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Niederenergetischer, gepulster Ultraschall zur Beeinflussung der Knochenregeneration: Klinische Anwendung und wissenschaftliche Grundlagen

Authors:
  • St. Elisabeth Hospital Iserlohn, Germany - Ruhr-University Bochum, Germany

Abstract and Figures

Durch die Anwendung von niederenergetischem, gepulstem Ultraschall kann die Knochenheilung beschleunigt werden. Die vorliegende Arbeit soll einen Überblick über die klinischen Anwendungsmöglichkeiten von niederenergetischem, gepulstem Ultraschall bei Störungen der knöchernen Regeneration und über die wissenschaftlichen Grundlagen zum Wirkmechanismus des Verfahrens geben. Dabei werden neben Erfahrungen aus der Literatur auch eigene experimentelle Resultate und klinische Behandlungsergebnisse mitberücksichtigt. Die präsentierten Ergebnisse belegen den stimulierenden Effekt von niederenergetischem, gepulstem Ultraschall auf die Frakturheilung. Insbesondere in Grenzsituationen wie der Kallusdistraktion und der Therapie von Pseudarthrosen erscheint uns deshalb der klinische Einsatz des Verfahrens als gerechtfertigt.
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Wirkung von Ultraschall
auf die Knochenheilung
Durch Ultraschall kann die Knochenhei-
lung po sitiv beeinflu sst werden [3, 6,9, 11,
13, 15,16, 17,19]. Die erzeugten Schallwellen
breiten sich im Gewebe in Form von
Druckwellen aus [23], und die durch die
Schallwellen erzeugte mikromechanische
Kraft wirkt auf den Knochen und das
umliegende Gewebe. Auf diese Weise kön-
nen nach dem Prinzip der Mechanotrans-
duktion biochemische Veränderungen auf
zellulärer Ebene hervorgerufen werden
[1].
Erste experimentelle Arbeiten [7,9]
konnten einen Wachstums- und Diffe-
renzierungsreiz des gebildeten Kallusge-
webes bei der Frakturheilung unter dem
Einfluss von Ultraschall nachweisen. His-
tologisch zeigt sich eine schnellere Diffe-
renzierung des Kallus, was sich in einem
frühzeitigen Auftreten von gerichteten
Kollagenfasern und einer beschleunigt
ablaufenden Mineralisierung widerspie-
gelt.Auch die mechanische Festigkeit des
gebildeten Knochengewebes wird in der
Frakturzone signifikant gesteigert [8].
Heilungsstimulation
S.A.Esenwein1· K.F. Hopf1· M.Dudda1· A. Pommer2· F.Kutscha-Lissberg1· G. Muhr1
1Chirurgische Klinik mit Poliklinik,BG Kliniken Bergmannsheil, Ruhr-Universität Bochum
2Klinik für Unfall- und Wiederherstellungschirurgie,Helios Klinikum Wuppertal,
Universität Witten-Herdecke
Niederenergetischer,
gepulster Ultraschall
zur Beeinflussung der
Knochenregeneration
Klinische Anwendung und wissenschaftliche
Grundlagen
Klinisch wurde die adjuvante Ultra-
schallbehandlung frischer und verzögert
heilender Knochenbrüche bereits früh-
zeitig angewandt. Schon 1990 berichtete
Knoch [10] über 20-jährige Erfahrungen
an 2500 mit Ultraschall behandelten Pa-
tienten. In allen Fällen wurde mit einem
relativ hoch dosierten und kontinuierli-
chen Ultraschallsignal (Frequenz 800 kHz,
Intensität 0,1–0,5 W/cm2) gearbeitet, wel-
ches zu einem Temperaturanstieg im um-
liegenden Gewebe führt und bei lokaler
Applikation von länger als 3 min die Ge-
fahr von Hitzenekrosen mit sich bringt. Um
diesen Effekt der Gewebeerwärmung und
somit die Gefahr von Hitzenekrosen auch
bei längerer Anwendungsdauer zu mini-
mieren, wurde zwischenzeitlich ein Sys-
tem entwickelt, welches ein niederener-
getisches, gepulstes Signal verwendet [3].
Niederenergetischer,
gepulster Ultraschall
Niederenergetischer,gepulster Ultraschall
wird seit 1983 zur Beschleunigung der
Frakturheilung eingesetzt.Vorausgegan-
gene tierexperimentelle Studien zeigten,
dass die Knochenheilung auch durch die-
ses Verfahren beschleunigt wird und es
zu einer vermehrten Kallusbildung kommt
[3]. Das Verfahren besitzt in den Vereinig-
ten Staaten von Amerika seit dem 17.10.1994
die Zulassung der Food and Drug Admi-
nistration (FDA),nachdem dessen stimu-
lative Eigenschaften bei der Knochen-
bruchheilung und der Therapie von Pseud-
arthrosen in 2 prospektiven,doppelblin-
den und randomisierten Studien am Men-
schen [6, 11] nachgewiesen werden konn-
ten. Bei den beiden zitierten Studien
wurde eine tägliche Behandlungszeit von
20 min eingehalten und mit einem nieder-
energetischen, gepulsten Ultraschallsig-
nal (Frequenz 1,5 MHz, gepulst mit 1 kHz,
Signallänge 200 ms, Leistung 117 mW;
Intensität 30 mW/cm2) gearbeitet. Die
Eigenschaften des angewandten nieder-
energetischen, gepulsten Ultraschall-
signals lagen dabei im Bereich der als
sicher geltenden diagnostischen Anwen-
dungen.
Ein kommerzielles Gerät mit entspre-
chenden physikalischen Parametern wird
seit geraumer Zeit von der Industrie
(Smith & Nephew GmbH,Produktbereich
Trauma und Berufskrankheit · Supplement 3 ·
2004
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S351
Trauma Berufskrankh 2004 · 6 [Suppl 3] : S351–S356
DOI 10.1007/s10039-003-0722-3
Online publiziert: 30. April 2003
© Springer-Verlag 2003
Heilungsstimulation
Exogen,22869 Schenefeld, Deutschland)
angeboten. Zur wirksamen Behandlung
muss der Schallkopf des Geräts über der
Defektzone zu liegen kommen,was vor
Behandlungsbeginn unter Durchleuch-
tung festgelegt und auf der Haut des Pa-
tienten markiert wird. Nach Geräteein-
weisung führen die Patienten dann die
Behandlung selbstständig zu Hause durch.
Im Folgenden soll ein Überblick über
die klinische Anwendung von nieder-
energetischem, gepulstem Ultraschall bei
Störungen der knöchernen Regeneration
und über die wissenschaftlichen Grund-
lagen zum Wirkmechanismus des Ver-
fahrens gegeben werden. Dabei werden
die eigenen Behandlungsergebnisse mit-
berücksichtigt.
Klinische Anwendungen
von niederenergetischem,
gepulstem Ultraschall
Durch die Anwendung von niederener-
getischem, gepulstem Ultraschall konnte
in klinischen und experimentellen Stu-
dien eine Verbesserung der Frakturhei-
lung na chgewiesen werden [2,3, 6,11, 13, 14,
15, 17].Dabei konnte eine Verkürzung der
Heilungszeit von bis zu 38% im Vergleich
zu unbehandelten Patienten belegt wer-
den.
