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  • 1. Orthopäde1998 ´ 27:813±819 Springer-Verlag 1998 Zum Thema: Biomechanik M. M. Panjabi1 · J. Cholewicki1 · K. Nibu1, 2 · J. N. Grauer1 · L. B. Babat3 · J. Dvorak4 · H. F. Bär5 1 Biomechanics Laboratory, Department of Orthopaedics and Rehabilitation, Yale University School of Medicine, New Haven, CT, USA 2 Department of Orthopaedics, Yamaguchi University School of Medicine, Yamaguchi 3 Department of Orthopaedics, Brown University School of Medicine, Providence, RI, USA 4 Schulthess Klinik, Zürich 5 Orthopädische Universitätsklinik, Ruhr-Universität Bochum Biomechanik des BeschleunigungstraumasZusammenfassung der HWS beim Beschleunigungstrauma. In unvollkommen. Um so wichtiger ist ein ela- der 1. Phase des Unfalls nahm die HWS eine boriertes Verständnis des Pathomechanis-Im vorliegenden Artikel wird über eine neue S-förmige Kurve mit Flexion der Halswirbel- mus, welches nach unserer ÜberzeugungHypothese zur Biomechanik des Beschleuni- säule in den oberen Bewegungssegmenten den Schlüssel zu besserem Verständnis vongungstraumas berichtet, die sich auf eine und Hyperextension in den unteren Bewe- klinischen Symptomen und effektiveren prä-Serie von Experimenten an isolierten huma- gungssegmenten an. In der 2. Phase des Un- ventiven Strategien darstellt.nen Knochenbandpräparaten der Halswir- fallablaufs befanden sich alle Abschnitte derbelsäule (HWS) stützt. Obwohl die mit dem HWS in Extension, wobei der Kopf maximal SchlüsselwörterBeschleunigungstrauma einhergehenden extentiert wurde. Verletzungen der ventra-klinischen Symptome gut beschrieben sind, len Strukturen traten in den unteren Etagen Beschleunigungstrauma × Verletzungsme-fehlt uns noch ein tieferes Verständnis des während der 1. Phase des Unfalls auf, dies chanismus × Halswirbelsäule × Biomechanik ×Verletzungsmechanismus. Es muû davon wurde durch Funktionsröntgenaufnahmen, Verletzungausgegangen werden, daû die allgemein ¹flexibility testª und Bildbefunde bestätigt.geteilte Ansicht, es handle sich um eine Hy- Maximale dynamische Kapselbanddehnun-perextensionsverletzung durch neuere ex- gen wurden in der Etage C6/C7 während derperimentelle Studien nicht gestützt wird. Ineinem Laborversuch wurden 8 frische hu-mane HWS-Präparate einer kontrollierten beginnenden S-Phase des Traumas beob- achtet. Ganz ähnlich verhielt es sich mit der A. vertebralis, deren maximalen Elongation B erichte aus verschiedenen europäi- schen Ländern zeigen einen alarmieren-Serie von Beschleunigungstraumaexperi- während der S-Phase des Beschleunigungs- den Anstieg der jährlich registriertenmenten unterzogen. Vor und nach jedem traumas auftrat. Verletzungen in der zweiten Anzahl an HWS-Verletzungen währendTrauma wurde das jeweilige Präparat Funk- Phase konnten nicht beobachtet werden. der letzten Jahre bei steigender Ver-tionsröntgenaufnahmen und ¹flexibility Gestützt auf unsere experimentellen Be- kehrsdichte an [11].testª unterzogen, um Hinweise auf Ausmaû funde nehmen wir an, daû die untere HWS Die ¹National Highway Traffic Sa-und Lokalisation der erlittenen Verletzung zu durch einen Hyperextensionsmechanismus fety Administrationª in den USAerlangen. Am Ende jeder Versuchsserie wur- geschädigt wird, während die HWS als Gan- schätzt, daû 84 % aller HWS-Verletzun-den CT-Scans, NMR und Kryomikrotomie- zes sich S-förmig verformt. Dies geschieht zu gen als AIS1, d. h. Weichteilverletzungenschnitte angefertigt. Das Bewegungsverhal- einem sehr frühen Zeitpunkt während des klassifiziert werden müssen [5]. Solcheten der Präparate wurde während des Ver- Unfalls noch bevor Hals und Nacken voll Verletzungen sind ganz allgemein Ver-suchs in allen Bewegungssegmenten mit überstreckt sind. Bei höheren Stoûbeschleu- letzungen mit subkritischer Schadens-Hochgeschwindigkeitskameras aufgezeich- nigungen werden auch Verletzungen der energie (subfailure injuries), morpho-net. Sowohl die Längenänderungen der oberen HWS wahrscheinlicher. Unsere Be- logische faûbare Verletzungen im SinneA. vertebralis, als auch die relativen Kapsel- funde erlauben ein tieferes Verständnis des von Rupturen oder Luxationen werdendehnungen der Intervertebralgelenke wur- Beschleunigungstraumas und sind ein Bei-den mit speziell angefertigten Sensoren auf- trag zur Verbesserung von Diagnose, Be-gezeichnet. Unsere Untersuchungen konn- handlung und Prävention dieser Verletzun- Prof. Dr. M. M. Panjabiten die ¹Hyperextensionshypotheseª des gen. Obwohl die Symptome, die mit einem Biomechanics Laboratory,Verletzungsmechanismus nicht bestätigen. Beschleunigungstrauma einhergehen kön- Department of Orthopaedics and Rehabilitation,Wir fanden eine nicht zu übersehende bi- nen, gut beschrieben sind, bleibt unser tie- Yale University School of Medicine, 333 Cedar St.,phasische Antwort im Bewegungsverhalten feres Verständnis des Unfallmechanismus P. O. Box 208071, New Haven, CT 06520-8071, USA Der Orthopäde 12´98 813
