Biomechanische Analyse zur Analyse des Zusammenhangs zwischen Knochenmineraldichte und Zugschraubenmigration

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 747 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Ein proximaler Femurnagel mit einer Spiralklinge (HB) wird üblicherweise zur Behandlung proximaler Femurfrakturen verwendet, aber das Durchtrennen der Zugschrauben ist eine der verheerenden Komplikationen nach der Operation. Obwohl dies umstritten ist, ist einer der potenziellen Risikofaktoren für ein Durchtrennen eine schlechte Knochenstärke, die durch Messung der Knochenmineraldichte (BMD) vorhergesagt werden kann. In dieser Studie führten wir einen biomechanischen Test am gebrochenen Femurkopf durch, um zu validieren, ob die indirekt gemessene BMD an der kontralateralen Hüfte oder die direkt am entnommenen Femurkopf gemessene BMD Aufschluss über die strukturelle Festigkeit des gebrochenen Femurkopfes geben und dadurch verwendet werden kann Vorhersage der Migration von Zugschrauben. Unser Ergebnis zeigte, dass die direkt gemessene BMD eine signifikante Korrelation mit der HB-Migration am osteoporotischen Femurkopf aufweist. Obwohl die vom kontralateralen Schenkelhals oder der gesamten Hüfte gemessenen BMDs der am weitesten verbreitete Parameter zur Vorhersage der Knochenstärke des gebrochenen Femurs sind, ist dieser Parameter möglicherweise nur begrenzt für die Vorhersage der HB-Migration geeignet.

Eine proximale Femurfraktur ist eine der häufigsten und verheerendsten Folgen von Osteoporose1,2. Es wird geschätzt, dass weltweit jährlich 1,7 Millionen osteoporotische proximale Femurfrakturen auftreten, wobei die Sterblichkeitsrate zwischen 22 und 29 % liegt3,4. Für ihre Behandlung werden proximale Femurnägel allgemein als Implantat der Wahl akzeptiert. Während die Operation meist erfolgreich verläuft, ist das Versagen der Zugschrauben eine der schwerwiegendsten Komplikationen. Der typische Versagensmechanismus tritt auf, wenn die Zugschraube den Femurkopf durchdringt oder schneidet; Dies wird als „Durchschneiden“ oder „Ausschneiden“ bezeichnet, abhängig von der Art der verwendeten Zugschraube und der Richtung, in der das Eindringen erfolgt5,6,7,8.

Es wurden einige Hypothesen aufgestellt, um zu erklären, warum ein solches Phänomen auftritt, und um einen solchen Ausfall zu verhindern. Obwohl umstritten, ist einer der potenziellen Risikofaktoren eine schlechte Knochenstärke9,10. Da es dem osteoporotischen Knochen möglicherweise an mechanischer Festigkeit mangelt, bietet die Knochenstruktur des Femurkopfes möglicherweise keinen ausreichenden Halt, was zur Wanderung der Zugschraube führt, was zu einer Penetration des Femurkopfes führen kann. Da die Knochenstärke in vivo schwer zu messen ist, wird üblicherweise die Knochenmineraldichte (BMD) verwendet, um die Stärke des osteoporotischen Knochens zu quantifizieren und vorherzusagen11. Bei einem Bruch des proximalen Femurs erfolgt die Messung indirekt von der kontralateralen Hüfte oder der Wirbelsäule aus. Allerdings gibt es kaum Literatur darüber, ob indirekt gemessene BMD aus diesen Regionen die mechanische Festigkeit des gebrochenen Femurkopfes genau widerspiegeln können. Ebenso ist unklar, ob wir anhand dieser Informationen die übermäßige Migration von Zugschrauben vom Typ Helical Blade (HB) vorhersagen können.

