Scientific Comparison  

Burgkart RH*, Glisson R**, Vail T**, Gradinger R* 

* Clinic of Orthopaedics and Sport-Orthopaedics, Technische Universität München, Ismaningerstr. 22, 81675 München , Germany 

** Division of Orthopaedic Surgery, Duke University Medical Center , Durham , NC , USA   

        Introduction: 

Fat embolic syndrome is a well known life threatening risk in total hip arthroplasty. One of the most  important pathogenetic factors for the bone marrow intravasation are any manipulations, which lead to increased intramedullar pressure. So fat embolic phenomena documented by transoesophageal echocardiography occur - beside stem insertion - also during the preparation of the proximal femur with awls and rasps (Hofmann 1999, Schmidt 2000). Therefore the reduction of intramedullar pressure for this preparation step is an essential aim to minimize the fat embolic risks. 

The objective of the present study was to evaluate the effect of a new developed hollow rasp system on the intramedullar femoral pressure in comparison to the conventional rasp system with the identical geometry. 

        Materials and Methods: 

  12 fresh frozen human femora ( 6 pairs) with a mean age of  55.8 years (23-69 yrs) were used for this study. The macroscopic and radiographic examination revealed no pathologic changes. Using an oscillating saw the proximal osteotomy was performed. For an identical starting position of the rasps a central 9 mm hole was drilled in the cancellous bone along the axis of the proximal femur with a depth of 40 mm. According to the x-rays the final rasp size and there distal tip position was determined. 1 cm and 11 cm  below this assessed distal tip position two 5 mm holes where drilled through the anterior cortex of the femora. Two pressure transducers were threaded through the predrilled holes to reach into the medullary canal proximally (P1) and distally (P2) (Fig.9). A special testing device was constructed to hold the femur and the rasp in a standardized position (Fig.10). 

With a precision gliding mechanism a modified mallet ( 1.2 kg, similar to mallet weights used in surgery ) hit the rasp always from an equidistant altitude in respect to the actual rasp position (acceleration distance 1.05 m ) to guarantee identical impact forces (Fig.11).
Before testing low viscosity mineral oil , similar to the properties of the fatty liquid phase of the bone marrow (e.g. released after drilling the cortical holes), was filled in the femoral cavity since all air was removed. After calibration of the pressure transducers the insertion of the smallest rasp started and the data were continuos digital documented in 0.2 s intervals. Before the insertion of the next rasp size always a recalibration was performed. 

For statistical analysis of the paired data the Wilcoxon Signed Rank Test was applied. 

       Results: 

From each rasping procedure of a single rasp size the maximum intramedullar pressure was determined. 

In the six femora prepared with the standard rasps the maximum pressure values ranged for the proximal location (P1) from 11.3 to 1035.3 mmHg with a mean of 208.6 mmHg (SD + 256.6). At the distal measurement point (P2) the values were significantly smaller (p<0.005) compared to proximally with a range from 4.5 to 527.4 mmHg and a mean of 111.0 mmHg (SD + 111.0). 

In  the six opposite femora prepared with a new developed hollow rasp system the maximum intramedullar pressures for P1 ranged from 3.0 to 152.3 mmHg with a mean of 40.5 mmHg (SD + 33.8). For the hollow rasps no statistical difference was found for the proximal values compared to the distal ones, for which a range of  4.5 to 45.0 mmHg with a mean of 29.3 mmHg (SD + 13.5) was found. 

  Table 1: Comparison of intramedullar pressures caused by the standard solid rasps vs. the new developed hollow rasp system of identical geometry. The intramedullar pressures caused by the standard rasps are significantly higher vs. the hollow rasp system. 

p <  0.0001;  ** p < 0.005;  n. s. = not significant

The comparison of the pressure data between the standard rasp vs. the hollow rasp group demonstrated a high statistical difference. So proximally as well as distally the intramedullar pressures in the femora prepared by the standard solid rasps were significantly higher than in the hollow rasp group (p<0.0001 proximal and distal) (Tab. 1, Fig.12).  