Anwendungen
bei gestörter Frakturheilung
In einer prospektiv konsekutiven Anwen-
dungsbeobachtung wiesen Mayr et al. [17]
die Wirksamkeit von niedrig intensivem,
gepulstem Ultraschall zur Behandlung
von Frakturheilungsstörungen nach. 100
Patienten wurden in die Studie einge-
schlossen. In 64 Fällen lag ein Fraktural-
ter von über 120 Tagen und in 36 Fällen
ein Frakturalter von über 240 Tagen zu-
grunde. In allen Fällen wurde die Ultra-
schalltherapie als Alternative zu der an-
sonsten als indiziert angesehenen opera-
tiven Therapie der Frakturheilungsstö-
rung durchgeführt.
Insgesamt konnte bei dem oben ge-
nannten Patientenkollektiv mit gestör-
terFrakturheilung (verzögerte Knochen-
bruchheilung bzw. Pseudarthrosenbil-
dung) eine Heilungsrate von 86% unter
Anwendung von niederenergetischem,
gepulstem Ultraschall erreicht werden.
Auch die eigenen klinischen Behand-
lungsergebnisse an bisher 14 Patienten
außerhalb einer Studie zeigten die Wirk-
samkeit der Ultraschallbehandlung bei
der Pseudarthrosentherapie (Abb. 1).
Anwendungen
bei frischen Skaphoidfrakturen
Bei der Behandlung von frischen Ska-
phoidfrakturen konnte im Rahmen einer
prospektiv randomisierten Untersuchung
an 30 Patienten ebenfalls eine Verkürzung
der Heilungszeit durch niederenergeti-
schen, gepulsten Ultraschall belegt wer-
den [15]. Die Heilungszeit der Frakturen
verkürzte sich von 62±19,2 Tagen in der
unbehandelten Gruppe auf 43,2±10,9 Tage
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Trauma und Berufskrankheit · Supplement 3 ·
2004
S352
Abb. 1a–c 36-jähriger männlicher Patient,subtrochantere Femurfraktur mit großer medialseitiger
Defektzone,auswär tige primäre osteosynthetische Versorgung mittels Gleitnagel nach Friedl,15 Ta-
ge nach Erstoperation Zuweisung bei bestehender Frakturdehiszenz und vorliegender Außenrota-
tionsstellung von 20°; im Verlauf 3-malige Reosteosynthese mit mehrfacher Spongiosaplastik auf-
grund wiederholtem Osteosyntheseversagen notwendig,zuletzt mit Ausriss der zuvor eingebrach-
ten breiten 10-Loch-LCDC-Platte. aVersorgungsergebnis nach letzter Operation. bAusbildung einer
Pseudarthrose 6 Monate nach dem letzten chirurgischen Eingriff. Die Indikation zur Durchführung
der Therapie mittels niederenergetischem,gepulstem Ultraschall wird gestellt. cAusheilungsergeb-
nis nach 4-monatiger Therapie mittels niederenergetischem,gepulstem Ultraschall. Knöcherne Kon-
solidierung unter schmerzfreier Vollbelastung der betroffenen Extremität ist gegeben
in der Ultraschallgruppe. Die mittels sagit-
talen computertomographischen Schnitt-
bildaufnahmen ermittelte Durchbauung
der Frakturzone zeigte 4, 6 und 8 Wochen
nach dem Unfall einen signifikanten Vor-
teil (p<0,05) der mit Ultraschall behan-
delten Patienten.
Unterstützung der Regeneratreifung
bei der Kallusdistraktion
Eine weitere Herausforderung für den
Einsatz von Ultraschall stellt die Unter-
stützung der Regeneratreifung bei der
Kallusdistraktion dar [4, 23].Im Rahmen
einer prospektiven,randomisierten Studie
an der Klinik des Erstautors wurden bis-
her 32 Patienten mit Distraktionskortiko-
tomien >4 cm nachuntersucht, um fest-
zustellen, ob sich bei der Kallusdistrak-
tion eine Stimulation der Regeneratbil-
dung und -reifung durch die Anwendung
von niederenergetischem, gepulstem Ul-
traschall erzielen lässt.
Beide Patientengruppen (mit und ohne
Anwendung von Ultraschall) waren hin-
sichtlich ihrer demographischen Daten
vergleichbar. Die durchschnittliche Trans-
portstrecke betrug in der Ultraschall-
gruppe 74 mm und in der Kontrollgrup-
pe 75 mm. Die Indikation zur Kallusdis-
traktion ergab sich in 9 Fällen bei primä-
rem Substanzdefekt nach Fraktur der
unteren Extremität,bei 23 Patienten wurde
eine Segmentresektion zur Therapie einer
vorbestehenden Osteitis durchgeführt.
16 von 32 Patienten führten eigenständig
nach Geräteeinweisung durch den behan-
delnden Arzt während 20 min täglich eine
Therapie mittels niederenergetischem,
gepulstem Ultraschall über der Regene-
ratzone durch.
Die Qualität des gebildeten Regenerats
wurde sonographisch und radiologisch
in 2- bis 4-wöchigen Abständen im Rah-
men der ambulanten Wiedervorstellung
der Patienten beurteilt.Ferner wurde die
Kallusdichte in den standardisierten Rönt-
genaufnahmen mittels digitaler Bildana-
lyse gemessen. Die statistische Auswer-
tung der ermittelten radiologischen Dich-
tewerte innerhalb der Regeneratstrecke
erfolgte mittels ANOVA-Varianzanalyse.
Endpunkt der Studie waren die Trans-
portzeit sowie die Behandlungszeit bis zur
Fixateurentfernung.
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Zusammenfassung · Abstract
Trauma Berufskrankh 2004 · 6 [Suppl 3] : S351–S356
DOI 10.1007/s10039-003-0722-3
© Springer-Verlag 2003
S. A.Esenwein · K. Friedemann Hopf · M.Dudda · A. Pommer · F. Kutscha-Lissberg · G. Muhr
Niederenergetischer,gepulster Ultraschall
zur Beeinflussung der Knochenregeneration.
Klinische Anwendung und wissenschaftliche Grundlagen
Zusammenfassung
Durch die Anwendung von niederenergetischem,
gepulstem Ultraschall kann die Knochenheilung
beschleunigt werden.Die vorliegende Arbeit soll
einen Überblick über die klinischen Anwendungs
-
möglichkeiten von niederenergetischem,gepuls-
tem Ultraschall bei Störungen der knöchernen
Regeneration und über die wissenschaftlichen
Grundlagen zum Wirkmechanismus des Verfah-
rens geben.Dabei werden neben Erfahrungen
aus der Literatur auch eigene experimentelle
Resultate und klinische Behandlungsergebnisse
mitberücksichtigt.Die präsentier ten Ergebnisse
belegen den stimulierenden Effekt von nieder-
energetischem,gepulstem Ultraschall auf die
Frakturheilung.Insbesondere in Grenzsituationen
wie der Kallusdistraktion und der Therapie von
Pseudarthrosen erscheint uns deshalb der klini-
sche Einsatz des Verfahrens als gerechtfertigt.
Schlüsselwörter
Gepulster Ultraschall · Kallusdistraktion ·
Extremitätenverlängerung ·
Frakturheilungsstörung · Pseudarthrose
Bone healing can be accelerated by the use of
low-intensity,pulsed ultrasound.This article
offers an overview of the possibilities for its clini-
cal application as well as its scientific basics as
far as its effect mechanism is concerned.Apart
from experiences cited in the literature, our own
experimental and clinical treatment results are
also demonstrated.The results presented show a
stimulatory effect of low-intensity,pulsed ultra-
sound on fracture healing.In our opinion, the
clinical application of low-intensity,pulsed ultra-
sound is indicated especially in borderline situa-
tions such as callus distraction and the therapy
of pseudarthrosis.