  • 2. Orthopäde 1998 ´ 27:813±819 Springer-Verlag 1998 Zum Thema: Biomechanik M. M. Panjabi · J. Cholewicki · K. Nibu · lowing better and more effective injury pre- Penning postulierte, daû im Gegen- J. N. Grauer · L. B. Babat · J. Dvorak · vention, diagnosis and therapy. satz zu der bis dahin üblichen Sicht- H. F. Bär weise, nicht die Hyperextension, son- Key words dern die Hypertranslation des Kopfes Biomechanics of whiplash injury der primäre Schadensmechanismus bei Whiplash · Injury mechanism · Cervical spine dem Beschleunigungstrauma sein sollte Summary · Biomechanics · Trauma [29, 30]. Penning verglich seitliche Röntgenbilder von Probanden in The article reports a new hypothesis of whi- ¹Kinn-einª- und ¹Kinn-aus-Stellungª plash injury based on a series of experimen- als repräsentativ für hintere und vor- tal studies using isolated human cadaveric dere Kopftranslationen. Die sich dabei specimens. Although the clinical symptoms in diesem Zusammenhang nicht beob- einstellenden Winkelbewegungen der of whiplash are widely known, the under- achtet. einzelnen Wirbelkörper in der Sagittal- standing of the underlying injury mechanism Die derzeit üblichen Verfahren, wie ebene verglich er mit der Situation bei is poor. The prevailing view of neck-hyper- das NMR, scheinen nicht genügend auf- aktiver Beugung und Überstreckung extension as the essential injury mechanisms zulösen, um diese Verletzungen nachzu- bei Funktionsaufnahmen. Er fand, daû was not supported by recent experiments. In weisen. Die reduzierte Funktion und die Winkelbewegungen zwischen C0 a series of experiments using eight human chronische Schmerzzustände, die mit und C2 bei den sog. Translationsbewe- cadaveric specimens which underwent ex- einer Beschleunigungsverletzung ein- gungen des Kopfes gröûer als bei den perimental stepwise whiplash acceleration hergehen können, finden jedoch in die- Flexions-Extensions-Bewegungen wa- from 2.5 to 10.5 g functional radiographs sen subkritischen, unvollständigen Ver- ren. Diesen Unterschied konnte er für and flexibility tests were performed at the letzungen ihre Erklärung. die untere HWS nicht beobachten und end of each acceleration step. Ligament ¹Whiplashª wurde unscharf defi- er schloû deshalb, daû die obere HWS strains, vertebral alignment and elongation niert als eine Beschleunigungsverlet- besonders verletzungsanfällig für die of the vertebral artery were monitored dur- zung, die für gewöhnlich ein unauf- Beschleunigungsverletzung sein sollte. ing the whiplash trauma by highspeed cine- merksames Opfer in einem stehenden Ein richtiges Verständnis des Un- matography and specially designed transdu- Fahrzeug, welches vom Heck her ange- fallmechanismus ist notwendig. Je ge- cers. After the trauma CT- and MRI-scans stoûen wird, trifft. Die Symptome Nak- nauer der Unfallmechanismus bekannt were taken and specimens were sectioned kenschmerz, Benommenheit und Kopf- ist, desto eher können diejenigen anato- using Cryomicrotomy. We found a distinct bi- schmerz sind nicht spezifisch und wer- mischen Strukturen, die besonderen Ri- phasic kinematic response of the cervical den noch Monate und Jahre nach den siken ausgesetzt sind zum Zweck der spine to whiplash trauma. In the first phase Unfällen berichtet [1, 2, 7]. Entwicklung effektiverer Unfallpräven- the spine formed an S-shaped curve with Untersuchungen zu Beschleuni- tionsstrategien identifiziert werden. flexion at the upper levels and hyper-exten- gungstraumen sind multidisziplinär, Aufbauend auf der Theorie von Mac- sion at the lower levels. This phase was sie reichen von retrospektiven klini- Nab, daû die Hyperextension der füh- found to be the vulnerable phase of whi- schen Datensammlungen bis zu einer rende Verletzungsmechanismus beim plash trauma. The largest dynamic elonga- Reihe verschiedener Laborversuche. Beschleunigungstrauma ist, wurden tion of the capsular ligaments was observed Trotzdem ist ein fundiertes Verständnis Kopfstützen entwickelt, um HWS-Ver- at the C6±C7 level during this initial S- der Beschleunigungstraumen auf letzungen vorzubeugen. Obwohl die shaped phase of whiplash. The maximum 2 Dinge angewiesen: Die Kenntnis der Einführung von Kopfstützen die Zahl elongation of the vertebral artery could be Wirbelkörperkinematik und die Defini- der Verletzungen vermindert hat, konn- observed synchronously in the first S-shaped tion, was eine Weichteilverletzung aus- ten diese jedoch nicht vollständig ver- curve of the cervical spine. In the second macht. hindert werden. Nygren et al. [20] führ- phase of whiplash all levels of the cervical Die Quebec Task Force hat in ihrer ten in einer schwedischen Studie an, spine were extented, so that the head Monographie betont, daû weitere bio- daû nur ein 20 %iger Rückgang aller reached is maximum extension. No injuries mechanische Untersuchungen zum Be- HWS-Verletzungen nach Einführung were observed in the second phase. We