Die Analyse der Belastungen im Handgelenk wurde mit Computermodellen durchgeführt. In dem simulierten Sturzszenario wurden insgesamt acht Modelle eines Handgelenkschutzes verwendet. Dabei konnte die protektive Wirkung der Schienen für das Handgelenk gezeigt werden. Den besten Effekt erzielten die Modelle mit den langen Schienen auf der dorsalen Seite und die Sandwich-Variante, bestehend aus einer dorsalen und palmaren Schienung. Jedoch konnte ein wesentlicher Zugewinn der beidseitigen gegenüber der dorsalen Schienung nicht festgestellt werden. Zwar wurden die in dieser Studie verwendeten Computermodelle ursprünglich zur Bewertung der Funktionalität von Protektoren im Snowboardsport entwickelt, der ähnliche Aufbau sowie die vergleichbare Anbindung an Hand und Unterarm erlauben aber auch Rückschlüsse auf Handgelenksorthesen und eignen sich somit zur Evaluierung funktioneller Kriterien in der medizinischen Anwendung.
Einleitung
Die am häufigsten vorkommende Knochenfraktur, die Fractura radii loco typico mit Achsabweichung des distalen Fragmentes zur Streckseite (Typ Colles), entsteht typischerweise durch Sturz auf das nach dorsal gestreckte Handgelenk. Auch beim Snowboarden stellen Verletzungen des Handgelenks die dominante Verletzungsregion dar. Das Tragen persönlicher Schutzausrüstung soll die Verletzungsgefahr auf ein möglichst geringes Restrisiko begrenzen. Doch während die Tragequote von Helmen kontinuierlich steigt, ist die Akzeptanz eines Handgelenkschutzes bei Snowboardern rückläufig 1. Studien zeigen zwar, dass Protektoren das Verletzungsrisiko verringern können 2 3, doch erschwert eine Vielzahl unterschiedlicher Designs für Handgelenksprotektoren im Snowboardsport eine objektive Beurteilung der sicherheitsrelevanten Funktionalität. Angeboten werden Handgelenkschützer (separates Protektionskonzept) oder auch Handschuhe mit eingearbeiteten Handgelenksprotektoren (integriertes Protektionskonzept) zur Vermeidung von Handgelenksverletzungen 4. Auch die Lokalisationen und die Form der Schienung variieren in den verschiedenen Protektionskonzepten; so werden z. B. palmar und/oder dorsal stützende Schienen unterschiedlicher Längen verwendet (Abb. 1).
Während in der Norm DIN EN 14120 5 Anforderungen und Prüfverfahren für die Schutzkleidung (inkl. Handgelenkschützer) für Benutzer von Rollsportgeräten, unter anderem hinsichtlich Ergonomie, Befestigung, Festigkeit sowie Stoßdämpfung, definiert sind, existiert derzeit keine Norm, die adäquate Tests zur Ermittlung der Wirksamkeit von Handgelenksprotektoren von Snowboardern beinhaltet.
Das Hauptaugenmerk dieser Studie liegt daher auf der Analyse sportartspezifischer Sturzszenarien beim Snowboarden, d. h. auf der Berechnung der Belastungen in den Unterarmknochen. Dabei wurden Modelle von Handgelenksprotektoren verschiedener Designs erstellt, um die Effektivität verschiedener Stabilisierungssysteme – palmar/dorsal, lang/ mittel/kurz – zu untersuchen.
Während im Sport versucht wird, den distalen Unterarm präventiv mit Protektoren zu schützen, werden bei der Behandlung bereits vorhandener Verletzungen zur Ruhigstellung Handgelenksorthesen eingesetzt. Der Indikation entsprechend werden dabei hohe Anforderungen an die Stabilisierung des distalen Unterarms gesetzt. Die am Markt befindlichen Protektoren- und Orthesenkonzepte sind in ihrem Aufbau ähnlich, dies betrifft auch die Art der Schienung (palmar, dorsal sowie kurz, lang) (Abb. 2, 3). Eine Übertragbarkeit der Ergebnisse zur Evaluierung der Funktionalität von Orthesen wäre somit gegeben und erscheint sinnvoll.
