Συγκριτική μελέτη της υβριδικής εξωτερικής οστεοσύνθεσης και της συμβατικής εσωτερικής στη χειρουργική αντιμετώπιση των καταγμάτων των κνημιαίων κονδύλων

Abstract

The purpose of this study was the comparison, clinically and experimentally, of the adequacy of hybrid external fixation in relation to the internal in the surgical treatment of tibial condylar fractures. At first, was presentated a review of the anatomy and biomechanics of the knee joint, as well as informatons for the tibial condylar fractures, necessary for the comprehension of the surgical treatment details. Continuing, clinically, were evaluated the results of the treatment with open reduction and internal fixation (either using antiglide plate either cancellous screws) and were compared with the results of the application of hybrid external fixation combined with limited arthrotomy, in 60 tibial condylar fractures of all types, according to Schatzker’s classification. The following parameters were recorded: time of surgical procedure, time of postoperative hospitalization, time of starting the weight bearing on the affected extremity, complications, clinical and radiological evaluation of the knee. The clinical evaluation of the knee was accomplished with the Knee Society Score (KSS) and the postoperative radiological results were performed according to Rasmussen’s Radiological Score (RRS). The mean duration of postoperative follow-up was twelve months. Were recorded 60 cases: 39 males (65%) and 21 females (35%) with a mean age of 40,5 years (21 to 78 years). The motor vehicle accidents were the cause of 47 fractures (percentage 78,33%) of which 29 were due to pedestrian-vehicle drift, while the remaining of 13 (percentage 21,66%) was the result of falling from a height. All fractures were closed and none was associated with vascular or neurological injury of the knee. Among the 30 fractures that were treated with internal fixation, 5 fractures were of type I (16,66%), 7 of type II (23,33%), 4 of type III (13,33%), 6 of type IV (20%), 4 of type V (13,33%) and 4 of type VI (13,33%). Respectively, concerning the group of the 30 fractures treated with hybrid external fixation, 5 fractures were of type I (16,66%), 6 of type II (20%), 4 of type III (13,33%) 4 of type IV (13,33%) 6 of type V (20%) and 5 of type VI (16,66%). The average time of the surgical procedure was in the first case 101,9 minutes, while in the second 97,5 minutes. The average time of postoperative hospitalization was in the first case 4,2 days, while in the second 3,6 days. The average time of the starting of the weight bearing on the affected extremity was in the first case 9,8 weeks, while in the second 12,9 weeks. In the 30 cases treated with the method of internal fixation the postoperative radiological results were: 7 (23,33%) excellent, 13 (43,33%) good, 8 (26,66%) moderate and 2 (6,66%) poor, while the clinical results were: 18 (60%) excellent, 3 (10%) good, 3 (10%) moderate and 6 (20%) poor. In the 30 cases of hybrid external fixation application the equivalent radiological results were: 4 (13,33%) excellent, 12 (40%) good, 9 (30%) moderate and 5 (16,66%) poor, while the clinical results were: 12 (40%) excellent, 6 (20%) good, 1 (3,33%) moderate and 11 (36,66%) poor. In the 30 cases treated with the method of internal fixation the complications recorded were: in 1 patient (3,33%) superficial would infection, subsided with oral antibiotics and the meticulous care of the would without its debridement, in 2 (6,66%) patients pulmonary embolism, clinically and laboratory established, which was resolved with appropriate treatment, in 2 (6,66%) patients anteroposterior instability of the knee, which will require re-operation for the reconstruction of the anterior cruciate ligament, in 7 (23,33%) patients knee stiffness, in 2 (6,66%) patients malunion of the fracture and it is expected that in eleven patients will occur posttraumatic arthritis over time. In the 30 cases treated with the method of hybrid external fixation the complications recorded were: in 5 patients (16,66%) pin tract infection, subsided with oral antibiotics without removal or replacement of any of the transfixion wires, in 1 (3,33%) patient pulmonary embolism, clinically and laboratory established, which was resolved with appropriate treatment, in 1 (3,33%) patient anteroposterior instability of the knee, which will require re-operation for the reconstruction of the anterior cruciate ligament, in 4 (13,33%) patients knee stiffness, in 7 (23,33%) patients malunion of the fracture and it is expected that in sixteen patients will occur posttraumatic arthritis over time. The comparison of the results to the two types