pro- schleunigungstrauma notwendig sind der Kopfstütze zu beobachten gewesen pose, based on our experimental findings, [32]. war. Deshalb sollte die der Erfindung that with low accelerations the anterior In der Geschichte der biomechani- der Kopfstütze zugrundliegende biome- structures of the lower cervical spine are in- schen Modellvorstellungen zum Be- chanische Modellvorstellung, so wie sie juried during the first phase of whiplash, schleunigungstrauma gibt es verschie- MacNab vor 30 Jahren formuliert hat when the cervical spine forms an S-shaped dene Ansätze. Macnab war sich als er- und als Hyperextensionsvorstellung im- curve and before the neck is fully extended. ster der Tatsache bewuût, daû klinische mer noch die gängige Modellvorstel- At higher trauma accelerations there is also a Studien vieldeutig sind und führte Tier- lung ist, einer Überprüfung unterzogen tendency for the injuries to occur at upper versuche mit narkotisierten Primaten werden [14]. levels of the cervical spine. Based on our durch [13±15]. Er fand eine zufällige findings the traditional view of whiplash as Häufung von Verletzungen ventraler hyper-extension injury can be modified by a Strukturen. Daraus schloû er, daû die differentiated, time dependent, biphasic Hyperextension der HWS als direkte biomechanical model of the injury, thus al- Unfallursache anzusehen sei.814 Der Orthopäde 12´98
  • 3. Methoden wasser- und luftdicht verschlossen, bei mit einem Sensor ähnlicher Bauart ge- Ÿ20 C aufbewahrt und vor dem Ver- messen. Überblick such aufgetaut. Zu diesem Zweck wurde ein dünner nylonbeschichteter biegeweicher DrahtEinzelheiten der diesem Artikel zugrun- Experimentelles von kaudal in die rechte A. vertebralisdeliegenden Versuche sind bei Panjabi Beschleunigungstrauma eingeführt. Der Draht wurde am Os oc-et al. [25] zu entnehmen. Knochen- cipitale befestigt. Die kaudalen Längen-Band-Präparate der kompletten HWS Das Beschleunigungstrauma wurde differenzbewegungen wurden mit Hilfemit Os occipitale wurde unmittelbar künstlich durch einen speziell entwik- eines Wegmeûgebers aufgezeichnet.post mortem entnommen und terminal kelten Schlittenaufbau simuliert [26]. Nach Befestigung des Präparats auffixiert. Funktionsröntgenaufnahmen Der Aufbau bestand aus einem Schlit- dem Schlitten wurden die Speicherfe-und mehrdirektionale Flexibilitätstests ten, Linearlagern, einem pneumati- dern entsprechend der gewünschten Be-dokumentierten die physische und me- schen Kolben, Speicherfedern und ei- schleunigung durch einen pneumati-chanische Ausgangssituation des Prä- nem elektromagnetischen Schalter zur schen Kolben vorgespannt. Nach Frei-parats. Am kranial fixierten Ende wurde Speicherung und Freisetzung der benö- gabe der Federn wurde der Schlitteneine mechanisch äquivalente Masse als tigten mechanischen Energie. Das kau- von hinten angestoûen und nach vorneKopfersatz befestigt. Das Präparat dale Ende der Präparate wurde mit dem beschleunigt; nach dem Erreichen derwurde mit dem kaudal fixierten Ende Epoxydadapter starr mit dem Schlitten Maximalgeschwindigkeit wurde derauf einem Schlitten aufgespannt und verbunden, das kranial fixierte Ende Schlitten kontrolliert abgebremst. Dasschrittweise experimentellen Beschleu- diente zur Aufnahme einer Stahlscheibe Beschleunigungstrauma wurde mit ei-nigungssituationen, beginnend mit mit den mechanischen Eigenschaften ner Geschwindigkeit von 500 Bildern/2,5 facher Erdbeschleunigung (G) eines menschlichen Kopfes aus der 50- Sekunde gefilmt. Die LageindikatorenSchlittenbeschleunigung bis zu 10,5 G %-Durchschnittsperzentile (5,5 kg wurden digitalisiert und die so gewon-in Schritten von 2 G ausgesetzt. Masse und 0,035 kgm2 Trägheitsmo- nenen Daten in Winkelbewegungen der Während des experimentellen ment) [18]. Wirbelkörper umgerechnet. Die Bewe-Traumas wurde das Präparat mit einer Diese Kopfersatzmasse wurde starr gungen des Kopfes wurden mit 3 Poten-Hochgeschwindigkeitskamera gefilmt, mit dem kranial fixierten Ende verbun- tiometern gemessen und über einenum die Winkelbewegungen der einzel- den; der Schwerpunkt wurde durch Analogdigitalwandler in einen Perso-nen Wirbelkörper aufzuzeichnen. Die eine spezielle Haltevorrichtung über nalcomputer gespeichert [4]. Jedes Prä-Kopfbewegungen (Rotation, Transla- der Wirbelsäule so positioniert, wie parat wurde sequentiell mit 2,5; 4,5; 6,5;tion und Beschleunigung) wurden dies auch in vivo der Fall gewesen wäre. 8,5 und 10,5 G Schlittenbeschleunigungdurch Potentiometer und Akzelerome- Die Haltevorrichtung verhindert unna- belastet.ter aufgezeichnet. Die Elongation der türliche artifizielle Zwangskräfte wäh-A. vertebralis und der Kapselbänder rend des Versuchs ohne die Trägheitsef- Röntgenfunktionsaufnahmenwährend des Versuchs wurden mit spe- fekte zu behindern. Die Haltevorrich-ziell hergestellten Sensoren aufgezeich- tung erlaubte Bewegungen des Kopfes Seitliche Röntgenaufnahmen der Präpa-net. Die Funktionsaufnahmen und ¹fle- in allen 3 Freiheitsgraden der Sagittal- rate wurden in Neutralnullstellung undxibility testsª wurden nach jedem Ver- ebene. 