Biomechanische Analyse der Hamulusfraktur
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Objective: Compromising two to four percent of all carpal fractures, hamate hook fractures have been regarded in medical literature as rare injuries. However, the increase in popularity of sport climbing over the past few years, especially indoor climbing and bouldering, has also seen a rise in hamate hook fractures. To date, two mechanisms were regarded as having caused hamate hook fractures, either through direct (fall) or indirect (force impacts on the hamate hook applied from ligaments or muscles). Recently another theory has attracted attention. During sports like bouldering or climbing, high load to the wrist when in ulnar deviation is thought to be transmitted to the hook of the hamate by tightened flexor tendons. Until recently there has been little research done in this area. The aims of this study are threefold. In the first series the aim was to examine biomechanically if high load from the tendons can cause fractures to the hook of hamate. Because of some interfering factors like differences in characteristics of tendon structures in the second series the tendons were replaced by steel cables. The third series investigate the resistance properties of the hamate hook bone because there has so far been no detailed study of this subject. Methods: In a series of three experiments, human lower arms from donors were used for the study. For the first two series, twenty fresh cadaveric forearms were used. After anatomical dissection of the palm and forearm, the specimens were placed with an ulnar deviated wrist and fixed with an external fixator set in a testing device. With the first ten specimens, pulling and load forces through the flexor tendons of the ring and small finger were simulated on the hamate hook. In the other ten hands, flexor tendons were replaced by a steel cable along the original anatomical tendon path. This was to minimize any possible interference factors from the previous investigation. The forces affecting the tendons and steel cable were recorded by a dynamometer and those affecting the hamate were calculated using a biomechanical formula. In order to identify potential hamate hook fractures, all 20 hands were then scanned by a CT. For the third test series, we used isolated tensile stress on 15 dissected hamate bones to analyze the resistance of the excised hook. The Hamulus ossis hamati were then clinically examined for fractures. Depending on their location the fractures types were then divided into three groups. In all test series, the load levels on the tendons and steel cable were produced by an electric motor. Observations and results: In the first test series no fractures occurred. Here the average pulling force on the ring and small finger tendons was 661,4 N (67,5kg) and 463 N (47,2kg) on the hook. The two interference factors were the tendon rupture of the little finger (5/10) and the failure of the surgical suture (4/10). In the second test series, the tendons were replaced by a steel cable. Here the average pulling force amounted to 1029,4 N (105 kg) on the steel cable and 720,6 N (73,5 kg) on the hook. This points to a significantly higher load force than in the first test series. In two specimens the stop criteria were a hook fracture caused by an average pulling force of 1008,3 N (102,8kg) (steel cable) and 705,8 N (72 kg) (hook.) In the third test series the tensile load caused fractures in all of the 15 specimens with an average pulling force of 220,2 N (22,5 kg). The distribution of the fractures in the three groups was as following: six on the tip, five in the middle section and four on the base. Conclusions: In this study, Hamate hook fractures did not occur after a single maximum tendon load. It is assumed that the absence of a fracture was in part due to the stability of the tendon. When the tendon was replaced by a steel cable, two fractures occurred after a single load. Here the deciding factor was the high force level. Despite the fact that these two fractures occurred in vitro, it is assumed that in vivo fractures of the hook of hamate result from repetitive pressure load and morphological changes in the bone rather than from a singular incident. It is hoped that these findings add beneficial information to the existing knowledge of the pathological mechanism. Furthermore, the results may help clinicians when treating climbers and athletes with hamate hook fractures to a quicker and more effective diagnosis and treatment of the injury. It is however clear that, due to the rising number of patients suffering from hamate hook fractures, there is a need for further investigation directed at optimizing the prevention and treatment of these injuries.
