Biomechanical aspects of Resection­Interposition­Arthroplasty (RIAP)


J. M. Strauss (1), W. Rüther (1), B. Fink (1), K. Tillmann (2)

Dr. J.M. Strauss
Dept. of Orthopedic Surgery
University of Duesseldorf
Moorenstr. 5
40225 Duesseldorf

Keywords: Resection-arthroplasty, shoulder joint, biomechanics


Summary:

Mid­term results in Resection­lnterposition­Arthroplasty (RIAP) of the rheumatoid shoulder reveal good gain in active flexion and extension. In contrast, active abduction in the glenohumeral joint remains poor in many cases. To find out the reason we developed a simple three­dimensional computer model of the shoulder joint with fixed scapula. Using this model, we, can study different types of motion like abduction or flexion/extension. The geometric data for this model were taken from ap X­rays in different degrees of abduction or from three dimensional MRI of our patients. Postoperatively the humeral head tends to move to cranial (0.4 ­1.0 cm) and to medial (0.4 0.8 em). Because of the changes in the glenohumeral relationship, the contact area of the humeral head has moved to the superior part of the glenoid, and hence the kind of motion (rolling/slipping) has changed. In consequence there of, the lever arm of the deltoid muscle decreased (35.2%) and the muscle was shortened (OA ­ 0.9 cm) in the frontal plane. In the sagittal plane the lever arm of the deltold decreased only slightly (9.4%). This is assumed to be the reason for the better active flexion than active abduction after RIAP. The pattern of active motion described by us is an intrinsic problem of the RIAP of the shoulder. Even if the active abduction is significantly impaired after surgery, most of the patients have good active flexion that is important for their activities of daily living. We conclude that the loss of active abduction does not primarily reflect fibrous stiffness of the shoulder joint but is the consequence of biomechanical alteration.

Zusammenfassung:

In der vorliegenden biomechanischen Betrachtung wird von folgender klinischer Beobachtung ausgegangen: Patienten mit chronischer Polyarthritis, bei denen aufgrund einer Desruktion des Schultergelenkes eine Resektions­lnterpositions­Arthroplasik (RIAP) erforderlich wurde, zeigen postoperativ einen deutlich geringeren 8ewegungszuwachs für die aktive Abduktion als für die aktive Anteversion und Retroversion. Zur Klärung dieses diskrepanten Bewegungsverhaltens haben wir ein einfaches dreidimensionales Computermodell des Schultergelenkes entwickelt (Skapula fixiert), mit dem sich die Bewegung in Abduktion sowie Ante­ und Retroversion untersuchen läßt. Dazu werden die geometrischen Daten des Schultergelenkes für die Abduktion aus a. p. Röntgenaufnahmen entnommen, Daten für die Anteversion werden MRI­Daten (sagittale Schnittführung) entnommen. Die Daten werden mit einem Scanner erfaßt und im Programm interaktiv bearbeitet. Nach der Operation kommt es zu einer Kranialisierung (0,4­1,0 cm) und Medialisierung (0,4 ­ 0.8 cm) des Humeruskopfes. Die veränderten Artikulationsverhältnisse verlagern den glenohumeralen Auflagepunkt nach kranial bis zur Subluxation. so daß das Rollgleitverhaiten gestört wird. Dadurch kommt es in der Frontalebene zur Verkürzung des Hebelarmes des M. deltoideus (im Mittel 35,2%) und zu einer passiven Muskelverkürzung (0,4 ­ 0,9 em). In der Sagittalebene kommt es ebenfalls zur passiven Verkürzung des Muskels, jedoch nur zu einer geringen Verkürzung des Hebelarmes bei der Anteversion (im Mittel 9,4%). Dies erklärt die relative Insuffizienz des Deltamuskels bei der Abduktionsbewegung, und es erklärt die betonte Minderung der Abduktionsbewegung bei vergleichsweise gut erhaltener Bewegung in der Sagittalebene. Die dargestellten postoperativen Bewegungsmuster sind ein immanentes Phänomen der Resektionsarthropiastik. Auch wenn die aktive glenohumerale Abduktionsbewegung nur gering ausfällt, kann ein ausgiebiges und für den Patienten wertvolles 8ewegungsausmaß in der Sagittalen bestehen. Die eingeschränkte glenohumerale Abduktion ist keineswegs immer ein Zeichen einer fibrösen Steife im glenohumeralen Gelenk.