3 Potentiometer wurden zwi- in Flexions- und Extensionsstellung un-suchsschritt durchgeführt, um das Aus- schen dem Ersatzkopf und dem Trans- ter 5 N vorderer bzw. hinterer Querkraftmaû der (inkompletten) Verletzung zu portschlitten montiert. Bei 45 Neigung am Okziput aufgenommen. Die Rönt-quantifizieren. Am Schluû jeder Ver- wurde der Anschlag des Kopfes aus Si- genbilder wurden qualitativ und quan-suchsserie wurde die Verletzung mit cherheitsgründen empirisch begrenzt. titativ befundet um Verletzungen nachCT, NMR und Kryomikrotomie bildge- Um die Zwischenwirbelbewegungen jeder Belastungsstufe zu dokumentie-bend dokumentiert. während der Verletzung besser sichtbar ren. zu machen, wurde jeder Wirbel mit ei- Präparationsschritte nem Indikatorstab versehen, der von la- Flexibility test teral vollständig sichtbar war und des-Acht frische humane HWS-Präparate sen Lage mit einer Hochgeschwindig- Die mechanischen Eigenschaften derwurden geröntgt, um sicher zu stellen, keitskamera festgehalten werden intakten und verletzten HWS-Präparatedaû nur altersentsprechende degenera- konnte. Speziell angefertigte Dehnungs- wurden mit einem ¹flexibility testª un-tive Veränderungen vorhanden waren. sensoren wurden über die Kapselbänder ter Belastung mit reinen Biegemomen-Die Muskulatur wurde entfernt, Band- von C2/3, C6, C7 wechselartig ange- ten bestimmt [23, 24]. Es ist schwierig,scheiben und Bänder und Kapseln wur- bracht [27]. eine inkomplette Bandverletzung zuden erhalten. Das Os occipitale und die Die Bandsensoren wurden mit identifizieren. Der ¹flexibility testª, denBodenplatte des 7. Hals- bzw. 1. Brust- Kirschner-Drähten in der Nähe der man vor und nach dem experimentellenwirbels wurden in schnellhärtendes Bandursprünge und -ansätze befestigt. Trauma durchführt, hilft solche Verlet-Epoxydharz eingegossen, während das Die Längenauflösung der Sensoren war zungen in Wirbelsäulenpräparaten zuPräparat in Neutralposition gehalten 5 mm mit einer durchschnittlichen Ge- identifizieren. In der vorliegenden Stu-wurde. Bis zur Versuchsdurchführung nauigkeit von 0,025 mm [3]. Die Län- die wurden die Wirbelsäulenpräparatewurden die so hergestellten Präparate genänderung der A. vertebralis wurde multidirektional Belastungen unterzo- Der Orthopäde 12´98 815
  • 4. Zum Thema: Biomechanik gen und die daraus resultierenden inter- chen Beschleunigungen zeigen. Wäh- beschleunigung [19]. Die maximale vertebralen Bewegungen gemessen. rend nach 2,5 G Beschleunigung kein Elongation trat während der Phase der Zwei Parameter dokumentieren die in- abnormer Befund zu sehen war, konnte Hypertranslation des Kopfes, also zu tervertebralen Bewegungen. ¹Range of nach 4,5 G Beschleunigung eine deutli- Beginn des Stoûvorgangs, auf. motionª (ROM) beschreibt das maxi- che Annäherung der Processus spinosi In ähnlicher Weise verhielten sich male physiologische Bewegungsausmaû von Wirbelkörper C5 und C6 und ein die Kapselbänder. Die maximalen Deh- während ¹Neutral Zoneª (NZ) die Laxi- ventrales Klaffen des Bewegungsseg- nungen erreichen ihre Spitzenwerte taet der Wirbelsäule um die Neutralpo- ments C5/C6 beobachtet werden. zwischen 50 und 150 ms nach Stoûbe- sition bestimmt. Das ist ein Hinweis auf eine Verlet- ginn. Die gröûten prozentualen Kapsel- zung ventraler Strukturen. In den ande- dehnungen wurden zwischen 23,6 und Bildgebende Verfahren ren Etagen der HWS wurden keine di- 14,8 % in der Etage C6/C7 bei einer Be- rekten oder indirekten Verletzungsfol- schleunigung von 6,5 und 8,5 G gemes- Bildgebende Verfahren, CT-Scans und gen gefunden. sen. NMR wurden am Ende aller Testsitzun- Das beste Werkzeug, um eine un- CT, NMR und Kryomikrotomiebil- gen durchgeführt. Um speziell weitere vollständige Weichteilverletzung aufzu- der belegten darüber hinaus, daû Ver- Verletzungen aufzudecken, wurden decken, ist der ¹flexibility testª [22]. letzungen sich in den unteren Etagen Kryomikrotomiebilder bei Ÿ70 C in Wenn man präzise die Bewegungen je- der HWS ereignet hatten. Bildbefunde der Technik nach Rauschning [31] ange- des Wirbelkörpers gegenüber dem je- (ventrales Klaffen und Annäherung der fertigt. weils benachbarten bei genau einem Processus spinosi) und biomechanische Newtonmeter applizierten Biegemo- Untersuchungen zeigten eine hohe Kon- Ergebnisse ment vor und nach dem Unfall miût, sistenz. kann man eine quantitative und genaue Bewegungsverhalten Aussage über die Verletzung der HWS Diskussion der HWS während des Versuchs machen. Die von uns durchgeführten ¹flexi- 1928 prägte Crowe den Begriff ¹whi- Die Auswertung der Hochgeschwindig- bility testsª ergaben verschiedene Ver- plashª, Beschleunigungsverletzung, keitsfilme offenbarte eine ausgeprägte letzungsmuster in den verschiedenen Schleudertrauma, Peitschenschlagver- biphasische kinematische Antwort der