BeitI Orthop u Traumaiol 29 (1982) H 644-656 Aus der Orthopaumldischen Klinik (Direktor Pro f Dr sc med J Hellinger) dem Direkt orat fuumlr Planung und Oumlkonomie (Direktor DI oec Frank) Abt MTE (Leiter Drlng P Guumlttler) de r Medizinische n Akademie Carl Gustav Carus Dresden und dem Zentmlinstitut fuumlr F estkoumlrperphysik und Werkstorrorschung der Akademie der Vissenschaften der DDR (Direktor Prof Dr rer nato O H enkel)

Zum Einfluszlig der Elektrostimulation auf die Bildung und Organisation von Knochengewebe shybei der Frakturheilung der Kaninchentibia

Von J HELLINGER J KLEDITZSCH Th MUumlLLER W POMPE H-J SIX Th SCHUBERT L BEER und P GUumlTTLER

Renn OjvI R Prof D1middot sc med E Sander zum 60 Geburtstag

Zusarnmenfassung

A uf der Grundlage tierexperimenteller Studien werden die E influszligfaktoren und Wirkmechashynismen der Elokirostimulation beim bipolaren Rechteckimpuls und beimlnterferenzverfahrcn an Hand einiger standardisierter Auswerteverfahren wie z B der Mineralanalyse m it 12T oder der Pruumlfung der Bruchlast im 3-Punkt-Biegeversuch mit Bestimmung der akwt-ischen Emission der Bruchfestigkeit bzw Bruchzaumlhigkeit untersucht

Unter den gewaumlhlten Versuchsbedingungen kommt es unter Elektrostimulation zu einer beshyschleunigten Mineral- und damit KaUusbildung Relativ unabhaumlngig davon laumluft die bioshyIIlGchanislthe Organisation des neugebildeten Gewebes ab Fuumlr eine Stimulation der b ioshymechanischen Organisation des Knochengewebes ist eine definierte Beziehung zwischen Geometrie des elektrischen Feldes und der W achstumslichtung des Knochens herzustellen

Summary

On the basis of animal experimental studies the influence factors and therapeutic mechaniims of the e lctri cal stimulation with square topped pulse a nd the in terferen ce procedure were exam ined in the light of some standaldized evaluating procedures such as mineral analysis with 125J 01 the examination undel the 3-point be nding test with determination of the acollstic emission the breaking stlength a nd breaking toughness respective ly

When employing the chosen t est conditions there is an accelerated mineral- and therewith call11s formation occurring under electr ical stimulation The biomechanical organization of the newly fOlmed t issue OCCUlS relatively independent on the electrical stimulation For a stimulation of the biomechanical organization of the bone tissue a defined re lat ion between the geometry of the electrical field and the growth dilection must be es tablished

Problemstellung

Die Elektrostimulation der Osteogenese wird seit langem im Tierversuch erforscht und auch klinisch am Menschen zur schnelleren Heilung von Frakturen Pseudarthrosen und Korrekturosteotornien angewendet (4 12 13 22) Dennoch bestehen gegenwaumlrtig noch offene Fragen hinsichtlich der zu waumlhlenden Art des elektrischen Feldes der optimalen Stimulationsdauer sowie der zu erreichenden Effekte bei der Unterstuumltzung der Osteoshy

644

genese Ein moumlglicher Zugang zum Verstaumlndnis der Wechselwirkung von Elektrizitaumlt und Knochenwachstum wird durch folgende 2 Befunde eroumlffnet

1 Die von Wolff 1884 (24) getroffene Feststellung von der Formierung der KollagenshyApatit-Struktur des Knochens im Sinne einer optimalen Anpassung an die funktionelle mechanische Belastung 2 Die von Fukada und Yasuda (8) experimentell nachgewiesene Piezoelektrizitaumlt des Knochens

Da ein Mechanismus der direkten richtungsorientierten Einfluszlignahme mechanischer Spannungen auf biologische und biochemische Vorgaumlnge im Knochengewebe schwer vorstellbar ist liegt die Vennutung nahe daszlig stets elektrische PotentiaJe als Informashytionsvermittler wirken (3 9) Die Elektrostimulation waumlre also als eine Stimulation des zur Osteosynthese notwendigen mechanischen Reizes zu verstehen Angesichts der heterogenen stark anisotropen Knochenstruktur ist es von vornherein klar daszlig es schwerfallen duumlrfte durch Applikation elektrischer Felder den physiologischen Fall optimal nachzubilden Nach Bur 1976 (5) Grundjian u Chen 1974 (10) liegt die Kopplungskonstante d 14 fuumlr den piezoelektrischen Effekt von makroskopischen Knochenproben in der Groumlszligenordshynung von 01 bis 03 pCjN (z-Achse parallel zur mittleren Orientierung der Osteone) Fuumlr ein einzelnes Osteon liegt sie bei etwa 1 pCN und schlieszliglich fuumlr eine einkristalline kalzifizierte Kollagenanordnung (Lamelle) bei 27 bis 3 pCN Als mikrostrukturelle Ursachen fuumlr die Piezoelektrizitaumlt sind die Polaritaumlt der a-Ketten sowie Polarisation von Vasserstoffbruumlckenbildungen zwischen einzelnen Molekuumllketten des Tropokollagen dem kristallinen organischen Grundbaustein dcs Knochens anzushysehen (2 5 7 10) Daneben sind moumlgliche Kopplungseffekte zwischen den Kollagenshymolekuumllen und den Hydroxylapatitkristallen (1 5 16) wirksam Phaumlnomenologisch ershygibt sich ein noch nicht vollstaumlndig uumlberschaubarer Zusammenhang zwischen mechanishyschen Spannungen und elektrischen Feldern im Knochen (15 17) Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es auf der Grundlage von tierexperimentellen Studien die genannten Einfluszligfaktoren und Wirkmechanismen wciter einzugrenzen Um zu einer moumlglichst umfassenden Beurteilung der Vorgaumlnge bei der Elektrostimnhshytion zu kommen wird ein breites Spektrum von Methoden zur Charakterisierung der entstandenen Knochenstruktur herangezogen Aus der Sicht der klinischen Anwendung der Elektrostimulation wird dem Auffinden von Aussagen zur Zcitabhaumlngigkeit der Prozesse besondere Aufmerksamkeit gewidmet Damit verbunden ist die Frage nach einer optimalen Stimulationsdauer in Abhaumlngigkeit von speziellen elektrischen CharakteshyTistika Mit Hilfe von Mikroelektrodenuntersuchungen ist es Pollack et aI sowie Iannacone et a1 (14 23) gelungen die elektrische Feldverteilung in Knochenproben unter Biege- und Kompressionsbehandlung zu messen Im Bereich von Osteonen wurden Mikrofelder festgestellt die die Zylindersymmetrie des Osteons widerspiegeln Bei den Biegeproben wurde auszligerdem eine negative Aufladung der Druckseite gegenuumlber der Zugseite geshymessen Das stimmt mit den Erfahrungstatsachen uumlberein daszlig einerseits Zugspannungen Zu Knochenabhau und Druckspannungen zur Knochenneubildung fuumlhren und anderershyseits bei StimuhLtion mit Gleichstrom au der Kathode Knochenaufbau und an der Anode Knochenabbau stattfindet

Material und Methode

Bei 160 Kaninchenbastarden beiderlei Geschlechts wurde in Thiogenal- bzw Hexobarbital shyNarkosen die linke Tibia mit einem Eisensaumlgeblatt manuell distal der Tuberositas tibiae osteotomiert so daszlig ein 1 bis 15 mrn breiter Spalt entstand Nach erfolgter Osteotomie wurde mit einer Vcrbrugge-Zange eine teflonisolierte T-Platte des Klcillfragmentinstrumenshytariums der AO an der Tibia fixiert Die T-Platte fixierten wir mit je zwei 35 mm KOltikalis-

Beitr Orthop u Traumato 29 (1982) H12 645

schrrmlien so daszlig bei ec hs0ng()lechter SIdlung eine stabile Ostcosynl he0 zielt I(1d(n konnk Die Schraube n trogen ebe nfalls Te flOlluumlberzuumlge Proximul uml ditel der T-Plp t p

wlUcle n E lrktrocrn ill1plfwtiert Die verschiecle nfa lbigrn Elcktrod r nlwlJrl I (](ln mi t ( iUN V2A-Sta blnacle l subkutan zwischen be ide ShulterblaumltLt 1 und dOII ctllrch rlip- H fm L gefuumlhr t Dirsr Kabe l war0n fuumlr lirn Anschluszlig von Il1lpulsstimulatoren VOlg0whrll Dri i12 Killinchen erfolgle e ine Elektros timulat ion im Kieder- bzw lVlittelfll-Cjlle nzbe le iuh 4R erhie lte n keine Jlektroslimulltllion 11 Tiere ohne jegliche 0p0ration dienlPn d0m Ve rg leich

Die gewaumlhlte EkkLroctenonorclnung it Abbildung 1 zu e nt Ilphmen Als FkkllO(18I1lnal uumllial wurde rosLfruier Stahl V(lwendemiddott Die E ldd rostirnulation erfolgtr 7nl1l rin r n IlIit hi polfl1Cn R0ch tNkinlpuIRstIOumlme n Der zei tliche Miltehle ll einer JlIlpu]pe lioce 1 Null Fuumlr (es Velhiiltnis von Impu]clewcr Gd zu Imlulspause tp wurden 2 chflflk lr Ji stisrlw Vertr gCwiiltlt D as sogenannte T n tverhaumll tn is

v = tdj(t-d - t p ) betrug 1 2 b zw 1 10

Abb 1 Roumlntgenbild einer Kaninche nti1ia nach der Operatioll 24 postoperativer Tag lllit liegendem Fixations - und ElektlOdenmaterial (Teflonisolatioii nicht si ch tbar) bipolare Stimulation

T abelle I Zusammenfassung ge waumlhl tor Parameter ZllJ ElektrostimulaLion

Frequenz Tastverhaumlltni s IIllJ)ulsdauer Stromstaumlrke Tieranzahl (Uz) (s) ([1A)

1 1 2 plusmn 50 10 1 1 2 05 plusmn 25 9 1 1 tO 01 plusmn 50 9

10 1 2 005 t 25 8 10 1 2 plusmn 50 10 In terferenz 1 = 3900 - s in (2 - 1) t 002 103 16 2 = 4000

K eine S t-irllul ati on 27

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Indclll fuumlr di e I mpu Js fogeflc qu enz f = (t p + 1ct)-l 1 Hz bzw 10 H z Ve rwelllltltg fand e n v ariie rlp die biolcgi sCh r elevFl1te Jmpu lsdeuer in einEm relativ weiten Bereich ( t l = 05 s

01 s 005 s Tabe lle I)

Die Strorn~taumlrken fuumlr d ie EuegLlllgen betrugen plusmn 25 fLA b zw plusmn 50 fLA Neben d i c ~l] b ipol aren il11pulsfoumlllllige n Stinmlatmiddotion wurde durch - bellgtlgenlllg von zwei sinu sfoumlrm igen Stroumlmen mi t Frcquenzen von 3900 Hz und 4000 H z ein Intprfele nzfeld zur S tilllullttion verwendet (11) In diesem Fall 1 trug die St romstaumlrke 1 mA Dicsp fuumlr Ele ktrostimul Qtion IIngmvoumlhnlich hohe St l01l1sLiilke erkliin sich d al rus daszlig vuf Grund d er Elektlod(ngeomuumltrie und des externen Generators nur die Frage der sch nellstmoumlgliChen Kaijusbildung im Vordprgrund stalId

vVaumlhre nd die ]mp ulo stinIUJat icn mit 1 H z bzw 10 Hz als DuEIstimulaticn uumlln einen Zeitmiddotshyraum VOll 3 bis [) VVOCh(1l Cl folgLe konnte d er Jnterfere nzstrom aus gertitctechni schen Gruumlnshyden nur fuumlr 4 Stdn je TipI taumlgli ch in dem gl ich en Zeitraum durchgefuumlhrt werden