of methods of treatment was completed by statistical analysis. This demostrated that there was statistically no significant difference between the average times of surgical procedure, the average times of postoperative hospitalization, the complications, the radiological and clinical results. But the comparison of the average time of starting of weight bearing on the affected extremity of both fixation methods verified that significant statistical difference was present and showed that this time by the internal fixation method occurred at an earlier time than the hybrid external method by almost three weeks. Experimentally, in order to study the mechanical behavior of the two fixation systems (hybrid external and internal) under equal loading conditions, were used the finite element method (FEM). An anatomically accurate 3-D finite-element model of the knee was generated in a SOLIDWORKS (version 2010) software system after assembing and meshing procedures. The geometric information for this model was based on data from computed tomography (CT) scans. Thus, were used 38 of a total of 144 CT images obtained of an 40-years old male’s knee. The slice thickness of the scan was 2 mm. The boundaries of the discrete areas were noted through points which are used as the basis for creating splines at the level of each section. It should be noted that the 38 sections resulted to a total of 1520 points. The multiline strings were deployed in space and by using the loft command were converted to a three-dimensional model. Consequently, by recomposing the 3D images, the model of the knee was created. Then, the six different types of fractures were designed on the model, according to Schatzker’s classification, and the osteosynthesis materials were designed in a linear 3D aximetric representation, as well as in photorealistic form. Through the proper use of the SOLIDWORKS commands, the osteosynthesis materials were placed on the knee – tibia model. The next step was the creation of the mesh. From the library of the software, the type of finite element was selected for the discretisation of the model; this must allow the realistic representation of objects, and, as a result, it must have enough nodes in order to follow the curvature of the lines while approaching their geometry. The finite element selected is tetrahedral, tetranodular with three degrees of freedom per node. Consequently, six solid meshes were developed with internal fixation and six with hybrid external, with a different number of elements and nodes in them. In the present study, both the bone and the osteosynthesis materials were considered isotropic, with linear elastic behavior. In regards to the cortical bone, the Young modulus defined was Ε=17.4 GPa while the Poisson’s ratio was ν=0.3 and the respective values for the trabecular bone were Ε=0.96 GPa and ν=0.2. The osteosynthesis materials were titanium alloys, with Ε=105 GPa and ν=0.3. In regards to the analysis, which was static, conditions of non-traction and non-impregnation between the cooperating elements were assumed, i.e. every node connecting the osteosynthesis materials between them and with the bone was constrained, while also were completely constrained the degrees of freedom of the nodes at the distal end of the meshes. In the elements of the upper extremity of the model, a resultant axial compressive load equal to 1000 N was applied. The results coming from the resolution procedure refer to the field of values of Von Mises equivalent stresses and strains, as well as to the displacement values on a resultant of axis. It was observed that the values of the maximum equivalent Von Mises stresses developed in models with type I, IV and VI fracture, with internal fixation, were less than the stress values of the respective models using hybrid external. On the other hand, the values of the maximum equivalent Von Mises strains were lower in the models with type I, II and VI fractures with internal fixation. Comparing the values of maximum displacements, it was found that they were reduced in the models with internal fixation, in regards to every fracture type, save from type III, which means a decrease stiffness and therefore less stability of the complex hybrid external-bone, in these types of fractures. The internal fixation confers postoperative stability, which is one of the most decisive factors affecting the quality of the result, but requires an extensive approach, necessary to apply the plate, and, in consequence, may increase the severity of the soft tissue injury. For this reason, the hybrid external fixation is an acceptable alternative method for the treatment of tibial condylar fractures.

Σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν η σύγκριση, κλινικά και πειραματικά, της επάρκειας της υβριδικής εξωτερικής οστεοσύνθεσης σε σχέση με την εσωτερική κατά την χειρουργική αντιμετώπιση των καταγμάτων των κνημιαίων κονδύλων. Ξεκινώντας, αναφέρθηκαν ορισμένα στοιχεία για την ανατομία και την εμβιομηχανική της άρθρωσης του γόνατος καθώς και πληροφορίες για τα κατάγματα των κνημιαίων κονδύλων, απαραίτητες για την κατανόηση των λεπτομερειών των χειρουργικών επεμβάσεων. Συνεχίζοντας, κλινικά αξιολογήθηκαν τα αποτελέσματα της αντιμετώπισης των καταγμάτων των κνημιαίων κονδύλων με ανοικτή ανάταξη του κατάγματος και εσωτερική οστεοσύνθεση (είτε με πλάκα αντιστήριξης είτε με διακαταγματικούς κοχλίες σπογγώδους οστού) και συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα της εφαρμογής υβριδικής εξωτερικής οστεοσύνθεσης σε συνδυασμό με ελαχιστοποιημένη αρθροτομή. Καταγράφηκαν οι εξής παράμετροι: χρόνος επέμβασης, χρόνος μετεγχειρητικής νοσηλείας, έναρξη φόρτισης του σκέλους, λειτουργικότητα του γόνατος, επιπλοκές άμεσες και απώτερες σε 60 περιπτώσεις καταγμάτων των κνημιαίων κονδύλων όλων των τύπων κατά την ταξινόμηση Schatzker. Η λειτουργικότητα του γόνατος καταμετρήθηκε σύμφωνα με το Knee Society Score (KSS), ενώ η αξιολόγηση των μετεγχειρητικών ακτινολογικών αποτελεσμάτων έγινε σύμφωνα με το Rasmussen’s Radiological Score (RRS). Η μετεγχειρητική παρακολούθηση ήταν κατά μέσο όρο διάρκειας δώδεκα μηνών. Καταγράφηκαν 60 περιπτώσεις: 39 άνδρες (65%) και 21 γυναίκες (35%) με μέση ηλικία τα 40,5 έτη (από 21 έως 78 ετών). Τα τροχαία ατυχήματα αποτελούσαν το αίτιο των 47 καταγμάτων (ποσοστό 78,33%), εκ των οποίων τα 29 οφειλόταν σε παράσυρση πεζού από όχημα, ενώ τα υπόλοιπα 13 (ποσοστό 21,66%) ήταν συνέπεια πτώσης εξ ύψους. Όλα τα κατάγματα ήταν κλειστά και κανένα δεν συνοδευόταν από ρήξη αγγείων ή τραυματισμό νεύρων της περιοχής του γόνατος. Σύμφωνα με την ταξινόμηση Schatzker, 30 κατάγματα αντιμετωπίστηκαν με εσωτερική οστεοσύνθεση, εκ των οποίων 5 κατάγματα ήταν τύπου Ι (16,66%), 7 τύπου ΙΙ (23,33%), 4 τύπου ΙΙΙ (13,33%), 6 τύπου IV (20%), 4 τύπου V (13,33%) και 4 τύπου VI (13,33%). Τα υπόλοιπα 30 κατάγματα αντιμετωπίστηκαν με υβριδική εξωτερική οστεοσύνθεση, εκ των οποίων 5 κατάγματα ήταν τύπου Ι (16,66%), 6 τύπου ΙΙ (20%), 4 τύπου ΙΙΙ (13,33%), 4 τύπου IV (13,33%), 6 τύπου V (20%) και 5 τύπου VI (16,66%). Ο μέσος όρος του χρόνου της χειρουργικής επέμβασης ήταν στην πρώτη περίπτωση τα 101,9 λεπτά, ενώ στη δεύτερη τα 97,5 λεπτά. Ο μέσος όρος του χρόνου της μετεγχειρητικής νοσηλείας ήταν στην πρώτη περίπτωση οι 4,2 ημέρες, ενώ στη δεύτερη περίπτωση οι 3,6 ημέρες. Ο μέσος όρος της έναρξης φόρτισης του σκέλους ήταν στην πρώτη περίπτωση οι 9,8 εβδομάδες, ενώ στη δεύτερη οι 12,9 εβδομάδες μετεγχειρητικά. Τα μετεγχειρητικά ακτινολογικά αποτελέσματα, σύμφωνα με το RRS, στις 30 περιπτώσεις που αντιμετωπίστηκαν με εσωτερική οστεοσύνθεση ήταν: άριστα: 7 (23,33%), καλά: 13 (43,33%), μέτρια: 8 (26,66%), πτωχά: 2 (6,66%). Ενώ για τα 30 κατάγματα που αντιμετωπίστηκαν με υβριδική εξωτερική οστεοσύνθεση τα αντίστοιχα