Material und Methode
Die Analyse biomechanischer Fragestellungen ist mit verschiedenen Werkzeugen aus dem Bereich des Computer Aided Engineering (CAE) möglich. Zu den Simulationswerkzeugen zählen Programmpakete zum Aufbau von Mehrkörpersystemen (MKS), des Computer Aided Design (CAD) und der Finite-Elemente-Methode (FEM). Abbildung 4 zeigt die Struktur der Computermodelle der unterschied lichen CAE-Werkzeuge und ‑Methoden, die zur Analyse der Verletzungsszenarien verwendet wurden.
Die Basis der Oberflächenmodelle der Mehrkörpersysteme sowie der Volumenmodelle der Finite-ElementeModelle stellen komplexe Freiformflächen dar. Die Oberflächen- und Volumenmodelle der Knochen basieren hierbei auf radiologischen Aufnahmen der Computertomografie (CT). Zur Bildbearbeitung wurde das Software-Paket Amira V4.1 (Mercury Computer Systems GmbH, Berlin) verwendet.
Zur Berechnung der auftretenden Belastungen im Radiusknochen und einer daraus resultierenden Beurteilung der Wirksamkeit unterschiedlicher Schienungskonzepte wurde mit dem Mehrkörpersimulationsprogramm Simpack V9.3 (Simpack AG, Gilching) ein Modell eines 20-jährigen Mannes erstellt (Abb. 5). Das MKS-Modell beinhaltet ein detailliertes Modell der oberen rechten Extremität mit auf CT-Daten basierenden Knochenmodellen und validierten Kraftelementen der Weichteilstrukturen 6. Die Validierung des Modells erfolgte anhand experimenteller Bewegungsanalysedaten 7 und der Berechnung der Bodenreaktionskräfte 8. Die anthropometrischen Daten entsprechen dem männlichen 50. Perzentil, entnommen aus der aktuellen Size-Germany-Reihenmessung.
Ein Rückwärtssturz bei durchgestreckten Gelenken der oberen Extremität wurde als Worst-Case-Szenario für das Frakturrisiko des distalen Radius ermittelt 9 10 11.
Die Modellierung der Handgelenksschienen wurde mit dem CAD-Programm Catia V5 (Dassault Systèmes, Vélizy-Villacoublay, Frankreich) durchgeführt. In dem simulierten Sturzszenario wurden insgesamt acht Modelle eines Handgelenkschutzes verwendet und mit einem Referenzmodell ohne Schienung verglichen. Für die palmare und dorsale Schienung wurden jeweils drei verschiedene Längen modelliert (Abb. 6, 7):
- kurze Schiene mit einem Fixationspunkt zum distalem Unterarm
- mittellange Schiene mit zwei Fixationspunkten zum Unterarm (distal und zentral)
- lange Schiene mit zwei Fixationspunkten zum Unterarm (distal und proximal)
Zudem wurde eine „Sandwich“-Variation als Kombination aus beiden Typen für die mittellange und lange Schiene modelliert.
Die Implementierung der CADModelle der dorsal und palmar anliegenden Schienen erfolgte unter Berücksichtigung von Gelenken mit jeweils einem rotatorischen Freiheitsgrad. Dazu wurden im MKS-Modell Feder-Dämpfer-Elemente eingebaut, die den Bewegungsumfang des Protektors einschränken. Die Befestigung der Schiene am Unterarm, z. B. mittels Klettverschlussbändern, wurde mit Hilfe translatorischer FederDämpfer-Elemente modelliert. Die Anzahl der Fixierungselemente variiert abhängig von der Länge der verwendeten Schiene.
Zur Berechnung der Belastungsspitzen und ‑lokalisationen im Radiusknochen wurden die in den MKS-Simulationen berechneten Kraftverläufe im Handgelenk am Radiusknochen in das mit der Software Ansys R14.5 (Ansys Inc., Canonsburg, USA) erstellte Finite-Elemente-Modell eingeleitet. Eine Zusammensetzung der detaillierten CAD-Knochenmodelle erfolgt in der FE-Software durch die Definition von Kontaktbedingungen, welche den Körper als festen Verbund einzelner Teile charakterisieren. Anschließend wird den jeweiligen Knochenbestandteilen ein Parameter-Set der Werkstoffdaten zugewiesen. Die Materialeigenschaften wurden aus der Literatur entnommen 12 13. Im Knocheninneren schließen an den Enden spongiöse Bereiche der Metaphyse an, welche aus hyalinem Knorpel besteht. Umgeben wird der gesamte Knochen von anteilig orthotrop und isotrop modellierter Kortikalis (Abb. 8). Da Versuchsdaten in der Biomechanik aufgrund der großen Vielfalt von Materialdaten im menschlichen Gewebe nur schlecht übertragbar sind, wurde das erstellte Modell bezüglich seines Steifigkeitsverhaltens anhand von Daten experimenteller Druckversuche an Radiusknochen von Varga et al. 14 validiert.
