Arthroskopie durchge- sowohl intraossär als auch intraartikulär aufgenommen. führt wurde. Dabei fand sich als einziger pathologischer Gemessen wurde jeweils in 0°-, 45°- und 90°-Flexion. Befund eine Chondropathia patellae 1°. Die übrigen Abschließend wurde zusätzlich der intraossäre Druck im Gelenkabschnitte waren völlig unauffällig. Registriert lateralen Femurcondylus in 0°-Stellung gemessen. Die wurden insgesamt 1473 Meßwerte bei 8 Messungen/sec. Punkte (1) bis (7) entsprechen wie folgt: Gemessen wurde bei 0°-, 45°- und 90°-Flexion, wobei die - Bis Punkt (3) ist die intraartikuläre Messung dokumentiert. Die Abschnitte vor Punkt (1), (2) und (3) Messung zur Änderung des Flexionsgrades unterbrokennzeichnen jeweils die intraartikuläre Messung in chen wurde. Beim Übergang von 90°- auf 130°-Beugung 0°-, 45°- und 90°-Beugung. wurde versucht, die Druckwerte ausnahmsweise fortVon Punkt (3) bis Punkt (6) ist die intraossäre Messung laufend aufzuzeichnen. Es traten dabei Druckspitzen dargestellt. Zwischen Punkt (3) und (4) Messung in 0°-, auf, die außerhalb des Meßbereiches des S.T.I.C.-Druckzwischen Punkt (4) und Punkt (5) Messung in 45°aufnehmers lagen, so daß keine Werte zur Aufzeichnung Beugung und zwischen (5) und (6) Messung in 90°kamen. In der Graphik ist dies der Bereich zwischen den Beugung. Punkten (3) und (4). Im einzelnen wurden durch die markierten Punkte folgende Meßsituationen beschrie- - Schließlich zeigt der Kurvenbereich von (6) und (7) die Werte, die bei der Messung im Femur gewonnen wurben: den. - Bis zu den mit (1), (2) und (3) markierten Punkten Es findet sich ein stetiger Anstieg des intraossären Druckes Messung in 0°-, 45°- und 90°-Beugung. - Zwischen den Markierungen (3) und (4) liegen die oben mit zunehmender Gelenkbeugung. Die Meßaufzeichnung war während der Änderung der Beugestellung unterbereits erwähnten Druckspitzen. Die in der Graphik bezeichneten Ziffern entsprechen:
160 Druck 140 (M Hgl
120 100
80 60 40 20
0
{•U tml SO
Bild 10. In-vivo-Druckmei»ung bei 2ejährigem Patienten mit Chondnopathi« p*lcllae
200
(Ziffern «ehe Text).
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Biomedizinieche Technik f| Band 37 J Heft 11/1092 -J
Messung des intraossären Druckes an der Patella
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Bild 11. In-vivo-Druckmessung bei 59jähriger Patientin mit Gonarthrose (Ziffern siehe Text), brechen. Beim Vergleich der intraartikulären mit den intraossären Druckwerten ist festzustellen, daß letztere in allen Beugestellungen höher sind. Bei der Beugung des Gelenkes von 0° auf 45° kommt es intraartikulär zu einem Druckabfall, intraossär findet sich keine Druckänderung. 4 Diskussion 4.1 Methodik Zur artefaktarmen Messung des IOD wurde ein Verfahren entwickelt, das ohne vorgängiges Aufbohren des Knochens - mit ansonsten unvermeidlichen Knochenbinnendruckverlust bzw. Setzen einer Blutung - und Anspülen der Punktionskanüle auskommt. Somit werden wesentliche der in der Literatur beschriebenen Störgrößen vermieden [11,27,29,33]. Mit einem Außendurchmesser von 2 mm zählt die vorgestellte Kanüle zu den kleinsten, die bei derartigen Messungen zur Anwendung kommen (Minimierung der Gewebetraumatisierung) [2, 18]. Am gewählten leicht zugänglichen Applikationsort - der lateralen Patella - ergaben sich keine Probleme mit der inherenten Stabilität des Kanülendesigns. Der S.T.I.C.-Druckwandler erwies sich als einfach handhabbar und zuverlässig. Bei In-vitro-Testung gegen ein Statham-Element bei hydrostatisch angelegtem Druck fand sich ein Meßfehler < l % im Meßbereich. Die Abtastfrequenz von 100 Hz hatte den Aufnehmer bereits für die dynamische Druckmessung zum Einsatz kommen lassen [24]. Da im Rahmen unserer Untersuchung lediglich passive Bewegungen studiert wurden, kann derzeit nicht entschieden werden, inwieweit der Meßbereich für dynamische Messungen mit aktiver Muskelkontraktion ausreicht» Die On-line-Aufzeichnung mit stromnetzunabhängigem Arbeiten macht eine Dokumentation . mittels X-Y-Schreiber, insbesondere unter Einsatzbedingungen im OP (Notwendigkeit der galvanischen Trennung zum Ausschluß eines Stromunfalles), über-
flüssig. Die Speicherung der Meßwerte in einem standardisierten Datenformat auf einem PC und die Möglichkeit des Datentransfers auf einem PC lösen das Problem der Archivierung. Die Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit der Meßsoftware von derzeit 8 Hz, insbesondere bei Messungen des IOD unter aktiv-dynamischen Bedingungen, ließe sich durch Compilierung des Basic-Programms bzw. durch Programmierung der Meßroutine in Maschinensprache bewerkstelligen. Im Rahmen unserer Untersuchung reichte jedoch die erreichbare Geschwindigkeit für das Studienmodell der passiven Bewegung völlig aus. Die Möglichkeit, drei weitere Signale parallel zum IOD zu erfassen, die in unserer ersten Untersuchung nicht genutzt wurde, eröffnet ferner die Möglichkeit, Einflußgrößen des IOD systematisch zu untersuchen. 4.2 In-vivo-Studie
·- .