ZLU Ei nschaumltzung der Virkung tl rI verschied e nen E lekt rostirnuluLiollsltlrlen wurden neben der nlchtoste otomicrten rechten Tibia des jeweilig(m VelsuehstiNPS uUlh P roben zur Au sshywertung herangezogen bei den en die J-I( ~ilung des uuml~t eotomi(sraltes ohne ElekLrostimul1Lion erfol g tp Zm Beurtei lung eie r entstandenen Kn ochenbilclung WlIlOCl folge nd e Methode n h erangezogen

- manu elle Pruumlfung der OsteotGmie nach d er Toumltung d er Tiere auf Stabi litaumlt

- roumlntgenographisch e Uumlbersichtsaufnahme der Tibia im unmittelbar l)ostoperat-iven Zushystand sowie nach Toumltung der Tier e

- lno clc lJminera IRnfllyse miLtel s Absorption~rncHsungen von monochromatischer GammashyStrahlun g (12J) an Hlschiedcnen Punkten in der N achbarschaft d es Osteo tomiespa ltes ~o wi e

an vergleichbaren lunkten der recht (n Tibia

- szin t igraphische Untersuchung der Minera lisation Uluumler Verwe nd ung von D9m Tc-Dishyphosphonat

- Histologi e und Histornorphome uie n ach polychrom er Sequenzmarkierung des Waehsshytums - UmbRll- und Heilung~prOlesHes des Knochen s durch Injekt ion von Tetruvcrine Alizalinkomplexon Fl uorexon Xylenolora nge sowie Calcein in de fini erten Zeitraumlume n nach der 0pPlRtion

- psLigkei hbestirnmungen unte r Verwendung d es D leipunktbiegevers llchcs an praumlparierten Tibiae

- Schalle rniss ionsuntelsuchungen bei cler BiegEbelastung bis ZU lll Bruch

- ras torele k t rone nll1i kroskopisehe Un tersuchungen der Knoche ns Lruktur in) B ereich der Ekkl ros timu la t ion

Resultate 1md Diskusiion

Aus den Resultaten d iees Un( erfiuehllng~8pdtrums soll hier ein au~geuuml hl ter Verglei ch erfolgen Ulll eine Standardbest imlllullg und einen Ausblick zu ermoumlglichen Die Annlyse l der -Verteilung de Knoehenminemlgehal te im Bereich des Osteotomi eshyspalt egt an der linken Tibia laumlszligt die Unter~ (bied e in der vVirkung einzelner Stimulationsshyart en deutlich fe liden

D urch Ab rpticn mUllochromutischer namillastra hl ung (125J) an idini( ~ rt eJl [eszligsteUen der l a Jlinchent ibiae Wlm(e Lei 99 Tieten die Mineralstdzkonzentration betimllt

In Ahbildlmg 2 ist der relative YIineral antei l bezogen Rllf denjenigen des ni chtstil1l11shylivrlcll geRllllden Knochens fuumlr Hrchicoenc Mdbtellen aufgetragen Daszlig durcbgaumlngig -Werte groumlszliger a ls Eins annehmende Verhaumlltnis weist durauf hin aaszlig im Heilungsprozeszlig ein groumlszligerer VolullwlJanleil zll~iitzli (hes Mineml eingelagert wird

1 Dip Pntersllchunge n nll(] r 1l dtlnkell swcr te ln~ i ~ ( in eler Orthopuumldischen Elinik der MartinshyLuthnl-l-ni ver itaumlt Hall e (Direktor P rof Dr meel hebillVI R Mat tner) erl11oumlgli (middoth t

0 647

1 30

20

70

-0-0-0-

-X-K-X-

Interferenz

70172700

707250

77 70700

772700

77250 keine ES

5 Osteo- 70 mm 45 tomie

roXlmal I distal

Abb 2 Norn1ierter Mineralante il MGMGo an den versch iedenen Meszligstellen in den gewaumlhlten UntelsuchungsglLlppen (Bezeichnung der Gruppen Impulsfolge frequenz Tast verhaumlltnis Stromstaumlrke in fLA) - keine Elektlostimulation 27 Ti ere

1 lfzv = 1 2 plusmn 25fLA = 9 1 H zv = 1 2 plusmn 50 fLA = 10 1 Hzv = 1 10 plusmn 50 fLA = 9

10 Hz v = 1 2 plusmn 25 fLA = 8 10 Hzv = 1 2 plusmn 50 fL A = 10 Interferenz = 16 Tiere

Hierbei handelt es sich strukturell um ein Kallllsgewebc dessen Struktur jedoch stark von der Stimulationsart abhaumlngt und_ erst uumlber groumlszligere Zeitraumlume hinweg zur eigentshylichen Kompakta umgebau t wird (Abb 3 - szlig) Die zeitliche Zunahme des Mineralanteiles in Abhaumlngigkeit von der Stimulationsart ist Abbildung 7 zu entnehmen Diese statistisch signifikanten Ergebnisse der Beziehung MGMGo (absoluter Mineralgehalt nach Norshymierung) in Abhaumlngigkeit von der postoperativen Zeit wurden a18 Polynominalregresshysionen dargestellt (Tahelle II) Ebenso wie in den vorhergehenden Bildern wird deutlich daszlig die Anregung mit relativ langen Impulsreihen sowie das Interferenzverfahren zu einer beschleunigten Mineralisierung fuumlhren Wie man den rasterelektronenmikroskopishysehen Aufnalnnen entnehmen Imnn unterscheirlen sich die entstandenen Gewebe deutshylich hinsicht lieh Por08itaumlt und Gefuumlgeausbildung Um ihre mechanische Virksamkcit zu

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schrrmlien so daszlig bei ec hs0ng()lechter SIdlung eine stabile Ostcosynl he0 zielt I(1d(n konnk Die Schraube n trogen ebe nfalls Te flOlluumlberzuumlge Proximul uml ditel der T-Plp t p

wlUcle n E lrktrocrn ill1plfwtiert Die verschiecle nfa lbigrn Elcktrod r nlwlJrl I (](ln mi t ( iUN V2A-Sta blnacle l subkutan zwischen be ide ShulterblaumltLt 1 und dOII ctllrch rlip- H fm L gefuumlhr t Dirsr Kabe l war0n fuumlr lirn Anschluszlig von Il1lpulsstimulatoren VOlg0whrll Dri i12 Killinchen erfolgle e ine Elektros timulat ion im Kieder- bzw lVlittelfll-Cjlle nzbe le iuh 4R erhie lte n keine Jlektroslimulltllion 11 Tiere ohne jegliche 0p0ration dienlPn d0m Ve rg leich

Die gewaumlhlte EkkLroctenonorclnung it Abbildung 1 zu e nt Ilphmen Als FkkllO(18I1lnal uumllial wurde rosLfruier Stahl V(lwendemiddott Die E ldd rostirnulation erfolgtr 7nl1l rin r n IlIit hi polfl1Cn R0ch tNkinlpuIRstIOumlme n Der zei tliche Miltehle ll einer JlIlpu]pe lioce 1 Null Fuumlr (es Velhiiltnis von Impu]clewcr Gd zu Imlulspause tp wurden 2 chflflk lr Ji stisrlw Vertr gCwiiltlt D as sogenannte T n tverhaumll tn is

v = tdj(t-d - t p ) betrug 1 2 b zw 1 10

Abb 1 Roumlntgenbild einer Kaninche nti1ia nach der Operatioll 24 postoperativer Tag lllit liegendem Fixations - und ElektlOdenmaterial (Teflonisolatioii nicht si ch tbar) bipolare Stimulation

T abelle I Zusammenfassung ge waumlhl tor Parameter ZllJ ElektrostimulaLion

Frequenz Tastverhaumlltni s IIllJ)ulsdauer Stromstaumlrke Tieranzahl (Uz) (s) ([1A)

1 1 2 plusmn 50 10 1 1 2 05 plusmn 25 9 1 1 tO 01 plusmn 50 9

10 1 2 005 t 25 8 10 1 2 plusmn 50 10 In terferenz 1 = 3900 - s in (2 - 1) t 002 103 16 2 = 4000

K eine S t-irllul ati on 27

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Indclll fuumlr di e I mpu Js fogeflc qu enz f = (t p + 1ct)-l 1 Hz bzw 10 H z Ve rwelllltltg fand e n v ariie rlp die biolcgi sCh r elevFl1te Jmpu lsdeuer in einEm relativ weiten Bereich ( t l = 05 s

01 s 005 s Tabe lle I)

Die Strorn~taumlrken fuumlr d ie EuegLlllgen betrugen plusmn 25 fLA b zw plusmn 50 fLA Neben d i c ~l] b ipol aren il11pulsfoumlllllige n Stinmlatmiddotion wurde durch - bellgtlgenlllg von zwei sinu sfoumlrm igen Stroumlmen mi t Frcquenzen von 3900 Hz und 4000 H z ein Intprfele nzfeld zur S tilllullttion verwendet (11) In diesem Fall 1 trug die St romstaumlrke 1 mA Dicsp fuumlr Ele ktrostimul Qtion IIngmvoumlhnlich hohe St l01l1sLiilke erkliin sich d al rus daszlig vuf Grund d er Elektlod(ngeomuumltrie und des externen Generators nur die Frage der sch nellstmoumlgliChen Kaijusbildung im Vordprgrund stalId

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- manu elle Pruumlfung der OsteotGmie nach d er Toumltung d er Tiere auf Stabi litaumlt

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an vergleichbaren lunkten der recht (n Tibia

- szin t igraphische Untersuchung der Minera lisation Uluumler Verwe nd ung von D9m Tc-Dishyphosphonat

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- psLigkei hbestirnmungen unte r Verwendung d es D leipunktbiegevers llchcs an praumlparierten Tibiae

- Schalle rniss ionsuntelsuchungen bei cler BiegEbelastung bis ZU lll Bruch

- ras torele k t rone nll1i kroskopisehe Un tersuchungen der Knoche ns Lruktur in) B ereich der Ekkl ros timu la t ion

Resultate 1md Diskusiion

Aus den Resultaten d iees Un( erfiuehllng~8pdtrums soll hier ein au~geuuml hl ter Verglei ch erfolgen Ulll eine Standardbest imlllullg und einen Ausblick zu ermoumlglichen Die Annlyse l der -Verteilung de Knoehenminemlgehal te im Bereich des Osteotomi eshyspalt egt an der linken Tibia laumlszligt die Unter~ (bied e in der vVirkung einzelner Stimulationsshyart en deutlich fe liden

D urch Ab rpticn mUllochromutischer namillastra hl ung (125J) an idini( ~ rt eJl [eszligsteUen der l a Jlinchent ibiae Wlm(e Lei 99 Tieten die Mineralstdzkonzentration betimllt

In Ahbildlmg 2 ist der relative YIineral antei l bezogen Rllf denjenigen des ni chtstil1l11shylivrlcll geRllllden Knochens fuumlr Hrchicoenc Mdbtellen aufgetragen Daszlig durcbgaumlngig -Werte groumlszliger a ls Eins annehmende Verhaumlltnis weist durauf hin aaszlig im Heilungsprozeszlig ein groumlszligerer VolullwlJanleil zll~iitzli (hes Mineml eingelagert wird

1 Dip Pntersllchunge n nll(] r 1l dtlnkell swcr te ln~ i ~ ( in eler Orthopuumldischen Elinik der MartinshyLuthnl-l-ni ver itaumlt Hall e (Direktor P rof Dr meel hebillVI R Mat tner) erl11oumlgli (middoth t

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5 Osteo- 70 mm 45 tomie

roXlmal I distal

Abb 2 Norn1ierter Mineralante il MGMGo an den versch iedenen Meszligstellen in den gewaumlhlten UntelsuchungsglLlppen (Bezeichnung der Gruppen Impulsfolge frequenz Tast verhaumlltnis Stromstaumlrke in fLA) - keine Elektlostimulation 27 Ti ere

