Biomechanische Modellierung der Handwurzel

Zusammenfassung

Hintergrund: Die Hand stellt als Tast- und Greiforgan den mit Abstand differenziertesten Abschnitt des Bewegungsapparats dar. Das Spektrum von Handgelenksverletzungen reicht von Bagatellschäden bis hin zu komplexen Traumata mit gleichzeitigem Verlust von funktionellen Aspekten, woraus enorme volkswirtschaftliche Kosten resultieren. Die therapeutische Wiederherstellung des Gleichgewichts zwischen der Belastbarkeit und der tatsächlichen Beanspruchung eines Gelenks ist die Voraussetzung für eine lebenslange und störungsfreie Funktion eines Gelenks. Material/Methode: Im Rahmen eines Literaturreviews zu Modellansichten respektive Theorien zur Biomechanik der Handwurzel wurden die Gefundenen dahingehend analysiert, ob sie sich zur Abbildung klinischer Fragestellungen im Zusammenhang mit pathologischen Veränderungen und zur computerunterstützten Therapieplanung/-simulation entsprechender therapeutischer Maßnahmen eignen. Ergebnisse: Obgleich die Rückführung der Biomechanik eines Gelenks in seinen Normalzustand ein Schlüsselfaktor für eine erfolgreiche Therapie zur Wiederherstellung einer ungestörten Gelenkfunktion ist, existieren zum jetzigen Zeitpunkt lediglich simplifizierte Modellansichten respektive Theorien zur Biomechanik der Handwurzel basierend auf Approximationen durch technische Ersatzgelenke. Bis zum jetzigen Zeitpunkt existiert kein validiertes biomechanisches Handgelenksmodell. Schlussfolgerung: Eine valide biomechanische Modellierung und Simulation und damit Prädiktion zur systematischen Planung therapeutischer Maßnahmen ist anhand veröffentlichter Modellansichten respektive Theorien zur Biomechanik der Handwurzel bisher nicht möglich. Im Hinblick auf die auftretenden komplexen klinischen Problematiken sollen daher geeignete computerunterstützte Planungs- und Simulationsmodelle entwickelt werden.

Abstract

Background: The hand represents one of the most complex joint mechanisms of the human body. The hand is also an important communication medium. The spectrum of todayʼs hand injuries reaches from minor damage up to complex traumata with loss of several functional aspects. Enormous subsequent economic costs result. The therapeutic re-establishment of the equilibrium between maximum stress and the actual applied stress is the condition for a lifelong joint function. Material and Methods: A literature review about biomechanical wrist models was realised. The previous models found in the literature were systematically analysed as well as verifying their suitability for clinical use regarding pathological changes, therapy approaches and modelling/simulation approaches, respectively, of wrist injuries. Results: The return of the wrist joint biomechanics to the normal condition is a key factor for a successful therapy. Furthermore, it is important for the re-establishment of an unimpaired joint function. Currently, there exist only simplified descriptions and models of the wrist joint, approximated by technical joints and furthermore, they are partially contradictory. Therefore, no uniform validated biomechanical wrist model exists as yet. Conclusion: Regarding the arising complex clinical problems, however, a valid biomechanical wrist joint model would be necessary as assistance, in order to improve the success of systematised therapies on the basis of computer-aided model-based planning and intervention.

