Biomechanische Untersuchungen an

Rippenosteosynthesen
296
Literaturverzeichnis
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Biomedizinische Technik
Band 26
Heft 12/1981
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089
Anschrift der Verfasser:
Institut für Elektro- und
biomedizinische Technik
Technische Universität Graz
Inffeldgasse 18
A-8010 Graz/Österreich
Biomed. Technik
26 (1981), 296-301
H. Bötsch
K. E. Rehm
Biomechanische Untersuchungen an Rippenosteosynthesen
Biomechanical Experiments of Osteosynthesis with Fractured Ribs
Aus dem Kunststoffprüflabor der Fachhochschule München, Prof. Dr. Ing. H. Bötsch
und der Klinik für Unfallchirurgie der Justus-Liebig-Universität Gießen
(Leitender Arzt: Prof. Dr. H. Ecke)
Schlüsselwörter: Rippenosteosynthesen, Dauerbelastbarkeit, Festigkeit und Elastizität von
menschlichen Rippen
Zur Stabilisierung von gebrochenen Rippen bei Verletzungen des Brustkorbes werden eine große
Anzahl von Osteosynthesen empfohlen. Die Aufgabe dieser Osteosynthesen besteht darin, Bewegungen zwischen den Bruchenden während der Atemexkursionen weitgehend zu verhindern
und die Dauerbelastbarkeit bis zur knöchernen Heilung zu gewährleisten.
In einer Versuchsreihe wurde die Festigkeit und die Elastizität von menschlichen Rippen unersucht. Nach dem Brechen der Rippen wurden diese mit den verschiedenen Osteosynthesen stabilisiert und daraufhin das mechanische Verhalten erneut untersucht. An einigen ausgewählten
Montagen wurde die Dauerbelastbarkeit geprüft.
Trotz stark unterschiedlicher Festigkeitswerte der zur Verfügung stehenden Rippen verschiedener Herkunft zeigten die Versuche eindeutig, daß eine Verhinderung von Bewegungen an den
Bruchenden bei physiologischer Belastung und 'die erforderliche Dauerfestigkeit nur durch
stabile, in ihrem Steifigkeitsverlauf genau abgestimmte Montageplatten erreicht werden kann.
» ·
Key-words: Osteosynthesis with fractured Ribs, Permanent burdening, Stability and elasticity
of human Ribs
A large number of Osteosynthesis are recommended for the stabilization of fractured ribs due to
ehest injuries. The function of those Osteosynthesis is to prevent by f ar any movement between the
ends of fractures during the respiratory excursions and to guarantee a permanent burdening up
to bone formation.
.
. .
·
Stability and elasticity of human ribs had been examined by a series of experiments. The ribs had
been broken and later on stabilized by various osteosynthsis. Subsequently the mechanical
behavior had been examined once more. The permanent burdening had been tested by means of
some special assemblings.
.
The ribs to be tested were of various origin. Its Stability was extreme different. Nevertheless the
tests clearly showed that movementsat the ends of fractures under physiological burdening may
be prevented by stable assembly plates only. In order to obtain a permanent Stability the
elasticity of the assembly plates must correspond with the
ribs.
*
l Einleitung
Bei bestimmten, durch Unfälle hervorgerufenen Verletzungen des Brustkorbes ist es möglich, gebrochene
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Rippen durch chirurgisch anzubringende metallische
Verstärkungen (Osteosynthesen) jzu stabilisieren.