Daher haben wir in dieser Studie einen biomechanischen Test am osteoporotischen Femurkopf durchgeführt, um zu validieren, ob die indirekt gemessene BMD von der Gegenseite oder die direkt vom entnommenen Femurkopf gemessene BMD die strukturelle Festigkeit des gebrochenen Femurkopfs aufklären und dadurch verwendet werden kann um die Migration von Zugschrauben vorherzusagen. Genauer gesagt zielt die aktuelle Studie darauf ab, (1) zu beurteilen, ob die BMD des gebrochenen Femurs mit dem Widerstand gegen die HB-Migration am gebrochenen Femurkopf korreliert und (2) ob die BMD der kontralateralen Hüfte zur Vorhersage übermäßiger Knochendichte verwendet werden kann HB-Migration.

Das Versuchsprotokoll dieser Studie wurde vor der Durchführung des Experiments von unserem institutionellen Prüfungsausschuss genehmigt (CHOSUN #2020-03-010-0001). Alle Methoden wurden gemäß den einschlägigen Richtlinien und Vorschriften durchgeführt und vor der Entnahme des Femurkopfes wurde die Einverständniserklärung der Patienten oder ihrer Erziehungsberechtigten eingeholt. Der Femurkopf wurde weiblichen Patienten entnommen, die sich zwischen März 2018 und Juni 2021 einer Hüftendoprothetik aufgrund einer Schenkelhalsfraktur unterzogen hatten. Den Patienten wurde die Möglichkeit gegeben, sich entweder einer Endoprothetik oder einer primären Fixierung zu unterziehen, und die Entscheidung wurde anschließend von den Patienten und ihren Erziehungsberechtigten getroffen eine detaillierte Beschreibung der Vor- und Nachteile beider Operationen12. Für die Analyse wurden die Proben der Patienten ausgewählt, die sich bereit erklärt hatten, den entnommenen Femurkopf für die Zwecke dieser Studie zu spenden. Die Femurköpfe wurden ausgeschlossen, wenn sie von Patienten erworben wurden, (1) die unter anderen pathologischen Grunderkrankungen als Osteoporose litten, die die Knochenqualität beeinflussen könnten, (2) die Medikamente eingenommen hatten, die möglicherweise die Qualität des Knochens beeinflussen könnten, (3) deren BMD dies nicht war aus der kontralateralen Hüfte aufgrund der verbleibenden Implantate aus einer früheren Operation und 4) mit einer Vorgeschichte von osteoporotischen Frakturen an anderer Stelle.

Es wurden 32 Femurköpfe entnommen, die unsere Einschluss- und Ausschlusskriterien erfüllten und die Grundlage unserer Studie bildeten. Neunzehn Femurköpfe stammten von der rechten Hüfte. Die demografischen Daten der Spender sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Der BMD der Spenderpatienten wurde zum Zeitpunkt der Aufnahme anhand der nicht gebrochenen Hüfte mithilfe der Dual-Energy-Röntgenabsorptiometrie (DXA; Prodigy Advance, GE Healthcare, USA) gemessen. Der Patient wurde mit nicht gebrochener Hüfte in einer Innenrotation von 15 Grad gelagert, was den größten Messbereich bietet13. Während BMDs aus mehreren Regionen gemessen werden können, wurden für die Analyse die BMDs der gesamten Hüftregion und der Halsregion verwendet, da es sich dabei um klinisch am häufigsten verwendete Messungen handelt14. Die BMDs wurden mit dem Encore-Programm (GE Lunar Prodigy, USA) gemessen und erfasst, wobei die Region of Interest (ROI) automatisch von der im DXA-Scanner integrierten Software eingestellt und bei Bedarf vom Radiotechnologen angepasst wurde (Abb. 1).

Die BMD wurde mit DXA in der kontralateralen Hüfte gemessen. Dargestellt sind der ROI für den Schenkelhals (durchgezogene Pfeilspitze), das Ward-Dreieck (hohle Pfeilspitze) und den Trochanter (Pfeil). Der ROI für die gesamte Hüfte ist die Summe der drei ROIs.