Die vorliegende Studie des intraoperativen IOD an einem begrenzten »zufällig« zusammengesetzten Patientenkollektiv mit Eingriffen am Kniegelenk zeigt, daß einem pathologischen Zustand oder Krankheitsbild kein singulärer spezifischer Druckwert zugeordnet werden kann (vgl. Tabelle 1). Die in der Literatur angegebenen Werte des normalen IOD, gemessen am liegenden und narkotisierten Patienten in Neutralstellung (0°-Beugestellung) des Kniegelenkes reichen von 15 bis 23,8 mmHg [18]. Deutlicher wird die Problematik, wenn man sich neben den Mittelwerten die Maximal- und Minimalwerte besieht: Beim letzgenannten Wert von 23,8 mmHg lag der kleinste Druckwert bei 4 mmHg, der höchste bei 48 mmHg. · · - ·>: . Arnoldi und Lemberg [27] versuchten diesen Wider" sprüchlichkeiten mit der Einführung des Begriffes des »individuellen kritischen Druckwertes« zu begegnen. Eine positive Korrelation von Gelenkstellung und IOD
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Biomedizinische Technik Band37 Heft 11/1992
Messung des intraossären Druckes an der Patella
fällt bei Betrachtung der Büder 9 bis 11 bzw. Tabelle l auf, wie sie auch von mehreren anderen Autoren beschrieben wird [5,9, 18,23].Bei vier Patienten veränderte sich der IOD in 45°-Beugung nicht im Vergleich zur Neutralstellung des Gelenkes (vgl. Bild 11); es kam sogar zu einem leichten Druckabfall (vgl. Tabelle 1). Analoges beobachteten Arnoldi et al. [5] und Bünger et al. [9], die erst ab einer Gelenkbeugung von 40^5° einen signifikanten Druckanstieg verglichen mit der 0°-Stellung beobachteten. Ursächlich dürfte eine Behinderimg der venösen Drainage durch steigende Anspannung von Muskulatur, Sehnen und Kapselstrukturen bei zunehmender Beugung sein, wobei die erhöhte Weichteilspannung erst ab einem gewissen Beugegrad wirksam wird. Daß es bei der 45°-Beugung bei einigen Patienten zum lOD-Anstieg kommt, kann durch einen Gelenkerguß oder eine verminderte Kapselelastizität wie bei Entzündung oder Kapselwandverdickung erklärt werden (Büd 11). Eine positive Korrelation zwischen intraartikulärem Druck und Gelenkstellung bzw. IOD konnte demonstriert werden (Bild 11). Der für den Anwender wohl interessanteste Zusammenhang zwischen Krankheitsbild und spezifischem IOD läßt sich aus unserer Studie nicht ableiten. Insbesondere jene Patienten, die wegen fortgeschrittener Pangonarthrose im Rahmen eines alloplastischen Kniegelenkersatzes operiert wurden, zeigten niedrigste "Mitteldruckwerte zwischen 6,2 und 44,04 mmHg. Interessanterweise ist der IOD bei dem Patienten mit Chondropathia patellae (vgl. Bild 10) bis zu einer 90°Beugung sehr niedrig. Wenn auch die Ätiopathogenese dieser Erkrankung nicht eindeutig geklärt ist, so wird einer regionalen Ischämie eine entscheidende Rolle für ihr Auftreten zugewiesen [22]. Letztlich wäre ein Entstehungsmodell für diese Erkrankung denkbar, bei dem ein erhöhter IOD durch eine Kompression der kleinsten subchondral gelegenen Arteriolen eine Rolle spielt. Dementsprechend müßte man einen erhöhten IOD erwarten. Erhöht ist am gewählten Beispiel nur der Druck bei maximaler Beugung, der jedoch auch rasch wieder abfällt: In Bild 10 manifestiert sich zwischen Punkt 4 und 5 ein Zwischenplateau des Druckes und an Punkt 5 ein plötzlicher Druckabfall. Es entsteht der Eindruck, daß an Punkt 5 ein »zusätzliches Ventil« geöffnet wurde. Ein solches »geöffnetes Ventil« könnte in einer drainierenden Vene bestehen, die durch den flexionsbedingten Anstieg von intraartikulärem Druck und Gewebespannung kollabiert und dann durch beider langsames Absinken wieder durchgängig wurde. Bei der Vielzahl der hier aufgezeigten bzw. in der Literatur beschriebenen Einflußgrößen des IOD bzw. der Abhängigkeit des IOD von dynamischen Vorgängen scheint es zum jetzigen Zeitpunkt nicht plausibel, daß ein einziger gemessener Druckwert »KrankheilswerU hätte. Nur die weitere systematische Untersuchung der dynamischen Regel Vorgänge des IOD dürfte hier weitere Information über dessen Bedeutung und Regelmechanismen bringen. Eine Weiterentwicklung von implantierbaren Aufneh-
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mern [vgl. 11,29], die einheilen und telemetrisch Druckwerte liefern können, dürfte einen Einsatz am wachen und aktiven Probanden wesentlich erleichtern.