Keywords
Pulsed ultrasound · Callus distraction ·
Limb lengthening · Delayed fracture healing ·
Pseudarthrosis
Low-intensity,pulsed ultrasound and its influence on bone regeneration.
Clinical results and scientific background
Abstract
Heilungsstimulation
Die mittels digitaler Bildanalyse der
standardisierten Röntgenaufnahmen er-
mittelte radiologische Kallusbildung zeig-
te im zeitlichen Verlauf eine signifikant
raschere Mineralisation (ANOVA, p<0,01)
in der Ultraschallgruppe (Abb. 2). Die
sonographischen Kontrolluntersuchun-
gen erlaubten eine gute Kontrolle in der
Frühphase der Kallusbildung, insbeson-
dere waren Störungen der Regeneratbil-
dung re chtzeitig sichtbar. In beiden Grup-
pen kam es bei jeweils 1 Patienten zum
Regeneratversagen, sodass nach Trans-
portabschluss eine Spongiosaplastik mit
additiver Plattenosteosynthese erforder-
lich war.Je 1-mal pro Gruppe wurde eine
Unterschenkelamputation vorgenommen,
welche in einem Fall aufgrund des Rezi-
divs einer Osteitis im Dockingbereich mit
therapieresistentem Infekt und im an-
deren Fall aufgrund eines chronischen
Weichteildefekts am distalen Unterschen-
kel notwendig war.
Wissenschaftlicher Hintergrund
Studienergebnisse
Der zellbiologische Wirkmechanismus
des Ultraschalls auf die Knochenneubil-
dung ist noch nicht vollständig geklärt
und wird derzeit in weiterführenden
Unte rsuchun gen e rforscht.Vorausgegan-
gene Studien [21] konnten die Stimula-
tion der enchondralen Ossifikation von
fetalen Mäusemetatarsalia zeigen. In der
ultraschallbehandelten Gruppe fanden
sich ein signifikant positiver Einfluss auf
die Länge der verknöcherten Diaphyse
und eine vermehrte Bildung von hyper-
trophem, teilweise verkalktem Knorpel.
Eine mögliche Erklärung für diesen Effekt
wäre die Stimulation der Osteoblasten-
aktivität und/oder deren Differenzierung,
wodurch es zu einer Längenzunahme des
verknöcherten diaphysären Anteils kommt.
Aufgrund von Genexpressionsanalysen
wiesen Yang et al. [30] nach, dass nieder-
energetischer, gepulster Ultraschall ins-
besondere die enchondrale Ossifikation
stimuliert.
Parvizi et al. [22] zeigten in einer Stu-
die an aus Femurkondylen neugeborener
Ratten isolierten Chondrozyten einen
Effekt von niederenergetischem,gepuls-
tem Ultraschall. Unter Anwendung des
Verfahrens öffneten sich die membran-
ständigen Kalziumkanäle der Zellen. Die
Änderung der intrazellulären Kalzium-
konzentration war dabei von der Inten-
sität des Ultraschallsignals abhängig. Der
Kalziumeinstrom beeinflusste die enzy-
matische Aktivität der Zellen und führte
zu einer Synthesesteigerung von spezifi-
schen Matrixproteinen [29].
Schmelz [25] stellte in vitro an huma-
nen Fibroblasten- und Osteoblastenpo-
pulationen einen proliferationsfördern-
den Effekt von niederenergetischem, ge-
pulstem Ultraschall fest. Auch Sun et al.
[26] wiesen in vitro einen stimulierenden
Effekt der Ultraschallbehandlung auf
Knochenzellen nach. An Osteoblasten, die
aus Calvarien neugeborener Ratten iso-
liert wurden, erfolgte ab dem 4. Tag für
20 min täglich die Applikation von nieder-
energetischem, gepulstem Ultraschall
während einer Gesamtversuchsdauer von
10 Tagen.Bei der nach 10 Tagen durchge-
führten Zellzahlbestimmung fand sich
eine signifikante Zunahme der Osteo-
blastenpopulation im Vergleich zur Zell-
zahl in der unbehandelten Kontrollgrup-
pe. Ferner war die alkalische Phosphata-
se als Leitenzym der Knochenneubildung
nach 7-tägiger Ultraschallstimulation im
Kulturmedium signifikant angestiegen
[26].
Einzelne, nicht systematische In-vitro-
Studien an Osteoblastenkulturen zeigten
die Expression spezifischer, lokal im Kno-
chen wirkender Wachstumsfaktoren wie
IGF-I oder TGF-b[20, 24, 28] nach Sti-
mulation mit niederenergetischem, gepuls
-
tem Ultraschall. Dabei vermitteln diese
Wachs t um sfaktoren ihre Effekte über spe-
zifische Rezeptorenkomplexe [18].
Eigene Untersuchungen
In eigenen experimentellen Studien an
der Abteilung für Chirurgische Forschung
der BG Kliniken Bergmannsheil wurden
humane osteoblastäre Zelllinien (MG-63
und SAOS-2) hinsichtlich der Synthese
osteotropher Zytokine (IL-6, IL-11) unter
dem Einfluss von niederenergetischem,
gepulstem Ultraschall (Frequenz 1,5 MHz,
gepulst mit 1 kHz, Signallänge 200 ms,
Leistung 117 mW; Intensität 30 mW/cm2)
in vitro untersucht [5].Anhand einer dis-
tinkten Zytokinsynthese konnte die ultra-
schallvermittelte Zellaktivierung nachge-
wiesen werden.So wurde in den SAOS-2-
und MG-63-Kulturen die Freisetzung von
IL-6 bzw.IL-11 (spontan und induziert
durch bFGF,VEGF, IL-1b,TNF-a) durch
die Behandlung mit niederenergetischem,
gepulstem Ultraschall unterschiedlich
stark moduliert. Während die Synthese
von IL-6 aus MG-63 bei Zugabe von FGF
durch niederenergetischen, gepulsten
Ultraschall positiv beeinflusst wurde, war
die IL-11-Synthese aus SAOS-2 unter Zu-
gabe von VEGF und IL-1berhöht. Diese
Ergebnisse weisen auf den stimulieren-
den Effekt von niederenergetischem,
gepulstem Ultraschall auf humane osteo-
blastäre Zelllinien in vitro hin.
Experimentelle Studien in vivo
Mayr [13] und Mayr et al. [16] untersuch-
ten an 18 erwachsenen Merinoschafen,
inwieweit die tägliche Anwendung von
niedrig intensivem Ultraschall für 20 min
zu einer beschleunigten Regeneratreifung
nach Kallusdistraktion führt [13, 16].Hier-
zu wurde am rechten Metatarsus der Tiere
ein Segmenttransport (Latenz: 4 Tage,Dis-
traktionsgeschwindigkeit 1,0 mm/Tag)
durchgeführt. Nach Abschluss der 21-tägi-
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Trauma und Berufskrankheit · Supplement 3 ·
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Abb. 2 Graphische Dar-
stellung der radiologi-
schen Dichte des Regene-
rats nach Kallusdistrak-
tion im zeitlichen Verlauf
(aus Pommer u.Muhr
[23]). Dargestellt sind die
jeweils 5 ersten Patienten
einer Gruppe aus unserer
Klinik (mit/ohne Ultra-
schallbehandlung), fett
Mittelwerte der jeweili-
gen Gruppe
gen Distraktionsphase erfolgte während
der 63-tägigen Reifungsphase bei der
lfte der Versuchstiere die Behandlung
mittels niedrig intensivem Ultraschall für
20 min täglich. In den zum Zeitpunkt des
Ve r s u c h s e n d e s am 84. Tag angefertigten
hoch auflösenden Röntgenaufnahmen
fand sich bei Mayr et al. [16] sowohl für
die Reifung als auch für die Menge an
gebildetem Kallus ein deutlicher Vorteil
zugunsten der Ultraschallgruppe. Com-
putertomographisch ließ sich bei den Tie-
ren der Ultraschallgruppe ein signifikant
höherer Mineralgehalt im gesamten Rege-
nerat nachweisen. Die axiale Steifigkeit
des neu entstandenen Knochens zeigte
mit 6941±961 N/mm vs. 2942±1913 N/mm
ebenfalls einen signifikanten Vorteil zu-
gunsten der stimulierten Tiere [13].Die
quantitative histologische Auswertung des
am 49. postoperativen Tag fluoreszenz-
markierten Kallusgewebes zeigte bereits
zu diesem Zeitpunkt bei den mit Ultra-
schall behandelten Tieren eine Minerali-
sation von 65–70% im Vergleich zu 25–
30% bei den Kontrolltieren,sodass auf-
grund der von Mayr [13] und Mayr et al.