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Rippenosteosynthesen
Die Aufgabe dieser Osteosynthesen besteht darin, die
Knochenenden so zu stabilisieren, daß während des
Heilungsprozesses eine weitgehend schmerzfreie
Atmung aus eigener Kraft möglich ist. Die Schmerzfreiheit der Atmung ist jedoch nur dann gewährleistet,
wenn die Kräfte, die während der Atemexkursionen
durch die Rippen übertragen werden müssen, zu keinen
nennenswerten Bewegungen zwischen den fixierten
Bruchenden führen. Die Osteosynthese und deren Verbindung mit den Rippen muß also stabil genug sein,
diese Bewegungen über die Zeitdauer bis zur knöchernen Heilung zu verhindern. Bei einer Atemfrequenz
von 12/min und einem Heilungsprozeß von 3 Wochen
entspricht dies etwa 36000 Belastungszyklen. Außerdem sollte die Osteosynthese in der Lage sein, kurzzeitige Überlastungen z. B. durch Hustenstöße oder
Reanimationsmaßnahmen zu überstehen.
2 Versuchsprogramm
Im Rahmen der vorliegenden Versuchsreihe wurden
insgesamt 80 menschliche Rippen verschiedener
Altersgruppen in frischem Zustand auf ihre Festigkeit
und Elastizität untersucht. Die Rippen entstammten
Leichen im Alter von 30 bis 79 Jahren und wurden von
verschiedenen pathologischen und gerichtsmedizinischen Instituten zur Verfügung gestellt.
297
3.2 Belastungseinrichtung
Um trotz der unterschiedlichen Gestalt und Abmessungen des vorgesehenen biologischen Materials reproduzierbare und vergleichbare Ergebnisse zu erzielen,
sollten alle Versuche in einer zweckmäßig gestalteten
Auflagevorrichtung unter einheitlichen Bedingungen
durchgeführt werden.
Zunächst war jedoch nicht bekannt, wie die verschieden langen und unterschiedlich gekrümmten Rippen
am zweckmäßigsten in einer Auflagevorrichtung aufgenommen werden könnten. Außerdem mußte die
ganze Versuchsreihe in möglichst kurzer Zeit zügig
durchgeführt werden können, da zu erwarten war, daß
nur frisches Material brauchbare und vergleichbare
Ergebnisse bringen würde.
Es wurden deshalb mehrere Belastungseinrichtungen
vorbereitet, die allen möglichen Belastungsarten
schnell angepaßt werden konnten.
3.2.1 Belastungseinrichtung für Dreipunktbiegung
Diese Belastungsart, bei der der Bruch der Rippe entsprechend der größten Biegebanspruchung in der Mitte
zwischen den Auflagern eintritt, ist beim Unfallhergang mit dem direkten Trauma, d. h. mit dem Bruch
der Rippe durch lokalisierten Stoß vergleichbar.
Nach dem Brechen der Rippen wurden diese mit insgesamt 51 verschiedenen Osteosynthesen in 24
Montagearten stabilisiert und daraufhin erneut das
mechanische Verhalten untersucht.
An einigen ausgewählten Montagen wurde die Dauerbelastbarkeit bis 30 000 Belastungszyklen geprüft. Die
Abrundung auf 30000 Belastungszyklen erschien
gerechtfertigt, da in vivo in der dritten Woche nach der
Fixierung des Bruches bereits eine teilweise Verfestigung eintritt.
3 Versuchseinrichtung
Biegemomenf
Bild 1. Belastungseinrichtung für Dreipunktbiegung. Auflageabstand einstellbar: LA = 120 160 200 mm.
Größte Biegebeanspruchung in der Mitte:
F-LA
Biegemoment M = —-r-^-
3.1 Prüfmaschine
max
Die Versuche wurden an einer elektronischen Universalprüfmaschine 1464 der Fa. Zwick durchgeführt. Die
Maschine verfügt über einen x-y-Schreiber, durch den
die Kraft-Verlängerungsdiagramme, aufgezeichnet
werden können.
.
Die Kraftmessung erfolgt über eine Kraftmeßdose,
wobei Zug- bzw. Druckkräfte im kleinsten Meßbereich
auf l N genau bestimmt werden können. Die Messung
der Verformung erfolgte bei den vorliegenden Versuchen durch die Aufzeichnung des Weges der Belastungseinrichtung mit dem entsprechenden Maßstabsfaktor. Bei den geringen Kräften der durchgeführten Versuche ist der Verformungsanteil von
Maschine und Belastungseinrichtung vernachlässigbar.