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Messung des intraossären Druckes an der Patella
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Korrespondenzanschrift: Prof. Dr. F.-W. Hagena Orthopädische Klinik und Poliklinik der Universität München Klinikuni Großhadern : Marchioninistraße 15 ., . D-8000 München 70
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Messung des intraossären Druckes an der Patella
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Biomed. Technik 37 (1992), 263-272
W. Häuf1 Th. Mittlmeier2 F.-W. Hagena1 W. Plitz3
Methode zur In-vivo-Messung des intraossären Druckes an der Patella In Vivo Measurement of the Intra-osseous Pressure of the Human Patella 1 Orthopädische Klinik 2
3
und Poliklinik der Universität München, Klinikum Großhadern Chirurgische Klinik und Poliklinik der Universität München, Klinikum Großhadern Labor für Biomechanik und experimentelle Orthopädie, Staatliche Orthopädische Klinik, München
Schlüsselwörter: In-vivo-Meßtechnik, intraossärer Druck, Arthrose, Chondropathia patellae Dem intraossären Druck (IOD) wird bei der Entstehung degenerativer Gelenkerkrankungen (Arthrose, Chondropathien) diagnostische und pathogenetische Bedeutung beigemessen. Meßtechnische Probleme und fehlende systematische Untersuchungen der Regelmechanismen des IOD haben bislang verhindert, entscheidende Erkenntnisse über die effektive Bedeutung des IOD zu sammeln. Es wird ein Meßverfahren vorgestellt, das eine artefaktarme Erfassung des IOD in vivo sowie eine standardisierte Weiterverarbeitung und Auswertung des Signals erlaubt. Das Verfahren wird an einem In-vitro-Modell hinsichtlich seiner Reliabilität getestet und der IOD an einem limitierten Patientengut intraoperativ bei Eingriffen am Kniegelenk gemessen. Einige Einflußgrößen (Gelenkerguß, Gelenkstellung, Veränderungen an den intraartikulären Weichgeweben) werden untersucht. Key-words: In vivo measuring method - intra-osseous pressure - ostheoarthritis - chondropathia patellae During the development of degenerative joint disease (osteoarthritis, chondropathy), a diagnostic or even pathogenetic role is attributed to the phenomenon of intraosseous pressure (IOP). Owing to technical problems and a lack of systematic experimental or clinical studies on the control mechanisms of the IOP, the actual importance of this factor is still not known with certainty. Now, a measuring method that enables correct recording of the IOP and standardized on-line processing of the measured Signal minimize artefact-related problems. The technique is evaluated f or reliability in an in vitro model of the human patella and in a limited clinical study of the IOP in patients undergoing knee surgery for various reasons. Factors such äs intraarticular effusion, joint position or changes in intra-articular soft tissue are examined for their influence of the primary Signal.
l Einleitung Degenerative Gelenkerkrankungen besitzen wegen ihrer relativen Häufigkeit bei zunehmender mittlerer Lebenserwartung und steigenden Ansprüchen an die Belastbarkeit der großen Gelenke auch im höheren Alter große sozialmedizinische Bedeutung. Abgesehen von den sogenannten sekundären Arthroseformen mit bekannter Ursache ist die Ätiopathogenese der zahlenmäßig am häufigsten beobachteten primären Arthrose nicht hinreichend geklärt. Bereits vor mehr als zwei Jahrzehnten wurde auf den möglichen Zusammenhang zwischen dem in Knochen herrschenden Binnendruck und klinischen Krankheitsbildern hingewiesen [l, 5, 28, 37]. Eine Erhöhung des intra-ossären Druckes (IOD) wurde sowohl bei degenerativen Erkrankungen als auch bei entsprechenden klinischen subjektiven Schmerzbildern ohne mor* phologisches Korrelat an verschiedenen Gelenken beobachtet {4, 6,13,16,17,18, 20, 21, 25, 27, 31). In der Ära vor der Etablierung des Gelenkersatzes bei durch fortgeschrittene Arthrose destruierten Gelenken konnte durch einmalige *Druckentlastung« durch ex-
ternes Aufbohren oder eine Osteotomie der gelenkbildenden Knochen (z. B. proximaler Humerus, Schenkelhals) eine längerfristig anhaltende Ad-hoc-Besserung der klinischen Beschwerden erzielt werden [1,16]. Weiterhin wird dem IOD auch eine physiologische Bedeutung im Sinne einer inneren Stabilisierung mit Erhöhung der In-vivo Belastbarkeit des »hydraulischen Systems Knochen« zugeschrieben [14]. Natürlich ist der IOD keine statische Größe und wird im wesentlichen als Nettobilanz von arteriellem Zustrom und venösem Abstrom bestimmt. So konnten bei Störungen des venösen Abstromes deutliche Steigerungen des IOD registriert werden [l, 2,3,4,8,15,16,17,18,23, 27, 32, 35]. Die Gelenkstellung [5, 9, 18, 23], die Belastung einer Extremität, die Betätigung der Muskelpumpe [20,26, 27], ein eventuell vorhandener Gelenkerguß [5,9,19,12,23], Medikamente [36], Änderungen des Säure-Basen-Haushaltes [34], und histomorphologische Veränderungen wie Synovitidcn [10, 23], Änderungen der Knorpel-Knochen-Struktur [7, 19, 30] oder das intramedulläre FeUzellvOlumen [36] nehmen signifikant Einfluß auf die aktuelle Höhe des IOD.
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Messung des intraossären Druckes an der Patella
Zum jetzigen Zeitpunkt ist nicht geklärt, ob den Schwankungen oder etwaigen »Sollwertvorstellungen« des IOD primär Bedeutung bei den erwähnten Krankheitsbildern zukommt oder ob es sich um ein reines Begleitphünomen bzw. meßtechnisch bedingte Fehlinterpretationen handelt, Demnach erscheint heute im Zuge einer weiteren Klärung des Phänomens IOD eine möglichst korrekte Bestimmung des IOD wünschenswert. Die Widersprüchlichkeit bisheriger experimenteller oder klinischer Studien zur Erfassung des IOD beruht nicht zuletzt auf der teil weisen Unzulänglichkeit der applizierten Systeme und Methoden zur Erfassung und Aufzeichnung des IOD.