αποτελέσματα ήταν: άριστα: 4 (13,33%), καλά: 12 (40%), μέτρια: 9 (30%), πτωχά: 5 (16,66%). Τα τελικά κλινικά αποτελέσματα, σύμφωνα με το KSS, στις 30 περιπτώσεις που αντιμετωπίστηκαν με εσωτερική οστεοσύνθεση ήταν: άριστα: 18 (60%), καλά: 3 (10%), μέτρια: 3 (10%), πτωχά: 6 (20%). Ενώ για τα 30 κατάγματα που αντιμετωπίστηκαν με υβριδική εξωτερική οστεοσύνθεση τα αποτελέσματα ήταν: άριστα: 12 (40%), καλά: 6 (20%), μέτρια: 1 (3,33%), πτωχά: 11 (36,66%). Όσον αφορά τις επιπλοκές, παρατηρήθηκε επιπολής μικροβιακή φλεγμονή του χειρουργικού τραύματος σε 1 (3,33%) ασθενή που αντιμετωπίστηκε με εσωτερική οστεοσύνθεση και σε 5 (16,66%) ασθενείς που αντιμετωπίστηκαν με υβριδική εξωτερική, στα σημεία εισόδου και εξόδου των βελονών, η οποία υποχώρησε με την χορήγηση αντιβιοτικών από το στόμα και την σχολαστική περιποίηση των τραυμάτων, δίχως να χρειαστεί χειρουργικός καθαρισμός του τραύματος, αφαίρεση ή αντικατάσταση κάποιας από τις βελόνες. Κλινική εικόνα πνευμονικής εμβολής παρουσίασαν 2 (6,66%) ασθενείς με εσωτερική οστεοσύνθεση και 1 (3,33%) με υβριδική εξωτερική, η οποία επιβεβαιώθηκε με εργαστηριακό έλεγχο και λύθηκε απρόσκοπτα με κατάλληλη θεραπευτική αγωγή. Προσθιοπίσθια αστάθεια του γόνατος παρουσιάστηκε σε 2 (6,66%) ασθενείς με εσωτερική οστεοσύνθεση και σε 1 (3,33%) με υβριδική εξωτερική, όπου θα χρειαστεί επανεπέμβαση για την αποκατάσταση του προσθίου χιαστού συνδέσμου. Πτωχή κινητικότητα του γόνατος παρουσίασαν 7 (23,33%) ασθενείς με εσωτερική οστεοσύνθεση και 4 (13,33%) με υβριδική εξωτερική. Πώρωση του κατάγματος σε πλημμελή θέση παρουσιάστηκε σε 2 (6,66%) ασθενείς με εσωτερική οστεοσύνθεση και σε 7 (23,33%) με υβριδική εξωτερική ενώ αναμένεται ότι έντεκα ασθενείς με εσωτερική οστεοσύνθεση και δεκαέξι με υβριδική εξωτερική θα αναπτύξουν μετατραυματική αρθρίτιδα. Από την στατιστική ανάλυση που πραγματοποιήθηκε διαπιστώθηκε ότι δεν υπήρξε στατιστικά σημαντική διαφορά συγκρίνοντας το μέσο χρόνο διάρκειας επέμβασης, το μέσο χρόνο μετεγχειρητικής νοσηλείας, τις επιπλοκές, τα ακτινολογικά και κλινικά αποτελέσματα των δύο μεθόδων οστεοσύνθεσης. Συγκρίνοντας όμως τους μέσους χρόνους έναρξης φόρτισης του σκέλους διαπιστώθηκε ότι η εσωτερική οστεοσύνθεση έχει μικρότερο χρόνο έναρξης φόρτισης κατά 3 εβδομάδες από την υβριδική εξωτερική. Πειραματικά, για την σύγκριση της αντοχής των δύο συστημάτων οστεοσύνθεσης (υβριδικής εξωτερικής και εσωτερικής), στην χειρουργική αντιμετώπιση των καταγμάτων των κνημιαίων κονδύλων, κάτω από όμοιες συνθήκες καταπόνησης, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων (FEM). Για να εφαρμοστεί η μέθοδος αυτή απαιτήθηκε η κατασκευή της γεωμετρίας γόνατος-κνήμης καθώς και των υλικών οστεοσύνθεσης στο περιβάλλον ενός σχεδιαστικού προγράμματος CAD και στη συνέχεια η εισαγωγή τους στο πρόγραμμα των πεπερασμένων στοιχείων. Έτσι, σαρώθηκαν 144 εγκάρσιες τομές αξονικής τομογραφίας, ανά 2 mm, οι οποίες απαρτίζουν ολόκληρο το γόνατο-κνήμη υγιούς άνδρα 40 ετών. Από αυτές χρησιμοποιήθηκαν οι 38. Τα επιλεγμένα στοιχεία της αξονικής εισήχθησαν στο λογισμικό SOLIDWORKS (έκδοση 2010), οριοθετήθηκαν