Ergebnisse
Insgesamt wurde die Simulation eines Rückwärtssturzes auf die ausgestreckte Hand mit acht unterschiedlichen Konzepten einer Schienung sowie ohne Schienung zur Bestimmung der Referenzbelastung durchgeführt. Zur Beurteilung der unterschiedlichen Varianten bezüglich Stabilisierungsvermögen des Handgelenks vermittelt Tabelle 1 eine Übersicht über die maximal eingeleitete Kompressionskraft sowie die maximale Dorsalextension des Handgelenks im Moment des Aufpralls.
Als Referenz dient das MKS-Modell eines 20-jährigen Mannes, welcher ohne stützende Schiene am Handgelenk auf dieses rückseitig stürzt. In dieser Simulation erfährt das Handgelenk eine maximale Dorsalflexion von 69,9°. Abbildung 9 zeigt die jeweilige prozentuale Reduzierung der Extension des Handgelenks durch das Tragen unterschiedlicher Schienen.
Während bei der kurzen Schienung die Verringerung bestenfalls 11,3 % beträgt (dorsale Variante), erreicht die dorsale lange Variante ein Maximum von 24,5 %. Auch eine palmare Schienung verringert die maximale Dorsalflexion des Handgelenks, jedoch in geringerem Maße als eine dorsale Schienung. Die Verwendung einer beidseitigen Schienung zeigt nur einen sehr geringen zusätzlichen Nutzen im Vergleich zur rein dorsalen Variante.
Wie zu erkennen ist, haben alle modellierten Schienungskonzepte das Potenzial zur Verletzungsprävention bei einer Verwendung in Form von Protektoren. Werden die gewonnenen Erkenntnisse aufgrund des ähnlichen Aufbaus von Orthesen und Protektoren auf Handgelenksorthesen übertragen, zeigt sich bei genauer Betrachtung der Gelenkkraft eine deutlich erhöhte Stabilität des distalen Unterarms bei Verwendung einer Schiene.
Die berechnete axial in den Radius eingeleitete Kraft beträgt im Referenzfall 2547 N. Abbildung 10 zeigt die maximale Kompressionskraft mit und ohne Schienung. Lediglich bei einer palmaren Anbringung der kurzen Schiene erweist sich diese als wirksamer als die dorsale Variante. Andernfalls stellt die lange dorsale Schienung mit 1213 N die Variante höchster Stabilität dar. Auch hier ließ sich kein wesentlicher Zugewinn durch eine beidseitige Schienung errechnen.
Insgesamt klar herauszustellen ist die verminderte Wirksamkeit der kurzen Modelle. In Bezug auf die Gelenkkraft stellt die kurze Variante einer palmaren Schienung zwar sogar das beste Konzept dar; auch bei dorsaler Schienung ist der Unterschied zwischen kurzer und mittlerer Variante minimal. Dennoch erreichen bei zusätzlicher Betrachtung des Extensionswinkels des Handgelenks die längeren Varianten deutlich bessere Ergebnisse. Daher wurde auf die Modellierung einer kurzen Sandwichvariante verzichtet.
Wie eingangs erwähnt wurden die unterschiedlichen Konzepte zur Schienung jedoch nicht nur beruhend auf den MKS-Modellen analysiert. Die Ergebnisse der Mehrkörpersysteme-Simulation wurden zusätzlich in ein detailliertes FE-Knochenmodell des Radius eingeleitet. Anschließend erfolgte eine Beurteilung der unterschiedlichen Varianten anhand des jeweils auftretenden Belastungszustands.