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2 Material und Methode 2.1 Meßkanüle
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Gefordert war eine Kanüle, die einerseits bei geringem Außendurchmesser (Schonung des zu punktierenden Knochens durch geringe Defektbildung) robust genug zur Punktion corticalen Knochens war, keinen Druckverlust zuließ und andererseits nicht durch Knochenpartikel/Knochenmehl häufig verlegt wurde bzw. angespült werden mußte (artefizielle Erhöhung des IOD bei kleinem Verteilungsvolumen). . ·
Nach ersten Erprobungsserien mit einem selbst entwikkelten Kanülenmodell wurde auf die in der gynäkologischen Laparoskopie gängige »Veress-Kanüle« zuHauptziele der vorliegenden Studien sollten deshalb rückgegriffen. Aufbau und Funktionisweise der Kanüle, sein: die aus einer Außen- (2x125 mm) und einer Innenkanüle besteht, sind in Bild l schematisch dargestellt. Wäh1. Ein geschlossenes Meßsystem Meßkanüle-Drucksenrend des Punktionsvorganges befindet sich die Innensor zu entwickeln, das einen potentiellen Druckverkanüle vollständig in die Außenkanüle zurückgezogen, lust durch Manipulation wie Anbohren oder Anspüwodurch eine Verlegung des Kanülenlumens vermieden len der Meßkanüle vermeidet, wird. Nach Durchstoßen der Corticalis wird die Innen2. ein computergestütztes Verfahren zur On-line-Re- kanüle um einige Millimeter nach vorne geschoben, so gistrierung/Auswertung des IOD zu schaffen - ggf. daß die seitliche Öffnung der Innenkanüle freiliegt und im Verbund mit der gleichzeitigen Aufzeichnung wei- die Messung des IOD ermöglicht wird.Ein verschließterer Meßgrößen -, das auch raschen Änderungen des barer Drehhahn verhindert einen Druckverlust wähIOD bei dynamischen Vorgängen gerecht wird, rend des Punktionsvorganges. Nach korrekter Plazie3. eine In-vitro-Testung des Meßsystems zur Erfassung rung erfolgt die Verbindung von Kanüle und Druckaufnehmer über einen mit physiologischer Kochsalzder Meßgenauigkeit und lösung gefüllten Infusionsschlauch am Luer-Lockan4. eine erste limitierte klinische Erprobung an einem schluß der Kanüle. Zur Vermeidung von Blutgerinnseln Patientenkollektiv mit verschiedenen bekannten an der Kanülenspitze ist der Salzlösung eine kleine Krankheitsbildern durch Messung des IOD der Patella Menge Heparin beigemischt. ' ,/ durchzuführen.
b)
d)
Bild la-d. Schematischer Punktionsvorgang an der Patella mit der Veresskanüle (Doppellumenkanüle): Die innere Meßkanüle weicht beim Aufsetzen auf den Knochen zurück und wird erst am Meßort wieder vorgeschoben; somit wird eine Verlegung der Kanüle durch Knochendebrjs vermieden. > · · . · · . , : v ·.· . : ··.·-·.>. Brought to you by | New York University Bobst Library Technical Services Authenticated Download Date | 6/6/15 9:38 PM
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Messung des intraossären Druckes an der Patella
2.2 Druckaufnehmer Als Druckaufnehmer wurde der bereits von anderen Autoren [24] zur interstitiellen Muskelkompartmentdruckmessung eingeführte S.T.LC.-Aufnehmer (Firma Stryker, CH-1700 Granges) verwandt (Bild 2). Geringes Gewicht (150 g), kleine Dimensionierung (120 70 35 mm) und netzunabhängige Versorgung durch 9-VBatterie bei steriler Einwegmeßkammer gaben den Ausschlag für die Wahl dieses Aufnehmertyps. Der Meßbereich von 0-200 mmHg (0-266,6 hPa; wegen der
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Wandler mit einer Wandelzeit von 5 ms. Bei einem Meßwertebereich von 0-200 mmHg entspricht dies einer maximalen Auflösung von 0,05 mmHg. Der 4-Kanal-Wandler erlaubt neben der Verarbeitung des IODSignals die weitere Verarbeitung von Meßgrößen wie dem arteriellen Blutdruck und dem zentralen Venendruck des Patienten in digitaler Form. Aufgrund der' Arbeitsspannung üblicher A/D- Wandler von ± 5Vmußte das Millivoltsignal des S.T.I.C. um den Faktor 100 mittels eines Vorverstärkers verstärkt werden (PTLElektronik, München). Computer und Vorverstärker werden durch einen eingebauten 6-V-Akku versorgt. Ein achtzigstelliges LCD-Display und eine Tastatur mit 16 vierfach belegbaren Tasten erlauben eine Kommunikation mit dem PC-Rechner als Terminal (Bild 3). Bei einer maximalen Speicherkapazität von 32 kB im externen RAM kann der Computer bis zu 16000 einzelne Druckwerte speichern. Jeder Meßwert belegt somit 2 Byte Speicherplatz. Die anfallenden Daten werden im ASCII-Format gespeichert. Die Programmierung erfolgte unter Zuhilfenahme eines PC, an welchen der Meßcomputer über die serielle Schnittstelle angeschlossen ist. Das Meßprogramm hat eine Größe von 2000 Byte und ist im Basic-EPROM gespeichert, aus welchem es auch ausgeführt wird. Dies hat den Vorteil, daß die Meßsoftware keinen RAMSpeicher belegt. Das Meßprogramm wurde interaktiv gehalten und erlaubt die individuelle Wahl der Meßfrequenz (derzeit bis maximal 8 Hz). Zusätzlich besteht die Möglichkeit der Kommentareingabe und somit der Zuordnung zum Meßort bzw. der Beugestellung eines Gelenkes. 2.4 Datenauswertung
Bild 2. Der S.T.LC.-Aufnehmer mit angeschlossenem Kanülensystem.
in der Medizin noch gebräuchlichen Angabe in mmHg wird auch im folgenden diese Einheit weiterverwandt) bei einer Meßfrequenz von 100 Hz lassen den Aufnehmer für die Messung des IOD als geeignet erscheinen. Der Nullabgleich erfolgt gegen den Umgebungsdruck mittels »Zero«-Taste. Neben einer Direktausgabe des gemessenen Druckes an einer Digitalanzeige verfügt der S.T.I.C. über eine Ausgangsbuchse, die ein drucklineares Millivoltsignal von 0-50 mV abgibt.