1 lfzv = 1 2 plusmn 25fLA = 9 1 H zv = 1 2 plusmn 50 fLA = 10 1 Hzv = 1 10 plusmn 50 fLA = 9

10 Hz v = 1 2 plusmn 25 fLA = 8 10 Hzv = 1 2 plusmn 50 fL A = 10 Interferenz = 16 Tiere

Hierbei handelt es sich strukturell um ein Kallllsgewebc dessen Struktur jedoch stark von der Stimulationsart abhaumlngt und_ erst uumlber groumlszligere Zeitraumlume hinweg zur eigentshylichen Kompakta umgebau t wird (Abb 3 - szlig) Die zeitliche Zunahme des Mineralanteiles in Abhaumlngigkeit von der Stimulationsart ist Abbildung 7 zu entnehmen Diese statistisch signifikanten Ergebnisse der Beziehung MGMGo (absoluter Mineralgehalt nach Norshymierung) in Abhaumlngigkeit von der postoperativen Zeit wurden a18 Polynominalregresshysionen dargestellt (Tahelle II) Ebenso wie in den vorhergehenden Bildern wird deutlich daszlig die Anregung mit relativ langen Impulsreihen sowie das Interferenzverfahren zu einer beschleunigten Mineralisierung fuumlhren Wie man den rasterelektronenmikroskopishysehen Aufnalnnen entnehmen Imnn unterscheirlen sich die entstandenen Gewebe deutshylich hinsicht lieh Por08itaumlt und Gefuumlgeausbildung Um ihre mechanische Virksamkcit zu

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Indclll fuumlr di e I mpu Js fogeflc qu enz f = (t p + 1ct)-l 1 Hz bzw 10 H z Ve rwelllltltg fand e n v ariie rlp die biolcgi sCh r elevFl1te Jmpu lsdeuer in einEm relativ weiten Bereich ( t l = 05 s

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ZLU Ei nschaumltzung der Virkung tl rI verschied e nen E lekt rostirnuluLiollsltlrlen wurden neben der nlchtoste otomicrten rechten Tibia des jeweilig(m VelsuehstiNPS uUlh P roben zur Au sshywertung herangezogen bei den en die J-I( ~ilung des uuml~t eotomi(sraltes ohne ElekLrostimul1Lion erfol g tp Zm Beurtei lung eie r entstandenen Kn ochenbilclung WlIlOCl folge nd e Methode n h erangezogen

- manu elle Pruumlfung der OsteotGmie nach d er Toumltung d er Tiere auf Stabi litaumlt

- roumlntgenographisch e Uumlbersichtsaufnahme der Tibia im unmittelbar l)ostoperat-iven Zushystand sowie nach Toumltung der Tier e

- lno clc lJminera IRnfllyse miLtel s Absorption~rncHsungen von monochromatischer GammashyStrahlun g (12J) an Hlschiedcnen Punkten in der N achbarschaft d es Osteo tomiespa ltes ~o wi e

an vergleichbaren lunkten der recht (n Tibia

- szin t igraphische Untersuchung der Minera lisation Uluumler Verwe nd ung von D9m Tc-Dishyphosphonat

- Histologi e und Histornorphome uie n ach polychrom er Sequenzmarkierung des Waehsshytums - UmbRll- und Heilung~prOlesHes des Knochen s durch Injekt ion von Tetruvcrine Alizalinkomplexon Fl uorexon Xylenolora nge sowie Calcein in de fini erten Zeitraumlume n nach der 0pPlRtion

- psLigkei hbestirnmungen unte r Verwendung d es D leipunktbiegevers llchcs an praumlparierten Tibiae

- Schalle rniss ionsuntelsuchungen bei cler BiegEbelastung bis ZU lll Bruch

- ras torele k t rone nll1i kroskopisehe Un tersuchungen der Knoche ns Lruktur in) B ereich der Ekkl ros timu la t ion

Resultate 1md Diskusiion

Aus den Resultaten d iees Un( erfiuehllng~8pdtrums soll hier ein au~geuuml hl ter Verglei ch erfolgen Ulll eine Standardbest imlllullg und einen Ausblick zu ermoumlglichen Die Annlyse l der -Verteilung de Knoehenminemlgehal te im Bereich des Osteotomi eshyspalt egt an der linken Tibia laumlszligt die Unter~ (bied e in der vVirkung einzelner Stimulationsshyart en deutlich fe liden

D urch Ab rpticn mUllochromutischer namillastra hl ung (125J) an idini( ~ rt eJl [eszligsteUen der l a Jlinchent ibiae Wlm(e Lei 99 Tieten die Mineralstdzkonzentration betimllt

In Ahbildlmg 2 ist der relative YIineral antei l bezogen Rllf denjenigen des ni chtstil1l11shylivrlcll geRllllden Knochens fuumlr Hrchicoenc Mdbtellen aufgetragen Daszlig durcbgaumlngig -Werte groumlszliger a ls Eins annehmende Verhaumlltnis weist durauf hin aaszlig im Heilungsprozeszlig ein groumlszligerer VolullwlJanleil zll~iitzli (hes Mineml eingelagert wird

1 Dip Pntersllchunge n nll(] r 1l dtlnkell swcr te ln~ i ~ ( in eler Orthopuumldischen Elinik der MartinshyLuthnl-l-ni ver itaumlt Hall e (Direktor P rof Dr meel hebillVI R Mat tner) erl11oumlgli (middoth t

0 647

1 30

20

70

-0-0-0-

-X-K-X-

Interferenz

70172700

707250

77 70700

772700

77250 keine ES

5 Osteo- 70 mm 45 tomie

roXlmal I distal

Abb 2 Norn1ierter Mineralante il MGMGo an den versch iedenen Meszligstellen in den gewaumlhlten UntelsuchungsglLlppen (Bezeichnung der Gruppen Impulsfolge frequenz Tast verhaumlltnis Stromstaumlrke in fLA) - keine Elektlostimulation 27 Ti ere

1 lfzv = 1 2 plusmn 25fLA = 9 1 H zv = 1 2 plusmn 50 fLA = 10 1 Hzv = 1 10 plusmn 50 fLA = 9

10 Hz v = 1 2 plusmn 25 fLA = 8 10 Hzv = 1 2 plusmn 50 fL A = 10 Interferenz = 16 Tiere

Hierbei handelt es sich strukturell um ein Kallllsgewebc dessen Struktur jedoch stark von der Stimulationsart abhaumlngt und_ erst uumlber groumlszligere Zeitraumlume hinweg zur eigentshylichen Kompakta umgebau t wird (Abb 3 - szlig) Die zeitliche Zunahme des Mineralanteiles in Abhaumlngigkeit von der Stimulationsart ist Abbildung 7 zu entnehmen Diese statistisch signifikanten Ergebnisse der Beziehung MGMGo (absoluter Mineralgehalt nach Norshymierung) in Abhaumlngigkeit von der postoperativen Zeit wurden a18 Polynominalregresshysionen dargestellt (Tahelle II) Ebenso wie in den vorhergehenden Bildern wird deutlich daszlig die Anregung mit relativ langen Impulsreihen sowie das Interferenzverfahren zu einer beschleunigten Mineralisierung fuumlhren Wie man den rasterelektronenmikroskopishysehen Aufnalnnen entnehmen Imnn unterscheirlen sich die entstandenen Gewebe deutshylich hinsicht lieh Por08itaumlt und Gefuumlgeausbildung Um ihre mechanische Virksamkcit zu

648

1 30

20

70

-0-0-0-

-X-K-X-

Interferenz

70172700

707250

77 70700

772700

77250 keine ES

5 Osteo- 70 mm 45 tomie

roXlmal I distal

Abb 2 Norn1ierter Mineralante il MGMGo an den versch iedenen Meszligstellen in den gewaumlhlten UntelsuchungsglLlppen (Bezeichnung der Gruppen Impulsfolge frequenz Tast verhaumlltnis Stromstaumlrke in fLA) - keine Elektlostimulation 27 Ti ere

1 lfzv = 1 2 plusmn 25fLA = 9 1 H zv = 1 2 plusmn 50 fLA = 10 1 Hzv = 1 10 plusmn 50 fLA = 9

10 Hz v = 1 2 plusmn 25 fLA = 8 10 Hzv = 1 2 plusmn 50 fL A = 10 Interferenz = 16 Tiere

Hierbei handelt es sich strukturell um ein Kallllsgewebc dessen Struktur jedoch stark von der Stimulationsart abhaumlngt und_ erst uumlber groumlszligere Zeitraumlume hinweg zur eigentshylichen Kompakta umgebau t wird (Abb 3 - szlig) Die zeitliche Zunahme des Mineralanteiles in Abhaumlngigkeit von der Stimulationsart ist Abbildung 7 zu entnehmen Diese statistisch signifikanten Ergebnisse der Beziehung MGMGo (absoluter Mineralgehalt nach Norshymierung) in Abhaumlngigkeit von der postoperativen Zeit wurden a18 Polynominalregresshysionen dargestellt (Tahelle II) Ebenso wie in den vorhergehenden Bildern wird deutlich daszlig die Anregung mit relativ langen Impulsreihen sowie das Interferenzverfahren zu einer beschleunigten Mineralisierung fuumlhren Wie man den rasterelektronenmikroskopishysehen Aufnalnnen entnehmen Imnn unterscheirlen sich die entstandenen Gewebe deutshylich hinsicht lieh Por08itaumlt und Gefuumlgeausbildung Um ihre mechanische Virksamkcit zu

648

Abb 3 Bruchflaumlche einer Kaninuhentibia ohne vorherige Operation Mikrorisse nach 3shyPunkt-Biegebelastung im Rasterelektronenmikroskop (VergI = 300 1) F mnx = 770 N NAE = 61

Abb 4 Keine Elektrostirnulalion 34 posloperativer Tag Blu(hflaumluhc nfleh 3-Iunkt-Bicgcshybelastung im Rasterelektronenmilaoskop (Velgl = WO1) F max = 362 N N AE = 63 Obere Bilrlhiilfte Kompaluumla untfle Haumllfte K allus mi t dcutli(h a l1lgchi ldeten Hohlraumlumen (Wa(hstumsstluktur)

beurteilen wurden fiir die einzelnen StimuJationsarten in Abhaumlngigkeit von der Stimulashytionsdauer Dreipunkthiegebelastungen der praumlparierten Knochen vorgenornl1len_ So konnte bei 76 Tieren (keine Operation 10 Tiere keine Elektrostimulation 16 1 Hz 23

649

Abb 5 Stimula tmiddotion mit 10 Hz v = 1 2 plusmn 25 [LA 34 postoper ativer Tag Kallus und neushygebilde te Knochenstruktm zWleh mender Antei l an fe inporiger bzw F asorstruktur (Raster shyelekt ronenaufnahme Vergr = 1201 ) F max = 300 N Nu = 592

Abb fi Stimulatio ll mit 1 11 1 v 1 2 plusmn 25 1JA l~ posLop erali ver T Jg K a llus stark ausmiddot gel )i klet ( Fet[rukt ur (Ruumlf Lele le lLlOlll ll lblifnahme I(rgr 160 J ) F m co 640 ~ E i H

650

fvfGMGo 24 23

22

21

20

19

18

7 I (6 I

15 CD ElektroslimulofionlOHz 14 Cl Eekfrostimulation Interferenz----- 13 Cl) Eektrosfimulofion IHz ~

11 __ - shy--_shy

10 ~----~==~~----~--- r--~-r1----1----1-----1--shyl 5 IQ 15 20 25 30 35 Tage

Abb 7 Polynominnlregression dps relativen Mineralanteiles MG MG o an der linken TiLi a in Abhauml ngigk eit von der postoperativen Zeit 1 = 10 Hz v = 1 2 plusmn 50 fLA - 2 = IntelfelenZvelfahren -3 = 1 Hz v = 1 2 plusmn 50 fLA Meszligtelle Osteotomiebereich

