Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9086
Main Title: Mechanotherapy of bone fracture: Adapted fixation conditions
Translated Title: Mechanotherapie der Knochenfraktur: Angepasste Fixationsbedingungen
Author(s): Heyland, Mark
Referee(s): Zehn, Manfred
Duda, Geog N.
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: While mechanical overloading caused a fracture, well-controlled mechanical loading can be an integral part of a coordinated fracture healing process. The relative movement of fracture segments affects tissue strain close to the fracture and thus controls the healing pathway. More specifically, moderate hydrostatic or volumetric strain improves osteogenic development while high distortional or deviatoric strain impairs the healing process. Strain is often not directly accessible, but fortunately in-fracture-plane and out-of-fracture-plane interfragmentary movement relative to gap volume correlate to the harmful and beneficial strain respectively. The locking plate configuration, i.e. specifically the screw location and screw type, and most importantly plate working length (bridge span) determine the interfragmentary movement as long as bony contact bridging can be neglected. With a plate-bone clearance and for large or comminuted gaps, the total amount of interfragmentary movement can be controlled. However, the components of in-plate and out-of-plane movement are coupled: Large transverse defects cannot be fixated with locking plates alone because a large plate working length leads to high shear compared to axial interfragmentary movement. Furthermore, the relative amount of shear strain to normal strain is determined by fracture configuration (gap size, comminution, slope as well as orientation of fracture lines). Small gaps up to 3mm can be fixated with locking plates reliably, but also for such small gaps, the optimal mechano-biology can only be achieved for certain orientations of the fracture lines (proximal lateral anterior to distal medial posterior). Fracture lines running proximal medial posterior to distal lateral anterior might need more adapted fixation. Furthermore, as soon as bony support occurs, e.g. with bone fragment to bone fragment contact under load or bridging with a graft or scaffold or bridging of the stiffening healing tissue, the importance of fixation stiffness diminishes dramatically. Analyzing individual case settings could allow for pre- or intra-operative planning for a certain fracture gap size and fracture line to find an individual fixation setting, which might be derived computationally. Finite element modeling of individual cases is possible, but the degree of process automation and the need for interpretation are currently barriers for a clinical use. A faster and easier tool for surgeon users is needed. The control of total interfragmentary movement can be achieved with screw positioning: Adjusting plate working length leads to increased axial interfragmentary movement, but even more increased shear in the presence of a gap. If stimulation within the desired range cannot be achieved, there are further options such as dynamic locking screws or active plates with sliding elements. If secondary fracture healing still cannot be expected before implant failure, bony contact support under load should be considered, which is also possible with a graft or scaffold. For small gaps, reduction using a lag screw and fixation with a neutralization locking plate are currently covered topics. For large gaps, double plating and additional scaffolding are currently under investigation. There should be sufficient options to treat most fractures already, but the selection procedure depends on the estimation of implant fatigue strength versus fracture healing speed. Additional opportunities for an acceleration of fracture healing with further reduction of shear have been identified.