Nach Verbindung von Meßcomputer und PC durch ein steriles Kabel erfolgt die Übernahme der aufgezeichneten Daten und Kommentare mit Hilfe eines Übernahmeprogrammes auf Festplatte bzw. Diskette. Werden initial am PC Patientenname und Geburtsdatum eingegeben, so wird die Meßdatei vom Programm automatisch mit den Initialen des Patienten und dessen Geburtsdaten benannt. Nach Abschluß der Übergabe beendet sich das Übernahmeprogramm selbst. Ein versehentliches Überschreiben von Meßdaten ist nicht möglich, da die Daten im RAM-Speicher gelöscht werden müssen, bevor dieser wieder freigegeben wird. Unter Zuhilfenahme eines Auswerteprogrammes läßt sich die Meßdatci graphisch und statistisch aufarbeiten.
2.3 Datenspeicher/Software Da ein X-Y-Schreiber zur Datenausgabe bei raschen Druckänderungen wegen des erheblichen Aufwands und entsprechend den geltenden Vorschriften zum Einsatz am Patienten im OP als wenig geeignet erschien, wurde ein spezieller netzunabhängiger Meßcomputer konstruiert. Kernstück des Computers ist ein Basis-EMUF (Firma Elektronikladen, Detmold) mit einem 4-Kanal-12-bit-
2.5 In-vitro-Messung an der Patella Zur Überprüfung der Meßgenauigkeit des Druckaufnehmers bzw. zur Ermittlung dos optimalen Meßortes mit geringem Corticaliswiderstand wurde eine Leichenpatclla in Epoxidharz eingebettet und an der Gelenkfläche über ein Verbindungsstück ein skaliertes Plcxiglassteigrohrangeschlossen.Diesennöuliehteden Aufbau eines definierten etatischen . Nach dem
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Messung des intraossüren Druckes an der Patella
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MEDIMESS BONEPRESSURE B E L I E B I G E TASTE D R Ü C K E N
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Bild 3a, b. Der Meßcomputer a) schematisch, b) in der verwendeten Ausführung.
Aufbohren der Harzschicht wurde die Patella mit der Veress-Kanüle punktiert (Bild 4). Bild 5 zeigt die vier Meßorte an der Patella Schema tisch. Die Messung wurde mit dem S.T.I.C.-Monitor und dem im klinischen Gebrauch zur blutigen arteriellen Druckmessung verwandten Statham-Element bei verschiedenen hydrostatischen Drucken durchgeführt. 2.6 In-vivo-Messung an der Patella Die vorgestellte Technik zur Erfassung des IOD wurde an 11 Patienten, die sich einem operativen Eingriff am Knie unterzogen, angewandt (vgl. Tabelle 1). Eine zusätzliche individuelle Einwilligung jedes Patienten zu
Bil4 4. In-vitro-Modell der Druckmessung an der Patella,
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Messung des intraossären Druckes an der Patella
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basix paiellat -Pitellidruck ex i
80
fmmHg]
70 60
•PttelUdruck ex 2 •Patelladruck ex 3 • Patelladrnck ex 4
50 40 30 20 10
90
• apex patellae
100
Bild 8. Ergebnis der In-vitro-Messung an den Punkten 1-4 bei hydrostatisch angelegtem Druck mittels Steigrohr.
Bild 5. Schema der Meßorte 1-4 an der Patella.
dieser Maßnahme wurde im Rahmen der Aufklärung zur Operation eingeholt (»informed consent«). Nach entsprechender Vorbereitung wird unter sterilen Kautelen an der lateralen PateUaf acette 2 cm distal der Patellabasis eine Stichinzision vorgenommen und anschließend mit der Veresskanüle die Patella punktiert (vgl. Bild 5, Punkt 4 sowie Bild 6 und 7). Vorgängig
werden der Infusionsschlauch und die Punktionskanüle mit heparinhaltiger physiologischer Kochsalzlösung entlüftet. Nach Nullabgleich wird der Verschlußhahn der Kanüle geöffnet. Das Meßprogramm wird durch Einschalten des Computers gestartet. Der IOD wird in 0°-, 45°- und 90°-Beugestellung sowie bei maximaler Beugung des Kniegelenkes gemessen. Während der Änderung der Gelenkstellung wird die Aufzeichnung in der Regel unterbrochen und ein entsprechender Kommentar vermerkt. 3 Ergebnisse 3.1 In-vitro-Messung
Büd 6. Punktionsvorgang der Patella In-vivo,
Bild 7 Radiologische Lagekontroll* der Meßkenülenspllzc in der Patella (Tagentialaufnahme).