Etagen der HWS. Um die umfangrei- letzung. Der mechanische Gehalt dieser HWS auf das Beschleunigungstrauma. chen Versuchsdaten über ROM und NZ Begriffe war bisher unklar. Unser Labor Bei einer Beschleunigung von 8,5 G der Bewegungssegmente in Abhängig- hat die Frage, was denn nun das eigen- beträgt die erste Phase des Stoûvor- keit von verschiedenen Unfallvorgän- tümliche an dieser Verletzung in me- gangs 50±75 ms, während dieser Zeit gen und Höhenlokalisationen gra- chanischer Hinsicht sei, in einem expe- wird eine S-förmige Verkrümmung der phisch darzustellen, wurden die Ver- rimentellen Ansatz beantwortet. Wir HWS mit Flexion in den oberen und Ex- suchsdaten als prozentualer Anstieg be- entwickelten unter Verwendung von hu- tension in den unteren Abschnitten ein- züglich der jeweiligen Ausgangswerte, manen Zevikalpräparaten ein Labor- genommen. Zu Anfang dieses Zeitab- dargestellt. Statistisch signifikant modell des Beschleunigungstraumas, schnitts, d. h. etwa 50 ms nach dem (p 0.05) waren der Anstieg des ROM welches es gestattet, die Geschehnisse Stoû, wandert der Kopf etwa 6 cm nach in Extension im Bewegungssegment beim Stoû direkt zu beobachten. Wir hinten, ohne eine nennenswerte Exten- C5/C6 nach 4,5 G und höheren Be- beobachteten die Winkelbewegungen sions- oder Flexionsbewegung zu voll- schleunigungen. Ein signifikanter An- der einzelnen Wirbelkörper während führen [10]. Der Zeitabschnitt zwischen stieg der NZ in Extension in Höhe des Stoûvorgangs mit Hochgeschwin- 100 und 125 ms nach dem Stoû ist der C5±C6 nach 4,5 G und höheren Be- digkeitskinematographie. Anfang eines 2. Intervalls, während des- schleunigungen konnte gleichfalls Beschleunigungstraumen sind un- sen die gesamte HWS in eine Exten- nachgewiesen werden. Die NZ in Exten- vollständige Bandverletzungen. Diese sionsbewegung übergeht. Die maximale sion auf Höhe des kraniozervikalen sind mit bildgebenden Verfahren Kopfauslenkung findet etwa 100 ms Übergangs C0/C1 und C6/C7 bei Be- schwierig darzustellen, geschweige nach dem Stoû statt. Die maximale Ex- schleunigungen gröûer als 6,5 G schien denn zu quantifizieren. tensionsbeanspruchung der unteren (p 0.1) ebenfalls anzusteigen. Aus diesem Grund wurde die me- HWS spielt sich jedoch nicht in dieser Verletzungen der A. vertebralis chanisch etablierte Methode der ¹flexi- 2., sondern während der ersten Zeit- durch Überdehnung standen im Ver- bility testª genutzt, um Veränderungen phase nach dem Stoû (S-förmige Ver- dacht einen Teil der komplizierten der mechanischen Eigenschaften des je- krümmung der HWS) ab, 25 ms bevor Symptomatologie nach Beschleuni- weiligen Präparats in allen Höhenlokali- sich Kopf- und Nacken makroskopisch gungstraumen zu erklären [15]. Die von sationen vor und nach dem Stoûvor- vollständig in Extension bewegen. uns maximal gemessene Elongation der gang zu messen. A. vertebralis steht in direktem Zusam- Die meisten Bänder und die dyna- Lokalisation der Verletzung menhang mit der Horizontalbeschleu- mische Elongation der A. vertebralis nigung des angestoûenen Schlittens wurden meûtechnisch während des Panjabi et al. [25] konnten in einem Bei- (r2 = 0,7; p 0,05). Die Elongation der Stoûvorgangs direkt erfaût. Funktions- spiel die unterschiedlichen Röntgen- A. vertebralis überschritt das physiolo- röntgenaufnahmen, CT-Bilder, NMR funktionsbefunde nach unterschiedli- gische Limit bereits ab 2,5 G Schlitten- und Kryomikrotomie lieferten Zusatz-816 Der Orthopäde 12´98
  • 5. informationen über die Verletzungender Bandstrukturen. Unsere Messungen konnten die bis-lang für richtig gehaltene Vorstellung,daû es sich beim Beschleunigungs-trauma um eine Hyperextensionsverlet-zung handelt, nicht bestätigen. Statt NP 25 ms 50 ms 75 ms 100 ms 125 ms 150 ms 175 msdessen zeigte sich ein etwas komplexe- Abb. 1 ~ Schemazeichnung der HWS ± Verkrümmung während Heckanpralltrauma.rer Unfallmechanismus. Die Haupt- Die entscheidende S-förmige Verkrümmung der Halswirbelsäule mit Hyperflexion ihrermerkmale dieses Unfallmechanismus caudalen Abschnitte ist am stärksten zwischen 50 und 75 ms nach Stoû ausgeprägt.sollen im folgenden nochmals kurz zu- Erst in der zweiten Phase des Stoûvorganges (100 ms±175 ms) läût sich eine generalisiertesammengefaût werden (Abb. 1). Extensionsbewegung beobachten, deren pathogenetisches Potential aber hinter Während der ersten 50 ms nach dem der ersten Phase zurückbleibt und erst bei höheren Beschleunigungen wirksam wird.Heckanstoû führt der Kopf eine kleineTranslationsbewegung aus. In der Phasezwischen 50 und 75 ms verformt sich die ausgesetzt, die dorsalen Strukturen der mum bei 120 ms und einer maximalenHWS S-förmig mit lokaler Extension HWS werden Druckbeanspruchungen Kopfüberstreckung bei 160 ms [28]. Je-der unteren HWS und ausgleichender ausgesetzt. Bei Überschreiten der phy- doch führten sie dieses Phänomen nichtFlexion der oberen HWS; 75 ms nach siologischen Grenzen können daraus als Unfallmechanismus