Einführung und Fragestellung

Den Anstoß zu der vorliegenden Untersuchüng gab eine Studie von Rüther u. Tillmann (1), die bei 29 Patienten mit chronischer Polyarthritis eine Resektions­lnterpositions­Arthroplastik des Schultergelenkes in der Technik nach Tillmann (2) (Abb. 1) durchführten. In diese retrospektive Studie gingen Patienten mit einem Alter von durchschnittlicn 55 Jahren (28­77 Jahre) nach einer durchschnittlichen Follow­up­Zeit von 74 Monaten (28­120 Monate) ein.

Die Autoren bewerteten das postoperative Ergebnis nach den Kriterien Schmerz und Beweglichkeit Durch die Operation kam es zu einer signifikanten Abnahme des Schmerzes von präoperativ 3,0 auf postoperatov 0,6 Bewertungspunkten (0: kein, 1: leichter, 2: mittlerer, 3: starker Schmerz) und zu einer deutlichen Verbesserung der Beweglichkeit Die Flexionsfähigkeit nahm von 35° präoperativ auf 90° postoperativ zu, während die Abduktion von 37° auf höchstens 80° zunahm (Abb. 2), Es handelte sich bei den gemessenen Bewegungsspielräumen um Komplexbewegungen des Schultergürtels, nicht um isolierte glenohumerale Bewegungen. Die glenohumerale Abduktionsbewegung war in den meisten Fällen deutlich geringer einzuschätzen als es die komplexe Abduktionsbewegung klinisch vermuten ließ (Abb.3). Der Bewegungsgewinn für die glenohumerale Flexionsextensionsbewegung fiel demgegenüber besser aus, wie aus den klinischen Daten leicht erkennbar. Die bei den Patienten durchweg artzutreffende bessere Flexionsfähigkeit bei oftmals deutlich eingeschrinkter Abduktionsfihigkeit hat für die Patienten bei der Verrichtung alltäglicher Arbeiten entscheidende Bedeutung (Essen, Frisieren). Die limitierte glenohumerale Abduktionsfihigkeit muß durch eine frühe Mitbewegung der Skapula kompensiert werden. Klinisch prisentiert sich so ein auffilliges Bewegungsmuster insofern, als die glenohumerale Abduktionsbeweglichkeit eine völlige glenohumerale Steife suggeriert und in starkem Kontrast steht zur Beweglichkeit in der Sagittalen. Die vorliegende Arbeit geht der Frage nach, ob die postoperativen Unterschiede jn den verschiedenen Bewegungsebenen nicht durch biomechanische Sachverhalte bedingt sind. Eine Kapselfibrose oder gar glenohumerale Ankylose erklärt die beobachteten Phänomene nicht: In Fällen der glenohumeralen Einsteifung müßte die Flexion in gleicher Weise betroffen sein. Dies legt die Vermutung nahe, daß es noch andere Erklärungsmöglichkeiten für die zu beobachtenden Unterschiede in der Beweglichkeit gibt.

Biomechanische Überlegungen

Die Kinematik des Schultergelenkes wurde von Fischer (3), Poppen u. Walker (4,5), Howald (6), Harryman (7) und Kapandii (8) in den wesentlichen Gründzügen dargestellt. Danach kommt es bei der Abduktion des Humerus nicht zu einer gleichformigen Bewegung um ein konstantes Drehzentrum wie beim idealisierten Kugelgelenk, sondern vielmehr zu einer Bewegung um eine wechselnde Drehachse, die bei der Abduktion von kaudal nach kranial wandert (Abb. 4). In jeder Phase der Abduktion tritt daher sowohl eine Rotations­ als auch eine Translationsbewegung des Humeruskopfes in der Gelenkpfanne auf. Die Gesamtbewegung resultiert aus der Überlagerung der beiden Bewegungsarten.