Alle Messungen wurden von zwei Radiotechnologen durchgeführt und die Mittelwerte zur Analyse herangezogen. Die Qualitätskontrolle wurde sowohl für Technologen als auch für Densitometriegeräte gemäß dem von der International Society for Clinical Densitometry (ISCD)15 empfohlenen Protokoll durchgeführt. Vor dem Experiment wurde auch eine Präzisionsbewertung durchgeführt, um den geringsten signifikanten Unterschied (LSC) zu messen, der 4,2 % in der gesamten Hüfte und 5,1 % im Schenkelhals betrug. Der in unserer Einrichtung gemessene LSC liegt innerhalb der Empfehlung des ISCD.

Zum Zeitpunkt der Hüftendoprothetik wurde der Femurkopf mit Vorsicht entfernt, um iatrogene Schäden zu minimieren. Wenn das Ligamentum teres intakt war, wurde es mit einem Skalpell aus der Fovea capitis, einer ovalen Vertiefung im oberen medialen Teil des Femurkopfes, reseziert, um einen Abriss des Femurkopfes während des Luxationsprozesses zu verhindern. Der entnommene Femurkopf wurde mit Kochsalzlösung gewaschen und 1 Stunde bei Raumtemperatur getrocknet. Dieses wurde dann für spätere Experimente bei −20 °C frisch eingefroren.

Die direkte BMD des entnommenen Femurkopfes wurde mit dem Bildgebungssystem Quantum GX für Mikrocomputertomographie (Mikro-CT) (PerkinElmer, Hopkinton, MA, USA) am Korea Basic Science Institute (Gwangju, Korea) gemessen. Die Entscheidung wurde getroffen, Mikro-CT anstelle von DXA zu verwenden, da es derzeit keine standardisierte Methode zur Messung der BMD mit DXA gibt, wenn sich der Femurkopf nicht in seiner anatomischen Position befindet. Außerdem wurde die hohe Genauigkeit der Mikro-CT bei der Messung von BMD16 validiert. Der frisch gefrorene Femurkopf wurde vor dem Mikro-CT-Scan 24 Stunden lang bei Raumtemperatur aufgetaut. Alle Messungen wurden innerhalb von 10 Tagen nach der Entnahme durchgeführt.

Für den Scanvorgang wurde die Röntgenquelle auf Werte von 90 kV und 88 μA bei einem Sichtfeld von 72 mm und einer Schichtdicke von 0,144 mm eingestellt. Die Scanzeit betrug 4 Minuten bei einer 360°-Rotation. Mithilfe der Analysesoftware AccuCT™ (PerkinElmer, USA) wurden alle CT-Rohwerte in Hounsfield-Einheiten (HU) umgerechnet. Die Intensität von Wasser wurde mit 0 HU und die von trockener Luft mit − 1000 HU definiert. Die Kalibrierung der AccuCT™-Analysesoftware wurde unter Verwendung eines Hydroxylapatit (HA)-Phantoms (QRM-Micro-CT-HA, Qualitätssicherung in Radiologie und Medizin GmbH, Deutschland) durchgeführt. Der Kugelkappenbereich von 30 mm von der Fovea capitis entfernt wurde als ROI des entnommenen Femurkopfes ausgewählt (Abb. 2). Der ROI wurde auf der Grundlage des maximalen Volumens des Femurkopfes ausgewählt, das nach dem Entnahmevorgang erhalten blieb.

ROI des Femurkopfes bei direkter Messung der BMD mit Mikro-CT. Es wurde eine Kugelkappe mit einer Höhe von 30 mm verwendet, da dies das Volumen war, das typischerweise nach dem Entnahmevorgang erhalten blieb. Die Pfeilspitze zeigt die Lage der Fovea capitis an, die als Orientierungspunkt diente.

