Aus der Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und ... · 1 1. Einleitung und Grundlagen. 1.1....
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Aus der Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie der Universität Würzburg Direktor: Professor Dr. med. Dr. med. dent. Kübler Vergleich der Weichgewebsschädigung durch Piezosurgery ® und rotierende Instrumente am Beispiel des Nervus alveolaris inferior des Schweines - Eine in vitro Studie - Inaugural - Dissertation zur Erlangung der Doktorwürde der Medizinischen Fakultät der Julius-Maximilians-Universität Würzburg vorgelegt von Sachin Chhatwani aus Schwerte Würzburg, September 2009
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Aus der Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie
der Universität Würzburg
Direktor: Professor Dr. med. Dr. med. dent. Kübler
Vergleich der Weichgewebsschädigung durch Piezosurgery® und rotierende Instrumente am Beispiel des Nervus alveolaris inferior des
Schweines
- Eine in vitro Studie -
Inaugural - Dissertation
zur Erlangung der Doktorwürde der
Medizinischen Fakultät
der
Julius-Maximilians-Universität Würzburg
vorgelegt von
Sachin Chhatwani
aus Schwerte
1
Würzburg, September 2009
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Referent: Priv.-Doz. Dr. med. Dr. med. dent. K. Würzler
Korreferent: Prof. Dr. med. dent. A. Renk
Dekan: Prof. Dr. med. M. Frosch
Tag der mündlichen Prüfung: 21.07.2010
Der Promovend ist Zahnarzt
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meiner Familie gewidmet
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Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung und Grundlagen ...................................................................................... 1
1.1. Einführung ........................................................................................................... 1
1.2. Knochengewebe .................................................................................................. 2
1.3. Nervengewebe ..................................................................................................... 4 1.3.1. Aufbau peripherer Nerven ............................................................................ 4
1.4. Nervläsionen ........................................................................................................ 8 1.4.1. Einteilung traumatischer Nervenläsionen ..................................................... 8 1.4.2. Histopathologische Veränderungen bei Läsionen peripherer Nerven .......... 9
1.5. Biomechanik peripherer Nerven ........................................................................ 11 1.5.1. Zugwirkung am peripheren Nerven............................................................. 11 1.5.2. Druckwirkung am peripheren Nerven ......................................................... 11
1.6. Ultraschall .......................................................................................................... 12 1.6.1. Entstehung und Ausbreitung von Ultraschallwellen .................................... 13 1.6.2. Aufbau von Ultraschallosteotomieinstrumenten .......................................... 15 1.6.3. Wirkmechanismus der Ultraschallosteotomie ............................................. 15
1.7. Ziel der Arbeit .................................................................................................... 16
2. Material und Methoden ........................................................................................... 17 2.1. Material .............................................................................................................. 17
2.1.1. Schweinekiefer ........................................................................................... 17 2.1.2. Instrumentarium .......................................................................................... 18
2.2. Methoden ........................................................................................................... 21 2.2.1. Erarbeitung der Präparationstechnik .......................................................... 21 2.2.2. Chirurgisches Verfahren ............................................................................. 22 2.2.3. Histologisches Verfahren ............................................................................ 28 2.2.4. Statistische Methoden................................................................................. 29
3. Ergebnisse .............................................................................................................. 30 3.1. Histologisches Ergebnis .................................................................................... 30
3.1.1. Gruppe 1 (Präparation mit Piezosurgery) ................................................... 30 3.1.2. Gruppe 2 (Präparation mit Kugelfräse) ....................................................... 34 3.1.3. Vergleich der beiden Gruppen .................................................................... 40
3.2. Statistisches Ergebnis ....................................................................................... 40 3.2.1. Grad der Nervläsionen ................................................................................ 40 3.2.2. Dauer der Osteotomien und Messung der Schneideeffektivität .................. 41
4. Diskussion ............................................................................................................... 43 4.1. Zeitdauer und Schneideeffektivität .................................................................... 43
4.2. Weichgewebsschädigung .................................................................................. 45
5. Zusammenfassung ................................................................................................. 49
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6. Literaturverzeichnis ................................................................................................ 50
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1. Einleitung und Grundlagen
1.1. Einführung
Im Mund-, Kiefer-, Gesichtsbereich werden zur Durchführung von Osteotomien
unterschiedliche Instrumente benutzt, welche sich hinsichtlich der Handhabung,
Schneideeffektivität und Auswirkung auf das Gewebe unterscheiden.
Sägen, Knochenmeißel und rotierende Werkzeuge, wie Bohrer und Fräsen, gehören
zu den klassischen Osteotomieinstrumenten (Fritzsch et al. 1992). Die Werkzeuge
wurden größtenteils aus der Metall- und Holzverarbeitung übernommen und oftmals
nicht an den Werkstoff Knochen angepasst (Fuchsberger 1988). Daher wurden in
den vergangenen Jahren alternative Verfahren zur Bearbeitung mineralisierten
Gewebes entwickelt. Im Jahre 1979 wurden schon CO2-Laser getestet, um Knochen
abzutragen. Trifft der Laserstrahl auf die Knochenoberfläche, absorbiert diese die
Energie und verdampft (Giraud et al. 1991). In den achtziger Jahren hielt zum ersten
Mal die aus industriellen Bereichen hervorgegangene Wasserstrahltechnik Einzug in
die Medizin. Ein mit abrasiven Feststoffpartikeln versetzter Wasserstrahl wird unter
hohem Druck auf den Knochen gerichtet und durchtrennt diesen sehr präzise.
Eine wesentliche Bereicherung zur Durchführung von Osteotomien war die
Entwicklung der oszillierenden Säge, da die Wasserstrahltechnik und der CO2-Laser
schwer kontrollierbar sind sobald sie tiefer in das Gewebe eindringen. Der CO2-Laser
hat zudem hohe thermische Beanspruchungen an das Gewebe (Giraud et al. 1991;
Honl et al. 2000).
Vergleichsweise neu ist die Anwendung ultraschallbetriebener Trenninstrumente bei
Osteotomien des Gesichtsschädels. Charakteristisch für diese Instrumente ist die
Applikation von hochfrequenten, elastomechanischen Schwingungen auf den
Knochen (Döring et al. 1988).
Abgesehen von Autoklavierbarkeit, technischer Sicherheit sowie einfacher Vor- und
Nachbereitung sollten Osteotomieinstrumente folgende Anforderungen erfüllen
(Fritzsch et al. 1992):
- sichere Handhabung bei jeglichen anatomischen Situationen
- gute Übersichtlichkeit des Operationsgebietes durch kleine Abmessungen
- geringe mechanische Traumatisierung des Gewebes
- Vermeidung von Weichteilverletzungen
- Hohe Effizienz
1.2. Knochengewebe
Knochengewebe besteht aus verschiedenen Zelltypen und mineralisierter
Extrazellulärmatrix, welche größten Teils aus Kollagenfibrillen und
Hydroxylapatitkristallen besteht. Die Hauptkomponenten des Hydroxylapatits sind
Calcium-, Phosphat- und Hydroxylionen und machen 45% des Feuchtgewichts von
Knochengewebe aus. Knochen ist aufgrund seiner besonderen Extrazellulärmatrix
biegefest. Histologisch lässt sich zeigen, dass im reifen Knochengewebe die
Kollagenfibrillen in Lamellen angeordnet - im unreifen Knochengewebe hingegen
geflechtartig verwoben sind. Man unterscheidet somit Lamellenknochen und
Geflechtknochen (Lüllmann-Rauch 2003).
Die verschiedenen Zelltypen werden in Osteoprogenitorzellen, Osteoblasten,
Osteozyten und Osteoklasten unterteilt.
Die Osteoprogenitorzellen differenzieren sich aus dem Mesenchym und entwickeln
sich über Präosteoblasten zu Osteoblasten weiter. Sie finden sich auch noch bei
Erwachsenen im Endost sowie Periost. Bei Frakturen können sie aktiviert werden
und teilen sich.
Die Osteoblasten sind die knochenmatrixbildenden Zellen wachsender und
ausgereifter Knochen. Neben der Sekretion von Kollagen, Proteoglykanen und
anderen Proteinen produzieren sie auch Wachstumsfaktoren. Sie haben zusätzlich
Rezeptoren für eine Reihe von Hormonen, Zytokinen und Vitaminen. Die initial von
den Osteoblasten abgeschiedene Matrix wird Osteoid genannt und ist noch nicht
mineralisiert.
Die Osteozyten sind in Lakunen der Matrix eingemauerte Osteoblasten. Somit
differenzieren sich die Osteozyten aus den Osteoblasten.
Im lebenslangen Umbauprozess und Neuaufbau des Knochengewebes übernehmen
die Osteoklasten die Aufgabe der Resorption der verkalkten Matrix (Sobotta et al.
2003).
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Der reife Lamellenknochen besteht aus 3-7 µm breiten, abgegrenzten
Knochenschichten (Lamellen), aus parallel verlaufenden Kollagenfasern und den
Osteozyten, deren Fortsätze den Knochen durch 1 µm breite Kanäle durchziehen.
Über diese Fortsätze stehen die Osteozyten miteinander in Verbindung und
gewährleisten so den interzellulären Stoffaustausch (Sobotta et al. 2003; Schiebler,
Arnold 2003).