Bild 8 gibt das Ergebnis der In-vitro-Messung an den vier bezeichneten Punktionsstellen wieder. Es findet sich eine nahezu lineare Entsprechung zwischen »angelegter« Wassersäule und Druckwert in Millimeter Quecksilber. Die minimalen Differenzen zwischen den einzelnen Meßorten sind bei unveränderter Höhe des Verbindungsstückes Wassersäule/Kniescheibe beeinflußt durch die Höhe des Druckaufnehmers am entsprechenden Meßpunkt: befindet sich der Druckaufnehmer höher als die Anschlußstelle des Steigrohres, subtrahiert sich diese Höhendifferenz von der Höhe der »angelegten« Wassersäule, liegt er tiefer, addiert sie sich. Somit wird an den Punkten l und 4 ein zu niedriger Druck, an Punkt 3 ein etwas zu hoher Druck gemessen. Punkt 2 befindet sich exakt auf Höhe des Steigrohranschlusses. Bei Gegenüberstellung der Ergebnisse mit dem Statham-Element findet sich im gesamten Meßbereich eine maximale Abweichung < l %. 3.2 In-vivo-Mcssung Tabelle l gibt die Kenndaten der Patienten, der OPDiagnose, der Anästhosieform sowie der Meßwerte des IOD als mittlerer Druck bzw. die Maximal- und Minimalwerte bei den verschiedenen Gelenkstellungen wieder. Soweit die Meßwertaufzeichnung während der Änderung der Gelenkstellung nicht unterbrochen war, wurde auf eine Mittelwertbestimmung verzichtet, da die Druckspitzen, die bei der Änderung der Gelenkbeugung auftraten, die Mittelwelle verfälschen würden.
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Messung de* intraossftren Druckes an der Patella
Tabelle l. Kenndaten und summarische Ergebnisse des Patientenkollektivs: *bestehender Gelenkergu , { PD Pedduralan sthesie, ITN Intubationsnarkose.
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77
Varusgonartftrose
UnicondyUre 14,11 SchltUenprothes«
16
81
Horbus Aftlbdck Hedlale Gonarthrose
itP
45.56
59
Gonirthrose
IEP
74
Gondrthrose
Θ2
Gonarllirose
48
Njf-
tu fttglnn koM
M IM·
140 / 80
PO ΠΝ
30.0
J2
27
120 / 70 130 / 70 120 / 80
3t
37.00
39
36
160 / 100 ITN 140 / 80
15
13
42.90
47
3Θ
130 /80 120 / 70
JIH
25.13
27
24
31.27
36
30
130 / 80 110 / 70
ITN
12
13,61
15
12
23.61
25
22
160/60' UM
4Θ
43
(34)
56
32
(40)
66
45
120 / 70 140 / 60
44,04
45
43
43,65
45
43
62.11
63
59
1£P
6,2
8
4
12.12
13
12
16.67
20
16
140 / 70 130 / 70 160 / 90 180 / 90
TEP
27,10
29
24
(20)
43
20
-
-
-
160 / 60 150 / 70
-
-
PO
160 / 90
PO TN TN PO
Br ck [m Hg]
35 f 38 25
ΛΑ/ΜΙ/ ΛΛ_ΛΜ/ΤΊθΓ
Zflf 15
1B-5
Zeit [secl 10
20
-t30
40
Bild 9. In-vivo-Druckmessung bei 85j hriger Patientin mit Pangonarthrose (Ziffern siehe Text). In diesem Falle wurde als IOD der zuletzt in dieser Stellung gewonnene Wert in die Tabelle aufgenommen. Die entsprechenden Werte sind durch runde Klammern in der Tabelle gekennzeichnet. Schlie lich sind noch die zu Beginn und am Ende der Aufzeichnung registrierten Blutdruckwerte in der Tabelle aufgef hrt. Wenn auch eine eindeutige Zuordnung zum IOD nicht m glich ist bzw. weitestgehend keine Abh ngigkeit ber einen weiten Blutdruckbereich besteht, so k nnen diese Werte doch der Verifizierung eines normotensiven Druckes dienen.
Bild 9 zeigt den IOD-Verlauf der Patella bei einer 85j hrigen Patientin, bei der wegen einer fortgeschrittenen Pangonarthrose eine Knietotalendoprothese implantiert wurde. Die Beweglichkeit des Kniegelenkes betrug 0/10/120° bei Streckung/Beugung bei gleichzeitiger Varusf ehlstellung von 20°. Intraoperativ fand sich eine zarte Synovialis ohne wesentliche Hypertrophie. DermedialeFemurcondyluswarvollst ndigeburnisiert, ebenso wie die korrespondierende Fl che des Tibiaplateaus. Die Patellar ckfl che war glatt erhalten und zeigte au er · randst ndiger Osteophytenbildung keine arthrotischen Ver nderungen. Gemessen wurde bei 10°,
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Biomedizinische Technik Band 37 Heft 11/1992
Messung des intraossären Druckes an der Patella
45° und 120° passiver Beugung des Kniegelenkes, wobei letzterer Wert der maximalen Beugefähigkeit des Gelenkes entsprach. Insgesamt wurden 365 Meßwerte registriert; pro Sekunde wurden 8 Meßwerte aufgezeigt.
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Dieser Abschnitt des Schaubüdes zeigt lediglich die Zeitspanne an, bis der gemessene Druck wieder in den Meßbereich des S.T.I.C. abgefallen ist.