Bei einer Abduktion von ca. 50 ° entsteht ein sog. "Bewegungssprung". In dieser Phase der Abduktion geht die anfinglich überwiegende Abrollbewegung des Humeruskopfes in der Gelenkpfanne in eine fast ausschließliche Translationsbewegung von kaudal nach kranial über. Eine Drehachse ist daher in dieser Abduktionsstellung nicht festzulegen. Im Gegensatz dazu liegen bei der Flexionsbewegung die Drehzentren auf engerem Raum. Ein Bewegungssprung läßt sich bei der Flexion nicht feststellen. Diese unterschiedlichen Bewegungsmuster in Abduktions­ bzw. Flexionsrichtung haben ihre Ursachen in der Morphologie des glenohumeralen Gelenkes. Im Gegensatz zu einem reinen Kugelgelenk, bei dem die Radien von Gelenkkopf und Gelenkpfanne identisch sind, ist beim Glenohumeralgelenk der Radius des Humeruskopfes in der Regel kleiner als der Radius der glenoidalen Gelenkpfanne. Nägerl (9) konnte zeigen, daß es bei derartigen Gelenken nicht zu einer Rotation um eine konstante Drehachse, sondern vielmehr zu einer gleichzeitigen Bewegung um zwei verschiedene Drehachsen kommt Eine Drehachse verläuft durch das Zentrum des Humeruskopfes, die andere durch das Zentrum der glenoidalen Gelenkpfanne. Die Kinematik eines solchen Gelenkes ist aus der Getriebelehre bekannt und wird mit dem Begriff der "dimeren Kette" bezeichnet. Nach Untersuchungen von Kubein­Meesenburg (10) ist das Prinzip der dimeren Kette ein verbreitetes Konstruktionsprinzip bei Diarthrosen des menschlichen Körpers. Die dimere Kette wird gebildet aus den beiden Zentren von Kopf und Pfanne sowie dem Verbindungsstück zwischen beiden, dem "Kettenglied" (Abb. 5). Größe und Orientierung des Kettengliedes legen mit der momentanen Muskelaktivität die Kinematik des Gelenkes fest Sowohl der momentane Kontaktpunkt zwischen Humeruskopf und Glenoid als auch das momentane Drehzentrum liegen immer auf der Verbindungsgeraden der beiden Drehzentren, d. h. auf der Verlängerung des Kettengliedes. Die Lage des Drehzentrums auf der Verbindungsgeraden hängt ab wn dem Verhältnis der Rotationsgeschwindigkeiten um zum einen das Zentrum des Humeruskopfes und zum anderen um das Zentrum des Glenoids. Bei Überwiegen der Rotation um das Zentrum des Humeruskopfes liegt die momentane Drehachse in der Nähe des Kopfzentrums, bei Zunahme der Rotation um das Zentrum des Glenoids verlagert sich die Drehachse in Richtung des Glenoids. Nägerl et al. (9) konnten nachweisen, daß es bei der Abduktionsbewegung im Regelfall zu einer Verlagerung des momentanen Drehzentrums von kaudal zu Beginn der Abduktion nach kranial gegen Ende der Abduktion kommen muß.

Daraus kann man ableiten, daß sich bei der Abduktion der Humeruskopf um das Drehzentrum des Humeruskopfes gegen den Uhrzeigersinn und zugleich um das Zentrum des Glenoids im Uhrzeigersinn dreht (Abb.6). Aus der Kombination der beiden Drehbewegungen resultiert ein Rollgleiten des Hmeruskopfes in der Gelenkpfanne. Während der Abduktionsbewegung verschiebt sich sowohl der Kontaktpunkt am Humeruskopf als auch im Glenoid von kaudal nach kranial. Der Ablauf des individuellen Rollgleitvorganges hängt ab von der Zugrichtung und Aktivität der Muskulatur sowie dem Verhältnis der beiden Krümmungsradien von Humeruskopf und Glenoid. Mit diesem Modell läßt sich der von Fischer (3) beobachtete "Bewegungssprung' bei ca. 50° Abduktion dadurch erklären, daß das Verhältnis der Rotationsgeschwindigkeiten um Humeruskopf bzw. Glenoid während der Abduktion nicht konstant ist Durch das wechselnde Verhältnis der beiden Winkelgeschwindigkeiten kommt es in Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen bei der Abdukrion zu einem initialen Abrollen des Humeruskopfes in der Gelenkpfanne, welches bei zunehmender Abduktion in ein Gleiten übergeht Bei ca. 50 ° Abdukbon sind die beiden Winkelgeschwindigkeiten offenbar betraglich gleich groß aber im Drehsinn entgegengesetzt Dies entspricht einer Translationsbewegung in dieser Phase. Der für unsere Betrachtung entscheidende Unterschied zwischen Abduktion und Flexion besteht darin, daß der Vorgang des Rollgleitens bei der Flexion in geringerem Maße auftritt.