In der Kompakta kommen die Lamellen als Spezial-, Schalt- oder Generallamellen
vor. Ein System aus drei bis zwanzig Speziallamellen, welche konzentrisch um einen
Zentralkanal (Havers´schen Kanal) mit Blutgefäßen und Nerven angeordnet sind,
wird als Osteon bezeichnet. Die Osteone verlaufen in der Längsrichtung parallel zur
Knochenoberfläche.
Zwischen den Osteonen befinden sich Reste ehemaliger, teilweise abgebauter
Osteone, die sogenannten Schaltlamellen.
Generallamellen umfassen den Knochen an der inneren und äußeren
Knochenoberfläche als Ganzes.
Innen ist der Knochen von einer Schicht abgeflachter Retikulumzellen ausgekleidet,
dem Endost. Die äußere Begrenzung bildet das Periost, welches aus Fibroblasten
und Kollagenfasern besteht. Vom Periost aus wird der Knochen über kleine Gefäße,
welche in die Havers´schen Kanäle münden, ernährt.
Bei der Knochenneubildung entsteht zunächst Geflechtknochen. Er wird bei der
adaptiven Remodellation in Lamellenknochen umgewandelt. Im Gewebe zeigen sich
Kollagenfaserbündel mit unregelmäßigem Verlauf, die Lamellen fehlen. Insgesamt ist
der Geflechtknochen mechanisch instabiler (Junqueira et al. 2005).
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Abb. 1: Darstellung eines Lamellenknochens (Welsch, Elsevier Verlag)
1.3. Nervengewebe
1.3.1. Aufbau peripherer Nerven
Jede Nervenzelle stellt eine in sich geschlossene genetische, morphologische,
funktionelle und trophische Einheit dar, welche sich aus folgenden Bestandteilen
zusammensetzt.
Das Neuron, welches sich aus Dendriten, Perikaryon und Axon zusammensetzt, ist
das erregungsbildende Bauelement aller Teile des Nervensystems. Dabei wird das
Neuron durch das Perikaryon mit Stoffwechselprodukten versorgt. Die Dendriten sind
baumartig verzweigte Fortsätze und empfangen über Synapsen
erregungsauslösende Reize.
Eine Nervenfaser ist ein Komplex aus Axon und Axonscheide. Im peripheren Nerven
sind die Axone schlauchartige Fortsätze von Nervenzellen, deren Perikaryon im
Rückenmark, in den Spinalganglien oder sympathischen Ganglien liegen.
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Das Axon gelangt ohne Kontinuitätsunterbrechung von seinem Perikaryon bis zu
dem Endorgan, wobei es sich in seinen distalen Abschnitten in Kollaterale
aufzweigen kann. Die aufgenommen Erregungen werden entweder dem
Erfolgsgewebe oder einem weiteren Neuron zugeleitet.
Axone können wenige Millimeter oder auch bis zu einem Meter lang sein.
Die Nervenfaserbündel im peripheren Nerven werden durch drei
Bindegewebsschichten zusammengehalten.
Das Epineurium ist keine geschlossene Hülle, sondern ein lockeres, fettreiches,
durch quer- und längsorientierte Kollagenfasern verstärktes Bindegewebe. An
wenigen Stellen sind die Nervenstämme durch umliegendes Bindegewebe fixiert.
Größere Nervenstämme sind häufig mit Arterien und Venen, über eine gemeinsame
Bindegewebsscheide, zu so genannten Gefäß-Nervenbündeln vereint und dadurch
als Ganzes gegen ihre Umgebung verschieblich und abgrenzbar. Es wird zwischen
einem äußeren Epineurium, welches den ganzen Nervenstrang umhüllt, und einem
inneren oder epifaszikulären Epineurium, welches Räume zwischen den
Faserbündeln ausfüllt, unterschieden.
Die einzelnen Nervenfaszikel sind vom Perineurium umscheidet. Es handelt sich um
ein mehrschichtiges, zirkulär orientiertes Gewebe abgeflachter Zellen. Das
Perineurium ist verstärkt durch elastische Fasern und Kollagenbündel, die längs und
zirkulär orientiert zwischen den Perineuralzellschichten liegen. Somit stellt das
Perineurium, aus mechanischer Sicht betrachtet, die eigentliche Hülle des Nerven
dar. Es besitzt zusätzlich die Eigenschaft einer Diffusionsbarriere zwischen dem
Inneren und Äußeren des Faszikels.
Die einzelnen Nervenfasern selbst werden von zartem Bindegewebe, dem
Endoneurium umgeben. Dieses Bindegewebe führt Kollagenfasern, Blutkapillaren
und Lymphgefäße mit sich. Aufgrund klarer morphologischer und physiologischer
Kriterien unterscheidet man zwischen Nervenfasern mit myelinisierten Axonen
(markhaltige Fasern) und Nervenfasern mit unmyelinisierten Axonen (marklose
Fasern) (Mumenthaler, Mattle 2002).
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Abb. 2: Darstellung eines peripheren Nervs im Querschnitt (Welsch, Elsevier Verlag)
Markhaltige Nervenfasern
Markhaltige Fasern befinden sich in allen peripheren, sensiblen Nerven.
Bei Betrachtung einer markhaltigen Faser im Querschnitt, lassen sich drei
Strukturelemente unterscheiden:
1. Axon
2. Markscheide
3. Schwannschen Zelle
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Die Markscheiden sind Produkte der Schwannschen Zellen um den zentralen
Achsenzylinder während eines Prozesses, der als Myelinisierung bezeichnet wird
(Bischoff 1973). Bei der spiraligen Aufwicklung des vollkommen in das Schwann-Zell-
Zytoplasma eingehüllten Axons entsteht ein inneres und äußeres Mesaxon. Die
Dicke der markhaltigen Axone liegt bei 3 – 20 µm.
Die zunächst locker um das Axon gewickelte Plasmamembran der Schwannschen
Zelle verklebt bereits in den frühen Stadien der Myelinisierung unter Auspressung
des darin befindlichen Zytoplasmas und es kommt zur Myelinbildung mit der
typischen kompakten und konzentrischen Lamellenbildung. Die zwischen den
kompakten Markscheidenlamellen verbleibenden Zytoplasmainseln werden als
Schmidt-Lantermannsche Inzisuren bezeichnet.
Im Längsschnitt lässt sich erkennen, dass die Markscheide keine kontinuierliche
Struktur darstellt, sondern in Segmente von 0,25-1,5mm Länge unterteilt ist. Diese
Segmente werden jeweils von einer Schwannschen Zelle gebildet. Zwischen zweien
solcher Markscheidensegmente befindet sich der Ranviersche Schnürring. In diesem
Bereich ist das Neurilemma, die wie ein Schlauch die gesamte Nervenfaser
umschließende Basalmembran der Schwannschen Zelle, die einzige strukturelle
Barriere zum endoneuralen Interstitium (Robertson 1957).
Aufgrund der isolierend wirkenden Markscheide vermindert sich die elektrische
Kapazität der Axonmembran bei gleichzeitiger Erhöhung des Widerstandes. Somit
kann das Aktionspotential von Schnürring zu Schnürring fortgeleitet werden und die
zwischengelagerten Internodien überspringen. Diese schnellere Form der
Erregungsleitung wird auch als saltatorische Erregungsleitung bezeichnet
(Mumenthaler, Mattle 2002; Mumenthaler, Goerke 1998).
Abb. 3: Schematische Darstellung eines Neurons (Lüllmann-Rauch, Thieme Verlag)
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1.4. Nervläsionen
1.4.1. Einteilung traumatischer Nervenläsionen
1.4.1.1. Einteilung nach Seddon
Das bekannteste Einteilungsschema der traumatischen Nervenläsionen ist jenes von
Seddon, der 1942 eine Einteilung nach drei Schweregraden vornimmt:
1. Neurapraxie
2. Axonotmesis
3. Neurotmesis
Neurapraxie
Läsion, die zu einer vorübergehenden Blockade der Nervenleitung führt, ohne dass
es zu einer Durchtrennung der Axone kommt. Sofern bei dieser Läsion überhaupt ein
morphologisch nachweisbarer Schaden entsteht, handelt es sich um eine paranodale
oder segmentale Demyelinisierung. Auch vorübergehende traumatisch bedingte
Störungen der Schrankenfunktionen mit Veränderungen des endoneuralen Milieus
und eine daraus resultierende Beeinträchtigung der Leitungsfunktion sind denkbar
(Brown, Brenner 1944).
Eine typische Läsion dieser Art ist die Schlafdruckparese. Dabei kommt es im tiefen
Schlaf (begünstigt durch Alkohol oder Schlafmittel) zu anhaltendem Druck auf den
Oberarm wodurch eine Radialislähmung resultieren kann. Meist bildet sich der
Leitungsblock innerhalb weniger Tage zurück (Berlit 1999).