- Bis zur Markierung (5) scheint sich der Druck bei einem Wert von 140 mmHg einpendeln zu wollen, um dann bis zur Markierung (6) sehr rasch auf 60 mmHg - Bis zur Markierung (1) wurde in 10°-Beugung gemesabzufallen. sen. - Zwischen Markierung (1) und (2) wurde mit der Hand Bild 11 dokumentiert die Druckwerte, die bei einer ein mäßiger Druck auf das Gelenk von außen ausgeübt. 59jährigen Patientin anläßlich der Implantation einer - Zwischen Markierung (2) und (3) erfolgte die Messung Knietotalendoprothese gemessen wurden. In einer vorin 45°-Beugung. ausgegangenen Operation war bei der Patientin bereits - Markierung (3) und (4) begrenzen die Messung in 120°- der prothetische Ersatz des femoro-patellaren GleitlaBeugung. gers durchgeführt worden. Bei 8 Messungen pro Sekunde Bild 10 zeigt den lOD-Verlauf bei einem 26jährigen Pa- wurden im Verlauf der Messung insgesamt 1776 Werte tienten, bei dem wegen therapieresistenter Kniegelenk- aufgezeichnet. Bei dieser Messung wurden Druckwerte beschwerden eine diagnostische Arthroskopie durchge- sowohl intraossär als auch intraartikulär aufgenommen. führt wurde. Dabei fand sich als einziger pathologischer Gemessen wurde jeweils in 0°-, 45°- und 90°-Flexion. Befund eine Chondropathia patellae 1°. Die übrigen Abschließend wurde zusätzlich der intraossäre Druck im Gelenkabschnitte waren völlig unauffällig. Registriert lateralen Femurcondylus in 0°-Stellung gemessen. Die wurden insgesamt 1473 Meßwerte bei 8 Messungen/sec. Punkte (1) bis (7) entsprechen wie folgt: Gemessen wurde bei 0°-, 45°- und 90°-Flexion, wobei die - Bis Punkt (3) ist die intraartikuläre Messung dokumentiert. Die Abschnitte vor Punkt (1), (2) und (3) Messung zur Änderung des Flexionsgrades unterbrokennzeichnen jeweils die intraartikuläre Messung in chen wurde. Beim Übergang von 90°- auf 130°-Beugung 0°-, 45°- und 90°-Beugung. wurde versucht, die Druckwerte ausnahmsweise fortVon Punkt (3) bis Punkt (6) ist die intraossäre Messung laufend aufzuzeichnen. Es traten dabei Druckspitzen dargestellt. Zwischen Punkt (3) und (4) Messung in 0°-, auf, die außerhalb des Meßbereiches des S.T.I.C.-Druckzwischen Punkt (4) und Punkt (5) Messung in 45°aufnehmers lagen, so daß keine Werte zur Aufzeichnung Beugung und zwischen (5) und (6) Messung in 90°kamen. In der Graphik ist dies der Bereich zwischen den Beugung. Punkten (3) und (4). Im einzelnen wurden durch die markierten Punkte folgende Meßsituationen beschrie- - Schließlich zeigt der Kurvenbereich von (6) und (7) die Werte, die bei der Messung im Femur gewonnen wurben: den. - Bis zu den mit (1), (2) und (3) markierten Punkten Es findet sich ein stetiger Anstieg des intraossären Druckes Messung in 0°-, 45°- und 90°-Beugung. - Zwischen den Markierungen (3) und (4) liegen die oben mit zunehmender Gelenkbeugung. Die Meßaufzeichnung war während der Änderung der Beugestellung unterbereits erwähnten Druckspitzen. Die in der Graphik bezeichneten Ziffern entsprechen:
160 Druck 140 (M Hgl
120 100
80 60 40 20
0
{•U tml SO
Bild 10. In-vivo-Druckmei»ung bei 2ejährigem Patienten mit Chondnopathi« p*lcllae
200
(Ziffern «ehe Text).
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Biomedizinieche Technik f| Band 37 J Heft 11/1092 -J
Messung des intraossären Druckes an der Patella
7l
»ruck
(M Hfl
Zeit 11 cd 50
H100
-4-
150 '
ifcr
Bild 11. In-vivo-Druckmessung bei 59jähriger Patientin mit Gonarthrose (Ziffern siehe Text), brechen. Beim Vergleich der intraartikulären mit den intraossären Druckwerten ist festzustellen, daß letztere in allen Beugestellungen höher sind. Bei der Beugung des Gelenkes von 0° auf 45° kommt es intraartikulär zu einem Druckabfall, intraossär findet sich keine Druckänderung. 4 Diskussion 4.1 Methodik Zur artefaktarmen Messung des IOD wurde ein Verfahren entwickelt, das ohne vorgängiges Aufbohren des Knochens - mit ansonsten unvermeidlichen Knochenbinnendruckverlust bzw. Setzen einer Blutung - und Anspülen der Punktionskanüle auskommt. Somit werden wesentliche der in der Literatur beschriebenen Störgrößen vermieden [11,27,29,33]. Mit einem Außendurchmesser von 2 mm zählt die vorgestellte Kanüle zu den kleinsten, die bei derartigen Messungen zur Anwendung kommen (Minimierung der Gewebetraumatisierung) [2, 18]. Am gewählten leicht zugänglichen Applikationsort - der lateralen Patella - ergaben sich keine Probleme mit der inherenten Stabilität des Kanülendesigns. Der S.T.I.C.-Druckwandler erwies sich als einfach handhabbar und zuverlässig. Bei In-vitro-Testung gegen ein Statham-Element bei hydrostatisch angelegtem Druck fand sich ein Meßfehler < l % im Meßbereich. Die Abtastfrequenz von 100 Hz hatte den Aufnehmer bereits für die dynamische Druckmessung zum Einsatz kommen lassen [24]. Da im Rahmen unserer Untersuchung lediglich passive Bewegungen studiert wurden, kann derzeit nicht entschieden werden, inwieweit der Meßbereich für dynamische Messungen mit aktiver Muskelkontraktion ausreicht» Die On-line-Aufzeichnung mit stromnetzunabhängigem Arbeiten macht eine Dokumentation . mittels X-Y-Schreiber, insbesondere unter Einsatzbedingungen im OP (Notwendigkeit der galvanischen Trennung zum Ausschluß eines Stromunfalles), über-
flüssig. Die Speicherung der Meßwerte in einem standardisierten Datenformat auf einem PC und die Möglichkeit des Datentransfers auf einem PC lösen das Problem der Archivierung. Die Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit der Meßsoftware von derzeit 8 Hz, insbesondere bei Messungen des IOD unter aktiv-dynamischen Bedingungen, ließe sich durch Compilierung des Basic-Programms bzw. durch Programmierung der Meßroutine in Maschinensprache bewerkstelligen. Im Rahmen unserer Untersuchung reichte jedoch die erreichbare Geschwindigkeit für das Studienmodell der passiven Bewegung völlig aus. Die Möglichkeit, drei weitere Signale parallel zum IOD zu erfassen, die in unserer ersten Untersuchung nicht genutzt wurde, eröffnet ferner die Möglichkeit, Einflußgrößen des IOD systematisch zu untersuchen. 4.2 In-vivo-Studie
·- .