Tabelle 11 PolynominalregrC~ s ion des absoluten Minelalgehaltes und Normierung

T ibia Meszligstelie

Stimulationsar t Polynominalreglession

Ansatz a + b (i d)x

afg cm shy 2 b g cm - 2 x Best immt heitsmaszlig in

links Osteotomieshypal t

1 Hz v = 1 2plusmn 50 fLA 10 Hzv = t 2plusmn 50 fLA Interferenz

0125 101

0101 101

0127 101

0117 10- 5

0105 10 - 5

0132 10- 2

4 4 2

4546 4918 3437

10 Hz 13 und Interferenz 14 Tiere) im Iittel nach 30 Tagen die maximale Bruehlast unter Sbtndardhedingungen bestimmt werden -Is Auflagcabstand wllrden W mm gewaumlhlt wohei das Kmftmax irnum im Spaltbereich lag Unregelnuumliszligigkeiten der Knocheng2om~trie la9ltDn nur sehr bed ingt Ab30llltausshysagen zu Dennoch wurden chantkteriiti8ehe rntersehiede in den KJaft-Durchbiegu ngs- Dia shygrammen festgestellt (Abh 8) In Ahbildung 9 ist dcr Verlauf der Biegdwuchfestigkeit in Abhaumlngigkeit von dem Minerahtntei l dargestellt Dabei wurde in einfaehstcr Xaumlhcrllng znr Auswcrtllng der Kraft-Du rehbiegnngs-DiagIal1unC die Tibia-Geometrie durch einen Hohlzylinder mit kreisfoumlrmiger Grundflaumlche approximiert Die Biegefestigkeit naumlhert sich erst fuumlr (unlllittelbar ~1m Osteotomiespall gemessen) relativ groszlige Min ralanteile an den Wertebereieh des gesunden Knoehens an Dieser CIll13tanQ weist wiederum darauf hin da szlig das (lurch Eleictrostilllulation erzeugte Gewebe zunaumlehst oumltrukturell nicht optishymiert ist d h verlllinderte cstigkeiL iillfweist

651

40 ltt lt ~ 0 c

~

~ 0 -lt 20 ~

a)

100

80

60

40

20

b)

Zeit in s

240

Zeit in s

500 60

400

ltltt 300

~ 400 c

~200 ~ 0 -lt ltJ100 Ci)

300 20

100

Zeit in s c)

60

40

lt middotS 20

300

200 ~

~ ~

100 COshy

120 180 240 300 360 420 Zeit in s

d)

400

lt 300 middots

~

-lt200 Q)

~ CO

100

Abb 8 Dreipu1Iktbiegetest a1l KanillltIpntib iu - Sehullflmissionsmte AE hohpr In tens itaumlt u nd szligiegekmft in AbiIaumlngigkeit VOll der Zeit b(i konshwtc r Truverscngcsehwindigkeit

a) a bsolu es N ulJtier F mx = 482 Zahl der Scha llemissionssignale bis zum BC1leh ~AE = 22 b) keine Stinmlation 34 potoper ativer Tug Fm = 80 K NAE = 696 c) 1 Hz 1 10100 [LA 32 postoperativer Tag F ma = 230 N NAE = MiR d) 10 H z1 2100 [LA 32 postoperativer T ag F mbull x = 90 N N AE = 1720

D52

da ~ A keme Elektrostimulation Nimm 2) Igt Elektrostimulation Interferenz

110 bull Elektrostimulation 10Hz o Elektrostimulation IHz

100 8 0 keine Operation shy ~

9deg1--- --o--------------------r~------------middot-----80 8 0

ro ~----~D~--------------------~~~---r------~~~---------------

60

50 o

----~----------~-40 o

o ~30

20 _0- 70

08 10 12 (4 6 18 2fJ 22 24 26 28 30 MGMG

Abb 9 Biegebruchfestigkeit der Kaninchentibia in Abhaumlngigkeit vom relativen Mineralmiddot snteil

Auffallend ist daszlig unabhaumlngig von der Stimulationsart nach etwa 35 Tagen alle Knoshychen ein gleiches Festigkeitsniveau erreichen Durch gleichzeitige Aufzeichnung des Schallemissionsspektrums konnten diese Unterschiede weiter verdeutlicht werden Wegen des komplizierten Emissionsspektrums wurde nur eine zweikanalige Aufzeichshynung unterteilt nach Impulsen groszliger und kleiner Energie vorgenommen Dabei wurde eine Oszillationszaumlhlung gewaumlhlt Als charakteristischer Kennwert fuumlr die weitere Disshykussion wurde die Impulssumme NAszlig bestimmt bei 33 Tieren der groszligen Impulse aufshysummiert bis zum Kraftmaxinllll1l herangezogen Es kann davon ausgegangen werden daszlig die Impulse groszliger Intensitaumlt mit der sprunghaften Ausbreitung einzelner Mikroshyrisse im mineralisierten Gewebe 711 identifizieren sind Hohe NAE-Werte bis zur Maximalshylast weisen auf ein Gewebe mit einem hohen Widerstand gegen Riszligausbreitung hin Nur wenig mineralisiertes oder auch stark fibroumlses bzw porendurchsetztes kallusartiges Geshywebe ergibt demnach hohe NAE-Werte waumlhrend in der gut ausgebildeten Kompakta der Bruch bereits nach wenigen Mikroriszligereignissen einsetzt Ein Vergleich der Schallshyemissionskurve in den Diagrammen aus Abbildung 8 macht dieses Verhalten deutlich In Abbildung 10 ist die Impulszahl N AE fuumlr einzelne Stimulationsarten in Abhaumlngigkeit von der Zeit dargestellt Waumlhrend bis zu 35 Tagen eine deutliche Differenzierung zu ershykennen ist streben fuumlr groumlszligere Zeiten alle Werte dem Wertebereich der gutausgebildeten Kompakta zu Um den Widerstand gegen Riszligausbreitung der einzelnen Gewebearten -Zu beurt ilen ist es notwendig neben der kritischen Impulszahl N~E gleichzeitig das dabei wirksame Spannungsniveau aB zu betrachten Nimmt man naumlherungsweise an daszlig der kritische Riszlig sich aus Nu Einzelelementen der Laumlnge ao aufbaut wird dieser Zusammenshyhang zwischen N AE und aB uumlber die Bruchzaumlhigkeit

Xc = N~ aj oszlig hergestellt Die Bruchzaumlhigkeit K c ist im Sinn einer stoffspezifischen Kenngroumlszlige als festkoumlrpermechanisches Maszlig fuumlr den ~iszligwiderstand anzusehen Unter der Annahme gleicher ao-Werte fuumlr die verschiedenen Gewebestrukturen sind relativierte Bruchzaumlhigshykeiten K6 = KltaolI2 in Abbildung 11 in Abhaumlngigkeit VOll der Stilllulationsart aufgeshytragen worden Paszligt man den so berechneten Kc-Wert fuumlr den nichtoperierten Knochen an bruchmechanisch direkt ermittelte Kc-Werte von Kompakta an die im Groumlszligenshybereich von

2 MNm3 12 lt K c lt 8 MNjm3 j2 liegen so fuumlhrt das zu ao-Werten im Bereich von

30 [Lm lt ao lt 100 [Lm

7 Beitr Orthop u Traumatal 29 (1982) H 12 653

Abb 5 Stimula tmiddotion mit 10 Hz v = 1 2 plusmn 25 [LA 34 postoper ativer Tag Kallus und neushygebilde te Knochenstruktm zWleh mender Antei l an fe inporiger bzw F asorstruktur (Raster shyelekt ronenaufnahme Vergr = 1201 ) F max = 300 N Nu = 592

Abb fi Stimulatio ll mit 1 11 1 v 1 2 plusmn 25 1JA l~ posLop erali ver T Jg K a llus stark ausmiddot gel )i klet ( Fet[rukt ur (Ruumlf Lele le lLlOlll ll lblifnahme I(rgr 160 J ) F m co 640 ~ E i H

650

fvfGMGo 24 23

22

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20

19

18

7 I (6 I

15 CD ElektroslimulofionlOHz 14 Cl Eekfrostimulation Interferenz----- 13 Cl) Eektrosfimulofion IHz ~

11 __ - shy--_shy

10 ~----~==~~----~--- r--~-r1----1----1-----1--shyl 5 IQ 15 20 25 30 35 Tage

Abb 7 Polynominnlregression dps relativen Mineralanteiles MG MG o an der linken TiLi a in Abhauml ngigk eit von der postoperativen Zeit 1 = 10 Hz v = 1 2 plusmn 50 fLA - 2 = IntelfelenZvelfahren -3 = 1 Hz v = 1 2 plusmn 50 fLA Meszligtelle Osteotomiebereich

Tabelle 11 PolynominalregrC~ s ion des absoluten Minelalgehaltes und Normierung

T ibia Meszligstelie

Stimulationsar t Polynominalreglession

Ansatz a + b (i d)x

afg cm shy 2 b g cm - 2 x Best immt heitsmaszlig in

links Osteotomieshypal t

1 Hz v = 1 2plusmn 50 fLA 10 Hzv = t 2plusmn 50 fLA Interferenz

0125 101

0101 101

0127 101

0117 10- 5

0105 10 - 5

0132 10- 2

4 4 2

4546 4918 3437

10 Hz 13 und Interferenz 14 Tiere) im Iittel nach 30 Tagen die maximale Bruehlast unter Sbtndardhedingungen bestimmt werden -Is Auflagcabstand wllrden W mm gewaumlhlt wohei das Kmftmax irnum im Spaltbereich lag Unregelnuumliszligigkeiten der Knocheng2om~trie la9ltDn nur sehr bed ingt Ab30llltausshysagen zu Dennoch wurden chantkteriiti8ehe rntersehiede in den KJaft-Durchbiegu ngs- Dia shygrammen festgestellt (Abh 8) In Ahbildung 9 ist dcr Verlauf der Biegdwuchfestigkeit in Abhaumlngigkeit von dem Minerahtntei l dargestellt Dabei wurde in einfaehstcr Xaumlhcrllng znr Auswcrtllng der Kraft-Du rehbiegnngs-DiagIal1unC die Tibia-Geometrie durch einen Hohlzylinder mit kreisfoumlrmiger Grundflaumlche approximiert Die Biegefestigkeit naumlhert sich erst fuumlr (unlllittelbar ~1m Osteotomiespall gemessen) relativ groszlige Min ralanteile an den Wertebereieh des gesunden Knoehens an Dieser CIll13tanQ weist wiederum darauf hin da szlig das (lurch Eleictrostilllulation erzeugte Gewebe zunaumlehst oumltrukturell nicht optishymiert ist d h verlllinderte cstigkeiL iillfweist

651

40 ltt lt ~ 0 c

~

~ 0 -lt 20 ~

a)

100

80

60

40

20

b)

Zeit in s

240

Zeit in s

500 60

400

ltltt 300

~ 400 c

~200 ~ 0 -lt ltJ100 Ci)

300 20

100

Zeit in s c)

60

40

lt middotS 20

300

200 ~

~ ~

100 COshy

120 180 240 300 360 420 Zeit in s

d)

400

lt 300 middots

~

-lt200 Q)

~ CO

100

Abb 8 Dreipu1Iktbiegetest a1l KanillltIpntib iu - Sehullflmissionsmte AE hohpr In tens itaumlt u nd szligiegekmft in AbiIaumlngigkeit VOll der Zeit b(i konshwtc r Truverscngcsehwindigkeit

a) a bsolu es N ulJtier F mx = 482 Zahl der Scha llemissionssignale bis zum BC1leh ~AE = 22 b) keine Stinmlation 34 potoper ativer Tug Fm = 80 K NAE = 696 c) 1 Hz 1 10100 [LA 32 postoperativer Tag F ma = 230 N NAE = MiR d) 10 H z1 2100 [LA 32 postoperativer T ag F mbull x = 90 N N AE = 1720