Abbildung 11 zeigt den beim simulierten Sturz (Referenzfall) im Radiusknochen auftretenden Schubspannungsverlauf. Ohne Protektor findet eine deutliche Lokalisation der maximal auftretenden Schubspannung am distalen Radiusende statt. Das ist in etwa der Ort, an dem die CollesFraktur zu erwarten ist.
Abbildung 12 zeigt den beim simulierten Sturz mit dorsalem, langem Protektor auftretenden Schubspannungsverlauf am Radiusknochen. Das Maximum ist wie beim Referenzfall proximal am Radiusknochen lokalisiert, hat jedoch einen um 30,7 % geringeren Wert. Außerdem ist ersichtlich, dass im Vergleich zum Referenzfall größere Spannungen im Bereich des Schafts auftreten, die aus der Protektor-Anbindung resultieren.
Diskussion
Der in dieser Studie analysierte Rückwärtssturz (Worst-Case-Szenario) sowie die Beurteilung der Wirksamkeit unterschiedlicher Schienungskonzepte dienen als Basis für die Definition minimaler Anforderungen an Funktionalität und Design von Protektoren im Snowboardsport.
Da sich auf dem Markt befindliche Orthesen für das Handgelenk und die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Protektoren in Aufbau und Funktion ähneln, liegt es nahe, die gewonnenen Erkenntnisse auch im Hinblick auf die Funktionalität von Orthesen zu berücksichtigen. Jedoch bedarf es zur Übertragbarkeit der Studienergebnisse auf Handgelenksorthesen einer indikationsbezogenen Differenzierung. Denn deren Verordnung beinhaltet von der Bewegungsreduktion über die Stabilisierung bis zur Fixierung verschiedene Arten der Beschränkung der Freiheitsgrade (entsprechend den zugrunde liegenden Erkrankungen vom Karpaltunnelsyndrom über Tendovaginitiden und Distorsionstrauma bis zu postoperativen Ruhigstellungen). Daher ist die pauschale Behauptung, dass nur eine lange, dorsal anliegende Schiene das wirkungsvollste Design aufweist, nicht möglich.
Weiterhin zu beachten ist, dass durch das gewählte Modell lediglich der Sturzmechanismus in Dorsalextension evaluiert wurde. Die Indikation von Handgelenksorthesen besteht jedoch nicht nur als Prophylaxe einer Colles-Fraktur, sondern umfasst auch die Ausschaltung der Palmarflexion sowie der Radial- und Ulnarabduktion. Da jedoch im Snowboardsport die Überstreckung des Handgelenks als dominanter Verletzungsmechanismus für distale Handgelenksfrakturen gilt, lag der Fokus dieser Studie auf der Analyse der Dorsalextension. Eine Palmarflexion wird im Snowboardsport zur Gewährleistung der Bewegungsfreiheit für Handgelenksprotektoren erwartet und war somit nicht Gegenstand der vorliegenden Analyse. Mit den bestehenden MKS-/ FEM-Computermodellen können jedoch bei entsprechender Fragestellung auch Lastfälle mit Palmarflexion und Radial-/Ulnarabduktion simuliert werden
Die im analysierten Rückwärtssturz im Referenzfall (ohne Schienung) auftretende Gelenkkraft von 2547 N, welche in den Radiusknochen eingeleitet wird, korrespondiert mit den in der Literatur ermittelten Belastungsgrößen bei einer Radiusfraktur 15. Simulierte Sturzszenarien unter Zuhilfenahme von Armen von Leichen oder mechanischen Ersatzbauten konnten bei einer Belastung zwischen 2,0 und 2,5 kN efline Fraktur des Radius nachweisen. Eine maximale Dorsalextension des Handgelenks von 70° liegt zwar streng genommen nicht im Bereich einer Hyperextension, welche mit als Ursache für eine Fraktur des distalen Radius genannt wird. Dennoch lässt sich auch in Bezug auf den Handgelenkswinkel die Wirksamkeit einer Schienung des Unterarms nachweisen. Insbesondere für die Übertragung der Ergebnisse auf Wirkprinzipien von Orthesen kann die Tatsache des in der Simulation im Vergleich zur Realität zu geringen Extensionswinkels vernachlässigt werden. Die entscheidende Funktionalität einer Unterarmorthese ist die Stabilisierung des Handgelenks. Diese Wirkweise konnte mit der hier vorgestellten Simulation nachgewiesen werden.