.
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3.2.2
Belastungseinrichtung für Vierpunktbiegung
! l
1 1
1 1 M M
'
l
B
\ Biegemoment
Bild 2. Belastungseinrichtung für Vierpunktbiegung. Auflageabstand einstellbar: LA = 120 160 200 mm.
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Rippenosteosynthesen
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Bei dieser Belastungsart ist das Biegemoment und
damit die Beanspruchung zwischen den beiden inneren
Belastungsstempeln konstant.
Biegebeanspruchung zwischen C und D:
Biegemoment Mmax =
F-Lj
8
3.2.3 Belastungseinrichtung für Druckbeanspruchung
Diese Belastungsart ist bei einem Unfallhergang mit
dem indirekten Trauma durch einen frontalen Anprall
vergleichbar. Der Nachteil dieser Belastungsart ist, daß
sich während des Versuches der Abstand a verändert
und damit das Biegemoment zum Zeitpunkt des
Bruches nicht bestimmt werden kann. Mit dieser Einrichtung wurden zwar Vergleichsversuche durchgeführt, sie wurde jedoch nicht für die Serienversuche
verwendet. Die Kraft-Weg-Diagramme zeigten einen
ähnlichen Verlauf wie bei den übrigen Belastungsarten.
4.2 Dynamische Untersuchungen
N
·
»
Bei Anwendung der Belastungsart Dreipunktbiegung
hätte bei diesen Vesuchen die Gefahr bestanden, daß
durch den mittleren Kraftangriff an der Bruchstelle der
Knochen im Laufe der Zeit eingedrückt worden wäre.
Es wurde deshalb die Belastungsart Vierpunktbiegung
mit einem Auflageabstand LA = 160 mm gewählt. Ein
weiterer Vorteil dieser Belastungsart besteht darin, daß
die gesamte Montage im Bereich konstanten Biegemomentes liegt, was weitgehend auch der Belastung bei
der Atmung entspricht.
Der Durchbiegungsweg betrug bei allen dynamischen
Untersuchungen ca. l mm, was je nach Rippenstärke
einer Belastungsamplitude von 20 bis 30 N entsprach.
Die untere Belastungsgrenze lag bei 2 bis 3 N, also
nahezu bei null.
4.3 Untersuchung der Montagevorrichtungen
Zur Ermittlung der Steif igkeit der Montagevorrichtungen im nichtmontierten Zustand wurden die plattenf örmigen Montagen allein untersucht. Zur Anwendung
kam Dreipunktbiegung mit 50 mm Auflageabstand
(genormte Biegeeinrichtung).
5 Montagesysteme
Die verwendeten Montagesysteme sind in Tabelle l
zusammengefaßt. Sie lassen sich in folgende Gruppen
einteilen:
Bild 3. Belastungseinrichtung für Druckbeanspruchung.
4 Versuchsdurchführung
Nach einigen Vorversuchen wurden für die weiteren
Versuche die folgenden einheitlichen Bedingungen
festgelegt.
4.1 Statische Festigkeitsuntersuchungen
Um den Bruch der Rippen einheitlich in der Mitte zwischen den Auflagern zu erzielen, wurde zum Brechen
der Rippen die Belastungseinrichtung nach 3.2.1 Dreipunktbiegung mit einem Auflageabstand LA = 120mm
verwendet. Damit die dabei aufgenommenen Diagramme unmittelbar mit den Osteosynthesen verglichen werden konnten, wurden die gebrochenen und
anschließend mit den Montagen stabilisierten Rippen
ebenfalls unter diesen Bedingungen geprüft.
Als Beanspruchungsgeschwindigkeit wurde einheitlich
v = 50 mm/min
festgelegt.
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Gruppe I: Platten der allgemeinen Osteosynthese,
Platten verschiedener Form und Stärke,
die durch Schrauben mit der Rippe verbunden werden.