Unmittelbar nach der BMD-Messung wurde der Femurkopf an der speziell angefertigten Vorrichtung befestigt, die als Orientierung für eine übermäßige Knochenresektion und Stabilisierung während des mechanischen Tests diente. Die Vorrichtung wurde aus Edelstahl gefertigt und verfügt über eine Kugelkalottengravur von 20 mm Höhe zur Aufnahme des Femurkopfes. Die Höhe von 20 mm wurde festgelegt, da die Spitze des HB während der Operation typischerweise 10 mm von der Außenfläche des Femurkopfes entfernt platziert wird. Wir haben weitere 10 mm hinzugefügt, um mögliche Operationsfehler auszugleichen. Die Schablone verfügt außerdem über zwei Löcher zum Einführen von 2,8-mm-K-Drähten, sodass der Femurkopf fest in der Gravur fixiert ist. Im unteren Bereich der gravierten Kugel wurde ein zusätzliches Loch entwickelt, um das Eindringen der Zugschraube während des biomechanischen Tests zu ermöglichen. Vier Vorrichtungen mit demselben Design wurden mit einem Durchmesser der gravierten Halbkugel in Schritten von 4 mm von 40 bis 56 mm hergestellt, sodass unterschiedliche Größen des Femurkopfes übernommen werden konnten (siehe ergänzende Abbildung 1).

Basierend auf der Flugbahn einer typischen Zugschraube wurde der Femurkopf in der Position fixiert, in der der Bereich 5 mm über der Fovea capitis am untersten Teil der Kugelkappengravur liegt. Die Position wurde durch das Loch an der Unterseite der Schablone bestätigt, wobei die Fovea capitis als Orientierungspunkt diente. Nach der Positionierung des Femurkopfes wurde der aus der Schablone hervorstehende Knochen reseziert, so dass eine 20 mm hohe Kugelkappe für biomechanische Tests übrig blieb (Abb. 3A–E).

Der entnommene Femurkopf (A, B) wird in der Vorrichtung (C) platziert und mit mehreren Kirschdrähten (D) stabilisiert. Der hervorstehende Teil des Femurkopfes wird reseziert (E), so dass für den mechanischen Test eine Höhe des Femurkopfes von 20 mm verbleibt. Nach der Fixierung der Vorrichtung an der Universaltestmaschine wird die Zugschraube so eingestellt, dass die Spitze Kontakt mit der resezierten Oberfläche des Femurkopfs (F) hat. Die Zugschraube wird um 25 mm (G) vorgeschoben, wodurch ein 5 mm großer Durchschnitt am Femurkopf entsteht. Der Pfeil zeigt die Fovea capitis an.

Der mechanische Test wurde mit einer servohydraulischen Universaltestmaschine (MTS Bionix Landmark 370, MTS System Corporation, USA) durchgeführt. Eine Zugschraube vom Typ einer helikalen Klinge aus einem kommerziell erhältlichen proximalen Femurnagelsystem (PFNA-II-Klinge, Depuy Synthes, Schweiz) wurde verwendet, um die Widerstandseigenschaften gegenüber der Migration der helikalen Klinge zu testen. Den Spezifikationen des Anbieters zufolge hat die PFNA-II-Helixklinge einen Durchmesser von 12,2 mm. Für das Experiment verwendeten wir Zugschrauben mit einer Länge von 85 mm. Für den Aufbau wurde die seitliche Verriegelung der PFNA-II-Helixklinge gelöst, sodass der Klingenteil der PFNA-II-Zugschraube frei gedreht werden kann. Dies wurde ermittelt, um den Versagensmechanismus der Zugschraube zu reproduzieren, bei dem der Femurkopf typischerweise entlang der Zugschraube gedreht wird17,18.

Zunächst wurde die Position der Zugschraube manuell angepasst, sodass die Spitze Kontakt mit der resezierten Oberfläche des Femurkopfes hatte. Diese wurde dann mit 15 mm/min vorgeschoben, bis die Zugschraube den Femurkopf durchdrang, und weitere 5 mm vorgeschoben, um die Schnittsituation zu reproduzieren (Abb. 3F, G). Die Last-Verschiebungs-Kurve wurde während des Vorschiebens der Zugschraube um 25 mm erfasst.