[16] publizierten tierexperimentellen Er-
gebnisse auf eine beschleunigte Regene-
ratreifung nach Kallusdistraktion durch
die tägliche Anwendung von niederener-
getischem, gepulstem Ultraschall ge-
schlossen werden kann.
Tis et al. [27] untersuchten im Rahmen
einer tierexperimentellen Studie an Ka-
ninchen den Einfluss der Therapie mittels
niedrig intensivem,gepulstem Ultraschall
auf die Regeneratreifung nach Distrak-
tionsosteogenese. Nach Osteotomie der
Tibia im mittleren Drittel wurde bei
26 adulten Neuseeländer Kaninchen ein-
seitig ein Fixateur externe von anterome-
dial an die Tibia angebracht.Nach einer
Latenzzeit von 7 Tagen wurde mit jeweils
0,5 mm alle 12 h distrahiert. Nach 10 Tagen
wurde die Distraktion abgeschlossen und
bei 13 Tieren mit der Therapie mit nieder-
energetischem, gepulstem Ultraschall be-
gonnen. Über eine Zeitdauer von 20 Tagen
wurde 1-mal täglich für 20 min mit nieder-
energetischem, gepulstem Ultraschall
behandelt. Nach Abschluss des Versuchs
am 37. postoperativen Tag wurden die
Regenerate ausgewertet. Radiologisch
fand sich in der Behandlungsgruppe 1, 2
und 3 Wochen nach Distraktionsende eine
signifikant vermehrte Kallusbildung im
Ve r g l e i c h zur Kontrollgruppe (p<0,01;
p<0,008 bzw. p<0,05). Histomorphome-
trisch konnten die Autoren [27] signifi-
kant weniger bindegewebi ge Anteile und
vermehrt Knochen in den Regeneraten
der Ultraschallgruppe im Vergleich zu
denjenigen der unbehandelten Tiere nach-
weisen (p<0,05).
Nach Machen et al. [12] ist für eine adä-
quate Regeneratqualität unter dem Ein-
fluss von niederenergetischem,gepulstem
Ultraschall eine relativ rigide Montage des
zur Kallusdistraktion angewandten Fixa-
teursystems erforderlich. Die genannten
Autoren konnten tierexperimentell an
20 adulten Neuseeländer Kaninchen zei-
gen, dass es bei einem entsprechend
gewählten Fixateursystem und daraus
resultierender wenig rigider biomecha-
nischer Situation durch die Stimulation
mit niederenergetischem, gepulstem Ul-
traschall zu einer vermehrten Knorpel-
bildung und zu einer biomechanisch
unterlegenen Kallusbildung im Vergleich
zur unbehandelten Kontrolle kommt.
Resümee bisheriger Ergebnisse
Zusammenfassend lassen die bisherigen
experimentellen Studien erkennen, dass
es auch zukünftig notwendig sein wird,
die Mechanismen der Knochenneubil-
dung unter dem Einf luss von niederener-
getischem, gepulstem Ultraschall weiter
zu erforschen, um die klinische Anwen-
dung des Verfahrens in Zukunft noch ef-
fektiver gestalten zu können.Aus diesem
Grund wird der Forschung auf dem Gebiet
der Mechanotransduktion an den an der
Knochenregeneration beteiligten Zellpo-
pulationen weiterhin eine wesentliche Be-
deutung zukommen.
Diskussion
Unter Berücksichtigung der eigenen posi-
tiven Erfahrungen mit niederenergeti-
schem, gepulstem Ultraschall und der be-
richteten Ergebnisse in der wissenschaft-
lichen Literatur halten wir die vorgestell-
te Therapieform für eine viel versprechen-
de Alternative bzw. für ein sinnvolles Adju-
vans zur Behandlung von Frakturheilungs-
störungen und zur Verkürzung der Rege-
neratreifung bei der Kallusdistraktion.
Es bleibt zu hoffen, dass künftig der
Stellenwert der Therapie mit niederener-
getischem, gepulstem Ultraschall auch auf
breiter Basis erkannt wird. Derzeit besteht
bei der gesetzlichen Krankenversicherung
(GKV) im Regelfall eine ablehnende Hal-
tung im Hinblick auf die Übernahme der
Therapiekosten.Durch den Bundesaus-
schuss der Ärzte und Krankenkassen wur-
de mit Wirkung vom 22.3.2000 beschlos-
sen, die Therapie mit niederenergeti-
schem, gepulstem Ultraschall in die Richt-
linien über die Bewertung ärztlicher
Untersuchungs- und Behandlungsmetho-
den gemäß §135 Abs. 1 SGB V (BUB-Richt
-
linien) als Methode aufzunehmen, die
nicht als vertragsärztliche Leistung zu Las-
ten der Krankenkassen erbracht werden
darf (Anlage B der BUB-Richtlinien in der
Fassung vom 10.12.1999). Begründet
wurde die Vorgehensweise des Bundes-
ausschusses der Ärzte und Krankenkas-
sen zum damaligen Zeitpunkt mit der
Auffassung, dass keine ausreichenden,
wissenschaftlich belegten Erkenntnisse
über die medizinische Wirksamkeit und
den Nutzen der Methode vorliegen wür-
den. Die Ergebnisse der beiden prospek-
tiven, doppelblinden Studien [6, 11],wel-
che die stimulativen Eigenschaften von
niedrigdosiertem, gepulstem Ultraschall
bei der Knochenbruchheilung und der
Therapie von Pseudarthrosen am Men-
schen belegen konnten und die in den Ver-
einigten Staaten von Amerika zur Zulas-
sung des Verfahrens durch die FDA führ-
ten, wurden dabei nicht als hinreichend
beweiskräftig erachtet oder nicht zur
Kenntnis genommen.
Um den Forderungen der gesetzlichen
Krankenkassen in Bezug auf die zukünf-
tige Übernahme der Therapiekosten mit
niederenergetischem, gepulstem Ultra-
schall gerecht zu werden,wird derzeit in
Deutschland eine randomisierte, kon-
trollierte,doppelblinde Multizenterstudie
zur Wirksamkeit und Verträglichkeit von
niederenergetischem, gepulstem Ultra-
schall bei verzögerter Frakturheilung am
Unterschenkel durchgeführt. Eingeschlos-
sen in die Studie werden volljährige Pa-
tienten mit einer verzögerten Frakturhei-
lung der Tibia im mittleren oder distalen
Schaftdrittel, die mit Marknagel oder Plat-
tenosteosynthese versorgt wurden und
mindestens 4 Monate nach der Fraktur
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Heilungsstimulation
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bzw.dem letzten chirurgischen Eingriff
keine komplette Durchbauung der Frak-
turzone, eine verminderte Kallusbildung
bzw.ty pische Zeichen einer hypertrophen,
athrophen oder hypothrophen Pseud-
arthrose aufweisen. Für Patienten,welche
die geschilderten Einschlusskriterien er-
llen, besteht zurzeit noch die Möglich-
keit zur Teilnahme an dieser Studie.