D52

da ~ A keme Elektrostimulation Nimm 2) Igt Elektrostimulation Interferenz

110 bull Elektrostimulation 10Hz o Elektrostimulation IHz

100 8 0 keine Operation shy ~

9deg1--- --o--------------------r~------------middot-----80 8 0

ro ~----~D~--------------------~~~---r------~~~---------------

60

50 o

----~----------~-40 o

o ~30

20 _0- 70

08 10 12 (4 6 18 2fJ 22 24 26 28 30 MGMG

Abb 9 Biegebruchfestigkeit der Kaninchentibia in Abhaumlngigkeit vom relativen Mineralmiddot snteil

Auffallend ist daszlig unabhaumlngig von der Stimulationsart nach etwa 35 Tagen alle Knoshychen ein gleiches Festigkeitsniveau erreichen Durch gleichzeitige Aufzeichnung des Schallemissionsspektrums konnten diese Unterschiede weiter verdeutlicht werden Wegen des komplizierten Emissionsspektrums wurde nur eine zweikanalige Aufzeichshynung unterteilt nach Impulsen groszliger und kleiner Energie vorgenommen Dabei wurde eine Oszillationszaumlhlung gewaumlhlt Als charakteristischer Kennwert fuumlr die weitere Disshykussion wurde die Impulssumme NAszlig bestimmt bei 33 Tieren der groszligen Impulse aufshysummiert bis zum Kraftmaxinllll1l herangezogen Es kann davon ausgegangen werden daszlig die Impulse groszliger Intensitaumlt mit der sprunghaften Ausbreitung einzelner Mikroshyrisse im mineralisierten Gewebe 711 identifizieren sind Hohe NAE-Werte bis zur Maximalshylast weisen auf ein Gewebe mit einem hohen Widerstand gegen Riszligausbreitung hin Nur wenig mineralisiertes oder auch stark fibroumlses bzw porendurchsetztes kallusartiges Geshywebe ergibt demnach hohe NAE-Werte waumlhrend in der gut ausgebildeten Kompakta der Bruch bereits nach wenigen Mikroriszligereignissen einsetzt Ein Vergleich der Schallshyemissionskurve in den Diagrammen aus Abbildung 8 macht dieses Verhalten deutlich In Abbildung 10 ist die Impulszahl N AE fuumlr einzelne Stimulationsarten in Abhaumlngigkeit von der Zeit dargestellt Waumlhrend bis zu 35 Tagen eine deutliche Differenzierung zu ershykennen ist streben fuumlr groumlszligere Zeiten alle Werte dem Wertebereich der gutausgebildeten Kompakta zu Um den Widerstand gegen Riszligausbreitung der einzelnen Gewebearten -Zu beurt ilen ist es notwendig neben der kritischen Impulszahl N~E gleichzeitig das dabei wirksame Spannungsniveau aB zu betrachten Nimmt man naumlherungsweise an daszlig der kritische Riszlig sich aus Nu Einzelelementen der Laumlnge ao aufbaut wird dieser Zusammenshyhang zwischen N AE und aB uumlber die Bruchzaumlhigkeit

Xc = N~ aj oszlig hergestellt Die Bruchzaumlhigkeit K c ist im Sinn einer stoffspezifischen Kenngroumlszlige als festkoumlrpermechanisches Maszlig fuumlr den ~iszligwiderstand anzusehen Unter der Annahme gleicher ao-Werte fuumlr die verschiedenen Gewebestrukturen sind relativierte Bruchzaumlhigshykeiten K6 = KltaolI2 in Abbildung 11 in Abhaumlngigkeit VOll der Stilllulationsart aufgeshytragen worden Paszligt man den so berechneten Kc-Wert fuumlr den nichtoperierten Knochen an bruchmechanisch direkt ermittelte Kc-Werte von Kompakta an die im Groumlszligenshybereich von

2 MNm3 12 lt K c lt 8 MNjm3 j2 liegen so fuumlhrt das zu ao-Werten im Bereich von

30 [Lm lt ao lt 100 [Lm

7 Beitr Orthop u Traumatal 29 (1982) H 12 653

fvfGMGo 24 23

22

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19

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7 I (6 I

15 CD ElektroslimulofionlOHz 14 Cl Eekfrostimulation Interferenz----- 13 Cl) Eektrosfimulofion IHz ~

11 __ - shy--_shy

10 ~----~==~~----~--- r--~-r1----1----1-----1--shyl 5 IQ 15 20 25 30 35 Tage

Abb 7 Polynominnlregression dps relativen Mineralanteiles MG MG o an der linken TiLi a in Abhauml ngigk eit von der postoperativen Zeit 1 = 10 Hz v = 1 2 plusmn 50 fLA - 2 = IntelfelenZvelfahren -3 = 1 Hz v = 1 2 plusmn 50 fLA Meszligtelle Osteotomiebereich

Tabelle 11 PolynominalregrC~ s ion des absoluten Minelalgehaltes und Normierung

T ibia Meszligstelie

Stimulationsar t Polynominalreglession

Ansatz a + b (i d)x

afg cm shy 2 b g cm - 2 x Best immt heitsmaszlig in

links Osteotomieshypal t

1 Hz v = 1 2plusmn 50 fLA 10 Hzv = t 2plusmn 50 fLA Interferenz

0125 101

0101 101

0127 101

0117 10- 5

0105 10 - 5

0132 10- 2

4 4 2

4546 4918 3437

10 Hz 13 und Interferenz 14 Tiere) im Iittel nach 30 Tagen die maximale Bruehlast unter Sbtndardhedingungen bestimmt werden -Is Auflagcabstand wllrden W mm gewaumlhlt wohei das Kmftmax irnum im Spaltbereich lag Unregelnuumliszligigkeiten der Knocheng2om~trie la9ltDn nur sehr bed ingt Ab30llltausshysagen zu Dennoch wurden chantkteriiti8ehe rntersehiede in den KJaft-Durchbiegu ngs- Dia shygrammen festgestellt (Abh 8) In Ahbildung 9 ist dcr Verlauf der Biegdwuchfestigkeit in Abhaumlngigkeit von dem Minerahtntei l dargestellt Dabei wurde in einfaehstcr Xaumlhcrllng znr Auswcrtllng der Kraft-Du rehbiegnngs-DiagIal1unC die Tibia-Geometrie durch einen Hohlzylinder mit kreisfoumlrmiger Grundflaumlche approximiert Die Biegefestigkeit naumlhert sich erst fuumlr (unlllittelbar ~1m Osteotomiespall gemessen) relativ groszlige Min ralanteile an den Wertebereieh des gesunden Knoehens an Dieser CIll13tanQ weist wiederum darauf hin da szlig das (lurch Eleictrostilllulation erzeugte Gewebe zunaumlehst oumltrukturell nicht optishymiert ist d h verlllinderte cstigkeiL iillfweist

651

40 ltt lt ~ 0 c

~

~ 0 -lt 20 ~

a)

100

80

60

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b)

Zeit in s

240

Zeit in s

500 60

400

ltltt 300

~ 400 c

~200 ~ 0 -lt ltJ100 Ci)

300 20

100

Zeit in s c)

60

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lt middotS 20

300

200 ~

~ ~

100 COshy

120 180 240 300 360 420 Zeit in s

d)

400

lt 300 middots

~

-lt200 Q)

~ CO

100

Abb 8 Dreipu1Iktbiegetest a1l KanillltIpntib iu - Sehullflmissionsmte AE hohpr In tens itaumlt u nd szligiegekmft in AbiIaumlngigkeit VOll der Zeit b(i konshwtc r Truverscngcsehwindigkeit

a) a bsolu es N ulJtier F mx = 482 Zahl der Scha llemissionssignale bis zum BC1leh ~AE = 22 b) keine Stinmlation 34 potoper ativer Tug Fm = 80 K NAE = 696 c) 1 Hz 1 10100 [LA 32 postoperativer Tag F ma = 230 N NAE = MiR d) 10 H z1 2100 [LA 32 postoperativer T ag F mbull x = 90 N N AE = 1720

D52

da ~ A keme Elektrostimulation Nimm 2) Igt Elektrostimulation Interferenz

110 bull Elektrostimulation 10Hz o Elektrostimulation IHz

100 8 0 keine Operation shy ~

9deg1--- --o--------------------r~------------middot-----80 8 0

ro ~----~D~--------------------~~~---r------~~~---------------

60

50 o

----~----------~-40 o

o ~30

20 _0- 70

08 10 12 (4 6 18 2fJ 22 24 26 28 30 MGMG

Abb 9 Biegebruchfestigkeit der Kaninchentibia in Abhaumlngigkeit vom relativen Mineralmiddot snteil

Auffallend ist daszlig unabhaumlngig von der Stimulationsart nach etwa 35 Tagen alle Knoshychen ein gleiches Festigkeitsniveau erreichen Durch gleichzeitige Aufzeichnung des Schallemissionsspektrums konnten diese Unterschiede weiter verdeutlicht werden Wegen des komplizierten Emissionsspektrums wurde nur eine zweikanalige Aufzeichshynung unterteilt nach Impulsen groszliger und kleiner Energie vorgenommen Dabei wurde eine Oszillationszaumlhlung gewaumlhlt Als charakteristischer Kennwert fuumlr die weitere Disshykussion wurde die Impulssumme NAszlig bestimmt bei 33 Tieren der groszligen Impulse aufshysummiert bis zum Kraftmaxinllll1l herangezogen Es kann davon ausgegangen werden daszlig die Impulse groszliger Intensitaumlt mit der sprunghaften Ausbreitung einzelner Mikroshyrisse im mineralisierten Gewebe 711 identifizieren sind Hohe NAE-Werte bis zur Maximalshylast weisen auf ein Gewebe mit einem hohen Widerstand gegen Riszligausbreitung hin Nur wenig mineralisiertes oder auch stark fibroumlses bzw porendurchsetztes kallusartiges Geshywebe ergibt demnach hohe NAE-Werte waumlhrend in der gut ausgebildeten Kompakta der Bruch bereits nach wenigen Mikroriszligereignissen einsetzt Ein Vergleich der Schallshyemissionskurve in den Diagrammen aus Abbildung 8 macht dieses Verhalten deutlich In Abbildung 10 ist die Impulszahl N AE fuumlr einzelne Stimulationsarten in Abhaumlngigkeit von der Zeit dargestellt Waumlhrend bis zu 35 Tagen eine deutliche Differenzierung zu ershykennen ist streben fuumlr groumlszligere Zeiten alle Werte dem Wertebereich der gutausgebildeten Kompakta zu Um den Widerstand gegen Riszligausbreitung der einzelnen Gewebearten -Zu beurt ilen ist es notwendig neben der kritischen Impulszahl N~E gleichzeitig das dabei wirksame Spannungsniveau aB zu betrachten Nimmt man naumlherungsweise an daszlig der kritische Riszlig sich aus Nu Einzelelementen der Laumlnge ao aufbaut wird dieser Zusammenshyhang zwischen N AE und aB uumlber die Bruchzaumlhigkeit

Xc = N~ aj oszlig hergestellt Die Bruchzaumlhigkeit K c ist im Sinn einer stoffspezifischen Kenngroumlszlige als festkoumlrpermechanisches Maszlig fuumlr den ~iszligwiderstand anzusehen Unter der Annahme gleicher ao-Werte fuumlr die verschiedenen Gewebestrukturen sind relativierte Bruchzaumlhigshykeiten K6 = KltaolI2 in Abbildung 11 in Abhaumlngigkeit VOll der Stilllulationsart aufgeshytragen worden Paszligt man den so berechneten Kc-Wert fuumlr den nichtoperierten Knochen an bruchmechanisch direkt ermittelte Kc-Werte von Kompakta an die im Groumlszligenshybereich von