Gruppe : Spezielle Rippenplatten,
Relativ dünne Platten, die teils durch federnde oder umzubiegende Klammern,
teils durch Drahtschlingen mit der Rippe
zu verbinden sind.
Gruppe III: Drahtmontagen,
Verschiedene Drahtschlingenformen, die
durch Längs- oder Querbohrungen in der
Rippe geführt sind.
Gruppe IV: Externer Fixateur,
Schraubbblzen in der Rippe ragen senkrecht nach außen und werden dort mit
einer Klemmvorrichtung zusammengehalten.
Gruppe V: Reine Schraubverbindung,
Schräg in Rippenlängsrichtung eingebrachte Schrauben halten die beiden
Bruchenden zusammen. *
6 Versuchsauswertung
!
Für die Haltbarkeit einer Rippenmontage ist neben der
Eigenfestigkeit des Implantates die Verbindung mit der
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Rippenosteosynthesen
Tabelle l
Gruppe
Montagesystem
Platten der
ailg. Oste
Synthese
-(0-0·
Spezielle
Rippenplatten
Klelnfragment-DC (6-Loch)
1,1
Kleiniragment-DC(4/5-Loch
0,66
Rekonstruktionspl.(6-Loch
0,77
Rekonstruktionspl.(5-Locb
0,75
Drittelrohrpl, (6-Loch)
0,79
Drittelrohrpl. (4-Loch)
0,61
Viertelrohrpl. (8-Loch)
o,55
Viertelrohrpl.(6-Loch)
0,53
Judet
0,19
'Krallen
Judet 12 Krallen
0,21
Vecsei 2 Cerclagen
0,23
Vecsei 4 Cerclagen
0,62
— Labitzke
IV
Tragfäbig
keit*
0,08
Zuggurtung 1
0,07
Zuggurtung 2
0,25
Doppeldrahtnaht 1
0f
Drahtnaht -U-
0,08
Doppeldrahtnaht 2
0,13
Drahtnaht "Kirchmayr"
0,07
Doppelbacken
0,23
1' "*
s
t
MiniFixateur
externe
Klemmbacken
0,35
Doppelkonstruktion
0,55
V
Schraube
Kleinfragment-Spongioaa
0,16
*) Mittelwert der Bruchspannung der Montage im Verhältnis zur
Bruchspannung der Rippe
•
'
··
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·
· ,
Biomedizinische Technik
Band 26
Heft 12/1981
Rippenosteosynthesen
300
Rippe und die Beanspruchung der Rippe am Ende der
Montageschiene maßgebend.
Für die Haltbarkeit einer Schraubenverankerung ist
die Festigkeit, für die Größe der Spannungskonzentration am Ende der Montageschiene die Steifigkeit der
Rippe maßgebend. Ein Maß für die Festigkeit ist die
Bruchlast der Rippe, ein Maß für die Steifigkeit ist der
Quotient aus Kraftänderung zu Verformungsänderung,
also die Kraft, die eine bestimmte Verformung der
Rippe hervorruft. Der besser verständliche Begriff der
Elastizität ist dann der Reziprokwert der Steifigkeit.
Das typische Kraft-Verformungsdiagramm .einer
Rippe zeigt Bild 4.
Kraft F
Verformung f
Bild 4. Typisches Kraft-Verformungs-Diagramm einer Rippe.
»Steifigkeit« c = F/f N/mm.
Bruchlast und Steifigkeit (oder Elastizität) sind jedoch
querschnittsabhängig. Um eine bessere Vergleichbarkeit der Ergebnisse bei den unterschiedlichen Rippenquerschnitten zu erhalten, wurden deshalb Bruchlast
und Steifigkeit auf den Probenquerschnitt bezogen.
Der Querschnitt von Rippen ist unregelmäßig und kann
der Rechnung nicht exakt zugrunde gelegt werden. Es
wurde deshalb vereinfacht ein elliptischer Querschnitt
angenommen. Damit bleiben natürlich die Einflüsse
des Querschnittaufbaus und physiologische Einflüsse
unberücksichtigt.