Während mechanische Überlastung zu einer Fraktur führt, kann eine kontrollierte mechanische Belastung ein integraler Bestandteil eines koordinierten Frakturheilungsprozesses sein. Die Relativbewegung der Fraktursegmente beeinflusst die Gewebeverformung nahe der Fraktur und steuert somit den Heilungsprozess. Insbesondere verbessert eine moderate hydrostatische oder volumetrische Verformung die osteogene Entwicklung, während eine hohe verzerrende Verformung die Heilung verlangsamt. Die Gewebeverformung ist oft nicht direkt erfassbar, aber glücklicherweise entsprechen die interfragmentären Bewegungen tangential zur Bruchebene und normal der Bruchebene relativ zum Spaltvolumen der schädlichen bzw. vorteilhaften Verformungsstimulation. Die Konfiguration winkelstabiler Verriegelungsplatten, d. h. insbesondere die Schraubenposition und der Schraubentyp, und vor allem die Plattenschwingstrecke (Überbrückungsspanne oder freie Biegelänge) bestimmen die interfragmentäre Bewegung, solange die knöcherne Kontaktüberbrückung vernachlässigt werden kann. Mit einem Platten-Knochen-Abstand und bei großem Frakturspalt oder Trümmerbruch kann der Betrag der interfragmentären Bewegung gesteuert werden. Die Komponenten der Bewegung tangential und normal der Frakturebene sind jedoch gekoppelt: Große transverse Defekte können nicht allein mit winkelstabilen Platten fixiert werden, da eine große Arbeitslänge der Platte im Vergleich zu einer axialen interfragmentären Bewegung zu einer hohen Scherung führt. Darüber hinaus wird der relative Betrag der Scherung zur normalen Dehnung durch die Bruchkonfiguration (Spaltgröße, Spaltanzahl bei Trümmerfrakturen, Steigung sowie Orientierung der Bruchlinien) bestimmt. Kleine Spalte von bis zu 3 mm können mit winkelstabilen Verriegelungsplatten zuverlässig fixiert werden, aber auch für solche kleinen Spalte kann die optimale Mechanobiologie nur für bestimmte Orientierungen der Frakturlinien (proximal lateral anterior nach distal medial posterior) erreicht werden. Frakturlinien, die proximal medial posterior nach distal lateral anterior verlaufen, müssen möglicherweise angepasst versorgt werden. Sobald eine knöcherne Abstützung auftritt, also wenn ein Knochenfragment mit dem anderen Knochenfragment unter Belastung Kontakt aufnimmt, oder die Segmente durch Überbrückung mit einem Transplantat oder Gerüst (Scaffold) oder durch versteiftes neues Gewebes verbunden ist, nimmt der Einfluss der Fixationssteifigkeit auf den weiteren Heilungsverlauf dramatisch ab. Durch Analyse individueller Fallparameter könnte eine prä- oder intraoperative Planung für eine bestimmte Frakturspaltgröße und Frakturlinie vorgenommen werden, um eine spezifische Fixation zu finden, die rechnerisch abgeleitet werden kann. Die Finite-Elemente-Modellierung von Einzelfällen ist möglich, aber der Grad der Prozessautomatisierung und der Interpretationsbedarf sind derzeit Hindernisse für eine klinische Anwendung. Ein schnelleres und einfacheres Werkzeug für Chirurgen als direkte Nutzer ist erforderlich. Die Steuerung des Betrags der interfragmentären Bewegung kann durch Schraubenpositionierung erreicht werden: Durch das Einstellen der Arbeitslänge der Platte wird die axiale interfragmentäre Bewegung erhöht, die Scherkraft jedoch noch stärker erhöht, solange ein Spalt vorhanden bleibt. Wenn die Verformungsstimulation den gewünschten Bereich nicht erreicht, gibt es weitere Optionen wie dynamische Verriegelungsschrauben oder „aktive“ Platten mit Gleitelementen. Wenn vor dem erwarteten Implantatversagen keine sekundäre Frakturheilung zu erwarten ist, sollte eine knöcherne Abstützung unter Last in Betracht gezogen werden, die auch mit einem Transplantat oder Gerüst möglich ist. Bei kleinem Spalt werden derzeit die Reduktion mit einer Zugschraube und die Fixierung mit einer Neutralisationsplatte diskutiert. Bei großem Spalt werden derzeit Doppelplattenfixationen und zusätzliche Scaffolds untersucht. Es sollten bereits ausreichend Optionen vorhanden sein, um die meisten Frakturen zu behandeln. Das Auswahlverfahren hängt jedoch von der Einschätzung der Implantatermüdung im Verhältnis zur Heilungsgeschwindigkeit der Frakturen ab. Zusätzliche Möglichkeiten für eine Beschleunigung der Frakturheilung mit weiterer Verringerung der Scherung wurden identifiziert.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10098
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9086
Exam Date: 7-Aug-2019
Issue Date: Oct-2019
Date Available: 3-Dec-2019
DDC Class: 617 Chirurgie und verwandte medizinische Einrichtungen
Subject(s): bone
fracture fixation
traumatology
orthopedics
Knochen
Frakturfixation
Traumatologie
Orthopädie
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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