Axonotmesis
Läsion, die zu einer Kontinuitätsunterbrechung der Axone bei erhaltenen
Nervenhüllen führt. Unausbleibliche Folge ist hier die Degeneration der distalen
Nervenfaserabschnitte (Wallersche Degeneration). Bei erhaltenen Hüllstrukturen
kann die Regeneration allerdings unter optimalen Bedingungen erfolgen. Eine
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Reinnvervation des Erfolgsorganes ist ohne operatives Eingreifen möglich (Weiss,
Taylor AC 1944).
Neurotmesis
Läsion, mit kompletter Durchtrennung der Nervenfaser mitsamt den Nervenhüllen.
Derartige Läsionen entstehen typischerweise bei Schnittverletzungen. Die Folge ist
ein vollständiger Funktionsverlust im versorgten Gebiet.
Wegen der durch die längselastischen Eigenschaften der Nervenhüllen nun
auftretenden Dehiszenzen ist eine operative Behandlung mittels Nervennaht
wünschenswert. Bei kurzen Dehiszenzen ist eine spontane Regeneration möglich,
diese führt in der Regel allerdings zu einer Defektheilung.
Bei größeren Dehiszenzen, welche eine spannungsfreie Nervennaht nicht erlauben,
muss zur Überbrückung ein autologes Nerveninterponat eingesetzt werden.
Aus technischen Gründen ist eine optimale Apposition der Nervenstümpfe, bei
angestrebter Nervennaht, leider nur unvollkommen möglich, so dass nach
Neurotmesis nicht mit einer völligen Wiederherstellung der Funktion nicht gerechnet
werden darf (Mumenthaler, Goerke 1998; Mumenthaler, Mattle 2002; Poeck et al.
2001).
1.4.1.2. Kombinierte Läsionstypen
Die in den genannten Einteilungsschemata aufgeführten Läsionstypen treffen den
Befund bei tatsächlichen Nervenläsionen jedoch nur annähernd. In vielen Fällen hat
man es mit kombinierten Läsionstypen zu tun, wobei die Entscheidung über das
therapeutische Vorgehen vom überwiegenden Befund bestimmt wird.
1.4.2. Histopathologische Veränderungen bei Läsionen peripherer Nerven
Periphere Nerven sind mechanischen Einwirkungen gegenüber verhältnismäßig
widerstandsfähig. Diese Eigenschaft beruht auf dem differenzierten Aufbau der
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Hüllgewebe, in welche die empfindlichen Nervenfasern eingebettet sind. Bei den
engen topographischen Beziehungen der Nerven zum Bewegungsapparat und zur
Körperoberfläche wäre schon unter alltäglichen Belastungen eine ungestörte
Funktion der Fasern ohne diesen Schutz nicht denkbar.
Sollte jedoch die Intensität der einwirkenden mechanischen Faktoren die
Widerstandsfähigkeit dieser Hüllen überschreiten, kommt es mit oder ohne
Schädigung der Hüllgewebe auch zu Veränderungen der Nervenfasern selbst und
damit zu Funktionsausfällen.
Im Folgenden sollen die Grundmuster histopathologischer Veränderungen nach
Läsionen peripherer Nerven geschildert werden (Poeck et al. 2001; Mumenthaler,
Mattle 2002; Mumenthaler, Goerke 1998)
1.4.2.1. Traumatische Einwirkungen
Traumatische Einwirkungen können den Nervenstamm bzw. die Nervenfaser
mittelbar oder unmittelbar treffen, dabei sind die Energie, Art und Dauer der
Einwirkung von entscheidender Bedeutung. Als Prototyp einer unmittelbaren
traumatischen Läsion kann die akute Kontinuitätsunterbrechung bei glatter
Durchschneidung des Nerven gelten.
Die Störung der Durchblutung oder Veränderungen der Schrankenfunktion (Blut-
Nerven-Schranke, perineurale Diffusionsbarriere) als mittelbare Schädigung der
Nervenfasern haben bei stumpfen Traumen wahrscheinlich größeren schädigenden
Einfluss als mechanische Faktoren wie Druck oder Zug.
Die Reaktionen der Nervenfasern auf diese Noxen sind unspezifisch. Bei erhaltener
Kontinuität der Fasern wird der segmentale Markscheidenzerfall im Bereich der
Läsion mit oder ohne primärer axonaler Veränderung beobachtet. Kommt es zu einer
Durchtrennung des Axons, resultiert eine Degeneration der Nervenfaser distal der
Läsionsstelle (Mumenthaler, Goerke 1998; Mumenthaler, Mattle 2002; Poeck et al.
2001)
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1.5. Biomechanik peripherer Nerven
1.5.1. Zugwirkung am peripheren Nerven
Wirkt Spannung auf einen peripheren Nerven ein, folgt eine Streckung des
normalerweise leicht geschlängelt verlaufenden Nervenstammes und seiner
Faszikel. Die zunehmende Zugkraft wird durch eine Streckung des Perineuriums und
wahrscheinlich auch des endoneuralen Kollagens aufgefangen. Die Nervenfasern,
welche in der Regel auch geschlängelt verlaufen, werden zunehmend gradliniger.
Durch die Spannungszunahme und der Verlängerung des Nerven, wird die
endoneurale Querschnittsfläche vermindert. Dies führt zu einer Druckdeformation
des endoneuralen Inhalts und schließlich zu einer Ischämie. Als Folge der
endoneuralen Durchblutungsstörung sind Störungen der elektrischen Leitfähigkeit
messbar. Wird durch weitere Streckung die Elastizitätsgrenze, des Nerven erreicht,
reißen zunächst die Nervenfasern in den Faszikeln, bei weiterer Belastung kommt es
dann zu einer Ruptur der perineuralen Hüllen und damit auch des Nervenstammes
(Schliack RH, Stille D 1973). Periphere Nerven tolerieren eine Streckung von 8%
ohne Störung der intraneuralen Mikrozirkulation. Wird der Nerv hingegen um 11-18%
gestreckt, kommt es zum völligen Verschluss der endoneuralen Gefäße und zu einer
kompletten Ischämie (Lundborg 1975; Lundborg, Rydevik B 1973).
1.5.2. Druckwirkung am peripheren Nerven
Bei Druckbelastung werden die Nervenfasern direkt mechanisch und mittelbar durch
die verringerte Blutzufuhr geschädigt (MacGregor RJ et al. 1975). Der mechanische
Einfluss ist umso ausgeprägter, je akuter und schärfer die Druckläsion ist, wie sich
am Extrembeispiel der Nervendurchschneidung sehen lässt. Chronische stumpfe
Druckläsionen wirken eher mittelbar auf die Nervenfaser, da durch die
Kompressionswirkung eine Durchblutungsstörung hervorgerufen wird.
Die Widerstandsfähigkeit des Nerven gegen Dehnung hängt im wesentlichen von der
gesamten Menge der perineuralen Strukturen ab, während bei der Druckeinwirkung
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auf den Nerven zusätzlich die polsternden und die Verformung auffangenden
Eigenschaften des epineuralen Gewebes eine Rolle spielen. Ein Nerv kann somit
dann als widerstandsfähig gegenüber mechanischen Einflüssen gelten, wenn er
voluminös ist und zum anderen, wenn er in viele Faszikel mit entsprechend hohem
Gehalt an Perineuralscheiden untergliedert und von entsprechend reichlichem
epineuralen Gewebe durchsetzt und umgeben ist. In der Klinik treten fast
ausnahmslos Nervläsionen auf, welche auf Druck- und Zugeinwirkungen, respektive
auf Kombinationen derselben in Form von Scherkräften zurückzuführen sind
(Schliack RH, Stille D 1973).
1.6. Ultraschall
Obwohl die Entdeckung des Ultraschalls bis in das 18. Jahrhundert zurückgeht,
wurde Ultraschall erst 1952 in die Zahnmedizin, zur Kavitätenpräparation, eingeführt
(Khambay, Walmsley 2000; Delorme, Debus 1998). Aufgrund der Unhandlichkeit des
Apparates und der langsameren Präparationsgeschwindigkeit wurde das
Ultraschallinstrument bald vom effektiveren Hochgeschwindigkeitsbohrer abgelöst.
Dahingegen hat sich der Ultraschallscaler, welcher in Anlehnung an handgeführte
Scaler zur Entfernung von Plaque und Zahnstein entwickelt wurde, bis heute
erfolgreich bewährt.
Seit den 80iger Jahren wird Ultraschall zudem zur Dezementierung prothetischer
Restaurationen als auch zur Säuberung von Zahnersatz und zahnärztlichen
Instrumenten eingesetzt (Torrella et al. 1998).
Die Verwendung der Ultraschalltechnik zur Hartgewebstrennung wurde zunächst für
den industriellen Bereich entwickelt und in den 60iger Jahren auf das dento-ossäre
Gewebe übertragen. Man benutzte analog zur industriellen Materialverarbeitung
auch zur Knochentrennung zunächst eine abrasive Schmierflüssigkeit, um den
Schneidevorgang zu unterstützen. Auch das Ultraschallskalpell wurde nun zum
direkten Schneiden von knöchernem Gewebe genutzt, welches bisher nur zur
Durchtrennung von Weichgewebe genutzt wurde (Fritzsch et al. 1992; Horton et al.
1975).