Die Frage nach der Notwendigkeit
einer solchen klinischen Doppelblind-
studie bleibt aber nicht unumstritten,
gerade dann, wenn experimentelle Befun-
de deutliche Unterschiede zwischen der
Behandlungs- und der Kontrollgruppe er-
kennen lassen.
Bei der Kallusdistraktion ist die Durch-
führung einer Doppelblindstudie mit
2 vergleichbaren Gruppen (randomisiert
und prospektiv) selbst im Rahmen von
Multizenterstudien nahezu unmöglich, da
durch die eingeschränkte Fallzahl, die
unterschiedlichen Verletzungsmuster, die
differierenden Ausgangsbefunde und das
unterschiedliche Alter der behandelten
Patienten nur schwer direkt vergleichba-
re Ergebnisse zu erwarten sind.
Hinweise für die Praxis
Zusammenfassend halten wir unter Berück-
sichtigung der eigenen positiven Erfahrun-
gen mit niederenergetischem, gepulstem
Ultraschall und der berichteten Ergebnisse in
der wissenschaftlichen Literatur die vorge-
stellte Therapieform für eine mögliche, viel
versprechende Alternative bzw. für ein sinn-
volles Adjuvans zur Behandlung von Fraktur-
heilungsstörungen und zur Verkürzung der
Regeneratreifung bei der Kallusdistraktion.
Bei der breiten oder generellen Anwen-
dung erscheint trotz der positiven Einschät-
zung zur Wirksamkeit des Ver fahrens aber
Skepsis geboten, weil ökonomische Aspekte
bei der Therapieplanung ebenso in Betracht
gezogen werden müssen,wie die mögliche
Belastung des behandelten Patienten.Im Fall
einer unzureichenden Wirksamkeit kann es
sonst zu Verzögerungen bei der Einleitung
einer notwendigen operativen Behandlung
und zu Schwierigkeiten bei der Steuerung
des Heilverfahrens kommen. Eine fortwäh-
rende Überprüfung des Behandlungsverlaufs
und der Indikation ist daher in jedem Fall
unverzichtbar.Außerdem muss vor der Emp-
fehlung zum Einsatz von niederenergeti-
schem, gepulstem Ultraschall eine über-
schlagsmäßige Kosten-Nutzen-Analyse erfol-
gen [13]. Im Fall von frischen, unkomplizier-
ten Frakturen halten wir den Einsatz des Ver-
fahrens trotz nachgewiesener Verkürzung der
Heilungszeit [6, 11] im Regelfall für nicht
gerechtfertigt, da bei knapper werdenden
Ressourcen der Kostenträger im Gesundheits-
wesen ökonomische Gesichtspunkte dage-
gen sprechen.
Korrespondierender Autor
Dr.S.A. Esenwein
Chirurgische Klinik mit Poliklinik,
BG Kliniken Bergmannsheil,
Ruhr-Universität Bochum,
Bürkle-de-la-Camp-Platz 1,44789 B ochum,
E-Mail: Stefan.A.Esenwein@ruhr-uni-bochum.de
Literatur
1. Buckley MJ, Banes AJ, Levin LG,Sumpio BE, Sato M,
Jordan R,Gilber t J,Link GW,Tan Son Tay R (1988)
Osteoblasts increase their rate of division and align in
response to cyclic,mechanical tension in vitro. Bone
Miner 4: 225–236
2. Cook SD, Ryaby JP, McCabe J,Frey JJ, Heckman JD (1997)
Acceleration of tibia and distal radius fracture healing
in patients who smoke.Clin Orthop 337: 198–207
3. Duarte LR (1983) The stimulation of bone growth by
ultrasound.Arch Orthop Trauma Surg 101: 153–159
4. Esenwein SA, Hopf F,Pommer A, Kutscha-Lissberg F,
Kollig E,Muhr G (2001) Die Anwendung von nieder-
energetischem,gepulstem Ultraschall im Falle des dro-
henden Regeneratversagens bei der Kallusdistraktion –
klinische Ergebnisse.Hefte Unfallchirurg 283: 236–237
5. Esenwein SA, Hering S,Muhr G, Hopf F,Kutscha-Lissberg
F, Köller M (2003) Einfluss von niederenergetischem,
gepulstem Ultraschall auf osteoblastäre Zelllinien
unterschiedlicher Herkunft in vitro.Publikation in
Vorbereitung
6. Heckman JD, Ryaby JP, McCabe J,Frey JJ, Kilcoyne RF
(1994) Acceleration of tibial fracture-healing by non-
invasive,low-intensity pulsed ultrasound. J Bone Joint
Surg 76-A: 26–34
7. Klug W (1983) Stimulierung der Knochenbruchheilung
durch Ultraschall.Tierexperimentelle Studie. Beitr
Orthop Traumatol 30: 670–680
8. Klug W,Knoch HG (1986) Durch biophysikalische Unter-
suchungen Quantifizierung der Knochenbruchheilung
nach Ultraschallstimulation von distalen Radiusfrak-
turen.Beitr Or thop Traumatol 33: 384–391
9. Knoch HG (1967) Der Einfluss von Nieder- und Hoch-
frequenzschwingungen auf das Kallusgewebe im Tier-
experiment.Zentralbl Chir 92: 1784–1799
10. Knoch HG (1990) Knochenbruchheilung mit Ultraschall.
Springer,Berlin Heidelberg New York
11. Kristiansen TK, Ryaby JP, McCabe J,Frey JJ, Roe LR (1997)
Accelerated healing of distal radial fractures with the
use of specific,low-intensity ultrasound. A multicenter,
prospective,randomized,double-blind,placebo-con-
trolled study.J Bone Joint Surg 79-A: 961–973
12. Machen MS, Tis JE,Inoue N, Meffert RH, Chao EY, McHale
KA (2002) The effect of low intensity pulsed ultrasound
on regenerate bone in a less-than-rigid biomechanical
environment.J Biomed Mater Res 12: 239–247
13. Mayr E (2001) Niedrigintensive Ultraschallbehandlung
bei Frakturheilungsproblemen.Trauma Berufskrankh
[Suppl 2] 3: 276–279
14. Mayr E, Wagner S, Ecker M,Rüter A (1999) Die Ultra-
schalltherapie bei Pseudarthrosen – 3 Fallbeschreibun-
gen.Unfallchirurg 102: 191–196
15. Mayr E, Rudzki M,Borchard B, Rüter A (2000) Beschleu-
nigt niedrig intensiver,gepulster Ultraschall die Heilung
von Skaphoidfrakturen? Handchir Mikrochir Plast Chir
32: 115–122
16. Mayr E, Laule A,Suger G, Rüter A, Claes L (2001) Radio-
graphic results of callus distraction aided by pulsed
low-intensity ultrasound.J Orthop Trauma 15: 407–414
17. Mayr E, Möckl C,Lenich A, Ecker M,Rüter A (2002) Ist
niedrig-intensiver Ultraschall bei der Behandlung von
Frakturheilungsstörungen wirksam? Unfallchirurg 105:
108–115
18. Miyazono K, Kusanagi K,Inoue H (2001) Divergence and
convergence of TGF-beta/BMP signaling.J Cell Physiol
187: 265–276
19. Muhr G (1998) Pseudarthrosentherapie mit Exogen-
Ultraschall.Rundschreiben des Landesverbandes
Rheinland-Westfalen der gewerblichen Berufsgenos-
senschaften an die Unfallversicherungsträger Nr.14/98
vom 1.9.1998.Landesverband Rheinland-Westfalen der
gewerblichen Berufsgenossenschaften,Düsseldor f
20. Naruse K, Mikuni-Takagaki Y,Azuma Y,Ito M, Oota T,
Kameyama K,Itoman M (2000) Anabolic response of
mouse bone-marrow-derived stromal cell clone ST2
cells to low-intensity pulsed ultrasound.Biochem Bio-
phys Res Commun 268: 216–220
21. Nolte PA,Klein-Nulend J, Albers GH, Marti RK,S emeins
CM, Goei SW,Burger EH (2001) Low-intensity ultra-
sound stimulates endochondral ossification in vitro.