     Discussion: 

We constructed a special testing device to hold the femur and the rasp in a standardized position and with a precision gliding mechanism a modified mallet hit the rasp always from an equidistant altitude in respect to the actual rasp position to guarantee identical impact forces. With high sensitive transducers the intramedullar pressure was measured 1 and 11 cm below the final position of the distal tip of the rasp. Under these standardized conditions 12 paired femora were analyzed.

The data of this study demonstrate that the used standard solid rasps caused around the distal tip of the rasp mean intramedullar pressures of 209 mmHg with a maximum of 1035 mmHg. These values are obvious above the physiological systolic pressure of a human being. And even the distal measurements with a mean of 111 mmHg are higher than the normal diastolic blood pressure. This data suggest a high potential risk for bone marrow intravasation and consecutive embolic phenomena.

In contrast the new developed hollow rasp system of identical geometry caused proximally as well as distally highly significant lower intramedullar pressures than the standard solid rasps. The mean values in both measured locations are smaller than 45 mmHg with only a single value above 90 mmHg. The macroscopic evaluation of the rasps, removed after the rasping procedure, already indicate one of the most important factors for the pressure differences. Whereas the ”teeth” of the solid rasps were almost completely filled with compacted bony debris (Fig.13+14) the hollow rasps always had remaining open areas to the hollow center of the tool (Fig.15).  

Therefore – especially in the smallest rasp size – a lot of bone marrow debris was found in the ”core” of the hollow rasps (Fig.16, at the left the smallest rasp, Fig.17).

The present study proves the significant effect of different rasp designs on the intramedullar femoral pressure. On the other hand in vivo studies demonstrated that the rise of the intramedullar pressure in the femur is the most important pathogenetic factor of pulmonary embolism during total hip arthroplasty (Pitto 1998). 

Therefore a rasp design as the new developed hollow rasp system with a significant reduction of intramedullar pressure is of very high clinical relevance. 

So in addition to other important rules as careful preparation techniques (Hofmann 1999, Wenda 1993) the tested hollow rasp design can get a simple, but important tool to minimize the risk of bone marrow intravasation and to subsequently prevent fat embolism with cardiorespiratory deterioration. 

References:   

Hofmann S et al (1999) Clin Orthop 360:136-46 

Pitto RP et al (1998) Clin Orthop 355:23-34 

Schmidt J et al (2000) Arch Orthop Trauma Surg 120:100-2 

Wenda K et al (1993) Arch Orthop Trauma Surg 112:260-65

Vergleich Tests 

Burgkart RH *, Glisson R **, Vail T **, Gradinger R* 

  * Klinik der Orthopädie und Sport-Orthopädie, Technische Universität München, Ismaningerstr. 22, 81675 München, Deutschland 

** Abteilung der Orthopädischen Chirurgie, Herzog Universität Medizinisch Zentrum, Durham, NC, DIE USA  

             Einführung: 

  Fett embolic Syndrom ist eine weithin bekannte lebensbedrohliche Gefahr in der Gesamthüfte arthroplasty. Einer der wichtigsten pathogenetic Faktoren für das Knochenmark intravasation ist irgendwelche Manipulationen, die zu vergrößertem intramedullar Druck führen. So Fett embolic Phänomene dokumentiert durch transoesophageal kommen echocardiography - neben der Stamm-Einfügung - auch während der Vorbereitung des proximalen Oberschenkelknochens mit Ahlen und Raspeln (Hofmann 1999, Schmidt 2000) vor. Deshalb ist die Verminderung des intramedullar Drucks für diesen Vorbereitungsschritt ein wesentliches Ziel, das Fett embolic Gefahren zu minimieren. 

Das Ziel der gegenwärtigen Studie war, die Wirkung eines neuen entwickelten hohlen Raspel-Systems auf dem intramedullar Oberschenkeldruck im Vergleich mit dem herkömmlichen Raspel-System mit der identischen Geometrie zu bewerten. 