Die Widerstandseigenschaften wurden als (1) Spitzenwiderstand und (2) Gesamtwiderstand während des 25-mm-Vorschubs definiert. Der Spitzenwiderstand wurde als die maximale Last definiert, die in der Last-Verschiebungs-Kurve gemessen wurde, während der Gesamtwiderstand als die Fläche unter der Last-Verschiebungs-Kurve während des 25-mm-Vorschubs der Verzögerung definiert wurde.

Die Stichprobengröße wurde a priori mithilfe der G*power-Software (Version 3.1.9.3, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, Düsseldorf, Deutschland)19 geschätzt. Mit einer Korrelationseffektgröße von 0,5, einem Alpha-Fehler von 0,05 und einem Beta-Fehler von 0,2, um eine Aussagekraft von 80 % zu gewährleisten, deutet die Schätzung darauf hin, dass für die Zwecke der aktuellen Studie mindestens 29 Fälle einbezogen werden müssen. Die gemessenen Ergebnisse wurden als Mittelwerte und Standardabweichungen ausgedrückt. Die Korrelationen zwischen den folgenden Variablen wurden bewertet: (1) BMD der kontralateralen Hüfte und des gebrochenen Femurkopfes, (2) BMD des gebrochenen Femurkopfes und Widerstandseigenschaften des gebrochenen Femurkopfes und (3) BMD des kontralaterale Hüft- und Widerstandseigenschaften des gebrochenen Femurkopfes. Die Normalität der Datenverteilung wurde mithilfe des Kolmogorov-Smirnov-Tests20 bewertet. Die Korrelationsanalyse wurde unter Verwendung des Pearson-Korrelationstests oder des Spearman-Rangkorrelationstests entsprechend der Normalität der Verteilung jeder Variablen durchgeführt. Darüber hinaus wurde eine lineare Regressionsanalyse durchgeführt, um die Änderung der mechanischen Widerstandseigenschaften entsprechend der BMD der kontralateralen Hüfte und des gebrochenen Femurkopfes zu bestätigen.

Die statistische Analyse wurde mit der SPSS-Software Version 27 (SPSS Inc., IL, USA) durchgeführt. Alle P-Werte waren zweiseitig und P-Werte < 0,05 wurden als signifikant angesehen.

Der mittlere Zeitraum vom Zeitpunkt der Fraktur bis zur BMD-Messung mittels DXA betrug 1,9 ± 1,2 Tage. Die durchschnittliche Zeit von der Entnahme des gebrochenen Femurkopfes bis zur Mikro-CT-Messung und dem mechanischen Test betrug 7,6 ± 3,3 Tage.

Die mittels DXA gemessene mittlere BMD der kontralateralen Hüfte betrug 0,61 ± 0,15 g/cm2 im Schenkelhals und 0,65 ± 0,16 g/cm2 in der gesamten Hüfte, was einem T-Score von − 2,74 ± 1,21 und − 3,11 ± 1,34 entspricht , jeweils. Die im Mikro-CT gemessene BMD des gebrochenen Femurkopfes betrug 467,8 ± 69,3 mg HA/cm3. Die gemessenen BMDs und die Korrelation zwischen der gebrochenen und der nicht gebrochenen Seite sind in den Tabellen 2 und 3 zusammengefasst.

Die Last-Verschiebungs-Kurve während des Vorschiebens der Zugschraube durch den Femurkopf zeigte einen anfänglichen steifen Anstieg, gefolgt von einem allmählichen Rückgang (siehe ergänzende Abbildung 2); Es gab jedoch große Unterschiede zwischen den Proben hinsichtlich des Spitzenwerts und des Gesamtwiderstands. Die Widerstandseigenschaften, gemessen anhand des Spitzenwiderstands und des Gesamtwiderstands, sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Als die Korrelation zwischen den gemessenen BMDs und den Widerstandseigenschaften von HB am Femurkopf analysiert wurde, gab es eine signifikante positive Korrelation zwischen dem BMD und den Widerstandseigenschaften des gebrochenen Femurkopfs (Spitzenwiderstand; r = 0,479, p = 0,004, Gesamtwiderstand). ; r = 0,395, p = 0,019) (Abb. 4). Es wurde jedoch keine signifikante Korrelation zwischen den BMDs der kontralateralen Hüfte und den Widerstandseigenschaften des gebrochenen Femurkopfes gefunden. Die Korrelation und lineare Regressionsanalyse zwischen den BMDs der gebrochenen und nicht gebrochenen Seite und den Widerstandseigenschaften sind in Tabelle 5 zusammengefasst.