οι διακρινόμενες περιοχές με σημεία, δημιουργήθηκαν οι καμπύλες (splines) σε κάθε τομή, αναπτύχθηκαν στο χώρο σε τρεις διαστάσεις, έγινε η ανασύνθεση των τρισδιάστατων εικόνων και κατασκευάστηκε το μοντέλο γόνατος-κνήμης, στο οποίο σχεδιάστηκαν τα έξι είδη καταγμάτων, σύμφωνα με την ταξινόμηση Schatzker. Στο ίδιο πρόγραμμα σχεδιάστηκαν και τα υλικά οστεοσύνθεσης (υβριδική εξωτερική και εσωτερική) σε γραμμική τρισδιάστατη αξονομετρική απεικόνιση καθώς και σε φωτορεαλιστική μορφή. Στη συνέχεια, δημιουργήθηκε το πλέγμα επιλέγοντας πεπερασμένα στοιχεία τετραεδρικά,, τετρακομβικά, με τρεις βαθμούς ελευθερίας ανά κόμβο. Αναπτύχθηκαν έξι συμπαγή πλέγματα με εσωτερική οστεοσύνθεση και έξι με υβριδική εξωτερική, με διαφορετικό συνολικό αριθμό στοιχείων και κόμβων στο καθένα. Τόσο το οστούν όσο και τα υλικά οστεοσύνθεσης θεωρήθηκαν ως ισότροπα και γραμμικώς ελαστικά. Για το φλοιώδες οστό ορίστηκε μέτρο ελαστικότητας Ε=17,4 GPa και λόγος Poisson ν=0,3, ενώ οι αντίστοιχες τιμές για το σπογγώδες οστό ήταν Ε=0,96 GPa και ν=0,2. Θεωρήθηκε ότι στην κνημιαία διάφυση είναι κυρίαρχη η παρουσία του συμπαγούς-φλοιώδους οστού, ενώ στο άνω τριτημόριο της κνήμης κυριαρχεί η παρουσία του σπογγώδους. Τα υλικά οστεοσύνθεσης είναι κράματα τιτανίου με Ε=105 GPa και ν=0,3. Για την ανάλυση, η οποία ήταν στατική, θεωρήθηκαν συνθήκες μη ολίσθησης-μη εισχώρησης μεταξύ των συνεργαζόμενων στοιχείων, δηλαδή περιορίστηκαν όλοι οι κόμβοι που συνδέουν τα υλικά οστεοσύνθεσης μεταξύ τους, και με το οστό, όπως, επίσης, δεσμεύτηκαν πλήρως και οι βαθμοί ελευθερίας των κόμβων στο κατώτερο όριο της κνήμης. Στα στοιχεία του άνω άκρου του μοντέλου ασκήθηκε συνισταμένη αξονική θλιπτική δύναμη 1000 Ν. Την επιβολή οριακών συνθηκών και φορτίου ακολούθησε η επίλυση του κάθε μοντέλου και η ανάλυση των αποτελεσμάτων, τα οποία αφορούν το πεδίο τιμών τάσης και παραμόρφωσης κατά Von Mises, καθώς και τις τιμές μετατόπισης σε συνισταμένη αξόνων. Από τη σύγκριση των μέγιστων τιμών των Von Mises ισοδύναμων τάσεων που αναπτύχθηκαν στα μοντέλα με κάταγμα τύπου Ι, IV και VI με εσωτερική οστεοσύνθεση προέκυψε ότι αυτές είναι μικρότερες από τις αντίστοιχες των μοντέλων με υβριδική εξωτερική. Ενώ, οι τιμές των μέγιστων Von Mises ισοδύναμων παραμορφώσεων ήταν μικρότερες στα μοντέλα με κάταγμα τύπου Ι, ΙΙ και VI με εσωτερική οστεοσύνθεση. Συγκρίνοντας τις τιμές των μέγιστων μετατοπίσεων, παρατηρήθηκε μείωση αυτών στα μοντέλα με εσωτερική οστεοσύνθεση, σε όλους τους τύπους καταγμάτων εκτός από τον τύπο ΙΙΙ, πράγμα που υποδηλώνει μειωμένη ακαμψία και, επομένως, μικρότερη σταθερότητα του συμπλέγματος υβριδική εξωτερική-οστό, σε αυτούς τους τύπους καταγμάτων. Η εσωτερική οστεοσύνθεση προσδίδει μετεγχειρητική σταθερότητα, καθοριστικό παράγοντα για την ποιότητα του αποτελέσματος, απαιτεί όμως εκτεταμένες προσπελάσεις με συνέπεια την περαιτέρω επιβάρυνση της ήδη τραυματισμένης αγγειακής κυκλοφορίας της περιοχής του γόνατος. Για τον λόγο αυτό η υβριδική εξωτερική οστεοσύνθεση αποτελεί μια παραδεκτή εναλλακτική λύση στην χειρουργική αντιμετώπιση των καταγμάτων των κνημιαίων κονδύλων.