7 Ergebnisse
7.1 Allgemeine Folgerungen
Bei der großen Anzahl von Bruchversuchen, die an
Rippen unterschiedlicher Altersgruppen durchgeführt
wurden, bestätigte sich auch für Rippen die bekannte
Tendenz, daß die Festigkeit und Elastizität von Knochen mit zunehmendem Lebensalter sinkt.
Auf die Rippenosteosynthesen übertragen bedeutet
dies, daß insbesondere bei geschraubten Montagen an
Rippen mit geringerer Festigkeit und Elastizität (-» geringe Zähigkeit, höheres Alter) die Tragfähigkeit der
Montage in erster Linie durch das Ausreißen der
Schrauben oder Brechen am letzten Schraubenloch
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(Spannungskonzentration) bestimmt wird. Bei Rippen
mit höherer Festigkeit und Elastizität (—» höhere
Zähigkeit) ist in weitaus stärkerem Maße die Steifigkeit der Montageschiene (Verbiegen) verantwortlich
für die Tragfähigkeit der Montage. Die Versuche bestätigen dies, insbesondere wenn man innerhalb der
geschraubten Plattenmontagen die einzelnen Altersgruppen betrachtet.
l
7.2 Vergleich der einzelnen Montagesysteme
7.2.1 Statische Festigkeitsuntersuchungen
Die Zusammenstellung der Mittelwerte der Bruchfestigkeit der Montage im Vergleich zur ursprünglichen
Rippenfestigkeit (Tabelle 1) zeigt, daß im statischen
Versuch weitgehend die Festigkeit und Steifigkeit der
Montagevorrichtung die Tragfähigkeit der Montage
bestimmt.
Die Auswertung der Ergebnisse im einzelnen zeigt, daß
eine schwache Montage bei einer schwachen Rippe
einen weitaus geringeren Festigkeitsabfall ergibt als
bei einer starken Rippe. Andererseits wird die Tragfähigkeit einer starken Montage durch die Verankerung an der Rippe oder deren Schwächung durch das
Schraubenloch begrenzt. Je länger die Montageplatte,
um so geringer ist die Beanspruchung am Ende der
Montage, vorausgesetzt, die Steifigkeit der Montageplatte und der Rippe sind in der gleichen Größenordnung. Montagevorrichtungen mit geringer Eigensteifigkeit (wie die speziellen Rippenplatten und die
Drahtmontagen) können zwar die Bruchenden zusammenhalten, Bewegungen an der Bruchstelle können
jedoch nicht verhindert werden.
7.2.2 Dynamische Untersuchungen
Die größte statische Belastbarkeit ergeben die Implantate mit der größten Eigensteifigkeit (Kleinfragment-D C-Platte). An kräftigen Rippen ermöglichen sie sogar eine größere Kraftaufnahme als die
ungebrochene Rippe. Bei den dynamischen Untersuchungen mit einer ständigen Verformung der Rippe
führen diese steifen Platten im gesamten Montagebereich zu einer Verformungsbehinderung, so daß die gesamte Rippenverformung im nichtversteiften Reststück aufgenommen werden muß. Dadurch tritt am
Ende der Platte bzw. deren Befestigung ein Beanspruchungsmaximum auf. Diese Beanspruchungsspitze
führt, wie der betreffende Dauerversuch auch zeigt, bereits vor Erreichen der vorgesehenen 30 000 Lastspiele
zu einer Lockerung der letzten Schrauben.
. , ,
Montageplatten mit einer etwas geringeren Eigensteifigkeit (Rekonstruktionsplatten der AÖ) ergeben einen
besseren Übergang vom versteiften zum unversteiften
Rippenbereich, damit geringere Beanspruchungsspitzen an deren Ende bzw. Befestigung, so daß damit im
Dauerversuch die besten Ergebnisse, ohne Lockerung
von Schrauben, erzielt werden konnten.