J Orthop Res 19: 301–307
22. Parvizi J, Wu CC,Lewallen DG Greenleaf JF,Bolander ME
(1999) Low-intensity ultrasound stimulates proteogly-
can synthesis in rat chondrocytes by increasing aggre-
can gene expression.J Or thop Res 17: 488–494
23. Pommer A, Muhr G (2001) Gepulster Ultraschall.Trauma
Berufskrankh [Suppl 1] 3: 76–79
24. Sato W,Matsushita T,Nakamura K (1999) Acceleration
of increase in bone mineral content by low-intensity
ultrasound energy in leg lengthening.J Ultrasound
Med 18: 699–702
25. Schmelz A (2001) Effect of in vitro low intensity ultra-
sound treatment in fibroblast and osteoblast prolifera-
tion.Abstrac t Book der 1st SICOT/SIROT Annual Interna-
tional Conference und XII.SICOT Trainees’Meeting in
Paris/Frankreich vom 30.8.2001–1.9.2001,Abstract 50: 10
26. Sun JS, Hong RC, Chang WH,Chen LT, Lin FH, Liu HC
(2001) In vitro effects of low-intensity ultrasound stimu-
lation on the bone cells.J Biomed Mater Res 57: 449–456
27. Tis JE, Meffert RH, Inoue N,McCarthy EF,Machen MS,
McHale KA, Chao EY (2002) The effect of low intensity
pulsed ultrasound applied to rabbit tibiae during the
consolidation phase of distraction osteogenesis.
J Orthop Res 20: 793–800
28. Warden SJ, Favaloro JM,Bennell KL, McMeeken JM, Ng
KW,Zajac JD,Wark JD (2001) Low-intensity pulsed
ultrasound stimulates a bone-forming response in
UMR-106 cells.Biochem Biophys Res Commun 286:
443–450
29. Wu CC, Lewallen DG,Bolander ME, Bronk J,Kinnick RR,
Greenleaf JF (1996) Exposure to low intensity ultra-
sound stimulates aggrecan gene expression by cul-
tured chondrocytes.Trans Orthop Res Soc 21: 622
30. Yang KH,Parvizi J, Wang SJ,Lewallen DG, Kinnick RR,
Greenleaf JF,B olander ME (1996) Exposure to low-
intensity ultrasound increases aggrecan gene expres-
sion in a rat femur fracture model.J Orthop Res 14:
802–809
... Es bleibt zu hoffen, dass künftig der Stellenwert dieser Behandlungsform auch auf breiter Basis erkannt wird. Trotz positiver Einschätzung der prinzipiellen Wirksamkeit von niederenergetischem, gepulstem Ultraschall scheint bei der breiten oder generellen Anwendung Skepsis geboten, weil ökonomische Aspekte ebenso bei der Therapieplanung in Betracht gezogen werden müssen, wie die mögliche Belastung des Patienten, da es im Fall einer unzureichenden Wirksamkeit zu Verzögerungen bei der Einleitung einer notwendigen operativen Behandlung und Schwierigkeiten bei der Steuerung des Heilverfahrens kommen kann[2]. Daher ist eine Überprüfung des bisherigen Behandlungsverlaufs und der Indikation vor Anwendung des Verfahrens in jedem Fall unverzichtbar. ...
Article
Full-text available
Low-intensity pulsed ultrasound has been proven to accelerate fracture healing both clinically and experimentally. In this study the influence of low-intensity pulsed ultrasound during distraction-osteogenesis in case of delayed callotasis was investigated. 20 patients could be included in this study. 16 patients initially were treated because of fractures of the lower leg, 2 because of fractures of the femur with resulting shortening of the afflicted limb. One patient suffered from chronic osteitis at the thigh and one from chronic osteitis at the upper arm without previous trauma. Because of delayed callotasis an adjunctive ultrasound treatment device was transcutaneously applied (frequency 1.5 MHz, signal burst width 200 microseconds, signal repetition frequency 1.0 kHz, intensity 30 mW/cm (2)) with the transducer placed at the distraction zone for 20 minutes daily. In all cases in-home treatment was performed. Evaluation was done by radiographic and sonographic controls of the distraction zone during examination of all patients at the outpatients' department every 3-4 weeks. Progress of callotasis was achieved in 15 out of 20 patients. Patients who were smokers during ultrasound therapy showed lower healing rates than those who never smoked. 2 patients suffering from osteitis of the tibia and missing callotasis had to be amputated. 3 other patients needed additional operative treatment including cancellous bone grafts because of missing new bone formation. Negative effects of low-intensity pulsed ultrasound during therapy could not be detected. We conclude that ultrasound treatment can accelerate bone maturation and formation in distraction osteogenesis, sometimes even in states of poor callotasis. It may provide a method of great promise in cases where delayed bone formation during distraction osteogenesis occurs.
Article
Studienziel: Durch die Anwendung von niederenergetischem, gepulstem Ultraschall konnte sowohl klinisch als auch experimentell eine Beschleunigung der Frakturheilung nachgewiesen werden. Ziel der Studie war es festzustellen, ob sich im Falle der zeitverzögerten Regeneratbildung bei der Kallusdistraktion durch Anwendung dieses Therapieverfahrens eine Stimulation der Knochenbildung erzielen lässt.Methodik: 20 Patienten, bei denen ein drohendes Regeneratversagen im Rahmen der Kallusdistraktion vorlag, konnten in diese Studie integriert werden. 16 Patienten wurden primär aufgrund von Unterschenkelfrakturen und 2 Patienten wegen Oberschenkelfrakturen mit resultierender Verkürzung der betroffenen Extremität behandelt. Ein Patient litt unter einer chronischen Osteitis des Unterschenkels mit Segmentresektion und eine Patientin an einer juvenilen Osteitis des Oberarmes ohne stattgehabtes Trauma. In allen Fällen wurde aufgrund zeitverzögerter Regeneratbildung eine ambulante Therapie mit niederenergetischem, gepulstem Ultraschall (Frequenz 1,5 MHz, gepulst mit 1 kHz, Signaldauer 200 µs, Intensität 30 mW/cm², Zeitdauer 20 min/täglich) durchgeführt, wobei die Platzierung des Schallkopfes über der Distraktionszone erfolgte. Die Beurteilung der Knochenneubildung erfolgte alle 3-4 Wochen in Form von sonographischen und radiologischen Kontrolluntersuchungen im Rahmen der ambulanten Wiedervorstellung der Patienten in unserer Klinik.Ergebnisse: Eine Beschleunigung der Knochenneubildung konnte bei 15 von 20 Patienten herbeigeführt werden. Raucher wiesen eine niedrigere Heilungsrate als Nichtraucher auf. Zwei Patienten, bei denen eine Osteitis der Tibia und eine ausbleibende Regeneratbildung vorlag, mussten amputiert werden. Bei 3 weiteren Patienten waren zusätzliche operative Maßnahmen einschließlich Spongiosaplastik aufgrund einer fehlenden Knochenneubildung indiziert. Ein negativer Einfluss der Therapie mit niederenergetischem, gepulstem Ultraschall konnte nicht beobachtet werden.Schlussfolgerung: Die Therapie mit niederenergetischem, gepulstem Ultraschall kann die Knochenneubildung bei der Kallusdistraktion teilweise auch in Fällen des drohenden Regeneratversagens beschleunigen. Insbesonders in kritischen Fällen stellt sie ein sinnvolles Adjuvans dar.