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1967 wurde von Poljakow ein ultraschallbetriebenes Osteotomieinstrument, URSK-
7N, auf den Markt gebracht, welches in Aufbau und Anwendung den heutigen
Ultraschallosteotomiegeräten weitgehend entsprach (Fritzsch et al. 1992; Störmer,
Böhm 1981). Kurz darauf in den 70iger Jahren kam es zu einer dynamischen
Entwicklung und Entstehung unterschiedlicher innovativer Instrumente im Bereich
der Ultraschallchirurgie (Müller et al. 1990).
Piezosurgery®, das in dieser Arbeit verwendete Gerät, wurde 1998 von dem
italienischen Arzt Tomaso Vercelotti entwickelt, um Verletzungen von Weichgeweben
zu minimieren und die Präzision der Osteotomien zu erhöhen (Mectron Medical
Technology 2002).
1.6.1. Entstehung und Ausbreitung von Ultraschallwellen
Mechanische Schwingungen, die mit einer Frequenz (f) zwischen 20kHz und 1GHz
oberhalb der menschlichen Hörschwelle liegen bezeichnet man als Ultraschall
(Trautwein et al. 2000). Seine Entstehung beruht auf dem piezoelektrischen Effekt,
bei dem ein Kristall (z.B. Quarz) durch Druck oder Zug deformiert wird, so dass in
seinem Inneren elektrische Dipole entstehen. Die Dipole bewirken eine Polarisation
des Kristalls dabei lädt sich seine Oberfläche elektrisch auf. Entsprechend wird bei
der Umkehrung des piezoelektrischen Effektes durch elektrische Aufladung der
Oberfläche eines Kristalls dieser mechanisch deformiert. Bei periodischer Umpolung
der elektrischen Oberflächenaufladung kommt es zu mechanischer Schwingung des
Kristalls (Trautwein et al. 2000).
Eine Schallwelle entsteht, wenn die Schwingungsenergie an angrenzende Teilchen
weitergegeben wird. In einem Festkörper kann sich eine Schallwelle longitudinal und
transversal ausbreiten, da die Teilchenschwingung auf Grund der hohen
Anziehungskräfte benachbarter Partikel nicht nur in Ausbreitungsrichtung sondern
auch senkrecht zu ihr erfolgen kann. Im Weichgewebe geht die Transversalwelle in
Form von Wärme verloren, da die Schwingung nur als Longitudinalwelle fortgeleitet
werden kann (Laird, Walmsley 1991).
Die Länge einer Ultraschallwelle in Luft liegt zwischen 10-2 und 10-6m. Die
Schallgeschwindigkeit folgt der Gleichung:
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c = f x λ
c: Schallgeschwindigkeit, f: Frequenz, λ: Wellenlänge
(Trautwein et al. 2000)
Durchdringen Ultraschallwellen ein Medium, werden die schwingenden Teilchen
abgebremst. Dabei entsteht Reibungswärme, welche zur Verringerung der
Schwingungsamplitude führt, die Bewegungsenergie der Teilchen wird in Wärme
umgewandelt, es kommt zur Absorption. Je dichter das durchdrungene Gewebe,
desto stärker ist die Dämpfung der Welle durch Absorption. Die Dämpfung ist nahezu
proportional zur Ultraschallfrequenz, so dass die maximale Eindringtiefe mit
wachsender Frequenz abnimmt (Delorme, Debus 1998).
Trifft eine Ultraschallwelle auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien mit
unterschiedlicher Schallleitfähigkeit, der so genannten akustischen Impedanz, so
wird ein Teil reflektiert. Das Ausmaß dieser Reflexion ist größer, je höher der
Impedanzunterschied zwischen den benachbarten Medien ist. Die Impedanz ergibt
sich aus dem Produkt von der Dichte des Mediums und der Schallgeschwindigkeit:
Z = ρ x c
Z: Impedanz, ρ: Dichte, c: Schallgeschwindigkeit
(Trautwein et al. 2000)
Die Fähigkeit der Kavitation ist eine wichtige Eigenschaft von Ultraschallwellen. Unter
Kavitation versteht man die ultraschallinduzierte Bildung von Druckwellen in
Flüssigkeiten. Durch die Druckwellen entstehen kleinste Bläschen, die
frequenzabhängig pulsieren. Um die Bläschen herum bilden sich Turbulenzen, die
zur Bläschenruptur führen. Bei diesem Vorgang werden hohe Drücke und
Temperaturen erreicht, mit denen biologische Gewebe aufgebrochen werden können
(Laird, Walmsley 1991).
14
1.6.2. Aufbau von Ultraschallosteotomieinstrumenten
Die Geräte zur Ultraschallchirurgie bestehen aus einem Hochfrequenzgenerator
sowie einem piezoelektrischen Ultraschallwandler zur Erzeugung longitudinaler
Schwingungen.
An diesen Energiewandler wird der Ultraschallapplikator mit den jeweiligen
chirurgischen Arbeitsansätzen angekoppelt (Döring et al. 1988; Müller et al. 1990;
Störmer, Böhm 1981).
Die Regulierung der erzeugten Frequenz und die, für das jeweilige Indikationsgebiet
entsprechende Ausgangsleistung bereitzustellen, ist die Aufgabe des Generators
(Müller et al. 1990; Störmer, Böhm 1981).
Der Ultraschallwandler, meistens aus einer Spule mit Metallkern aufgebaut,
transformiert die elektrische Energie in hochfrequente mechanische Schwingung,
indem der Metallkern unter Einfluss eines magnetischen Wechselfeldes
freqeunzsynchrone Schwingungen erfährt, die er auf den angekoppelten Applikator
überträgt. Dieser verschiebt sich in seiner Längsrichtung mit der vorgegeben
Frequenz, in der Regel zwischen 20-40kHZ, und erreicht dabei eine maximale
Amplitude zwischen 40 und 200µm (Müller et al. 1990).
Schwingen Wandler und Applikator in Resonanz, kann die maximale Amplitude und
damit die höchste Schneideeffizienz erreicht werden (Störmer, Böhm 1981). Eine
Flüssigkeitskühlung verhindert die übermäßige Erwärmung des Gewebes.
1.6.3. Wirkmechanismus der Ultraschallosteotomie
Der Ultraschalltrennprozess vollzieht sich durch leichte Bewegung des
Schneideinstrumentes auf dem Knochen unter Einwirkung hochfrequenter
mechanischer Schwingungen. Bei Resonanz bildet sich am Applikatoraufsatz eine
stehende Halbwelle mit Schwingungsbäuchen an den Enden aus. Die Sägezähne
schwingen entsprechend der Generatorleistung in bestimmten Amplituden mit
(Fritzsch et al. 1992). Der handgeführten Sägebewegung wird somit eine
Schwingung der Sägezähne überlagert (Grasshoff, Beckert 1981). Der Trennvorgang
lässt sich in zwei Phasen einteilen.
15
In der ersten Phase bewirkt die Mikrobewegung der Schnittkante des
Arbeitsinstrumentes nach dessen Aufsetzen auf den Knochen die Abhebung von
Mikrospänen mit der Größe der Schwingungsamplitude. Die abgehobenen
Mikrospäne sammeln sich in den Kerben des Trenninstrumentes und werden in der
zweiten Phase unter Mitwirkung der handgeführten Schnittbewegung vollständig
abgetrennt und entfernt.
Der Schnittvorgang besteht aus einer Vorwärtsbewegung, bei der die
Gewebsteilchen abgehackt, und in einer Rückwärtsbewegung, bei der die
Gewebsschicht abgeschabt wird (Grasshoff, Beckert 1981).
Die Ultraschallenergie wird beim Sägen in Formveränderungsenergie und Wärme
umgesetzt. Eine effiziente Kühlung ist daher zur Minimierung der hohen
Wärmeentwicklung und der daraus resultierenden Gewebserwärmung unbedingt
erforderlich (Fritzsch et al. 1992).
1.7. Ziel der Arbeit
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das ultraschallbetriebene Osteotomiewerkzeug
Piezosurgery®, hergestellt von Mectron Medical Technology, mit dem konventionellen
Osteotomieinstrument, der Kugelfräse im Hinblick auf die mechanische Verletzung
von Nervengewebe histologisch zu vergleichen.
16
2. Material und Methoden
2.1. Material
2.1.1. Schweinekiefer
Zur Durchführung der Osteotomien wurden Unterkieferhälften von frisch
geschlachteten Schweinen benutzt. Im Bereich der Osteotomien wurde vor den
Versuchen der Knochen von Muskeln und Bändern freigelegt. Das postmortale
Intervall lag zwischen acht bis zwölf Stunden und in der Regel bei neun Stunden.
Abb. 4 : Vorbereitete Unterkieferhälfte vom Schwein
17
18
2.1.2. Instrumentarium
2.1.2.1. Piezosurgery®
Piezosurgery ist ein piezoelektrisches Verfahren zur Durchführung von Osteotomien
mittels Ultraschall und wurde im Jahre 1998 von der Firma Mectron Medical
Technology (Carasco, Italien) entwickelt.
Das Gerät besteht hauptsächlich aus einer elektronischen Schaltbox, der
Basiseinheit, einem Handstück und unterschiedlichen Schneideansätzen. Das
Handstück ist über ein Kabel mit der Basiseinheit verbunden.