Zusammenfassend hängt die Möglichkeit einer physiologischen Abduktionsfähigkeit mit Verlagerung des Kontaktpunktes von kaudal nach kranial unmittelbar zusammen mit geometrischen Größen wie Kopf­ und Pfannenradius sowie einer auf diese geometrischen Größen abgestimmten Muskelaktivität. Ändert man die Geometrie eines Gelenkpartners, z.B. durch das Verkleinern des Humeruskopfes bei der RIAP, so kann dieser physiologische Bewegungsablauf empfindlich gestört werden. Die Flexionsbewegung ist aufgrund des weniger ausgeprägten Rollgleitens weit weniger störanfällig als die Abduktionsbewegung.

Material und Methode

Auf der Grundlage dieser biomechanischen Uberlegungen wurden exemplarisch an drei Patienten des eingangs erwähnten Krankengutes die determinierenden morphologischen Größen aus Standardröntgenbildern und Kernspintomographien bestimmt.

Dies waren im einzelnen (Abb. 7) die Hebelarme der Musculi deltoideus und supraspinatus bez. des Zentrums von Humeruskopf und Glenoid, die Krümmungsradien von Humeruskopf und Glenoid sowie die Orientierung des Kettengliedes und damit die Position des Humeruskopfes in der Gelenkpfanne mit dem momentanen Kontaktpunkt. Dazu wurden die Röntgen­ bzw. MRI­Bilder zunächst digitalisiert (System "Diagnosbx 2048" der Firma Pace Systems) und anschließend die interessierenden biomechanischen Größen interaktiv in den verschiedenen Funktionsstellungen prä­ und postoperativ bestimmt. Diese Daten erlaubten im Computer eine Simulation der Bewegungs­ und Belastungssituation. Ausgeschlossen von der Untersuchung wurden Pabenten mit mutilierendem Verlaufstyp, die schon nach wenigen Monaten durch Resorption des humeralen Knochens die geometrische Grundlage für unsere Betrachtungen nicht mehr boten.

Ergebnisse

Durch die Resektions­lnterpositions­Arthroplasrik kommt es im Röntgenbild zu einer Kranialisierung des Humeruskopfes um 0,4­1,0 cm sowie zu einer Medialisierung des Humeruskopfes von 0,4­0,8 cm. Dadurch verkürzen sich die Hebelarme des Musculus deltoideus: bis zu 35% für die Abduktion, jedoch nur bis zu 9% für die Flexion. Zusätzlich verkürzt sich der Hebelarm des Musculus supraspinatus bis zu 18 %. Insgesamt resultiert aus der Verkürzung der Hebelarme eine Schwächung der aktiven Bewegung, die insbesondere die Abduktion und weniger die Flexion betrifft. Ferner kommt es durch die Operation zum Hochstand des Hurneruskopfes mit Änderung der geometrischen Ausgangsparameter und konsekutiv zu einer Kranialverlagerung der momentanen Drehzentren und der momentanen Kontaktpunkte bei der beginnenden Abduktionsbewegung. Das physiologische initiale Rollen ist dann noch möglich, das spätere physiologische Gleiten nach kranial wird aber durch das Akromion behindert. So kommt es zusätzlich zur Schwächung der aktiven Abduktion noch zu einer passiven Bewegungshinderung durch den gestörten Abrollvorgang.

Zusammenfassung

Bei der Resektions­lnterpositions­Arthroplastik werden wichtige biomechanische Parameter geändert. Diese Änderung wirkt sich in der Abduktionsebene gravierender aus als in der Flexionsebene. Das biomechanische Modell erklärt den Erhalt der für den Pabenten so wichtigen Flexionsfähigkeit und den deutlich stärkeren Verlust in der Abduktionsfähigkeit auch ohne die Annahme einer postoperativen Kapselfibrose.

Als klinische Konsequenz ergibt sich daraus:

1. Die Neuformung des Humeruskopfes sollte möglichst sparsam erfolgen, um die biomechanisch deterrninierenden Größen nicht zu stark zu verändern.

2. Bei der Readaptation der Rotatorenmanschette sollte ein Kopfhochstand unbedingt vermieden werden.

3. Aufgrund der gut erhaltenen Flexionsfähigkeit und der späteren Option eines alloplastischen Gelenkersatzes, sollte die Resektions­lnterpositions­Arthroplasik des Schultergelenkes als Altemative zur Arthrodese weiter ihre Berechtigung finden.

Literature