2 MNm3 12 lt K c lt 8 MNjm3 j2 liegen so fuumlhrt das zu ao-Werten im Bereich von

30 [Lm lt ao lt 100 [Lm

7 Beitr Orthop u Traumatal 29 (1982) H 12 653

40 ltt lt ~ 0 c

~

~ 0 -lt 20 ~

a)

100

80

60

40

20

b)

Zeit in s

240

Zeit in s

500 60

400

ltltt 300

~ 400 c

~200 ~ 0 -lt ltJ100 Ci)

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60

40

lt middotS 20

300

200 ~

~ ~

100 COshy

120 180 240 300 360 420 Zeit in s

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400

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~

-lt200 Q)

~ CO

100

Abb 8 Dreipu1Iktbiegetest a1l KanillltIpntib iu - Sehullflmissionsmte AE hohpr In tens itaumlt u nd szligiegekmft in AbiIaumlngigkeit VOll der Zeit b(i konshwtc r Truverscngcsehwindigkeit

a) a bsolu es N ulJtier F mx = 482 Zahl der Scha llemissionssignale bis zum BC1leh ~AE = 22 b) keine Stinmlation 34 potoper ativer Tug Fm = 80 K NAE = 696 c) 1 Hz 1 10100 [LA 32 postoperativer Tag F ma = 230 N NAE = MiR d) 10 H z1 2100 [LA 32 postoperativer T ag F mbull x = 90 N N AE = 1720

D52

da ~ A keme Elektrostimulation Nimm 2) Igt Elektrostimulation Interferenz

110 bull Elektrostimulation 10Hz o Elektrostimulation IHz

100 8 0 keine Operation shy ~

9deg1--- --o--------------------r~------------middot-----80 8 0

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60

50 o

----~----------~-40 o

o ~30

20 _0- 70

08 10 12 (4 6 18 2fJ 22 24 26 28 30 MGMG

Abb 9 Biegebruchfestigkeit der Kaninchentibia in Abhaumlngigkeit vom relativen Mineralmiddot snteil

Auffallend ist daszlig unabhaumlngig von der Stimulationsart nach etwa 35 Tagen alle Knoshychen ein gleiches Festigkeitsniveau erreichen Durch gleichzeitige Aufzeichnung des Schallemissionsspektrums konnten diese Unterschiede weiter verdeutlicht werden Wegen des komplizierten Emissionsspektrums wurde nur eine zweikanalige Aufzeichshynung unterteilt nach Impulsen groszliger und kleiner Energie vorgenommen Dabei wurde eine Oszillationszaumlhlung gewaumlhlt Als charakteristischer Kennwert fuumlr die weitere Disshykussion wurde die Impulssumme NAszlig bestimmt bei 33 Tieren der groszligen Impulse aufshysummiert bis zum Kraftmaxinllll1l herangezogen Es kann davon ausgegangen werden daszlig die Impulse groszliger Intensitaumlt mit der sprunghaften Ausbreitung einzelner Mikroshyrisse im mineralisierten Gewebe 711 identifizieren sind Hohe NAE-Werte bis zur Maximalshylast weisen auf ein Gewebe mit einem hohen Widerstand gegen Riszligausbreitung hin Nur wenig mineralisiertes oder auch stark fibroumlses bzw porendurchsetztes kallusartiges Geshywebe ergibt demnach hohe NAE-Werte waumlhrend in der gut ausgebildeten Kompakta der Bruch bereits nach wenigen Mikroriszligereignissen einsetzt Ein Vergleich der Schallshyemissionskurve in den Diagrammen aus Abbildung 8 macht dieses Verhalten deutlich In Abbildung 10 ist die Impulszahl N AE fuumlr einzelne Stimulationsarten in Abhaumlngigkeit von der Zeit dargestellt Waumlhrend bis zu 35 Tagen eine deutliche Differenzierung zu ershykennen ist streben fuumlr groumlszligere Zeiten alle Werte dem Wertebereich der gutausgebildeten Kompakta zu Um den Widerstand gegen Riszligausbreitung der einzelnen Gewebearten -Zu beurt ilen ist es notwendig neben der kritischen Impulszahl N~E gleichzeitig das dabei wirksame Spannungsniveau aB zu betrachten Nimmt man naumlherungsweise an daszlig der kritische Riszlig sich aus Nu Einzelelementen der Laumlnge ao aufbaut wird dieser Zusammenshyhang zwischen N AE und aB uumlber die Bruchzaumlhigkeit

Xc = N~ aj oszlig hergestellt Die Bruchzaumlhigkeit K c ist im Sinn einer stoffspezifischen Kenngroumlszlige als festkoumlrpermechanisches Maszlig fuumlr den ~iszligwiderstand anzusehen Unter der Annahme gleicher ao-Werte fuumlr die verschiedenen Gewebestrukturen sind relativierte Bruchzaumlhigshykeiten K6 = KltaolI2 in Abbildung 11 in Abhaumlngigkeit VOll der Stilllulationsart aufgeshytragen worden Paszligt man den so berechneten Kc-Wert fuumlr den nichtoperierten Knochen an bruchmechanisch direkt ermittelte Kc-Werte von Kompakta an die im Groumlszligenshybereich von

2 MNm3 12 lt K c lt 8 MNjm3 j2 liegen so fuumlhrt das zu ao-Werten im Bereich von

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08 10 12 (4 6 18 2fJ 22 24 26 28 30 MGMG

Abb 9 Biegebruchfestigkeit der Kaninchentibia in Abhaumlngigkeit vom relativen Mineralmiddot snteil

Auffallend ist daszlig unabhaumlngig von der Stimulationsart nach etwa 35 Tagen alle Knoshychen ein gleiches Festigkeitsniveau erreichen Durch gleichzeitige Aufzeichnung des Schallemissionsspektrums konnten diese Unterschiede weiter verdeutlicht werden Wegen des komplizierten Emissionsspektrums wurde nur eine zweikanalige Aufzeichshynung unterteilt nach Impulsen groszliger und kleiner Energie vorgenommen Dabei wurde eine Oszillationszaumlhlung gewaumlhlt Als charakteristischer Kennwert fuumlr die weitere Disshykussion wurde die Impulssumme NAszlig bestimmt bei 33 Tieren der groszligen Impulse aufshysummiert bis zum Kraftmaxinllll1l herangezogen Es kann davon ausgegangen werden daszlig die Impulse groszliger Intensitaumlt mit der sprunghaften Ausbreitung einzelner Mikroshyrisse im mineralisierten Gewebe 711 identifizieren sind Hohe NAE-Werte bis zur Maximalshylast weisen auf ein Gewebe mit einem hohen Widerstand gegen Riszligausbreitung hin Nur wenig mineralisiertes oder auch stark fibroumlses bzw porendurchsetztes kallusartiges Geshywebe ergibt demnach hohe NAE-Werte waumlhrend in der gut ausgebildeten Kompakta der Bruch bereits nach wenigen Mikroriszligereignissen einsetzt Ein Vergleich der Schallshyemissionskurve in den Diagrammen aus Abbildung 8 macht dieses Verhalten deutlich In Abbildung 10 ist die Impulszahl N AE fuumlr einzelne Stimulationsarten in Abhaumlngigkeit von der Zeit dargestellt Waumlhrend bis zu 35 Tagen eine deutliche Differenzierung zu ershykennen ist streben fuumlr groumlszligere Zeiten alle Werte dem Wertebereich der gutausgebildeten Kompakta zu Um den Widerstand gegen Riszligausbreitung der einzelnen Gewebearten -Zu beurt ilen ist es notwendig neben der kritischen Impulszahl N~E gleichzeitig das dabei wirksame Spannungsniveau aB zu betrachten Nimmt man naumlherungsweise an daszlig der kritische Riszlig sich aus Nu Einzelelementen der Laumlnge ao aufbaut wird dieser Zusammenshyhang zwischen N AE und aB uumlber die Bruchzaumlhigkeit

Xc = N~ aj oszlig hergestellt Die Bruchzaumlhigkeit K c ist im Sinn einer stoffspezifischen Kenngroumlszlige als festkoumlrpermechanisches Maszlig fuumlr den ~iszligwiderstand anzusehen Unter der Annahme gleicher ao-Werte fuumlr die verschiedenen Gewebestrukturen sind relativierte Bruchzaumlhigshykeiten K6 = KltaolI2 in Abbildung 11 in Abhaumlngigkeit VOll der Stilllulationsart aufgeshytragen worden Paszligt man den so berechneten Kc-Wert fuumlr den nichtoperierten Knochen an bruchmechanisch direkt ermittelte Kc-Werte von Kompakta an die im Groumlszligenshybereich von

2 MNm3 12 lt K c lt 8 MNjm3 j2 liegen so fuumlhrt das zu ao-Werten im Bereich von

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7 Beitr Orthop u Traumatal 29 (1982) H 12 653

Abb 10 Gesamtimpulszahl der Schallomission in Ahhaumlngigkeit von nor postopera1ive)1 Ze it

Abb f 1 Rrnehziihigkeit K~ in Abhaumlngigkeit vom relativen lVlineralanteil

Die Abmessungen entsprechen den Dimensionen der vaskulaumlren Kanaumlle was als Hinshyweis fiir die Hichtigkeit des gewaumlhlten Modells dienen kann

Faszligt man die Untersuchungsergebnisse zusammen so ergibt sich folgendes Bild Grundshysaumltzlich ist unter den gewaumlhlten Versu chsbedingungen der Haupteffekt rier Elektroshystimulation in der beschleunigten Ausbildung von Kallus im fcldbeeinfluszligten naum zu sehen Dabc iBt eine Abhaumlngigkeit von der Stimulationsart dahingehend nachweisbar

VAt 1600

1500

1100

1300

1200

1100

1000

900

800

700

600

500

10

30

200

100

K 71m2)

7300

1200

1100

1000

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BOO

700

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200

100

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~ keine Elektrostimulalion bull Eleklrostimulalion 10Hz o Elektrostimulation 1Hz o keine Operution

A

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I I I I I I Q8 10 14 16 18 20 22 24 Jo MGMGo

~ keine Elektrostimulatk)(J D Elektrostimulation Interferenz bull Eleklrostimulation 10 Hz o Eleklroslimulation 1Hz o keine Operolion~

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middot~middot~-omiddot_middot_middot_middot--o-middot_middotmiddot o 0