Die Basiseinheit beinhaltet eine peristaltische Pumpe, eine Halterung für den
Behälter der Kühlflüssigkeit, eine Ablage für das Handstück und eine Steuereinheit
mit Display um die Leistungsart, Leistungsstufe und auch die Durchflussmenge der
Kühlflüssigkeit zu regeln.
Das Gerät arbeitet in einem Frequenzbereich von 24-29kHz bei einem
Leistungsspektrum zwischen von 2,8-16W (Siervo et al. 2004). Als
Arbeitsinstrumente sind unterschiedlich konfigurierte Ansätze für das Handstück
erhältlich. Die Mikrobewegungen der Ansätze liegen zwischen 60-200μm.
Es gibt drei verschiedene Leistungsarten low für Wurzelspitzenresektionen, high zur
Bearbeitung von Wurzeloberflächen oder Sinusbodenelevationen und boosted für
Osteotomien. In der Leistungsart boosted wird durch Digitalmodulation ein Wechsel
hoher Frequenzen erzeugt der sich bei 30Hz einpendelt (Eggers et al. 2004). Durch
die entstehenden Vibrationen wird ein Staudruck, durch den Ansatz, auf den
Knochen vermindert und daraus resultierende Überhitzung minimiert.
Die Leistungsstufen 1, 2, 3 respektive a, b und c dienen dazu die Frequenz
entsprechend den verschiedenen Knochenqualitäten zu modulieren (Mectron
Medical Technology 2002).
Für die Einstellung der Durchflussmenge der Kühlflüssigkeit stehen die Programme
dry, 1, 2, 3, 4, 5 zur Wahl. Dadurch kann die Zufuhr der Kühlflüssigkeit zwischen 0-
60ml/min variiert werden. Als Kühlflüssigkeit diente physiologische Kochsalzlösung
von 4°C.
19
Das Gerät verfügt zur Steuerung des Handstücks über einen Fußschalter. Das
Handstück, die Verbindungskabel zur Basiseinheit, die Ablagen und alle Ansätze
sind sterilisierbar.
Für die Versuche wurden die Ansätze OT1 und OT6 benutzt. Das Gerät wurde im
boosted Modus betrieben
Abb. 5: Das Piezosurgery Basisgerät mit Handstück
Abb. 6: Unterschiedliche Ansätze für das Handstück (OT1, OT6)
20
2.1.2.2. Kugelfräse
Als Kugelfräse wurde die Hartmetallfräse 141 023 (Busch & Co. KG, Deutschland)
benutzt. Sie wurde für den chirurgischen Knochenabtrag entwickelt und hat acht
Schneiden.
Angetrieben wurde sie durch einen elektrischen Motor, Aesculap GA 140 (Aesculap-
Werke AG, Tuttlingen), mit Biegewellen angetriebenem Handstück, Aesculap GA 244
(Aesculap-Werke AG, Tuttlingen).
Die Umdrehungszahl lag bei 20000 U/min. Das Handstück hat eine Übersetzung von
1:1 und wurde mittels eines Fußreglers bedient.
Als Kühlflüssigkeit diente physiologische Kochsalzlösung von 4°C.
Abb. 7: Kugelfräse 141 023 (Busch & Co. KG, Deutschland)
21
U2.2. Methoden
2.2.1. Erarbeitung der Präparationstechnik
Um den Umgang mit dem Instrumentarium zu üben, wurde an zwanzig Eiern, der
Güteklasse A, die Eierschale gefenstert ohne die Eierhaut zu perforieren. Die
Übungen der manuellen Fähigkeiten wurden mittels Piezosurgery durchgeführt.
Sowohl die Auswahl der benutzten Aufsätze als auch die Größe des gebildeten
Fensters war willkürlich.
Diese Übung steht in Analogie zum Verfahren der Sinusbodenelevation, ein
standardisiertes Operationsverfahren bei dem an der lateralen Kieferhöhlenwand ein
Knochenfenster gebildet wird ohne die Kieferhöhlenschleimhaut zu verletzen. Das
osteotomierte Fenster wird mitsamt der Kieferhöhlenschleimhaut nach kranial eleviert
um Knochenersatzmaterial einbringen zu können (Gutwald, Gutwald-Gellrich-
Schmelzeisen 2003).
Abb. 8: Fensterung der Eierschale
22
Abb. 9: Entfernung des Eierschalendeckels
Abb. 10: Lösen der Eierhaut von der Eierschale
2.2.2. Chirurgisches Verfahren
Zunächst wurde auf dem vom Muskeln und Bändern befreiten Schweinekiefer die
Ausdehnung des Knochenfensters mit einem wasserfesten Stift eingezeichnet. Der
23
Abstand zur knöchernen Begrenzung des Foramen mandibulae betrug 2mm. Die
Höhe des Rechtecks wurde mit 11mm und die Länge mit 15mm vorgegeben.
Nach der Kennzeichnung des Rechtecks wurde streng dem folgenden Verfahren
gefolgt: Zuerst wurden nacheinander der obere Rand und dann der untere Rand des
Rechteckes mittels Kugelfräse oder dem Aufsatz OT6 osteotomiert. Danach wurde
mit dem Aufsatz OT1 respektive der Kugelfräse ein vertikaler Schnitt in der Mitte des
Rechteckes, zur Begutachtung des Nervs in diesem Bereich, durchgeführt. Im
Anschluss daran wurden die Seitenwände des Rechteckes wiederum mittels
Kugelfräse oder Aufsatz OT6 geschnitten. Die so entstandenen Knochendeckel
wurden mittels eines Raspatoriums abgehebelt und das Weichgewebe darunter
somit exponiert.
Der Nerv wurde achtsam mit einem Skalpell und einer Pinzette freipräpariert und an
den seitlichen Enden des Knochenfensters vorsichtig durchtrennt. Danach wurde der
Nerv auf einer Wachsplatte mit zwei Stecknadeln fixiert.
In den folgenden Abbildungen (11-20) wird das Piezosurgery Gerät benutzt.
Abb. 11: Beginn der Osteotomie
24
Abb. 12: Schnitt des oberen Randes (Ansatz OT6)
Abb. 13: Schnitt des unteren Randes (Ansatz OT6)
25
Abb. 14: Vertikaler Schnitt (Ansatz OT1)
Abb. 15: Präparation der Ränder (Ansatz OT6)
26
Abb. 16: Präpariertes Rechteck
Abb. 17: Entfernung der Knochendeckel
27
Abb. 18: Freilegung des Nervs
Abb. 19: Entfernung des Nervs
28
Abb. 20: Fixation auf einer Wachsplatte
Bei jedem Versuch wurde die Dauer der Osteotomien mit einer digitalen Stoppuhr
gemessen und die Dicke des entnommen Knochenstückes mittels einer
Schiebelehre evaluiert um die Schneideffektivität des jeweiligen Gerätes zu ermitteln.
2.2.3. Histologisches Verfahren
• Vorfixation der entnommenen Nervenstücke in 2,5%igem Glutaraldehyd für 24
Stunden
• 15min Spülung der Proben in Phosphatpuffer (pH 7,4)
• Entwässerung der Nerven in einer aufsteigenden Alkoholreihe
• 30min Einlage in Propylenoxyd
• 60min Lagerung in einer in einer Mischung aus Propylenoxyd und Epoxydharz
(Epon)
• Anschließend wurden die Proben über Nacht in Epon eingelegt und am nächsten
Morgen in Gelatinekapseln gegossen
• Zweitägige Polymerisation bei 60°C
29
Für die Anfertigung der Semidünnschnitte wurde ein Ultramikrotom (Ultracut,
Reichert-Jung, Deutschland) mit einem Glasmesser verwendet.
Die Semidünnschnitte wurden nach Giemsa eingefärbt und schließlich mit Eukitt
eingedeckt.
Für die Auswertung und Dokumentation der kontrastierten Semidünnschnitte wurde
ein Zeiss Axioskop 2 (Carl Zeiss, Jena, Deutschland) kombiniert mit einer SPOT™-
Kamera (Diagnostic Instruments Inc.) verwendet.
2.2.4. Statistische Methoden
Zur Beschreibung der Ergebnisse dieser prospektiven, deskriptiv projektierten Studie
wurden folgende Tests verwendet:
Zur Beschreibung der Abhängigkeit zwischen zwei klassifizierten Variablen wird im
Allgemeinen der Chi-Quadrat-Test nach der Maximum-Likelihood-Methode
berechnet. Wegen zu geringer Feldbesetzung wurde der exakte Chi-Quadrat-Test
nach Mehta und Patel berechnet. Mit dem U-Test nach Mann und Whitney wurde ein
Messwert zwischen zwei Gruppen verglichen, weil keine Gaußsche Normalverteilung
der Messwerte angenommen werden kann. Wegen der geringen Fallzahlen, unter 20
statistischen Einheiten, wurde anstelle des gewöhnlichen, approximativen U-Tests
der exakte U-Test gerechnet.
Zur Überprüfung auf eine Gaußsche Normalverteilung wurde die Probitdarstellung
nach Lillefors verwendet.