Schlüsselwörter

Biomechanik - Handgelenk - Modellansichten - Theorien

Key words

biomechanics - wrist joint - models - theories

• Literatur

• 1 Kuo CE, Wolfe SW. Scapholunate instability: current concepts in diagnosis and management. J Hand Surg Am 2008; 33: 998-1013
• 2 Kijima Y, Viegas SF. Wrist anatomy and biomechanics. J Hand Surg Am 2009; 34: 1555-1563
• 3 Berger RA, Crowninshield RD, Flatt AE. The three-dimensional rotational behaviors of the carpal bones. Clin Orthop Relat Res 1982; 167: 303-310
• 4 von Bonin G. A note on the kinematics of the wrist-joint. J Anat 1929; 63: 259-262
• 5 Statistisches Bundesamt. Fallpauschalenbezogene Krankenhausstatistik (DRG-Statistik), 2010. Im Internet: http://www.destatis.de Stand: 30.01.2012
• 6 Brüser P. Behandlungsfehler in der Handchirurgie. Ein Vergleich zwischen handchirurgischen Ausbildungskriterien chirurgischer Fachgebiete und der Zusatz-Weiterbildung anhand der Behandlungsfehlerstatistik der Ärztekammer Nordrhein. Handchir Mikrochir Plast Chir 2011; 43: 9-14
• 7 Moore DC, Crisco JJ, Trafton TG et al. A digital database of wrist bone anatomy and carpal kinematics. J Biomech 2007; 40: 2537-2542
• 8 Macconaill MA. The mechanical anatomy of the carpus and its bearings on some surgical problems. J Anat 1941; 75: 166-175
• 9 Craigen MA, Stanley JK. Wrist kinematics. Row, column or both?. J Hand Surg Br 1995; 20: 165-170
• 10 Gelberman RH, Cooney WP, Szabo RM. Carpal instability. Instr Course Lect 2001; 50: 123-134
• 11 Linscheid RL. Kinematic considerations of the wrist. Clin Orthop Relat Res 1986; 202: 27-39
• 12 Taleisnik J. The ligaments of the wrist. J Hand Surg Am 1976; 1: 110-118
• 13 Taleisnik J. The Wrist. New York: Churchill Livingstone; 1985
• 14 Lichtman DM, Schneider JR, Swafford AR et al. Ulnar midcarpal instability – clinical and laboratory analysis. J Hand Surg Am 1981; 6: 515-523
• 15 Waldram M. Wrist instability. Trauma 1999; 1: 133-142
• 16 Gilford W, Bolton R, Lambrinudi C. The mechanism of the wrist joint with special reference to fractures of the scaphoid. Guyʼs Hosp Rep 1943; 92: 52-59
• 17 Moritomo H, Murase T, Goto A et al. In vivo three-dimensional kinematics of the midcarpal joint of the wrist. J Bone Joint Surg Am 2006; 88: 611-621
• 18 Rohde RS, Crisco JJ, Wolfe SW. The advantage of throwing the first stone: how understanding the evolutionary demands of Homo sapiens is helping us understand carpal motion. J Am Acad Orthop Surg 2010; 18: 51-58
• 19 An KN, Chao EY. Kinematic analysis of human movement. Ann Biomed Eng 1984; 12: 585-597
• 20 An K, Berger RA, Cooney WP. Biomechanics of the Wrist Joint. New York: Springer; 1991
• 21 Delp SL, Maloney W. Effects of hip center location on the moment-generating capacity of the muscles. J Biomech 1993; 26: 485-499
• 22 Heller MO, Schröder JH, Matziolis G et al. Muskuloskeletale Belastungsanalysen. Biomechanische Erklärung klinischer Resultate – und mehr?. Orthopade 2007; 36: 188 190–194
• 23 Voigt C. Operative Therapie einer Lunatumluxation. Unfallchirurg 2006; 109: 325-327
• 24 Meier R, Schmitt R, Krimmer H. Handgelenkläsionen in der direkten MR-Arthrographie im Vergleich zur Arthroskopie des Handgelenks. Handchir Mikrochir Plast Chir 2005; 37: 85-89
• 25 Katschnig I, Prosquill E. Handgelenkarthroskopie: Aussage des MRT verglichen mit der Arthrographie und tatsächlicher Befund bei der Arthroskopie – Eine Studie der Jahre 1998 bis 2003. Handchir Mikrochir Plast Chir 2006; 38: 104-108
• 26 Arnold I. Stellenwert der Handgelenkendoprothetik beim Rheumatiker. Arthritis + Rheuma 2009; 29: 271-276
• 27 Lautenbach M, Eisenschenk A, Sparmann M. Handgelenkendoprothesen: Indikation und Technik. Trauma Berufskrankh 2003; 5: 308-314
• 28 Meier R, Busche M, Krettek C et al. Die Kraftübertragung am Handgelenk nach Skaphoid-, Trapezium- und Trapezoideumfusion. Unfallchirurg 2005; 108: 456-460
• 29 Daecke W, Streich N, Schneider S et al. Stellenwert der Endoprothetik im Bereich der Handchirurgie Endoprothetik vs. traditionelle Operationsverfahren. Unfallchirurg 2005; 108: 119-126
• 30 Rehart S, Kerschbaumer F. Endoprothetik an der Hand. Orthopade 2003; 32: 779-783
• 31 Sennwald G. Das Handgelenk. Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo: Springer; 1987
• 32 Krimmer H, Lanz U. Der posttraumatische karpale Kollaps. Verlauf und Therapiekonzept. Unfallchirurg 2000; 103: 260-266
• 33 Schmidt H, Lanz U. Chirurgische Anatomie der Hand. 2.. Aufl. Stuttgart: Thieme; 2003
• 34 Majors BJ, Wayne JS. Development and validation of a computational model for investigation of wrist biomechanics. Ann Biomed Eng 2011; 39: 2807-2815
• 35 Feipel V, Rooze M. Three-dimensional motion patterns of the carpal bones: an in vivo study using three-dimensional computed tomography and clinical applications. Surg Radiol Anat 1999; 21: 125-131
• 36 Patterson RM, Williams L, Andersen CR et al. Carpal kinematics during simulated active and passive motion of the wrist. J Hand Surg Am 2007; 32: 1013-1019
• 37 Fischli S, Sellens RW, Beek M et al. Simulation of extension, radial and ulnar deviation of the wrist with a rigid body spring model. J Biomech 2009; 42: 1363-1366
• 38 Crisco JJ, Coburn JC, Moore DC et al. In vivo radiocarpal kinematics and the dart throwerʼs motion. J Bone Joint Surg Am 2005; 87: 2729-2740
• 39 Taleisnik J. Current concepts review. Carpal instability. J Bone Joint Surg Am 1988; 70: 1262-1268