Streudiagramm der BMD der gebrochenen Oberschenkelhüfte und der Widerstandseigenschaften. (A) Korrelation zwischen der BMD des gebrochenen Femurkopfes und dem Spitzenwiderstand. (B) Korrelation zwischen der BMD des gebrochenen Femurkopfes und dem Gesamtwiderstand.

Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die BMD, die direkt am gebrochenen Femurkopf gemessen wurde, möglicherweise den Widerstand gegen die HB-Migration widerspiegelt, die Messung an der nicht gebrochenen Hüfte jedoch nicht mit dem Widerstand gegen die HB-Migration am gebrochenen Femurkopf korreliert, was darauf hindeutet kann nicht zur Vorhersage der übermäßigen Migration der HB-Zugschraube verwendet werden.

Ein proximaler Femurnagel mit einer verschiebbaren Hüftschraube wird üblicherweise zur Stabilisierung proximaler Femurfrakturen mit zufriedenstellenden Ergebnissen verwendet, aber das Versagen von Zugschrauben bleibt eine tödliche Komplikation8,21. Um das Risiko eines Versagens der Zugschraube zu minimieren, wurde eine Zugschraube mit spiralförmiger Klingenkonstruktion entwickelt, die durch die Verdichtung des Trabekelknochens um die Flansche der Klinge eine bessere Rotations- und Varusstabilität bietet22. Allerdings blieb ein Problem der medialen Migration bestehen, das Berichten zufolge bei 0,7–6,3 % der Patienten beobachtet wurde, die sich einer Operation mit dieser Art von Zugschraube unterzogen hatten6,23. Als mögliche Ursache für dieses Phänomen wurden mehrere Faktoren vermutet, darunter ein unpassender Abstand zwischen Spitze und Spitze, ein instabiles Bruchmuster und das Z-Effekt-Phänomen24,25. Ein weiterer potenzieller Risikofaktor wäre eine mangelnde Knochenstärke des Femurkopfes9. Theoretisch könnte der Trabekelknochen, der die helikale Klinge umgibt, dazu dienen, einem weiteren Vordringen der Zugschraube entgegenzuwirken. Daher kann die Hypothese aufgestellt werden, dass der Widerstand im Femurkopf mit schwacher Knochenstärke möglicherweise nicht ausreicht, um eine mediale Migration zu verhindern26,27.

Eine der am weitesten verbreiteten Methoden zur Vorhersage der Knochenstärke ist die Messung der BMD mittels DXA. Die BMD repräsentiert jedoch größtenteils die Menge des trabekulären Knochens. Während die Knochenmasse einer der wichtigen Faktoren ist, die zur Knochenfestigkeit beitragen, werden die mechanischen Eigenschaften des Knochens auch durch andere Faktoren bestimmt, wie etwa die Architekturgeometrie, die kortikale Porosität und die Gewebemineralisierungsdichte28. Daher haben Ammann et al. berichteten, dass die DXA-gemessene BMD möglicherweise nur 60–70 % der Variation der Knochenstärke vorhersagt, gemäß etablierten Studien, die die Korrelation zwischen der BMD und der Knochenstärke bestätigten29,30.