Um die Testergebnisse quantitativ vergleichen zu können, wurden p-Werte
berechnet. Ein p-Wert unter 0,05 wird als signifikant bezeichnet und das Ergebnis
wird als wesentlich interpretiert. Die p-Werte werden wie gewohnt mit Stern-
Symbolen gekennzeichnet:
p < 0.05 mit *, p < 0,01 mit ** und p < 0,001 mit *** .
30
Die Bezeichnung „signifikant“ wird im statistischen Kontext reserviert, um
Testergebnisse mit p-Werten unter 0,05 zu beschreiben.
3. Ergebnisse
U3.1. Histologisches Ergebnis
3.1.1. Gruppe 1 (Präparation mit Piezosurgery)
In dieser Gruppe waren die Nervenstränge im Allgemeinen gut erhalten.
Mikroskopisch zeigen sich quergetroffene regelhaft bemarkte, dünn bemarkte und
unbemarkte Axone. Bemarkte Fasern werden auch als die so genannten A-Fasern,
dünn bemarkte als B-Fasern und unbemarkte als C-Fasern bezeichnet.
In fünf Präparaten sind deutliche Aufsplitterungen der Myelinscheiden der bemarkten
und dünnbemarkten Axone zu erkennen. Die Aufsplitterungen sind ein Zeichen von
Strukturveränderungen. Das Perineurium ist nicht verändert.
Das Verhältnis zwischen aufgesplitterten und gut erhaltenen Fasern beträgt ca. 1/1.
(siehe Abbildung 21)
Fünf Präparate zeigen keine Besonderheiten und lassen keinen Anhalt auf
Verletzung zu. Das Perineurium zeigt keine Veränderungen. Die Myelinscheiden
zeigen kaum Aufsplitterungen. In den Präparaten zeigt sich auch das perinervale
Gewebe (Arterien und Venen) unverletzt. (siehe Abbildungen 22 und 23)
31
Abb. 21: Verhältnis von aufgesplitterten Fasern zu gut erhaltenen Fasern ca. 1/1
(Giemsa, 25fach vergrößert)
32
Abb. 22: Unverletztes perinervales Gewebe, kaum Aufsplitterungen
(Giemsa, 20fach vergrößert)
33
Abb. 23: Keine Veränderungen des Nerven zu erkennen (Giemsa, 10fach vergrößert)
34
3.1.2. Gruppe 2 (Präparation mit Kugelfräse)
Drei Präparate zeigen stark aufgesplitterte Myelinscheiden. Teilweise sind bis zu drei
Lamellen der aufgesplitterten Myelinscheiden sichtbar. Das Perineurium erscheint
intakt. (siehe Abbildung 24)
In einem Präparat lassen sich einige Axone mit ausgeprägten artifiziellen
Veränderungen, entsprechend einem ballonierten Myelins, beobachten. Das
Perineurium ist intakt. (siehe Abbildung 25)
Ein weiteres Präparat zeigt teilweise gleichartige artifizielle Veränderungen auf. Ihre
Anzahl und Ausprägung erscheint jedoch geringer als im zweiten Präparat. Es sind
histologisch allerdings auch nur zwei bis drei Faszikel angeschnitten. (siehe
Abbildung 26)
Ein Präparat, in welchem zwei Faszikel zu erkennen sind, erscheint etwas
aufgelockert. Ansonsten sind keine Besonderheiten zu beobachten und es lässt
ebenfalls keinen Anhalt auf Verletzung zu. (siehe Abbildung 27)
In dieser Gruppe zeigen vier Präparate keine Besonderheiten und lassen ebenfalls
keinen Hinweis auf Verletzung zu. (siehe Abbildung 28)
35
Abb. 24: Stark aufgesplitterte Myelinscheiden (Giemsa, 25fach vergrößert)
36
Abb. 25: Es sind ballonierte Myelinscheiden erkennen (Giemsa, 25fach vergrößert)
37
-
Abb. 26: Es zeigen sich Veränderungen entsprechend balloniertem Myelins
(Giemsa, 25fach vergrößert)
38
Abb. 27: Kein Anhalt auf Verletzung zu erkennen (Giemsa, 20fach vergrößert)
39
Abb. 28: Keine Veränderung des Nerven zu erkennen (Giemsa, 20fach vergrößert)
40
3.1.3. Vergleich der beiden Gruppen
Zusammenfassend ist zu beobachten, dass sich histologisch beide Gruppen kaum
voneinander unterscheiden.
Die artifiziellen Veränderungen in Gruppe 2 (Präparat 2 und 3) lassen auf eine
Quetschung der Nerven schließen. Hierbei muss allerdings darauf hingewiesen
werden, dass diese Quetschung bei der Entnahme und Einbettung der Nerven
methodisch nicht auszuschließen ist und auch dies als Ursprung haben könnte.
Es sind keine groben Veränderungen der Nerven in beiden Gruppen sicher
festzustellen. Weder in Gruppe 1 noch in Gruppe 2 lassen sich histologisch fassbare
Veränderungen feststellen.
Während grobe Veränderungen mit beiden Geräten komplett auszuschließen sind,
lassen sich feinere Veränderungen nicht darstellen, da methodisch bedingt nur ein
kleines Segment von 1μm untersucht wurde.
Demnach ist davon auszugehen, dass bei achtsamer Operationsweise das
Weichgewebe von rotierenden Instrumenten und von Piezosurgery gleichermaßen
beeinflusst wurde.
Eine funktionelle Störung (Axonotmesis, Neurotmesis, Neurapraxie) würde sich nur
in einem in-vivo Versuch zeigen.
Da alle Versuche vom gleichen Operateur ausgeführt wurden, lassen sich von
Mensch zu Mensch verschiedene individuelle Parameter ausschließen.
U3.2. Statistisches Ergebnis
3.2.1. Grad der Nervläsionen
Bei jeweils zehn Osteotomien mittels Piezosurgery, waren in fünf Fällen histologisch
keine Veränderungen zu erkennen daher erhielten sie den Grad 0. In den anderen
41
fünf Fällen waren Veränderungen zu erkennen. Die Myelinscheiden waren
aufgesplittert das Verhältnis zwischen gut erhaltenen und aufgesplitterten Fasern lag
bei 1/1. Dies wurde als Grad 1 Läsion definiert.
Mittels der Kugelfräse waren in fünf Fällen Grad 0 Läsionen, in vier Fällen Grad 1
Läsionen und in einem Fall waren histologisch stärkere Veränderungen zu erkennen.
Diese Nervläsion erhielt für die Statistik den Grad 2.
Gerät Piezosurgery Kugelfräse
Nervläsion n % n % p Grad 0 5 50,00% 5 50,00% Grad 1 5 50,00% 4 40,00% 1,0 Grad 2 0 0,00% 1 10,00% UTabelle 1U Gerät und Nervläsionen. Anzahl und Prozentsatz der Proben. Die Prozente beziehen sich auf die Spalte, d.h. auf das Gerät. p aus dem exakten Chi-Quadrat-Test nach Mehta und Patel.
Anhand der Tabelle zeigt sich, dass hinsichtlich der Anzahl und Stärke der
Nervläsionen bei beiden Geräten kein signifikanter Unterschied zu erkennen ist.
3.2.2. Dauer der Osteotomien und Messung der Schneideeffektivität
Aus den statistischen Analysen ergibt sich, dass die Dicke des Knochens und das
alleinige Knochenvolumen keinen signifikanten Einfluss auf das Ergebnis beider
Geräte haben.
Lediglich bei dem zeitlichen Aufwand und der Schneideeffektivität, quantifiziert als
Knochenvolumen pro Zeit, ergeben sich signifikante Unterschiede.
Der Zeitaufwand bei den Osteotomien mittels Piezosurgery war im Vergleich zur
Kugelfräse fast doppelt so hoch (p<0,001).
Für das abgetragene Knochenvolumen pro Zeit ergab sich bei der Kugelfräse ein
Mittelwert von 139,360mm3/min und bei Piezosurgery von 71,585 mm3/min. Somit ist
zu bemerken, dass die Schneideeffektivität der Kugelfräse signifikant höher ist als
die des Piezosurgery Gerätes (p<0,001).
42
Gerät N MW ST p-exakt Zeit Piezosurgery 10 4,457 0,608 0,00001*** (min) Kugelfräse 10 2,323 0,158 Dicke Piezosurgery 10 1,950 0,438 1,0 (mm) Kugelfräse 10 1,960 0,201 Knochenvolumen Piezosurgery 10 321,750 72,237 1,0 (mm3) Kugelfräse 10 323,400 33,183 Knochenvolumen/Zeit Piezosurgery 10 71,585 10,567 0,00001*** (mm3/min) Kugelfräse 10 139,360 13,045 Grad der Nervläsion Piezosurgery 10 0,500 0,527 1,0 Kugelfräse 10 0,600 0,699 UTabelle 2U Gerätetyp und Zeit, Knochendicke, Knochenvolumen und Knochenvolumen pro Zeiteinheit. MW = Mittelwert, ST = Standardabweichung, p aus dem exakten U-Test.