auf, unvollstän-Stoûbeginn werden maximale Exten- teilweise oder unvollständige Bandver- dige Bandverletzungen wurden von ih-sionswerte in den unteren Etagen der letzungen im Sinne einer AIS1-Eintei- nen ebenfalls nicht berichtet und beob-HWS beobachtet. Die maximale Rück- lung entstehen. achtet.verlagerung des Kopfes wird etwa Der erste tierexperimentelle Ver- In einer kürzlich veröffentlichten100 ms nach dem Stoû in der 2. Phase such zum Verständnis des Beschleuni- Arbeit konnten Kaneoka et al. [12] zumdes Unfalls beobachtet. Die während gungstraumas wurde von Macnab vor erstenmal In-vivo-Intervertebralbe-der ersten Phase des Stoûvorgangs ge- mehr als 30 Jahren unternommen [13]. wegungen während experimentellermessenen Extensionswerte in der unte- Macnab nahm an, daû die Verletzungen Beschleunigungsvorgänge mit Hilferen HWS können physiologische Grenz- ventraler Strukturen in der unteren der Hochgeschwindigkeitsradiographiewerte überschreiten, dies geschieht aber HWS in Tierexperimenten eine Folge darstellen. Sie berichteten Ergebnissenicht in der 2. Phase der Verletzung, wo der Überstreckung von Kopf und Nak- über die Bewegungssegmente C2/3 bisKopf und Hals sich in maximaler ma- ken waren. Die Kopfstütze wurde erfun- C5/6. Sie berichteten, daû am Anfangkroskopischer Extension befinden. Die den, um die Kopfbewegung einzu- alle Bewegungssegmente zuerst sich imExistenz eines Verletzungspotentials in schränken. Unsere Ergebnisse zeigen, Sinne einer Flexionsbewegung verän-Form von vermehrtem Gelenkspiel und daû die unteren HWS-Verletzungen auf- dern, die sich sukzessive in den späterenvermehrter Gelenkbeweglichkeit der treten bevor Kopf und Nacken als Gan- Phasen des Stoûvorgangs ausgehendBewegungssegmente bei Stoûvorgän- zes hyperextentiert sind. Deshalb ist von den am weitesten kaudal gelegenengen mit 4,5 G oder mehr wurde in mehr- nach unserer Erkenntnis die Kopfstütze Etagen zu Extensionsbewegungen ent-direktionalen ¹flexibility testsª bestä- ineffektiv als Präventionsmaûnahme, wickelten. Etwa 110 ms nach dem Stoûtigt. Der gleiche Sachverhalt trifft für da sie die Ausbildung einer S-förmigen beobachteten sie eine S-förmige Formdie A. vertebralis und die Kapselbänder Verkrümmung der HWS, die das eigent- der HWS, ähnlich zu den von uns beob-zu, die nicht in der 2. Phase sondern in liche Verletzungspotential darstellt, achteten Bewegungsmustern.der 1. Phase des Stoûvorgangs ihre ma- nicht behindert. Überträgt man unsere Die S-förmige Verformung derximalen Beanspruchungen und damit Erkenntnisse mit der gebotenen Vor- HWS war auch eine Annahme, auf dieGefährdungen erleiden. Die mit bio- sicht auf die In-vivo-Problematik, dann Pennings Theorie des Verletzungsme-mechanischen Methoden erhobenen könnten wir bis zu einem gewissen Aus- chanismus aufbaute [29, 30]. PenningUnfallfolgen wurden durch die kli- maû erklären, worin der Miûerfolg nahm jedoch an, daû der kranioverte-nisch und klinisch pathologisch be- beim Einsatz der Kopfstütze liegt. brale Übergang der Hauptort der Verlet-kannten Methoden Funktionsauf- Die S-förmige Krümmung der zung beim Beschleunigungstrauma ist.nahme, CT-Scan, MRI und Kryomikro- HWS in der ersten Phase nach Stoû Unsere experimentellen Befunde stehentomie bestätigt. wurde auch bei Svensson bei einem dazu im Gegensatz. Sie zeigen, daû die Die Schluûfolgerung muû lauten, Dummy-Versuch beobachtet, Svensson unteren Etagen der HWS wesentlichdaû der Pathomechanismus des Be- ging jedoch nicht davon aus, daû diese wahrscheinlicher ihren physiologi-schleunigungstraumas die Ausbildung Erscheinung etwas mit einem Verlet- schen Bewegungsumfang überschreiteneiner S-förmigen Kurve der HWS in der zungsrisiko der HWS zu tun haben als die oberen Etagen der HWS. Zu be-Anfangsphase des Unfalls darstellt. Da- könnte [33]. achten bleibt weiterhin, daû unser Be-bei kommt es zwangsweise zu einer Hy- Geigl et al. [9] maûen in einem Lei- schleunigungstraumaexperiment nichtperextension der unteren und zu Fle- chenexperiment Winkelbewegungen dazu führte, daû der Kopf über das phy-xion der oberen Etage der HWS. Folge- der HWS. Sie fanden Flexionsvorgänge siologische Maû hinaus extentiertrichtig werden die ventralen Strukturen in den Segmenten C0 bis C4 in Sinne ei- wurde. Diese Tatsache wird durch In-der unteren HWS Zugbeanspruchungen ner S-förmigen Kurve mit einem Maxi- vivo-Experimente unterstützt, welche Der Orthopäde 12´98 817