             Materialien und Methoden:   

12 frische eingefrorene menschliche femora (6 Paare) mit einem Mittelalter von 55.8 Jahren (23-69 yrs) wurden für diese Studie verwendet. Die makroskopische und radiographic Überprüfung offenbarte keine pathologischen Änderungen. Das Verwenden eines Oszillierens sah, dass der proximale osteotomy durchgeführt wurde. Für eine identische Startposition der Raspeln wurde ein Haupt-9-Mm-Loch im cancellous Knochen entlang der Achse des proximalen Oberschenkelknochens mit einer Tiefe von 40 Mm gebohrt. Gemäß den Röntgenstrahlen wurde die Endraspel-Größe und dort distal Tipp-Position bestimmt. 1 Cm und um 11 Cm darunter bewertete Distal-Tipp-Position zwei 5-Mm-Löcher, wo gebohrt, durch den vorderen Kortex des femora. Zwei Druck-Wandler wurden durch die vorgebohrten Löcher eingefädelt, um in den medullary Kanal proximal (P1) und distally (P2) (Feige 9) zu reichen. Ein spezielles Probegerät wurde gebaut, um den Oberschenkelknochen und die Raspel in einer standardisierten Position (Feige 10) zu halten.   

Mit einer Präzision, die Mechanismus gleitet, schlug ein modifizierter Holzhammer (1.2 Kg, ähnlich in der Chirurgie verwendeten Holzhammer-Gewichten) die Raspel immer von einer gleich weit entfernten Höhe hinsichtlich der wirklichen Raspel-Position (Beschleunigungsentfernung 1.05 m), um zu versichern, dass identischer Einfluss (Feige 11) zwingt. 

Vor der Prüfung niedrigen Viskositätsmineralöls, ähnlich den Eigenschaften der flüssigen Fettphase des Knochenmarks (z.B veröffentlicht nach dem Bohren der Cortical-Löcher), wurde die Oberschenkelhöhle ausgefüllt, seitdem die ganze Luft entfernt wurde. Nach der Kalibrierung der Druck-Wandler fing die Einfügung der kleinsten Raspel an, und die Daten waren Continuo digital dokumentiert in 0.2 s Zwischenräumen. Vor der Einfügung der folgenden Raspel-Größe immer wurde eine Wiederkalibrierung durchgeführt. 

Für die statistische Analyse der paarweise angeordneten Daten der Wilcoxon wurde Unterzeichneter Reihe-Test angewandt. 

             Ergebnisse:   

Von jedem raspelnden Verfahren einer einzelnen Raspel-Größe wurde das Maximum intramedullar Druck bestimmt. 

In den sechs mit dem Standard bereiten femora raspelt die maximalen Druck-Werte angeordnet für die proximale Position (P1) von 11.3 bis 1035.3 mmHg mit einem bösartigen von 208.6 mmHg (SD + 256.6). Am distal Maß-Punkt (P2) waren die Werte (p <0.005) im Vergleich zu proximal mit einer Reihe von 4.5 bis 527.4 mmHg und einen bösartigen von 111.0 mmHg (SD + 111.0) bedeutsam kleiner. 

Im sechs Gegenteil femora bereit mit einem neuen entwickelten hohlen Raspel-System erstreckte sich das Maximum intramedullar Druck für P1 von 3.0 bis 152.3 mmHg mit einem bösartigen von 40.5 mmHg (SD + 33.8). Weil die Höhle raspelt, wurde kein statistischer Unterschied für die proximalen Werte im Vergleich zu den distal gefunden, für die eine Reihe 4.5 zu 45.0 mmHg mit einem bösartigen von 29.3 mmHg (SD + 13.5) gefunden wurde.

Tisch 1: Vergleich des intramedullar Drucks verursacht durch die festen Standardraspeln gegen das neue entwickelte hohle Raspel-System der identischen Geometrie. Der intramedullar durch die Standardraspeln verursachte Druck ist gegen das hohle Raspel-System bedeutsam höher. 

p <0.0001; ** p <0.005; n. s. = nicht bedeutend 

Tisch 1 

Der Vergleich der Druck-Daten zwischen der Standardraspel gegen die hohle Raspel-Gruppe demonstrierte einen hoch statistischen Unterschied. So proximal sowie waren distally der intramedullar Druck im femora vorbereitet durch die festen Standardraspeln bedeutsam höher als in der hohlen Raspel-Gruppe (p <0.0001 proximal und distal) (Etikett. 1, Feige 12). 