Abstract
Hintergrund: Hamulusfrakturen (Knochenbrüche des Hakenfortsatzes) werden in der Literatur mit 2- 4% der Handwurzelfrakturen als sehr seltene Verletzung beschrieben. Mit der Entwicklung des Klettersports vom Szenen- zum Breitensport kann ein Anstieg der Hamulusfrakturen bei Kletterathleten verzeichnet werden. Bisher wurden insbesondere zwei Mechanismen wissenschaftlich untersucht, welche eine Hamulusfraktur verursachen können: die direkte Krafteinwirkung durch bspw. einen Sturz und die indirekte Krafteinwirkung durch die am Hamulus inserierende Muskel- und Bandstrukturen. Während der Ausübung von Sportarten wie Klettern und Bouldern befindet sich das Handgelenk in Ulnardeviation. Es wird vermutet, dass dadurch die angespannten Beugesehnen des Ring- und Kleinfingers starke Kraft auf den ulnaren Rand des Hamulus ausüben, was durchaus zu einer Hamulusfraktur führen könnte. Dies wäre eine dritte mögliche, jedoch sportartspezifische Pathogenese. Mit Blick auf die sportartspezifische Entstehung der Verletzung findet sich bisher nur wenig Literatur. Die beiden ersten Teile der vorliegenden Arbeit beschäftigen sich mit der biomechanischen Prüfung des oben erwähnten Pathomechanismus. In der dritten Versuchsreihe wurde die Resistenzeigenschaft des Hamulus ossis hamati beleuchtet, da dazu bisher keine genaueren Daten vorliegen. Methoden: Für die drei Versuchsreihen der Studie wurden humane Unterarme (Körperspender) verwendet. Für die ersten beiden Versuchsaufbauten wurden 20 frische, unfixierte Präparate genutzt. Nach anatomischer Präparation wurden die Unterarme in Ulnardeviation in einem Versuchsaufbau befestigt. In der ersten Versuchsreihe wurde die Zug- und Kraftbelastung anhand der Beugesehnen von Ring- und Kleinfinger am Hamulus getestet. Um Störfaktoren zu minimieren, wurde in der zweiten Versuchsreihe statt der Beugesehnen ein Stahlseil verwendet, mit welchem wiederum Zug- und Kraftbelastung des Hamulus untersucht wurde. Die direkt am Hamulus wirkenden Kräfte wurden mathematisch ermittelt. Die an Sehnen und Stahlseil wirkenden Kräfte wurden mittels Kraftmesser aufgezeichnet. Alle 20 Präparate wurden nach den zwei Versuchsreihen mittels CT auf potentielle Frakturen untersucht. In der dritten Versuchsreihe wurden weitere 15 Hamuli ossis hamati exzidiert und isoliert auf ihre Widerstandsfähigkeit mittels Zugbelastung (Stahlseil) getestet. Nach den Versuchen wurden die Hamuli ossis hamati klinisch auf Frakturen untersucht und je nach Frakturlokalisation drei Gruppen zugeordnet. In allen drei Versuchsreihen wurde die Kraftaufwendung an den Sehnen bzw. Stahlseil mit Hilfe eines Motors ausgeübt. Beobachtungen und Ergebnisse: In der ersten Versuchsreihe kam es zu keinem Frakturereignis am Hamulus, wobei die mittlere Maximalkraft bei 661,4 N an den Ring- und Kleinfingersehnen betrug, was 67,5kg entspricht, und bei 463 N am Hamulus lag, was 47,2 kg entspricht. Die zwei häufigsten Abbruchereignisse waren der Riss der Kleinfingersehne (KFS) (5/10) und das Nahtversagen der KFS (4/10). In der zweiten Versuchsreihe wurden die Störfaktoren eliminiert, indem die Sehnen entfernt und durch ein Stahlseil ersetzt wurden. Die mittlere Maximalkraft am Stahlseil lag bei 1029,4 N (105 kg) und am Hamulus bei 720,6 N (73,5 kg) und zeigte somit signifikant höhere Kraftwerte im Vergleich zur ersten Versuchsreihe. Des Weiteren kam es in der zweiten Versuchsreihe in zwei von zehn Fällen zu einer Fraktur des Hamulus bei einer mittleren Kraft am Stahlseil von 1008,3 N (102,8kg) und am Hamulus von 705,8 N (72kg). In der dritten Versuchsreihe frakturierten alle 15 Hamulus ossis hamati, wobei sechs im Bereich der Hamulusspitze (Tip), fünf im Bereich des mittleren Drittels und vier im Bereich der Basis brachen. Die mittlere Maximalkraft der Frakturentstehung lag bei 220,2 N (22,5kg), wobei die gemessene Kraft am Tip deutlich höher ausfiel als an den beiden anderen Frakturstellen. Praktische Schlussfolgerung: In der vorliegenden Studie kam es in der ersten Versuchsreihe nach einmaligem Sehnenzug zu keiner Hamulusfraktur. Das Ausbleiben des Frakturereignisses wird vor allem aufgrund der weniger ausgeprägten Sehnenfestigkeit vermutet. Nach Ersetzen der Sehne durch ein Stahlseil wurden durch einmalige Belastung zwei Frakturen verursacht. In der zweiten Versuchsreihe wurden durch Zug am Stahlseil größere singuläre Kräfte am Hamulus generiert. Obwohl in vitro zwei Frakturen durch singuläre Zugbelastung zustande kamen, muss davon ausgegangen werden, dass Hamulusfrakturen in vivo nicht aus singulären Zugbelastungen hervorgehen, sondern vielmehr das Ergebnis repetitiver Belastungs- und Bewegungsvorgänge sowie morphologischer Veränderungen am Knochen sind. Im isolierten Belastungstest kam es bei allen Präparaten zu Frakturen. Für die klinische Anwendung der Studienergebnisse ist wichtig, dass bei Kletterathleten mit Schmerzen der palmarseitigen Handwurzel an Hamulusfrakturen gedacht werden muss, damit eine schnelle Diagnostik und Therapie eingeleitet werden kann. In Hinblick auf die steigende Anzahl von Hamulusfrakturen im Klettersport sind für genauere Erkenntnisse jedoch weitere spezielle Untersuchungen notwendig, um die Behandlung und Prävention der Verletzung zu optimieren.