Biomedizinische Technik
Band 26
Heft 12/1981
Kardiovaskuläres System
8 Schlußfolgerungen
Trotz der sehr unterschiedlichen Festigkeit der zur
Verfügung stehenden Rippen zeigten die Versuche eindeutig, daß eine Verhinderung von Bewegungen an den
Bruchenden bei physiologischer Belastung und die
erforderliche Dauerfestigkeit nur durch stabile, in
ihrem Steifigkeitsverlauf genau abgestimmte Montageplatten erreicht werden kann.
m
Eine Überdimensionierung der Implantate führt zu
einer Überlastung am Übergang Rippe-Montage und
damit bei dynamischer Beanspruchung zur Gefahr der
Lockerung der Befestigung und bei Beanspruchungsspitzen wie Hustenstößen oder Reanimationsmaßnahmen zu erhöhter Bruchgefahr. Andererseits kann eine
schwache Montage an einer schwachen Rippe noch eine
befriedigende Haltbarkeit ergeben.
Literatur
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Thoraxwandfraktur mit paradoxer Atmung. Hefte Unfallheilkd 138. Springer, Berlin, Heidelberg, New York
(1979), 279-282
088
Verfasseranschriften:
Dr. Ing. Hermann Bötsch
Professor für Werkstofftechnik und
Maschinenelemente
Fachhochschule München
Dachauer Straße 98 b
D-8000 München 2
Dr. med. Klaus E. Rehm
Oberarzt der Unfallchirurgischen Klinik am
Zentrum für Chirurgie der
Justus-Liebig-Universität Gießen
Klinikstraße
D-6300 Gießen
Biomed. Technik
26 (1981), 301-310
D. Möller
Modellbildung, Simulation und Parameteridentifikation
am Beispiel des kardiovaskulären Systems
Modelling, Simulation and parameteridentification applied to the cardiovascular
System
Alts dem Lehrstuhlfür Prozeßrechentechnik der Universität Bremen
und dem Physiologischen Institut der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz
Schlüsselwörter: Kardiovaskuläres System, Barorezeptorreflexbogen, nichtlineares mathematisches Modell, interaktive digitale Simulation, Modellvorhersage, Parameteridentifizierung
Es wird gezeigt, daß es möglich ist, in einem vertretbaren Rahmen, ein physiologisch vollständig
geschlossenes und im Barorezeptorreflexbogen geregeltes nichtlineares mathematisches Modell
des kardiovaskulären Systems zu entwickeln. Dieses wird auf einem Prozeßrechner (PDP 11/45)
in Verbindung mit einem interaktiven blockorientierten digitalen Simulationssystem (SIDAS)
implementiert.
Das Verhalten der Blutdrücke, des Herzzeitvolumens, des Schlagvolumens, der Herzfrequenz
und des peripheren Widerstands sowohl des ungeregelten als auch des geregelten Systems wird
durch Simulation untersucht; ebenso das hämodynamische Verhalten unter ergometrischer
Belastung für orthologische und pathologische Zustände. Im Vergleich mit Humanbefunden
kann gezeigt werden, daß das entwickelte Modell physiologisch signifikante Ergebnisse liefert,
wodurch es für die Modellvorhersage und die Parameteridentifikation einsetzbar ist. Biologisch,
gesprochen bedeutet dies, daß mit Hilfe des vorgestellten Modells Kreislaufparameter des
Menschen in vivo und nichtinvasiv, welche direkt weder nichtinvasiv noch invasiv zugänglich
sind, bestimmbar sind. In diesem Zusammenhang wird erstmals über die Parameteridentifikation innerhalb eines geschlossenen und geregelten und nichtlinearen Systems unter Einbezug
des Gradientenverfahrens berichtet.
Key-words: Cardiovascular System, baroreceptorreüexloop, nonlinear mathematical model,
interactive digital Simulation, modelprediction, parameteridentification
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