         Diskussion: 

Wir bauten ein spezielles Probegerät, um den Oberschenkelknochen und die Raspel in einer standardisierten Position und mit einer Präzision zu halten, die Mechanismus gleitet, ein modifizierter Holzhammer schlug die Raspel immer von einer gleich weit entfernten Höhe hinsichtlich der wirklichen Raspel-Position, identische Einfluss-Kräfte zu versichern. Mit hoch empfindlichen Wandlern wurde der intramedullar Druck 1 und 11 Cm unter der Endposition des Distal-Tipps der Raspel gemessen. Unter diesen standardisierten Bedingungen 12 paarte sich femora wurden analysiert. 

Die Daten dieser Studie demonstrieren, dass die verwendeten festen um den Distal-Tipp der Raspel verursachten Standardraspeln intramedullar Druck von 209 mmHg mit einem Maximum von 1035 mmHg bedeuten. Diese Werte sind über dem physiologischen systolic Druck eines Menschen offensichtlich. Und sogar die distal Maße mit einem bösartigen von 111 mmHg sind höher als der normale diastolic Blutdruck. Das Daten schlägt eine hoch potenzielle Gefahr für das Knochenmark intravasation und die embolic Konsekutivphänomene vor.  

Im Gegensatz das neue entwickelte hohle Raspel-System der identischen Geometrie verursacht proximal sowie distally hoch bedeutend tiefer intramedullar Druck als die festen Standardraspeln. Die Mittelwerte in beiden gemessenen Positionen sind kleiner als 45 mmHg mit nur einem einzelnen Wert über 90 mmHg. Die makroskopische Einschätzung der Raspeln, entfernt nach dem raspelnden Verfahren, zeigt bereits einen der wichtigsten Faktoren für die Druck-Unterschiede an. Wohingegen die "Zähne" der festen Raspeln fast mit dem zusammengepressten knochigen Schutt (Feige 13+14) völlig gefüllt wurden, hatten die hohlen Raspeln immer restliche offene Gebiete zum hohlen Zentrum des Werkzeugs (Feige 15). 

  Deshalb - besonders in der kleinsten Raspel-Größe - wurde viel Knochenmark-Schutt im "Kern" der hohlen Raspeln (Feige 16, am linken die kleinste Raspel, Feige 17) gefunden. 

Die gegenwärtige Studie beweist die bedeutende Wirkung von verschiedenen Raspel-Designs auf dem intramedullar Oberschenkeldruck. Andererseits in demonstrierten Vivo-Studien, dass der Anstieg des intramedullar Drucks im Oberschenkelknochen der wichtigste pathogenetic Faktor der Lungenembolie während der Gesamthüfte arthroplasty (Pitto 1998) ist. 

Deshalb ist ein Raspel-Design als das neue entwickelte hohle Raspel-System mit der bedeutenden Verminderung des intramedullar Drucks von der sehr hoch klinischen Relevanz. 

So zusätzlich zu anderen wichtigen Regeln als sorgfältige Vorbereitungstechniken (Hofmann 1999 Wenda 1993) kann das geprüfte hohle Raspel-Design ein einfaches aber wichtiges Werkzeug bekommen, um die Gefahr des Knochenmarks intravasation zu minimieren und nachher fette Embolie mit dem cardiorespiratory Verfall zu verhindern. 

Verweisungen: 

Hofmann S und Al (1999) Clin Orthop 360:136-46 

Pitto RP und Al (1998) Clin Orthop 355:23-34 

Schmidt J und Al (2000) Trauma von Arch Orthop Surg 120:100-2 

Wenda K und Al (1993) Trauma von Arch Orthop Surg 112:260-65