Uns sind nur zwei Studien bekannt, die den Zusammenhang zwischen der BMD und den mechanischen Eigenschaften des Femurkopfes untersuchten. Haba et al.31 untersuchten den Zusammenhang zwischen den mechanischen Eigenschaften und der BMD von 22 Femurköpfen. Im Rahmen der Studie wurden einachsige Kompressionstests an den zylindrischen Knochenproben durchgeführt, die aus dem osteoarthritischen Femurkopf entnommen wurden. Sie berichteten, dass es eine schwache, aber signifikante Korrelation zwischen der BMD und den mechanischen Eigenschaften des Trabekelknochens gab. Interessanterweise hatte in der nachfolgenden Studie derselben Autoren nur der Strukturmodul eine signifikante Korrelation mit der BMD und nicht die endgültige Druckfestigkeit32. Aufgrund unterschiedlicher Testprotokolle können wir keinen direkten Vergleich mit diesen Studien anstellen, aber unsere Ergebnisse sind insofern etwas ähnlich, als wir eine signifikante Korrelation zwischen der BMD und den mechanischen Eigenschaften des Femurkopfes fanden, gemessen durch die ultimative und Gesamtwiderstand der HB-Zugschraube. Andererseits zeigte unsere Studie auch, dass die BMDs der kontralateralen Hüfte nicht die Widerstandseigenschaften des gebrochenen Femurkopfes widerspiegeln, gemessen durch die HB-Migration. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass die BMD des gebrochenen Kopfes nicht mit den BMDs der kontralateralen Hüfte korreliert, was ein weiteres Ergebnis unserer Studie ist.

In einer Reihe von Studien wurde über eine Korrelation der BMD der bilateralen Hüfte mit widersprüchlichen Ergebnissen berichtet. Banse et al.33 verglichen die mechanischen Eigenschaften von 10 paarigen proximalen Links-Rechts-Femuren und berichteten, dass beim Vergleich beider Seiten kein signifikanter Unterschied festgestellt wurde. Im Gegensatz dazu wurde in einer größeren Studie von Afzelius et al.34 der BMD der bilateralen Hüfte bei 133 Teilnehmern gemessen und berichtet, dass es beim Vergleich des BMD des Schenkelhalses zwar keinen Unterschied gab, der gesamte BMD der Hüfte jedoch im dominanten Bein niedriger war. In einer weiteren Studie von Li et al.35 wurde die BMD der nicht gebrochenen Hüftseite und der gebrochenen Hüftseite mittels quantitativer CT verglichen. Sie berichteten, dass die volumetrische BMD der nicht gebrochenen Seite höher war als die der gebrochenen Seite und dass der Unterschied signifikant war, wenn die BMD durch die Mitte des Schenkelhalses gemessen wurde. In unserer Studie wurde die BMD der nicht gebrochenen Seite mittels DXA mit dem ROI im Schenkelhals und der gesamten Hüfte gemessen, während die BMD der gebrochenen Seite am Femurkopf mittels Mikro-CT gemessen wurde. Es ist zu beachten, dass die typische Messung der Gesamt-BMD der Hüfte nicht den Femurkopf umfasst, da dieses Bild mit der hinteren Hüftpfannenwand überlappt, einer knöchernen Struktur im hinteren Teil der Hüftpfanne. Daher ergibt sich unser Ergebnis aus dem Vergleich verschiedener Teile des proximalen Femurs, was möglicherweise der Grund dafür ist, dass keine Korrelation gefunden wurde. Dennoch glauben wir, dass diese Inkonsistenz der BMD in der bilateralen Hüfte die Erklärung dafür sein könnte, warum die BMD der kontralateralen Hüfte nicht mit den im gebrochenen Femurkopf gemessenen Widerstandseigenschaften korreliert.