Geräte und Zeit, Knochenvolumen und Schneideffektivität
Zeit [min] Knochenvolumen [mm3] Schneideeffektivität [mm3/min]
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
Piezo KuFräse Piezo KuFräse Piezo KuFräseUDiagramm 1 Vergleich von Zeit, abgetragenem Knochenvolumen und Schneideffektivität zwischen den beiden Methoden mittels Piezosurgery (Piezo) und Kugelfräse (KuFräse). Dargestellt sind die Mittelwerte mit der Standardabweichung des Mittelwertes (sEM).
43
0B4. Diskussion
Die vorliegende Arbeit konnte zeigen, dass:
1. die Dauer der Osteotomien mittels Piezosurgery deutlich länger und somit
die Schneideeffektivität der Kugelfräse höher ist als von Piezosurgery
2. bei vorsichtiger Operationsweise bei beiden Geräten kein signifikanter Unterschied
hinsichtlich Anzahl und Histologie der Weichgewebsschädigung zu erkennen ist
U4.1. Zeitdauer und Schneideeffektivität
In den Experimenten wurde deutlich, dass das Piezosurgery Gerät fast doppelt so
lange braucht um ein Knochenfenster mit einer Länge von 15mm und einer Höhe von
11mm zu entfernen. Die Knochendicke lag im Mittel bei 1,95mm bei den Versuchen
mit Piezosurgery und 1,96mm bei den Versuchen mit der Kugelfräse. Der
Zeitaufwand mit der Kugelfräse war im Mittel 2,323min und mit Piezosurgery
4,457min. Diese Ergebnisse sind kongruent mit den Ansichten anderer Autoren. So
zeigte Beziat bei verschiedenen LeFort I Osteotomien, Gaumenerweiterungen,
bilateralen sagittalen Osteotomien, LeFort III Osteotomien, diversen Zugängen zur
Schädelbasis durch den Sinus frontalis und bei der Entfernung von Orbitaanteilen
respektive des Os frontale, dass der Zeitaufwand bei der Entfernung des Knochens
mittels Piezosurgery deutlich erhöht war. Die allgemeine Operationsdauer war jedoch
nicht verlängert (Beziat et al. 2007).
Auch Gleizal kommt bei seinen kraniofazialen Zugängen zu Tumoren der Orbita und
in verschiedenen Osteotomien zu dem Entschluss, dass der Zeitaufwand mittels
Piezosurgery erhöht ist (Gleizal et al. 2007a; Gleizal et al. 2007b)
In der Handchirurgie ist das Piezosurgery Gerät noch nicht weit verbreitet. Auch in
einer Fallstudie zu einer Korrekturosteotomie des Os metacarpale V wurde gezeigt,
dass das Piezosurgery langsamer arbeitete (Hoigne et al. 2006).
Maurer hat in seiner Studie Piezosurgery mit der Lindemannfräse und einer
oszillierenden Mikrosäge verglichen, indem er aus Hasenschädeln mit den jeweiligen
Instrumenten Knochenstücke entnommen hatte. In dieser Studie war der
Zeitaufwand mit konventionellen Fräsen deutlich geringer (Maurer et al. 2007).
44
Robiony und auch Stübinger sehen ebenfalls einen Nachteil von Piezosurgery darin,
dass die Operationsdauer im Gegensatz zu konventionellen Operationsweisen
verlängert ist. Gleichzeitig zeigen sie auch Vorteile wie weniger Blutung, durch den
Kavitationseffekt, und somit bessere Sicht auf das Operationsfeld und einer
geringeren thermischen Schädigung des Gewebes (Robiony et al. 2007; Stübinger et
al. 2008).
Trotz des Nachteils der längeren Osteotomiedauer betonen alle erwähnten Autoren,
genau wie Robiony und Stübinger, die Vorzüge des Piezosurgery Gerätes, welche
sich zusammenfassend nach ihren Ergebnissen durch geringere
Weichgewebsschädigung, geringere Blutung, weniger thermischer Schädigung des
Gewebes und besserer Kontrollierbarkeit auszeichnen.
Der Einfluss der Knochendicke hat sich in dieser Studie als nicht relevant für die
Präparationsgeschwindigkeit dargestellt. Die mittlere Knochendicke lag bei beiden
Gruppen unter 2mm. Eggers zu dem Ergebnis, dass das Piezosurgery Gerät erst bei
einer Knochendicke von 3mm langsamer schneidet und somit bei dickerem Knochen
an seine Grenzen stößt (Eggers et al. 2004).
Der Vergleich der Instrumente im Hinblick auf die Antriebsgeschwindigkeit ist
erschwert. Die Kugelfräse wurde mit 20000U/min angetrieben, das Piezosurgery
Gerät schwingt mit einer Frequenz von 24-29kHz und einer Amplitude von 60-
200μm. Es wurde im boosted Modus betrieben.
Darüber hinaus spielt auch die Vorschubgeschwindigkeit eine Rolle in Bezug auf die
Schneideeffektivität. So zeigt Grasshoff mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit
eine steigende Effizienz (Grasshoff, Beckert 1981), andere Autoren wiederum
beschreiben, dass bei einer Zunahme über 50mm/min eine verminderte
Schneideeffektivität zu verzeichnen ist (Khambay, Walmsley 2000).
Auch die Krafteinwirkung ist entscheidend für die Schneideeffektivität des
Instruments. Bei rotierenden Instrumenten ist eine positive Korrelation zwischen
aufgebrachter Kraft und der Schneideeffektivität festzustellen (Rafel 1963). Im
Gegensatz dazu führen exzessive Kräfte bei ultraschallbetriebenen Werkzeugen zu
ineffizienten Schnitten. Diese sollten kraftarm mit ca. 3N durchgeführt werden
(Khambay, Walmsley 2000).
45
Die Form und die Größe des Werkzeugs haben auch einen entscheidenden Einfluss
auf die Schneideeffektivität. Harris und Kohles konnten nachweisen, dass die
Bohrerform sich stark auf die Schneideleistung auswirkt. Dabei machten sie jedoch
keine Aussage zu günstigen Designcharakteristika. Sie zeigten auch, dass
Abnutzungserscheinungen eine Rolle spielen und durch häufigen Gebrauch die
Schneideeffektivität beeinträchtigt ist (Harris, Kohles 2001).
Zuletzt ist auch der Anstellwinkel des Instruments zur Knochenoberfläche ein
wichtiger Faktor für die Schneideeffektivität. Es ist zu beachten, dass dies bei
rotierenden Instrumenten weniger ins Gewicht fällt als bei ultraschallbetriebenen, da
diese nur eine Schneideoberfläche besitzen (Khambay, Walmsley 2000).
Vorschubgeschwindigkeit, applizierte Kraft und der Anstellwinkel wurden in der
vorliegenden Arbeit auf Grund des zu hohen technischen Aufwandes zur
Standardisierung nicht gemessen. Auch die Form und die Größe des Werkzeuges
musste auf Grund der Verschiedenheit der Geräte vernachlässigt werden.
Maßgeblich für die Schneideeffektivität war in diesem Fall das abgetragene
Knochenvolumen pro Zeiteinheit. Der Mittelwert lag bei der Kugelfräse bei
139,360mm3/min und mit Piezosurgery bei 71,585mm3/min. Somit ergibt sich eine
signifikant höhere Schneideeffizienz zu Gunsten der Kugelfräse.
Um alle Parameter für die beiden Geräte möglichst einheitlich zu gestalten, wurden
alle Osteotomien von einem Operateur durchgeführt. Jedoch ist auch hier davon
auszugehen, dass die auf das Instrument wirkenden Kräfte intraindividuell gering
differieren (Khambay, Walmsley 2000).
U4.2. Weichgewebsschädigung
Die beiden Gruppen, unabhängig davon ob sie mittels Piezosurgery oder der
Kugelfräse bearbeitet wurden, unterscheiden sich kaum voneinander. An einigen
Nerven lassen sich Veränderungen erkennen, allerdings ist ihre Anzahl und auch der
Grad der Veränderung in keiner Gruppe signifikant höher.
46
Unter histologischen Aspekten ist nicht auszuschließen, dass die Veränderungen
welche zu erkennen sind, wie zum Beispiel das ballonierte Myelin, bei der Freilegung
respektive der Umbettung der Nerven erfolgt sein könnten. Sie sind daher als
artifiziell anzusehen.
Grobe Veränderungen der Nerven haben nach unserer Auswertung nicht
stattgefunden.
Daher ist davon auszugehen, dass weder das Piezosurgery Gerät noch die
vorsichtige Anwendung der Kugelfräse zu einer Weichgewebsschädigung des
Nerven führt.
Warum mittels Piezosurgery weniger Weichgewebe verletzt werden soll erklärt sich
folgendermaßen. Trifft der Ansatz des Piezosurgery Gerätes auf mineralisiertes
Gewebe, ist dessen Wirkung mit der eines pneumatischen Hammers vergleichbar.
Kleine Knochenpartikel werden abgeschmettert und es entstehen Mikrorisse und
Debris. Diese Wirkung wird bei Weichgewebe auf Grund seiner Elastizität
aufgehoben (Metzger et al. 2006).