  • 6. Zum Thema: Biomechanik mit Freiwilligen durchgeführt worden Wirkung auf den Nacken und das Entge- Diese Untersuchung wurde teilweise durch waren [16, 17]. genwirken der Schwerkraft des Kopfes. das National Institute of Health, Grant 42211 Wenn also eine Verletzung einge- Diese Funktion wurde in unserem Ver- und NSERC Canada unterstützt. Wir möch- ten auch Prof. Dr. med. J. Grifka, Orthopädi- treten ist, dann ist sie nicht deswegen suchsaufbau durch eine aktive Halte- sche Universitätsklinik, Ruhr-Universität eingetreten weil Kopf und Nacken sim- vorrichtung, die den Einfluû der Bochum und Dr. Andrea Radebold, Depart- pel zu weit nach hinten gebogen worden Schwerkraft auf unsere Modellmasse ment of Orthopaedics and Rehabilitation, wären. In dieser Tatsache besteht der ohne Behinderung der Trägheitskräfte Yale University School of Medicine, C. T. entscheidende Unterschied und Wider- neutralisierte, dargestellt. Zum 2. kön- USA, für ihre Hilfe das Manuskript ins Deut- spruch zu einer der am meisten populä- nen von der Muskulatur zusätzliche in- sche zu übersetzen, danken. ren und verbreiteten Erklärung der Be- nere Kräfte entwickelt werden, die den schleunigungsverletzung durch Mac- Bewegungsumfang einschränken, wenn Literatur nab [13, 14]. das Unfallopfer vorgewarnt ist. Jedoch Die Grundannahme in unserem ist diese Tatsache relativ, da bei einem 1. Balla JI (1980) The last whiplash syndrome. Aust N Z J Surg 50: 610 ff Modell eines Beschleunigungstraumas unvorbereiteten Unfallopfer etwa 2. Braaf MM, Rosner S (1975) Trauma of the besteht, auf der Basis der Interpretation 200 ms Aktivierungszeit vergehen, bis cervical spine as a cause of chronic head- unserer Befunde darin, daû jedes Bewe- die Halsmuskulatur ausreichend stabili- ache. J Trauma 15: 441 ff gungssegment dann verletzt wird, wenn sierende Kräfte aufgebaut hat [9, 34]. In 3. Cholewicki J, Panjabi MM, Nibu K, Macias ME es in eine Bewegung, oder zu einem Be- diesem Zeitintervall hat sich jedoch (1997) Spinal ligament transducer based wegungsausmaû gezwungen wird, das schon die unfallbedingte Spitzenbean- on a Hall effect sensor (a technical note). jenseits des normalerweise, physiolo- spruchung der HWS ereignet, d. h. die J Biomechanics 30: 291±293 4. Cholewicki J, Panjabi MM, Nibu K, Grauer JN, gisch vorhandenen liegt. Ausbildung einer S-förmigen Krüm- Dvorak J (1998) Head kinematics during in Als physiologische Grenze sehen mung, so wie wir sie in unseren Experi- vitro whiplash simulation. Accident Anal wir diejenige Winkelbewegung an, die menten beobachten konnten. Von daher Prev 30: 469±479 sich reproduzierbar unter einem New- hat ein nicht vorbereitetes Unfallopfer 5. Compton C (1993) The use of public crash tonmeter reinem Biegemoment an der wenig Möglichkeiten, die Halsmuskula- data in biomechanics research. In: Nahum HWS einstellt. Diese Annahmen sind tur zur Prävention oder Schadensver- A, Melvin J (eds) Accident injury biomechanics nicht willkürlich, sie beruhen auf vor- minderung der HWS einzusetzen. Eine and prevention. Springer, New York, pp 49±66 rangigen Experimenten und durch die andere nicht unwichtige Grenze in un- 6. Crowe HE (1928) Injuries of the cervical spine. Paper presented at the meeting of the hier dargelegten Untersuchungen. In serem HWS-Präparat ist, daû der Western Orthopaedic Association, unserer Studie wurden 3 unabhängige 1. Brustwirbel starr an den Beschleuni- San Francisco, CA Unfallfolgeskalen verwendet die groûe gungsschlitten angekoppelt ist. Die Be- 7. Dvorak J, Valach L, Schmid ST (1989) Cervical interne Konsistenz zeigten: wegungsstudien mit Freiwilligen konn- spine injuries in Switzerland. J Manual Med ten Kranialwärtsbewegungen der unte- 16, 7±16 w Abnorme Extensionsausschläge der ren Halswirbel [12] und der Schultern 8. Dvorak J, Panjabi MM, Novotny JE, Antinnes JA Bewegungssegmente der unteren [17] nachweisen. Diese Einschränkung (1991) In vivo flexion/extension of the normal cervical spine. J Orthop Res HWS während des Stoûvorgangs auf- unseres Modells könnte dadurch abge- 9: 828±834 gezeichnet mit Hochgeschwindig- schwächt werden, daû man dem ersten 9. Geigl BC, Steffen H, Leinzinger P, Mühlbauer M, keitskinematographie [10]. Brustwirbel in dem Versuchsaufbau et- Bauer G (1994) The movement of the head w Vermehrter ROM und NZ ebenfalls in was mehr mechanische Freiheit zuge- and cervical spine during rear-end impact. den unteren Etagen. In den unteren stehen würde. Leider ist bis jetzt auch IRCOBL, Lyon, pp 127±137 Bewegungssegmenten der HWS unbekannt, in welchem Umfang dies ge- 10. Grauer JN, Panjabi MM, Cholewicki J, Nibu K, nachgewiesen durch den ¹flexibility schehen sollte. Wahrscheinlich ist es so, Dvorak J (1997) Whiplash produces a S- shaped curvature of the neck with hyper- testª [28]. daû die In-vivo-Bewegungen des extension at lower levels, Spine w Überdehnung der Kapselbänder 1. Brustwirbels nicht nur von biomecha- 22: 2489±2494 in den unteren Bewegungssegmen- nischen Wirbelsäulenwerten und der 11. Kampen LTB van (1993) Availability and ten [27]. Stoûbeschleunigung abhängen, son- proper adjustment of head restraints in dern mehr mit dem Sitz, insbesondere The Netherlands. In: International Confer- Zusätzlich werden diese mechanischen der Lehnensteifigkeit zu tun haben. ence on the Biomechanics of Impacts, IRCOBI, Befunde durch die bildgebenden Ver- Das Verständnis des Unfallmecha- Eindhoven 8.