Q8 12 14 16 ~18 20 2) 24 26 28 Jo MGMGo

daszlig intensive Gewebeneubildung bei kleinen Frequenzen (1 Hz) sowie sehr hohen Freshyquenzen (Interferenzverfahren) feststell bar ist Das Ansteigen der Stromwirkung mit wachsender Frequenz koumlnnte durch den houmlheren Energiegehalt der mittelfrequenten Schwingungen sowie die guumlnstigere Elektrodenanordnung beim Interferenzverfahren ershyklaumlrt werden Die gute Wirksamkeit bei extrem niederfrequenten Schwingungen (1 Hz) koumlnnte auf einen Resonanzeffekt der frei beweglichen Ionen in der Gewebsfluumlssigkeit hindeuten der moumlglicherweise auch fuumlr das starke Ansteigen der mechanoelektrischen Kopplungskonstante bei diesen Frequenzen verantwortlich ist Der Piezoeffekt spielt hier mit einiger Sicherheit keine Rolle Hinsichtlich der Stromstaumlrkeabhaumlngigkeit der Knochenbildung ist zunaumlchst festzustellen daszlig biophysikalisch nicht die Stromstaumlrken sondern die lokalen elektrischen Felder wesentlich sind Deren Groumlszligenordnung ist ohne zusaumltzliche Mikropotentialmessungen nur schwer abschaumltzbar Vergleicht man jedoch die gewaumlhlten experimentellen Parameter mit bekannten Werten so rou szlig festgestellt werden daszlig wir uns zumindest im elektrodennahen Bereich groumlszligenordnungsmaumlszligig an der oberen Grenze der physiologisch zweckmaumlszligigen Stromstaumlrke bzw Feldstaumlrke beshyfinden AllS den Literaturwerten (4 22) ist zu entnehmen daszlig unter den gewaumlhlten Stromstaumlrken die von 50 f1A die guumlnstigsten Effekte liefern sollte Wenn auch sehr unshyscharf kann dieser Einfluszlig den dargestellten Ergebnissen ebenfalls entnommen werden AUen dargelegten Beobachtungsergebnissen gemeinsam ist folgendes - unserer Meinung nach - sehr wesentliches Resultat Unter den gewaumlhlten Versuchsbedingungen konzentriert sich die Hauptwirkung der Elektrostimulation auf die Beschleunigung der Kallusbildung Relativ unabhaumlngig davon laumluft die biomechanische Organisation des neugebildeten Gewebes ab Dieser Prozeszlig ist nach etwa ~5 Tagen abgeschlossen so daszlig erst dann eine Belastbarkeit des osteotomierten Knochens in der Groumlszligenordnung des gesunden Knochens erfolgen kann Eine gewisse Sonderstellung nimmt das Interferenzverfahren ein bei dem der Prozeszlig moumlglicherweise beschleunigter ablaumluft Einerseits zeigt die ermittelte Polynomialshyregression bei der Mineralisation gegeniiber den anderen Stimulationsarten schon unshymittelbar postoperativ eine Zunahme des Mineralgehaltes und andererseits betraumlgt die maximale Brnchlast der linken Tibia im Mittel 5 206 N (0 1457 N) dagegen z B der Gruppen 1 Hz 8444 N (0 1969 N) und 10 Hz 2n2 N (0 1947 N) Unter Beachtung der hierbei wesentlich veraumlnderten Feldgeometrie moumlchten wir zur Erklaumlrung des Effektes folgende Arbeitshypothese aufstellen Fuumlr eine Stimulation der biomechanischen Organisation des Knochellgcwehes ist eine definierte Beziehung zwischen der Geometrie des elektrischen Feldes und dcr Wachstutllsrichtung des Knochens herzustellen Legt man die beobachteten Zusammenhaumlnge zwischen Osteonenstruktur und dem lokalen belastungsinduzierten Feld der Diskussion zugrunde (21) so sind Feldgeometrien anZUshystreben bei denen die Feldlinien vorzugsweise senkrecht zu den Haver8schen Kanaumllen d h auch vorzugsweise senkrecht zur Knochen1aumlngsachse verlaufen Es ist offensichtshylich daszlig dicse Situation insbesondere bei der oben beschriebenen Stimulation mit 2 Elektroden nicht crfiillt war waumlhrend durch das zwischen 4 Elektroden beim Intershyf erenzverfahreu aufgebaute Feld solche Feldkomponenten staumlrker wirksam werden Geht man davon aus daszlig unter klinischen Bedingungen solche definierte Feldvershylaumlufe 111l schwierig realisierbar sind leitet sich aus der beobachteten Beschleunigung der Gewehebildung durch die Elektrostimulation sowie eine zunaumlchst unabhaumlngig davon ablaufende biomechanische Organisation dieses Gewebes die Schluszligfolgerung ab daszlig durch intensive Stimulation in der Fruumlhphase des Heilungsprozesses sowie eine ungeshystoumlrte zweite Heilphase bereits der wesentliche Effekt zu erreichen ist Inwieweit auch die Organisation des Gewebes signifikant stimuliert werden kann muszlig weiterfuumlhrenshyden Untersuchungen vorbehalten bleiben

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LUumleratur

1 Anelcrson J C Rrikson C Piezoelectrie properties of dry anlt wet bone Nl1tLUe 227 (1970) 491 - 492 - 2 Athcnstuumldt H Permanent longituelinal e leetrie polllliwtion and pyroeleetric behavior of collagenous struetures [ml ne rvous tiSH11e in mun anel othcr vertebshyrates Nature 228 (1970) 830-834 - l Bassett C A L Biologiertl signifielllwe of piezoshyclectrieity eule Tiss ReH I (1968) 252 - 4 Recker R 0 SplLduro r A lVIarino A A Clinjeal cxperiell(es wit h low intensity direct (ulTenL stillllllation of bone growth Clin OrthojJ 124 (1977) 75- middot 83 - 5 Bur A J MeitHUrements of the dynmnic piezoeleetrie propeurorties of bOlle as a pUllctioll of telllperature and humirlity T Biollle(hanics 9 (1976) 495middot-507 - 6 Currey J D The meehallieal eOllsequcnces of variation in the mineral (middotontent of bone J Biomechonies 2 (1969) 1- 11 - 7 Fnlmela E Takashita S Pieocle(tlie GOllshystallt in orientcrl szlig-fonn ]gtolypeptj(csbullTap J AppLPhysies 10 (1971) 722- 726 - N Fukuda K Ya-8luaI On the piezoelcetric cHee( of bone J ]~hys SoebullTap 12 (1957) 10 115N tn 1162 -- 9 Gjelsvik A Bone remodeling anel piezocleetrieity - 1 J Biorne(hanies 6 (1973) fi9- 77 - 10 Grumljion A A Chen H L Stamlardization and interpre tation of the Iectron]~chlnicll-I propuumlrties of bone IEEE Transadions on Bio1l1crJiltJ1 EHgineefing BME 21 (1974) 177-middot182 - 11 Guumlttlel P Kleditzs rh J Die AlUegung der Knllusbildung elllllh [nterfcrenzRtmiddotroumlnH Dt Gesundh-Wesen 34 (1J79) 91- 94 - 12 Ha8s lel C H Rybieki E F Diegle H B ChLrk L C Studies of enhaneed bone healing via e leet1i eu I stimulimiddot Clin Orthop 124 (1977) 9- 19 - 13 Hellinger J KleditzHeh J Eleetrieal stillllllation of the el1l1118 fOllllation hy llcans of bipolar reetangulax pulse seque nees Areh Orthop Traumat 8urg 96 (1 USO) 241- 246 - 14 Jannueone W Jorostoff E lolhwk S H Mieroeleetrode s(ud y of st-ress-generated potentials obtained from uniform and n00l1l1jfornl (olllpression of human hone J Biwned Mate r HeA 13 (1979) 75a middot-7(i1 - Li kndllleko R T Cheng C J HYlllun V A The di stribu t ion of indueel e leet ri eu1 Il-divity in bell t long bone T Bioshyrrte(hani es 10 (1977) 4)3-middot503 - 16lohnson M V Ch1kkHlalmi D A Haqwr H A Katz J L COlllplLrison of t he eleetrollleehuniltHI effe(ts in wet aHd dry bonc T Biollleehaniltfl 13 (1980) 417- middot442 - 17Toltmon NL V Williams V 1 GIOfR D Cerallli( models for piezoeleetri(i ty in dry hone J BiollleehunieR 13 (19NO) )(5-middot073 - 1N Korostoff E StleRS gcnemted pOlrntilJs in bOlle re lalionship to piezoclcdricity of collagen T Biolllehanics 10 (1 ~J77) 4-1 ----44 - 1n D ers A lineal piezoeleerie model fur (hargtlcte lizing stress gencraled potentials in bone T Biomc(hanics 12 (1979) 1l5 - 14middot7 _ 20 Ln(H R l)avidson C L The Hole of Collag(-m in the Elastie PIOperties of Calcified TisSIlCS r Hioll1cehanies 10 (UJ77) 471- middot4flfi - 21 T-feiffeJ B H Local piezoclectri( )Jolarization 01 hUlllan (orti(middota1 )()nc as ftshy

fUllction of L](~ss fre lt]lleney J BiolllcelmnieR 10 (1J77) )3- 57 22 Sp~da lo J A Elce(rishyltully still1l1lated hone glowth in animals amI Illall Clill ()rthoraquo 122 (1977) 125- middot112 shy21 StarkebnullI V Polluek S TL KOIOS[off E 11 iltro(]eetroltlc StIldies of Skcss GeneraterJ Polentmiddotials in ]ltollt-loinl Rcnltlillg of Bone bullT Biollled later He 13 (1J79) 72~J-middot-751 shy24 Volff J ))aR Geset7 eier ligt1nsformation der inneren Anhi tektu r clltr )( noe he n bei lf1lhologisdwn VCIaumlnderungen der iiuszligeren J(nomiddotIH nfollII SitzlIngsbe ri ehL K oumlnigl-P reHszlig shyAkadViss( lIfwlh~ltc n Ikrlin Physik-malh Klassc lXX4 47gt- 4Hi

~IanllskripteingR-ng 14 1 1982

Ansehrilt dcr VerfaHse] Prof Dr se meu J L-Jellingrr Direktor dcr OrLhopiidisehcn Klinik der Yl edizinischen Almdemi( Carl Gustav Carlls Dresden DDH-ROl nDresun Fctfwhelsl 1 74

S(hluumlssclwoumllicr Eie ktrostilllllatioll bii)olalC Redlt(lkimplIlsfolgcIl L n crfclcnz Kallus 1VI innralannlys( FCKl-iglw i tspriifung

daszlig intensive Gewebeneubildung bei kleinen Frequenzen (1 Hz) sowie sehr hohen Freshyquenzen (Interferenzverfahren) feststell bar ist Das Ansteigen der Stromwirkung mit wachsender Frequenz koumlnnte durch den houmlheren Energiegehalt der mittelfrequenten Schwingungen sowie die guumlnstigere Elektrodenanordnung beim Interferenzverfahren ershyklaumlrt werden Die gute Wirksamkeit bei extrem niederfrequenten Schwingungen (1 Hz) koumlnnte auf einen Resonanzeffekt der frei beweglichen Ionen in der Gewebsfluumlssigkeit hindeuten der moumlglicherweise auch fuumlr das starke Ansteigen der mechanoelektrischen Kopplungskonstante bei diesen Frequenzen verantwortlich ist Der Piezoeffekt spielt hier mit einiger Sicherheit keine Rolle Hinsichtlich der Stromstaumlrkeabhaumlngigkeit der Knochenbildung ist zunaumlchst festzustellen daszlig biophysikalisch nicht die Stromstaumlrken sondern die lokalen elektrischen Felder wesentlich sind Deren Groumlszligenordnung ist ohne zusaumltzliche Mikropotentialmessungen nur schwer abschaumltzbar Vergleicht man jedoch die gewaumlhlten experimentellen Parameter mit bekannten Werten so rou szlig festgestellt werden daszlig wir uns zumindest im elektrodennahen Bereich groumlszligenordnungsmaumlszligig an der oberen Grenze der physiologisch zweckmaumlszligigen Stromstaumlrke bzw Feldstaumlrke beshyfinden AllS den Literaturwerten (4 22) ist zu entnehmen daszlig unter den gewaumlhlten Stromstaumlrken die von 50 f1A die guumlnstigsten Effekte liefern sollte Wenn auch sehr unshyscharf kann dieser Einfluszlig den dargestellten Ergebnissen ebenfalls entnommen werden AUen dargelegten Beobachtungsergebnissen gemeinsam ist folgendes - unserer Meinung nach - sehr wesentliches Resultat Unter den gewaumlhlten Versuchsbedingungen konzentriert sich die Hauptwirkung der Elektrostimulation auf die Beschleunigung der Kallusbildung Relativ unabhaumlngig davon laumluft die biomechanische Organisation des neugebildeten Gewebes ab Dieser Prozeszlig ist nach etwa ~5 Tagen abgeschlossen so daszlig erst dann eine Belastbarkeit des osteotomierten Knochens in der Groumlszligenordnung des gesunden Knochens erfolgen kann Eine gewisse Sonderstellung nimmt das Interferenzverfahren ein bei dem der Prozeszlig moumlglicherweise beschleunigter ablaumluft Einerseits zeigt die ermittelte Polynomialshyregression bei der Mineralisation gegeniiber den anderen Stimulationsarten schon unshymittelbar postoperativ eine Zunahme des Mineralgehaltes und andererseits betraumlgt die maximale Brnchlast der linken Tibia im Mittel 5 206 N (0 1457 N) dagegen z B der Gruppen 1 Hz 8444 N (0 1969 N) und 10 Hz 2n2 N (0 1947 N) Unter Beachtung der hierbei wesentlich veraumlnderten Feldgeometrie moumlchten wir zur Erklaumlrung des Effektes folgende Arbeitshypothese aufstellen Fuumlr eine Stimulation der biomechanischen Organisation des Knochellgcwehes ist eine definierte Beziehung zwischen der Geometrie des elektrischen Feldes und dcr Wachstutllsrichtung des Knochens herzustellen Legt man die beobachteten Zusammenhaumlnge zwischen Osteonenstruktur und dem lokalen belastungsinduzierten Feld der Diskussion zugrunde (21) so sind Feldgeometrien anZUshystreben bei denen die Feldlinien vorzugsweise senkrecht zu den Haver8schen Kanaumllen d h auch vorzugsweise senkrecht zur Knochen1aumlngsachse verlaufen Es ist offensichtshylich daszlig dicse Situation insbesondere bei der oben beschriebenen Stimulation mit 2 Elektroden nicht crfiillt war waumlhrend durch das zwischen 4 Elektroden beim Intershyf erenzverfahreu aufgebaute Feld solche Feldkomponenten staumlrker wirksam werden Geht man davon aus daszlig unter klinischen Bedingungen solche definierte Feldvershylaumlufe 111l schwierig realisierbar sind leitet sich aus der beobachteten Beschleunigung der Gewehebildung durch die Elektrostimulation sowie eine zunaumlchst unabhaumlngig davon ablaufende biomechanische Organisation dieses Gewebes die Schluszligfolgerung ab daszlig durch intensive Stimulation in der Fruumlhphase des Heilungsprozesses sowie eine ungeshystoumlrte zweite Heilphase bereits der wesentliche Effekt zu erreichen ist Inwieweit auch die Organisation des Gewebes signifikant stimuliert werden kann muszlig weiterfuumlhrenshyden Untersuchungen vorbehalten bleiben