Metzger kam in seinen Untersuchungen, zur Nervfreilegung und -mobilisation, zu
dem Entschluss, dass das Piezosurgery Gerät mineralisiertes Gewebe invasiver
durchdrang und die Oberfläche des Knochens rauer war als nach Bearbeitung mit
konventionellen rotierenden Instrumenten. Das Epineurium der freigelegten Nerven
war durch den Einsatz des Piezosurgery Gerätes angeraut. Ob dies in einer
funktionellen Störung resultierte konnte er nicht feststellen. Seine Aussage mit
Piezosurgery geringeren Schaden am Nerven auszuüben als mit rotierenden
Instrumenten konnte in dieser Studie nicht bestätigt werden (Metzger et al. 2006).
Auch Bovi schließt sich Metzgers Ergebnissen an und zeigt, dass die Mobilisation
des Nervus alveolaris inferior mittels Piezosurgery mit weniger Risiken verbunden ist
(Bovi 2005).
Beziat und Gleizal sind nach zahlreichen Operationen, verschiedener Art, der
Auffassung, dass durch Piezosurgery das Weichgewebe, wie zum Beispiel die Dura
Mater und der Nervus alveolaris inferior, eher geschont wird als mit konventionellen
Instrumenten (Beziat et al. 2007; Gleizal et al. 2007a; Gleizal et al. 2007b).
Auch andere Autoren schließen sich dieser Meinung an.
47
Beim Einsatz des Piezosurgery Gerätes zur Resektion von Glomus tympanicum
Tumoren konnte kein Schaden des Weichgewebes festgestellt werden (Salami et al.
2008).
Bei der Versorgung von Oberkieferfrakturen wurden mittels Piezosurgery keine
Weichgewebsanteile verletzt (Guo et al. 2007).
Kotrikova zeigt, dass bei Benutzung von Piezosurgery in der Neurochirurgie selbst
akzidentieller Kontakt mit der Dura Mater zu keiner Perforation führt (Kotrikova et al.
2006).
Ebenso konnte Hoigne bei Korrekturosteotomien in der Handchirurgie, welche er
mittels Piezosurgery durchführte, keine Störungen des neurovaskulären Systems
nachweisen (Hoigne et al. 2006).
Stübinger kommt bei seinen Augmentationen vor Implantatinserierung ebenfalls zu
dem Ergebnis, dass das Weichgewebe mittels Piezosurgery auf Grund seiner
selektiven Schnittführung eher geschont wird als mit konventionellen Fräsen und die
Gefahr der Nervschädigung geringer ist. Zusätzlich zeigt er, sowie Robiony, weitere
Vorteile des Piezosurgery Gerätes wie Blutleere des Operationsfeldes auf Grund des
Kavitationseffektes und geringere thermische Belastung des Gewebes (Stübinger et
al. 2005; Stübinger et al. 2008; Robiony et al. 2007). Auf thermische Schädigung
wurde in den Versuchen dieser Arbeit nicht eingegangen allerdings wurde das
Piezosurgery Handstück bei längerer Benutzung sehr warm. In den Versuchen
wurde auf eine ausreichende Kühlung des Gewebes mittels steriler Kochsalzlösung
geachtet ob diese in vivo ebenfalls gewährleistet ist bleibt fraglich.
Die Vorteile der mikrometrischen Schnittführung, des selektiven Schnittes und der
Blutarmut des Operationsfeldes als auch die Verringerung der Gefahr von
Weichgewebsschädigung durch Piezosurgery haben sich auch in den Studien von
Siervo, Schlee und Vercellotti bestätigt (Siervo et al. 2004; Schlee et al. 2006;
Vercellotti 2004).
Wallace hat in 100 Fällen von Sinusbodenelevationen die Perforationsrate der
Schneiderschen Membran mittels Piezosurgery von durchschnittlich 30% auf 7%
gesenkt. Selbst dabei sind die Perforationen erst bei der Bearbeitung der Membran
mittels Handinstrumenten aufgetreten (Wallace et al. 2007).
Vercellotti berichtet ebenfalls von einer 95%igen Erfolgsrate bei
Sinusbodenelevationen mittels Piezosurgery (Vercellotti et al. 2002).
48
Bei Gegenüberstellung der Aussagen anderer Autoren mit den Ergebnissen dieser
Arbeit ist festzustellen, dass diese sich nicht widersprechen. In den Versuchen war
keinerlei Weichgewebsschädigung mittels Piezosurgery festzustellen.
Nach den vorliegenden Ergebnissen zeigt sich die Osteotomie mittels
konventionellen rotierenden Instrumenten bei achtsamer, vorsichtiger
Operationsweise als gleichermaßen gut wie mit Piezosurgery. Im Gegensatz dazu
berichten Autoren wie Rood, von einer signifikant stärkeren Gefahr der
Nervschädigung bei der Entfernung von Weisheitszähnen mittels konventionellen
rotierenden Instrumenten (Rood 1992).
In der Literatur sind bisher keine histologischen Studien zur
Weichgewebsschädigung, welche zur Diskussion stehen, erschienen.
Auf Grund der Semidünnschnitte ist in unseren Versuchen auch nur ein kleines Areal
des Nerven von 1μm untersucht worden.
Daher wäre es ratsam, in vivo Studien durchzuführen um auch auf die funktionellen
Eigenschaften des Nervs zu testen. Sollte es technisch realisierbar sein wäre es
weiterhin empfehlenswert die Versuche mit standardisierter Kraftapplikation
durchzuführen. Zudem wäre es sinnvoll Studien zur thermischen Schädigung mittels
Piezosurgery durchzuführen.
49
5. Zusammenfassung
In der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie wurden in den letzten Jahren
zunehmend alternative Methoden zur Knochenbearbeitung eingesetzt.
Die Ultraschallosteotomie, bei welcher der Knochen durch Applikation
hochfrequenter elektromechanischer Schwingungen geschnitten wird, ist ein solches
Verfahren.
Ziel dieser Arbeit war es, das Ultraschallosteotomieinstrument Piezosurgery (Mectron
Medical Technology, Italien), welches mit verschiedenen Ansätzen geliefert wird, mit
der konventionellen motorbetriebenen Kugelfräse im Hinblick auf
Weichgewebsschädigung zu testen.
Bei jeweils zehn Versuchen pro Instrument wurde ein Knochenfenster mit einer
Länge von 15mm und einer Höhe von 11mm osteotomiert. In der Mitte des
Knochenfensters wurde zuvor eine Inzision durchgeführt um den Nerv, nach dessen
Entfernung, in diesem Bereich histologisch zu begutachten.
Dabei wurde die Zeitdauer der Osteotomie und die Dicke des osteotomierten
Knochens gemessen.
Im Hinblick auf Weichgewebsschädigung des Nerven konnte histologisch keinerlei
Unterschied zwischen den beiden Geräten festgestellt werden. Das in einigen
Präparaten zu erkennende ballonierte Myelin ist als artifiziell anzusehen, da es bei
der Entnahme oder Umbettung der Nerven entstanden sein könnte.
Die Benutzung der Kugelfräse erwies sich in unseren Experimenten als annähernd
doppelt so schnell (p<0.001). Die Dauer der Osteotomie betrug im Mittel 2,32min mit
der Kugelfräse und 4,46min mit Piezosurgery.
Auch die Schneideeffektivität, das abgetragene Knochenvolumen pro Zeit, war bei
der Kugelfräse mit 139,360mm3/min signifikant höher (p<0.001) als bei Piezosurgery
mit 71,585mm3/min.
Andere Autoren berichten hingegen über weitere Vorteile des Piezosurgery Gerätes
wie ein blutarmes Operationsfeld auf Grund des Kavitationseffektes, die
mikrometrische Schnittführung und die selektive Schnittführung.
In besonderem Maße ist, neben einer achtsamen Operationsweise, auf eine
ausreichende Kühlung zu achten um eine thermische Schädigung mittels
Piezosurgery zu vermeiden.
50
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Danksagung Ganz besonders bedanken möchte ich mich bei Herrn Priv.-Doz. Dr. med. Dr. med. dent. Kristian Würzler für die Vergabe dieser Arbeit, die geduldige Betreuung und für seine Art mit der er sich für mich zum Vorbild macht. Großer Dank gilt Herrn Prof. Dr. med. dent. Renk für die Übernahme des Korreferats. Besonderer Dank geht auch an Frau Dr. med. Monuranu und Herrn Prof. Dr. med. Roggendorf als Beistand während der histopathologischen Auswertung. Vielen Dank an Frau Werder, ebenfalls aus der Pathologie, für die Herstellung der Semidünnschnitte. Für die Organisation im Labor möchte ich mich gerne bei Frau Margit Schleyer bedanken. Ich danke der Firma Rocker & Narjes, insbesondere Frau Rocker, für die großzügige Bereitstellung des Piezosurgerygerätes. Der Firma Südfleisch GmbH und ihren netten Mitarbeitern im Geschäft, Frau Kühne und Herrn Schmidt, danke ich für die Bereitstellung der Schweinekiefer. Tina Glos danke ich für die Hilfe bei der Anfertigung der Fotos. Bastian Schäfer, meinem Schwager, danke ich für die Unterstützung bei den problematischen Seitenzahlen. Julia – Danke! Zuletzt möchte ich mich bei meinen Eltern bedanken. Sie sind ebenso wahrhafte Vorbilder für mich und ich danke ihnen für ihre schier endlose Unterstützung - DANKE!
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