±10. Sept. 1993, pp 367±378 12. Kaneoka K, Ono K, Hayashi K (1997) Motion fahren, CT, MRI und Kryomikrotomie nismus des Beschleunigungstraumas, analysis of cervical vertebrae in low-im- in unserer Studie unterstützt und doku- das sich aus unserer Untersuchung er- pact, rear-end collisions. American Academy mentiert. gibt, wird, wie wir hoffen, die Auswer- Orthopaedic Surgeons (ed) Bd. Poster, 64th Die Grenzen unserer Untersuchung tung und Deutung derzeit laufender Annual Meeting, San Francisco 13.±17. Febr. liegen auf der Hand. Es ist eine In-vitro- und kommender biomechanischer und 13. Macnab I (1964) Acceleration injuries of the Untersuchung, die die Muskulatur, wel- klinischer Studien verbessern. Bei kon- cervical spine. J Bone Joint Surg che verschiedene Funktionen in vivo tinuierlichem Erkenntnisgewinn über 46: 1797±1799 hat, entfernt. Eine der wichtigsten das Phänomen des Beschleunigungs- 14. Macnab I (1966) Whiplash injuries of the neck. Manitoba Med Rev: 172±174 Funktionen ist zuerst die stabilisierende traumas wird die Unfallprävention, die klinische Diagnose und Behandlungs- verfahren auf Dauer effektiver werden.818 Der Orthopäde 12´98
  • 7. 15. Macnab I (1982) Acceleration extension in- 21. Ono K, Kanno M (1993) Influences of the 30. Penning L (1992 b) Acceleration injury of the juries of the cervical spine. In: Rothman RH, physical parameters on the risk to neck cervical spine by hypertranslation of the Simeone FA (eds) The spine. Saunders, injuries in low impact speed rear-end col- head. Part 2. Effect of hypertranslation of Philadelphia, pp 647±660 lisions. International Conference on the Bio- the head on the cervical spine motion:16. Matsushita T, Sato TB, Hirabayashi K, Fujimura mechanics of Impacts, IRCOBI, Eindhoven discussion of literature data. Eur Spine J S, Asazuma T, Takatori T (1994) X-Ray study to 8.±10. Sept. 1: 13±19 the human neck motion due to head iner- 22. Oxland TR, Panjabi MM (1992) The onset and 31. Rauschning W (1983) Computed tomogra- tia loading. In: Warrendale PA (ed) Proceed- progression of spinal injury. A demonstra- phy and cryomicrotomy of lumbar spine ings of the 38th Stapp Car Crash Conference. tion of neutral zone sensitivity. specimens: a new technique for multipla- Society of Automotive Engineers, Paper 942208 J Biomechanics 25: 1165±1172 nar anatomic correlation. Spine 8, 170±18017. McConnell WE, Howard RP, Guzman HM et al. 23. Panjabi MM, Brand RA, White AA (1976) 32. Spitzer WO, Skovron ML, Salmi LR, Cassidy JD, (1993) Analysis of human test subject re- Three-dimensional flexibility and stiffness Duranceau J, Suissa S, Zeiss E (1995) Scientific sponses to low velocity rear end impacts. properties of the human thoracic spine. monograph of the Quebec Task Force. In: Warrendale PA (ed) Proceedings of the 37th J Biomechanics 9: 185±192 Spine 20: 2S±73S Stapp Car Crash Conference. Society of 24. Panjabi MM, Abumi K, Duranceau J, Crisco JJ 33. Svensson MY, Haland Y, Larsson S (1993) Rear- Automotive Engineers, Paper 930889 (1988) Biomechanical evaluation of spinal end collisions ± a study of bachrest prop-18. Mertz HJ, Patrick LM (1971) Strength and re- fixation devices: II Stability provided by erties on head-neck motion using a new sponse of the human neck. In: Warrendale eight internal fixation devices. dummy neck. In: Warrendale PA (ed) Pro- PA (ed) Proceedings of the 15th Stapp Car Spine 13: 1135±1140 ceedings of the 37th Stapp Car Crash Confer- Crash Conference. Society of Automotive 25. Panjabi MM, Cholewicki J, Nibu K, Grauer JN, ence. Society of Automotive Engineers, Engineers, Paper 710855 Babat LB, Dvorak J (1998) Mechanics of whi- Paper 93034319. Nibu K, Cholewicki J, Panjabi MM et al. (1997) plash injury. Clin Biomech 13: 239±249 34. Tennyson SA, Mital NK, King AI (1977) Electro- Dynamic elongation of the vertebral ar- 26. Panjabi MM, Cholewicki J, Babat L, Nibu K, myographic signals of the spinal muscula- tery during an in vitro whiplash simula- Dvorak J (1998) Simulation of whiplash ture during +Gz impact acceleration. tion. Eur Spine J 6: 286±289 trauma using whole cervical spine speci- Orthop Clin North Am 8: 97±11920. Nygren A, Gustafsson H, Tingvall C (1985) Ef- mens. Spine 23: 17±24 fects of different types of headrests in 27. Panjabi MM, Cholewicki J, Nibu K et al. (1998 c) rear-end collisions. 10th Internat. Confer- Capsular ligament stretches during in vi- ence on Experimental Safety Vehicles, USA, tro whiplash simulations. J Spin Disorders NHTSA, 85±90 11: 227±232 28. Panjabi MM, Nibu K, Cholewicki J (im Druck) Whiplash injuries and potential for me- chanical instability. A Biomechanical in- vestigation. Eur Spine J 29. Penning L (1992 a) Acceleration injury of the cervical spine by hypertranslation of the head. Part 1. Effect of normal translation of the head on the cervical spine motion: a radiological study. Eur Spine J 1: 7±12 Der Orthopäde 12´98 819

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