Article
Einleitung: Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung zur Wirksamkeit von niederenergetischem, gepulstem Ultraschall bei Distraktionsosteogenesen sollte gezeigt werden, ob sich eine Beschleunigung der Regeneratreifung durch die Behandlung mit Ultraschall erzielen lässt. Methode: Hierzu wurden 40 Patienten in einer prospektiven, randomisierten Studie mit Distraktionskortikotomien >2cm eingeschlossen. Ergebnis: Es konnte eine deutliche Verkürzung der Behandlungszeit in der Untersuchungsgruppe unter Ultraschalltherapie im Vergleich zur Kontrollgruppe gezeigt werden (Paley-Index 0,98Mo/cm vs. 1,49Mo/cm; Distraktions-Konsolidierungs-Index 29,36d/cm vs. 44,58d/cm). Die Ergebnisse zeigen einen hoch signifikanten Unterschied (p<0,05). Diskussion: Die Regeneratreifung und Mineralisation des neu gebildeten Knochengewebes wird durch die Therapie mit niederenergetischem, gepulstem Ultraschall positiv beeinflusst und die Behandlungsdauer signifikant verkürzt.
Article
Zusammenfassung Zur Beantwortung der Frage, ob niedrig intensiver Ultraschall die Frakturheilung stimuliert, wurden 3 Studien durchgeführt. Zum einen erfolgte eine prospektiv, randomisierte, klinische Monozenterstudie am stabilen Bruch durch die Taille des Skaphoids, die eine signifikante Beschleunigung der frischen Frakturheilung zeigte. Für die Situation der Kallusdistraktion wurde ein Tierexperiment durchgeführt. Hier zeigte sich eine signifikant beschleunigte Reifung des Regenerats. Im 3. Teil der Untersuchungen konnte bei 100 Frakturheilungsstörungen (36 Pseudarthrosen und 64 verzögerte Frakturheilungen) eine 86%ige Heilungsrate durch die alleinige Behandlung mit Ultraschall erzielt werden. Die vorgestellten Untersuchungen belegen den stimulierenden Effekt von niedrig intensivem Ultraschall auf die Frakturheilung. Insbesondere in Grenzsituationen scheint uns deshalb der klinische Einsatz des Verfahrens sinnvoll.
Article
Studienziel: Durch die Anwendung von niederenergetischem, gepulstem Ultraschall konnte sowohl klinisch als auch experimentell eine Beschleunigung der Frakturheilung nachgewiesen werden. Ziel der Studie war es festzustellen, ob sich im Falle der zeitverzögerten Regeneratbildung bei der Kallusdistraktion durch Anwendung dieses Therapieverfahrens eine Stimulation der Knochenbildung erzielen lässt.Methodik: 20 Patienten, bei denen ein drohendes Regeneratversagen im Rahmen der Kallusdistraktion vorlag, konnten in diese Studie integriert werden. 16 Patienten wurden primär aufgrund von Unterschenkelfrakturen und 2 Patienten wegen Oberschenkelfrakturen mit resultierender Verkürzung der betroffenen Extremität behandelt. Ein Patient litt unter einer chronischen Osteitis des Unterschenkels mit Segmentresektion und eine Patientin an einer juvenilen Osteitis des Oberarmes ohne stattgehabtes Trauma. In allen Fällen wurde aufgrund zeitverzögerter Regeneratbildung eine ambulante Therapie mit niederenergetischem, gepulstem Ultraschall (Frequenz 1,5 MHz, gepulst mit 1 kHz, Signaldauer 200 µs, Intensität 30 mW/cm², Zeitdauer 20 min/täglich) durchgeführt, wobei die Platzierung des Schallkopfes über der Distraktionszone erfolgte. Die Beurteilung der Knochenneubildung erfolgte alle 3-4 Wochen in Form von sonographischen und radiologischen Kontrolluntersuchungen im Rahmen der ambulanten Wiedervorstellung der Patienten in unserer Klinik.Ergebnisse: Eine Beschleunigung der Knochenneubildung konnte bei 15 von 20 Patienten herbeigeführt werden. Raucher wiesen eine niedrigere Heilungsrate als Nichtraucher auf. Zwei Patienten, bei denen eine Osteitis der Tibia und eine ausbleibende Regeneratbildung vorlag, mussten amputiert werden. Bei 3 weiteren Patienten waren zusätzliche operative Maßnahmen einschließlich Spongiosaplastik aufgrund einer fehlenden Knochenneubildung indiziert. Ein negativer Einfluss der Therapie mit niederenergetischem, gepulstem Ultraschall konnte nicht beobachtet werden.Schlussfolgerung: Die Therapie mit niederenergetischem, gepulstem Ultraschall kann die Knochenneubildung bei der Kallusdistraktion teilweise auch in Fällen des drohenden Regeneratversagens beschleunigen. Insbesonders in kritischen Fällen stellt sie ein sinnvolles Adjuvans dar.
Article
Nachdem in mehreren experimentellen und klinischen Studien der stimulierende Effekt von niedrig intensivem, gepulstem Ultraschall (Frequenz: 1,5 MHz, gepulst mit 1,5 kHz, Impulslänge: 200 µsec, Intensität: 30 mW/cm²) auf den Frakturheilungsprozess belegt werden konnte, stellte sich uns die Frage, ob diese Therapie auch die Heilung frischer stabiler Skaphoidfrakturen beschleunigt. Hierzu führten wir eine klinische prospektiv randomisierte Vergleichsstudie durch. Unter Berücksichtigung der klinischen Untersuchungen von Heckman sowie Kristiansen gingen wir von einer zirka 30 %-igen Beschleunigung der Frakturheilung aus. Basierend auf dieser Hypothese, berechneten wir, dass 30 Patienten, aufgeteilt in zwei Gruppen, nötig wären, um einen signifikanten Unterschied zwischen einer Standard-Therapie-Gruppe (Behandlung durch Ruhigstellung) und einer Ultraschallgruppe (Behandlung durch Ruhigstellung und zusätzliche täglich 20-minütige Ultraschallbehandlung) feststellen zu können. Diagnose und Heilungsverlauf wurden durch eine CT im zwei-wöchentlichen Abstand beurteilt. Alle CT-Untersuchungen wurden von zwei unabhängigen Radiologen und einem Handchirurgen ausgewertet. Darüber hinaus wurde in jeder CT der prozentuale Anteil der geheilten Frakturfläche an der Gesamtfrakturfläche berechnet. Die Ergebnisse zeigten, dass mit Ultraschall behandelte Frakturen nach 43,2 ± 10,9 Tagen gegenüber 62 ± 19,2 Tagen in der Kontrollgruppe heilten (p < 0,01). Der Anteil der knöchern überbrückten Frakturfläche sechs Wochen nach dem Unfall lag in der Ultraschallgruppe bei 81,2 % ± 10,4 % gegenüber 54,6 % ± 29 % in der Kontrollgruppe (p < 0,05). Die vorliegende Studie bestätigt die Ergebnisse von Heckman und von Kristiansen und zeigt eine ähnliche Beschleunigung der Heilung. Die niedrig intensive, gepulste Ultraschalltherapie eignet sich zur Beschleunigung der Heilung von frischen Skaphoidfrakturen. Summary Since pulsed low-intensity ultrasound (frequency: 1.5 MHz, pulsed by 1 kHz, signal burst width: 200 µsec, intensity: 30 mW/cm²) has been proven to stimulate fracture healing both clinically and experimentally, our question was whether this therapy also accelerates healing of fresh stable scaphoid fractures. Addressing this question, we did the following prospective randomized clinical trial. Regarding the results of former clinical fresh fracture studies by Heckman and Kristiansen, we postulated that low intensity ultrasound accelerates healing by about 30 %. Based on this thesis, we calculated that 30 patients divided into two groups would be necessary to show significant differences between the standard treatment (treated by casting) and an adjunctive ultrasound treatment (treated by casting and additional daily 20 minutes ultrasound treatment) if present. Diagnosis and healing was assessed by CT scans every two weeks. CT's were analyzed by two independent radiologists and one hand surgeon. Furthermore, areas of cancellous bone bridging in correlation to the diameter of the scaphoid was measured in each CT scan. The results showed ultrasounded fractures healing in 43.2 ± 10.9 days versus 62 ± 19.2 days in the control group (p < 0.01). Trabecular bridging six weeks after injury showed 81.2 % ± 10.4 % healed in the ultrasound-stimulated fractures versus 54.6 % ± 29 % in the control (p < 0.05). Our study results confirm those of Heckman and Kristiansen and show a similar acceleration of bone healing. Low intensity ultrasound is successful in accelerating the healing of fresh scaphoid fractures.