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LUumleratur

1 Anelcrson J C Rrikson C Piezoelectrie properties of dry anlt wet bone Nl1tLUe 227 (1970) 491 - 492 - 2 Athcnstuumldt H Permanent longituelinal e leetrie polllliwtion and pyroeleetric behavior of collagenous struetures [ml ne rvous tiSH11e in mun anel othcr vertebshyrates Nature 228 (1970) 830-834 - l Bassett C A L Biologiertl signifielllwe of piezoshyclectrieity eule Tiss ReH I (1968) 252 - 4 Recker R 0 SplLduro r A lVIarino A A Clinjeal cxperiell(es wit h low intensity direct (ulTenL stillllllation of bone growth Clin OrthojJ 124 (1977) 75- middot 83 - 5 Bur A J MeitHUrements of the dynmnic piezoeleetrie propeurorties of bOlle as a pUllctioll of telllperature and humirlity T Biollle(hanics 9 (1976) 495middot-507 - 6 Currey J D The meehallieal eOllsequcnces of variation in the mineral (middotontent of bone J Biomechonies 2 (1969) 1- 11 - 7 Fnlmela E Takashita S Pieocle(tlie GOllshystallt in orientcrl szlig-fonn ]gtolypeptj(csbullTap J AppLPhysies 10 (1971) 722- 726 - N Fukuda K Ya-8luaI On the piezoelcetric cHee( of bone J ]~hys SoebullTap 12 (1957) 10 115N tn 1162 -- 9 Gjelsvik A Bone remodeling anel piezocleetrieity - 1 J Biorne(hanies 6 (1973) fi9- 77 - 10 Grumljion A A Chen H L Stamlardization and interpre tation of the Iectron]~chlnicll-I propuumlrties of bone IEEE Transadions on Bio1l1crJiltJ1 EHgineefing BME 21 (1974) 177-middot182 - 11 Guumlttlel P Kleditzs rh J Die AlUegung der Knllusbildung elllllh [nterfcrenzRtmiddotroumlnH Dt Gesundh-Wesen 34 (1J79) 91- 94 - 12 Ha8s lel C H Rybieki E F Diegle H B ChLrk L C Studies of enhaneed bone healing via e leet1i eu I stimulimiddot Clin Orthop 124 (1977) 9- 19 - 13 Hellinger J KleditzHeh J Eleetrieal stillllllation of the el1l1118 fOllllation hy llcans of bipolar reetangulax pulse seque nees Areh Orthop Traumat 8urg 96 (1 USO) 241- 246 - 14 Jannueone W Jorostoff E lolhwk S H Mieroeleetrode s(ud y of st-ress-generated potentials obtained from uniform and n00l1l1jfornl (olllpression of human hone J Biwned Mate r HeA 13 (1979) 75a middot-7(i1 - Li kndllleko R T Cheng C J HYlllun V A The di stribu t ion of indueel e leet ri eu1 Il-divity in bell t long bone T Bioshyrrte(hani es 10 (1977) 4)3-middot503 - 16lohnson M V Ch1kkHlalmi D A Haqwr H A Katz J L COlllplLrison of t he eleetrollleehuniltHI effe(ts in wet aHd dry bonc T Biollleehaniltfl 13 (1980) 417- middot442 - 17Toltmon NL V Williams V 1 GIOfR D Cerallli( models for piezoeleetri(i ty in dry hone J BiollleehunieR 13 (19NO) )(5-middot073 - 1N Korostoff E StleRS gcnemted pOlrntilJs in bOlle re lalionship to piezoclcdricity of collagen T Biolllehanics 10 (1 ~J77) 4-1 ----44 - 1n D ers A lineal piezoeleerie model fur (hargtlcte lizing stress gencraled potentials in bone T Biomc(hanics 12 (1979) 1l5 - 14middot7 _ 20 Ln(H R l)avidson C L The Hole of Collag(-m in the Elastie PIOperties of Calcified TisSIlCS r Hioll1cehanies 10 (UJ77) 471- middot4flfi - 21 T-feiffeJ B H Local piezoclectri( )Jolarization 01 hUlllan (orti(middota1 )()nc as ftshy

fUllction of L](~ss fre lt]lleney J BiolllcelmnieR 10 (1J77) )3- 57 22 Sp~da lo J A Elce(rishyltully still1l1lated hone glowth in animals amI Illall Clill ()rthoraquo 122 (1977) 125- middot112 shy21 StarkebnullI V Polluek S TL KOIOS[off E 11 iltro(]eetroltlc StIldies of Skcss GeneraterJ Polentmiddotials in ]ltollt-loinl Rcnltlillg of Bone bullT Biollled later He 13 (1J79) 72~J-middot-751 shy24 Volff J ))aR Geset7 eier ligt1nsformation der inneren Anhi tektu r clltr )( noe he n bei lf1lhologisdwn VCIaumlnderungen der iiuszligeren J(nomiddotIH nfollII SitzlIngsbe ri ehL K oumlnigl-P reHszlig shyAkadViss( lIfwlh~ltc n Ikrlin Physik-malh Klassc lXX4 47gt- 4Hi

~IanllskripteingR-ng 14 1 1982

Ansehrilt dcr VerfaHse] Prof Dr se meu J L-Jellingrr Direktor dcr OrLhopiidisehcn Klinik der Yl edizinischen Almdemi( Carl Gustav Carlls Dresden DDH-ROl nDresun Fctfwhelsl 1 74

S(hluumlssclwoumllicr Eie ktrostilllllatioll bii)olalC Redlt(lkimplIlsfolgcIl L n crfclcnz Kallus 1VI innralannlys( FCKl-iglw i tspriifung

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1 Anelcrson J C Rrikson C Piezoelectrie properties of dry anlt wet bone Nl1tLUe 227 (1970) 491 - 492 - 2 Athcnstuumldt H Permanent longituelinal e leetrie polllliwtion and pyroeleetric behavior of collagenous struetures [ml ne rvous tiSH11e in mun anel othcr vertebshyrates Nature 228 (1970) 830-834 - l Bassett C A L Biologiertl signifielllwe of piezoshyclectrieity eule Tiss ReH I (1968) 252 - 4 Recker R 0 SplLduro r A lVIarino A A Clinjeal cxperiell(es wit h low intensity direct (ulTenL stillllllation of bone growth Clin OrthojJ 124 (1977) 75- middot 83 - 5 Bur A J MeitHUrements of the dynmnic piezoeleetrie propeurorties of bOlle as a pUllctioll of telllperature and humirlity T Biollle(hanics 9 (1976) 495middot-507 - 6 Currey J D The meehallieal eOllsequcnces of variation in the mineral (middotontent of bone J Biomechonies 2 (1969) 1- 11 - 7 Fnlmela E Takashita S Pieocle(tlie GOllshystallt in orientcrl szlig-fonn ]gtolypeptj(csbullTap J AppLPhysies 10 (1971) 722- 726 - N Fukuda K Ya-8luaI On the piezoelcetric cHee( of bone J ]~hys SoebullTap 12 (1957) 10 115N tn 1162 -- 9 Gjelsvik A Bone remodeling anel piezocleetrieity - 1 J Biorne(hanies 6 (1973) fi9- 77 - 10 Grumljion A A Chen H L Stamlardization and interpre tation of the Iectron]~chlnicll-I propuumlrties of bone IEEE Transadions on Bio1l1crJiltJ1 EHgineefing BME 21 (1974) 177-middot182 - 11 Guumlttlel P Kleditzs rh J Die AlUegung der Knllusbildung elllllh [nterfcrenzRtmiddotroumlnH Dt Gesundh-Wesen 34 (1J79) 91- 94 - 12 Ha8s lel C H Rybieki E F Diegle H B ChLrk L C Studies of enhaneed bone healing via e leet1i eu I stimulimiddot Clin Orthop 124 (1977) 9- 19 - 13 Hellinger J KleditzHeh J Eleetrieal stillllllation of the el1l1118 fOllllation hy llcans of bipolar reetangulax pulse seque nees Areh Orthop Traumat 8urg 96 (1 USO) 241- 246 - 14 Jannueone W Jorostoff E lolhwk S H Mieroeleetrode s(ud y of st-ress-generated potentials obtained from uniform and n00l1l1jfornl (olllpression of human hone J Biwned Mate r HeA 13 (1979) 75a middot-7(i1 - Li kndllleko R T Cheng C J HYlllun V A The di stribu t ion of indueel e leet ri eu1 Il-divity in bell t long bone T Bioshyrrte(hani es 10 (1977) 4)3-middot503 - 16lohnson M V Ch1kkHlalmi D A Haqwr H A Katz J L COlllplLrison of t he eleetrollleehuniltHI effe(ts in wet aHd dry bonc T Biollleehaniltfl 13 (1980) 417- middot442 - 17Toltmon NL V Williams V 1 GIOfR D Cerallli( models for piezoeleetri(i ty in dry hone J BiollleehunieR 13 (19NO) )(5-middot073 - 1N Korostoff E StleRS gcnemted pOlrntilJs in bOlle re lalionship to piezoclcdricity of collagen T Biolllehanics 10 (1 ~J77) 4-1 ----44 - 1n D ers A lineal piezoeleerie model fur (hargtlcte lizing stress gencraled potentials in bone T Biomc(hanics 12 (1979) 1l5 - 14middot7 _ 20 Ln(H R l)avidson C L The Hole of Collag(-m in the Elastie PIOperties of Calcified TisSIlCS r Hioll1cehanies 10 (UJ77) 471- middot4flfi - 21 T-feiffeJ B H Local piezoclectri( )Jolarization 01 hUlllan (orti(middota1 )()nc as ftshy

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