Um die größtmögliche Stabilisierung zu erreichen, ist eine feste Fixierung der Schiene an der Hand sinnvoll. Die längeren Varianten wurden im Modell zusätzlich mit zwei modellierten Klettverschlussringen an den Unterarm angebunden, wie dies auch bei handelsüblichen Orthesen der Fall ist.
Im Rahmen dieser Arbeit konnte der Tragekomfort der unterschiedlichen Schienen leider nicht bewertet werden. Dennoch zeigte sich aufgrund der Steifigkeit der Schienen im Modell ein Eindringen des dorsalen Splints in die Weichteilstrukturen des Unterarms nur bei einem Sturz mit entsprechender Krafteinwirkung
Das FE-Modell im Referenzfall zeigt eine Abbildung der Realität, da für das Spannungsmaximum im Radiusknochen die Stelle berechnet wurde, an der es bei einer Colles-Fraktur zu einem Bruch kommt. Auch die Simulationsergebnisse mit Protektoren scheinen realistisch, da die maximal auftretenden Werte der Spannungsverläufe im Radiusknochen deutlich abnehmen und die Krafteinleitung der Protektoren im Schaftbereich in den Spannungsverläufen durch höhere Werte abgebildet wird. Aufgrund der fließenden Übergänge der mechanischen Eigenschaften im menschlichen Knochen mussten bei der Erstellung des FE-Modells allerdings Vereinfachungen getroffen und abgeschlossenen Knochenbereichen bestimmte Materialparameter zugewiesen werden. Vereinfachungen wurden auch bei der Definition der Kontaktbedingungen des Radiusknochens getroffen.
Schlussfolgerung
Mittels der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten MKS- sowie FE-Simulationen konnten verschiedene Konzepte von Handgelenkschützern hinsichtlich ihrer Stabilisierungswirkung untersucht werden. Zwar wurden die Modelle ursprünglich zur Bewertung der Funktionalität von Protektoren im Snowboardsport entwickelt, der ähnliche Aufbau sowie die vergleichbare Anbindung an Hand und Unterarm erlauben aber auch Rückschlüsse auf Handgelenksorthesen und eignen sich somit zur Evaluierung funktioneller Kriterien in der medizinischen Anwendung.
Beruhend auf den Ergebnissen der MKS-Simulation ist der dorsalen Variante eine erhöhte Stabilisierung des Unterarms im Vergleich zu einer palmaren Anbringung zuzuschreiben. Eine beidseitige Schienung des Unterarms führt zu einem nur geringen Zugewinn im Vergleich zur dorsalen Variante, sowohl bezüglich Kraftreduzierung als auch bezüglich Streckung des Handgelenks. Betrachtet man die Extension des Handgelenks, ist ein klarer, positiver Trend von den kurzen Modellen hin zu den langen Varianten zu erkennen. In Bezug auf die Verringerung der wirkenden Kraft ist dieser Trend hingegen nicht so deutlich. Die mittlere und kurze Variante der dorsalen Schienung unterscheiden sich hier nur sehr gering. Für die untersuchten Varianten empfiehlt sich für Handgelenksprotektoren eine lange, dorsal anliegende Schiene als wirkungsvollstes Design.
Zudem wurden nicht alle auf dem Markt befindlichen Stabilisierungskonzepte berücksichtigt. So wurde z. B. die sicherheitsrelevante Funktionalität einer seitlichen Schienung bisher noch nicht untersucht. Zudem gilt es, weitere wichtige Einflussfaktoren, z. B. den Tragekomfort, in die Gesamtbetrachtung mit einzubeziehen. Beide eben angeführten Aspekte gewinnen dann an Bedeutung, wenn im medizinischen bzw. therapeutischen Bereich die Verletzungs-/Schmerzlokalisation berücksichtigt werden muss.
Für die Autoren:
Dr. Stefan Lehner
Lehrstuhl für Ergonomie
Technische Universität München
Boltzmannstraße 15
85747 Garching
lehner@lfe.mw.tum.de
Begutachteter Beitrag/reviewed paper
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