Wir erkennen an, dass unsere Studie eine Reihe von Einschränkungen aufweist. Erstens ist die Studie weitgehend durch die Anzahl und Eigenschaften der Proben begrenzt. Die entnommenen Femurköpfe stammten größtenteils von älteren Patienten mit einer osteoporotischen Schenkelhalsfraktur, und es ist unklar, ob die aktuelle Schlussfolgerung auf jüngere Patienten mit stärkerem Knochen anwendbar ist. Daher würden uns Daten aus verschiedenen Altersgruppen und einem breiten BMD-Bereich zu einem besseren Verständnis des Zusammenhangs zwischen der BMD und der mechanischen Festigkeit des Femurkopfes verhelfen. Zweitens testete unsere Studie die axiale Kompressionsbelastung des HB auf den Femurkopf, aber die Richtung der Zugschraube in der Studie entspricht nicht der in vivo ausgeübten physiologischen Belastung. Aufgrund der anatomischen Achse des Unterschenkels sollte die Belastung des Femurkopfes von oben nach medial in Richtung des Acetabulums erfolgen, was wir in unserer Studie jedoch nicht reproduzieren konnten36. Ebenso werden die Faktoren, die das Ergebnis bei echten Patienten beeinflussen können, wie z. B. der Body-Mass-Index oder die Gehgewohnheiten, in unserem Studiendesign nicht berücksichtigt. Daher sollte die Anwendung unserer Ergebnisse auf die Praxis mit Vorsicht erfolgen. Eine weitere Einschränkung besteht in den möglichen Auswirkungen des Einfrierens und Auftauens auf die Proben. Nach der Entnahme des Femurkopfes haben wir die Proben bei –20 °C eingefroren, bis wir Zugang zur Mikro-CT und zum MTS hatten. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass der Gefrier- und Auftauprozess nur minimale Auswirkungen auf die Kortikalis hat; Es gibt jedoch nur begrenzte Hinweise auf seine Wirkung auf den Trabekelknochen37,38. Wir gehen davon aus, dass der unmittelbare Test des Femurkopfes nach der Entnahme Ergebnisse geliefert haben könnte, die den Zustand des Femurkopfes im Körper genauer nachahmen könnten.

Dennoch ist dies die erste Studie, die den Zusammenhang zwischen BMDs und dem Widerstand gegen HB-Migration am Femurkopf validiert.

Unsere Studie zeigt, dass die direkt gemessene BMD einen signifikanten Zusammenhang mit der HB-Migration am osteoporotischen Femurkopf aufweist. Obwohl die BMD, gemessen am nicht gebrochenen kontralateralen Schenkelhals oder an der gesamten Hüfte mittels DXA, der am häufigsten verwendete Parameter zur Vorhersage der Knochenstärke des gebrochenen Femurs ist, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass dies möglicherweise nur begrenzt zur Vorhersage der Migration der helikalen Klinge geeignet ist.

Die während der Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Knochenmineraldichte

Spiralförmige Klinge

Dual-Energie-Röntgenabsorptiometrie

Region von Interesse

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Geringster signifikanter Unterschied

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Diese Studie wurde 2020 durch einen Forschungsfonds der Chosun-Universität unterstützt.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Hyeonjoon Lee und Soo Ah Kim.

Abteilung für orthopädische Chirurgie, Chosun University Hospital, Gwangju, Südkorea

Hyeonjoon Lee, Sungmin Jo und Suenghwan Jo

School of Medicine, Chosun University, 365 Pilmundae-Ro, Dong-Gu, Gwangju, 61453, Südkorea

Soo Ah Kim & Suenghwan Jo

Osteoporose-Studiengruppe, Chosun-Universität, Gwangju, Südkorea

Soo Ah Kim & Suenghwan Jo

Abteilung für Geburtshilfe und Gynäkologie, Chosun-Universität, Gwangju, Südkorea

Soo Ah Kim

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SK und HL analysierten, interpretierten die Daten und verfassten das Manuskript. SK und SJ haben die Finanzierung übernommen. SM.J. führte die Experimente durch und sammelte die Daten. SJ entwarf und konzipierte die Studie, interpretierte die Daten und überarbeitete das Manuskript. Alle Autoren haben zum Artikel beigetragen und die eingereichte Version genehmigt.

Korrespondenz mit Suenghwan Jo.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Lee, H., Kim, SA, Jo, S. et al. Biomechanische Analyse zur Analyse des Zusammenhangs zwischen Knochenmineraldichte und Zugschraubenmigration. Sci Rep 13, 747 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27860-5

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Eingegangen: 08. Juni 2022

Angenommen: 09. Januar 2023

Veröffentlicht: 13. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27860-5

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