Article
Mechanical perturbations serve as extracellular signals to a variety of cells, including bone cells. Low-intensity pulsed ultrasound produces significant multifunctional effects that are directly relevant to bone formation and resorption. Ultrasound stimulation has been shown to accelerate bone-defect healing and trabecular bone regeneration. In this study, we use an in vitro bone cell culture model to investigate the effect of low-intensity pulsed ultrasound. The rat alveolar mononuclear cell–calvaria osteoblast coculture system was used in this study. Before treatment, the bone cells were cultured for 3 days to facilitate their attachment and differentiation. Then, ultrasound exposure (frequency = 1 MHz, intensity = 0.068 W/cm2) or sham exposure for 20 min per day was applied until the end of the experiment. Half of the culture media were obtained on the 4th, 5th, 6th, 7th, 8th, 9th, and 10th days for the analysis of cytokines and biochemical parameters. At the end of the experiment, cells were fixed and stained for identification and quantification of the osteoblast and osteoclast cells. After low-intensity pulse ultrasound stimulation, the osteoblast cell counts were significantly increased, whereas the osteoclast cell counts were significantly decreased. The total alkaline phosphatase amount in the culture medium was increased after 7 days of ultrasound stimulation, and tumor necrosis factor- in ultrasound-stimulated bone cells was significantly increased after the 7th day of culture and reached 474.77% of the control medium on the 10th day of culture. The results of this study suggest that low-intensity ultrasound treatment may have a stimulatory effect on bone-healing processes. © 2001 John Wiley & Sons, Inc. J Biomed Mater Res 57: 449–456, 2001
Article
Die vorliegende prospektiv konsekutive Studie beurteilt die Wirksamkeit von niedrig-intensivem, gepulstem Ultraschall zur Behandlung von Frakturheilungsstörungen. 86 von 100 Behandlungen konnten mit Erfolg abgeschlossen werden. Obwohl es sich bei den 100 Fällen um insgesamt 64 “delayed unions” und 36 “non-unions” handelte, wurde die Ultraschallbehandlung in allen Fällen als Alternative zu der eigentlich indizierten Operation durchgeführt. Mit Ausnahme von 10 Skaphoidheilungsstörungen erfolgte in keinem Fall eine zusätzliche Behandlung der Fraktur. Die Stratefizierung des Datenmaterials zeigte keine signifikanten Unterschiede in Heilungsrate und Behandlungszeit zwischen “delayed unions” und “non-unions” oder zwischen atrophen und hypertrophen Heilungsstörungen. Bei der Beurteilung der Heilungsrate von 86% muss berücksichtigt werden, dass es sich aufgrund der Ein- und Ausschlusskriterien um ein präselektioniertes Krankengut handelte. Trotzdem erscheint unseres Erachtens die Wirksamkeit der niedrig intensiven Ultraschalltherapie zur Behandlung von Frakturheilungsstörungen evident.
Article
Zusammenfassung Niederenergetisch gepulster Ultraschall hat in zahlreichen Tierexperimenten sowie auch in Zellkulturen zu einer Stimulation des Knochenwachstums gefhrt. Klinisch wurde die Effektivitt in 2 doppelblinden, prospektiven Studien belegt. Die Hauptindikation ist die Therapie von Pseudarthrosen. Die Variabilitt dieser Erkrankung macht eine wissenschaftliche Auswertung der Behandlungsergebnisse sehr schwer. Aus diesem Grund untersuchten wir die Ultraschallwirkung bei der Kallusdistraktion, bei welcher ungleich grere Mengen an Knochen gebildet werden. Vorlufige Ergebnisse weisen auf einen positiven Effekt des Ultraschalls hin. Fr statistische Aussagen ist jedoch eine grere Patientenzahl erforderlich. Abstract Low-intensity, pulsed ultrasound has stimulated bone formation in animal investigations as in cell cultures. Its clinical efficiency has been shown in two double-blinded prospective studies. Today, its main indication is the treatment of pseudarthroses. The variability of this disease, however, restricts the scientific evaluation of this treatment. For these reasons, we investigated the effects of pulsed ultrasound during callus distraction. First results show a positive influence of the ultrasound. However, for statistical valid information, a larger patient population is necessary.
Article
Bone adapts to physical deformation in vivo, yet the mechanism of the adaptive process remains unknown. One reason for this perplexity has been the difficulty in examining the effects of a well-defined deformation regimen on individual bone cells. With the utilization of novel, flexible-bottomed cell culture plates, one can study the effects of cyclic strain on the morphologic and biochemical adaptations of individual osteoblasts in vitro. Avian, calvarial osteoblast-like cells, from passes 2-5, responded to cyclic strain, by increasing their rates of DNA synthesis and cell division during the first 72 h after initiation of a continuous deformation regimen comprised of 3 cycles per min of 0-24% elongation. In addition, within hours after initiation of the deformation regimen, cells oriented 90 degrees to the applied strain field at the periphery of the culture plate in the region of maximum strain and elongation.
Article
The ultrasonic stimulation of bone growth was investigated in an experimental work in which a set of 45 rabbits were studied according to the following procedure: a) bilateral osteotomy of fibula (23 animals) and bilateral drilled holes on the cortex of femur (22 animals); b) exposure of ultrasound for 15 min per day. c) Radiological and histological evaluations of the progress of the callus; d) photography and measurements of the area of the callus; e) graphical comparisons using the results between controls and stimulated limbs. Pulsed ultrasound, in the form of short bursts, was used at low intensities (below cavitation threshold) so that the temperature variation, at the osteotomy site, was of the order of 0.01 degrees C (constant) a fact that reinforces the assumption that the stimulation mechanism due to the appearance of electric potentials is of non-thermal origin such as that caused by piezoelectricity.