Die vorliegende Studie des intraoperativen IOD an einem begrenzten »zufällig« zusammengesetzten Patientenkollektiv mit Eingriffen am Kniegelenk zeigt, daß einem pathologischen Zustand oder Krankheitsbild kein singulärer spezifischer Druckwert zugeordnet werden kann (vgl. Tabelle 1). Die in der Literatur angegebenen Werte des normalen IOD, gemessen am liegenden und narkotisierten Patienten in Neutralstellung (0°-Beugestellung) des Kniegelenkes reichen von 15 bis 23,8 mmHg [18]. Deutlicher wird die Problematik, wenn man sich neben den Mittelwerten die Maximal- und Minimalwerte besieht: Beim letzgenannten Wert von 23,8 mmHg lag der kleinste Druckwert bei 4 mmHg, der höchste bei 48 mmHg. · · - ·>: . Arnoldi und Lemberg [27] versuchten diesen Wider" sprüchlichkeiten mit der Einführung des Begriffes des »individuellen kritischen Druckwertes« zu begegnen. Eine positive Korrelation von Gelenkstellung und IOD
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Messung des intraossären Druckes an der Patella
fällt bei Betrachtung der Büder 9 bis 11 bzw. Tabelle l auf, wie sie auch von mehreren anderen Autoren beschrieben wird [5,9, 18,23].Bei vier Patienten veränderte sich der IOD in 45°-Beugung nicht im Vergleich zur Neutralstellung des Gelenkes (vgl. Bild 11); es kam sogar zu einem leichten Druckabfall (vgl. Tabelle 1). Analoges beobachteten Arnoldi et al. [5] und Bünger et al. [9], die erst ab einer Gelenkbeugung von 40^5° einen signifikanten Druckanstieg verglichen mit der 0°-Stellung beobachteten. Ursächlich dürfte eine Behinderimg der venösen Drainage durch steigende Anspannung von Muskulatur, Sehnen und Kapselstrukturen bei zunehmender Beugung sein, wobei die erhöhte Weichteilspannung erst ab einem gewissen Beugegrad wirksam wird. Daß es bei der 45°-Beugung bei einigen Patienten zum lOD-Anstieg kommt, kann durch einen Gelenkerguß oder eine verminderte Kapselelastizität wie bei Entzündung oder Kapselwandverdickung erklärt werden (Büd 11). Eine positive Korrelation zwischen intraartikulärem Druck und Gelenkstellung bzw. IOD konnte demonstriert werden (Bild 11). Der für den Anwender wohl interessanteste Zusammenhang zwischen Krankheitsbild und spezifischem IOD läßt sich aus unserer Studie nicht ableiten. Insbesondere jene Patienten, die wegen fortgeschrittener Pangonarthrose im Rahmen eines alloplastischen Kniegelenkersatzes operiert wurden, zeigten niedrigste "Mitteldruckwerte zwischen 6,2 und 44,04 mmHg. Interessanterweise ist der IOD bei dem Patienten mit Chondropathia patellae (vgl. Bild 10) bis zu einer 90°Beugung sehr niedrig. Wenn auch die Ätiopathogenese dieser Erkrankung nicht eindeutig geklärt ist, so wird einer regionalen Ischämie eine entscheidende Rolle für ihr Auftreten zugewiesen [22]. Letztlich wäre ein Entstehungsmodell für diese Erkrankung denkbar, bei dem ein erhöhter IOD durch eine Kompression der kleinsten subchondral gelegenen Arteriolen eine Rolle spielt. Dementsprechend müßte man einen erhöhten IOD erwarten. Erhöht ist am gewählten Beispiel nur der Druck bei maximaler Beugung, der jedoch auch rasch wieder abfällt: In Bild 10 manifestiert sich zwischen Punkt 4 und 5 ein Zwischenplateau des Druckes und an Punkt 5 ein plötzlicher Druckabfall. Es entsteht der Eindruck, daß an Punkt 5 ein »zusätzliches Ventil« geöffnet wurde. Ein solches »geöffnetes Ventil« könnte in einer drainierenden Vene bestehen, die durch den flexionsbedingten Anstieg von intraartikulärem Druck und Gewebespannung kollabiert und dann durch beider langsames Absinken wieder durchgängig wurde. Bei der Vielzahl der hier aufgezeigten bzw. in der Literatur beschriebenen Einflußgrößen des IOD bzw. der Abhängigkeit des IOD von dynamischen Vorgängen scheint es zum jetzigen Zeitpunkt nicht plausibel, daß ein einziger gemessener Druckwert »KrankheilswerU hätte. Nur die weitere systematische Untersuchung der dynamischen Regel Vorgänge des IOD dürfte hier weitere Information über dessen Bedeutung und Regelmechanismen bringen. Eine Weiterentwicklung von implantierbaren Aufneh-
271
mern [vgl. 11,29], die einheilen und telemetrisch Druckwerte liefern können, dürfte einen Einsatz am wachen und aktiven Probanden wesentlich erleichtern.
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Biomedizinische Technik Band37 ' - Heft 11/1992 ^
Messung des intraossären Druckes an der Patella
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Korrespondenzanschrift: Prof. Dr. F.-W. Hagena Orthopädische Klinik und Poliklinik der Universität München Klinikuni Großhadern : Marchioninistraße 15 ., . D-8000 München 70
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![[Chondromalacia of the patella and intraosseous pressure. A study of 43 patients].](/assets/img/hold.png)
