Εμβιομηχανική μελέτη της επίδρασης της οστεοτομίας της κερκίδας σε περιπτώσεις ψευδαρθρώσεων καταγμάτων του σκαφοειδούς οστού του καρπού με τη χρήση των πεπερασμένων στοιχείων (finite element analysis)

Abstract

Aim: The present study s aim was to investigate the effect of distal radius osteotomy in the mechanical behavior of the wrist in cases of carpal scaphoid pseudarthroses using the finite element method. Method: Using data from a CT of the left wrist of a 34year old man and Mimics medical image processing software (Materialise N.V., Belgium) and ANSYS ver. 10 software a finite element model including the distal end of the radius and ulna, the 8 carpal bones and the proximal ⅓ of the metacarpal bones was created. The model included pairs of 2mm thickness articular cartilages between the bones and in total 50 ligaments. Linear elastic isotropic properties were assigned to all of the materials involved in the model. The proximal end of the radius shaft was fully constraint while axial loads along the longitudinal axes of the five metacarpals were applied. The values of the applied load along each ray were in the magnitude of the axial resultant forces present during a grasp function generating 10N (approximately 1kg) with active stabilization of the wrist. Emphasis was given on the bone triplet scaphoid-lunate-radius. 73 finite element models were created and analyzed. The computational time of analysis for each model varied from 14 to 36 hours. We recorded: - The load ratio distribution between the scaphoid-radius and lunate-radius articular surfaces. - The force at the articular surface between scaphoid-lunate. – Displacements. – Strains. – Stresses. Results-Conclusions: In case there is ligament prestress at the early stages after the osteotomy, an ulnar deviation of loads through the radiocarpal joint is recorded. Furthermore, the wrist is more stable. The maximum strains at the pseudarthrosis area are higher resulting in an increase of bone remodeling activity. Thus, the change in anatomic location of maximum strains in the pseudarthrosis area results in new bone remodeling centers appearance. When the wrist balance at a new dynamic state and ligament prestress withdraw, then a bigger ulnar deviation of the loads through the radiocarpal joint is recorded. Wrist becomes more relaxed and the displacement of the bones gets higher while the maximum stains at the pseudarthosis area remain high. The analysis with the finite element method revealed that distal radius osteotomy in a wrist with carpal scaphoid pseudarthrosis has positive effects because it promotes pseudarthrosis healing (increase of stains) and inhibits the onset of osteoarthritic changes at the radiocarpal joint (discharge of scaphoid fossa of the radius). Our results are in agreement with the experimental results of Papachristou et al. and with the published clinical results of this method. We believe that distal radius osteotomy in cases of carpal scaphoid pseudarthroses is an effective procedure and that its positive effects at the biomechanical behavior of the wrist are well documented.

Στόχος: Η παρούσα διδακτορική διατριβή είχε ως στόχο τη μελέτη της επίδρασης της οστεοτομίας της κερκίδας στην εμβιομηχανική συμπεριφορά του καρπού σε περιπτώσεις ψευδαρθρώσεων καταγμάτων του σκαφοειδούς οστού του καρπού με τη χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Μεθοδολογία: Με τη χρήση δεδομένων αξονικής τομογραφίας από τον αριστερό καρπό ενός 34χρονου άνδρα και των προγραμμάτων Mimics medical image processing software (Materialise Ν.V., Belgium) και ANSYS ver. 10 software δημιουργήθηκε ένα μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων που περιελάμβανε το κάτω πέρας της κερκίδας και της ωλένης, τα οστά του καρπού και τα μετακάρπια έως τη μεσότητά τους. Επιπρόσθετα το μοντέλο περιελάμβανε ζεύγη αρθρικών χονδρών 2mm πάχους ο καθένας μεταξύ των αρθρικών επιφανειών όλων των οστών και 50 συνδέσμους. Γραμμικές ελαστικές ισότροπες ιδιότητες αποδόθηκαν σε όλα τα υλικά που περιλαμβάνονταν στο μοντέλο. Το εγγύς άκρο της κερκίδας και της ωλένης καθηλώθηκε στερεά ενώ οι δυνάμεις εφαρμόσθηκαν κατά μήκος του επιμήκη άξονα των 5 μετακαρπίων. Οι τιμές των φορτίων που ασκήθηκαν κατά μήκος κάθε ακτίνας ήταν σε μέγεθος ίσο με εκείνο που αντιστοιχεί στις δυνάμεις που παρουσιάζονται κατά τη διάρκεια της λειτουργίας σύλληψης (δραγμού) και που προκαλούν 10Ν (περίπου 1kg) με ενεργή σταθεροποίηση του καρπού. Δόθηκε έμφαση στην τριάδα των οστών που την αποτελούν, το σκαφοειδές, το μηνοειδές και το περιφερικό άκρο της κερκίδας. Κατασκευάστηκαν και αναλύθηκαν 73 μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων. Ο υπολογιστικός χρόνος επίλυσης κάθε μοντέλου ήταν από 14 έως 36 ώρες σε υπολογιστή με επεξεργαστή Ρ4 και μνήμη 3ΜΒ. Καταγράφηκαν: - Ο λόγος της κατανομής των φορτίων στις αρθρικές επιφάνειες σκαφοειδούς-κερκίδας και μηνοειδούς-κερκίδας. - Η τιμή της δύναμης στην αρθρική επιφάνεια σκαφοειδούς-μηνοειδούς. - Οι μετατοπίσεις. - Οι παραμορφώσεις. - Οι τάσεις. Αποτελέσματα-Συμπεράσματα: Συμπερασματικά ένα θεωρήσουμε ότι στα αρχικά στάδια μετά από τη διενέργεια της οστεοτομίας υπάρχει προένταση των συνδέσμων, τότε καταγράφεται ωλένια κλίση των φορτίων που διέρχονται από την άρθρωση της πηχεοκαρπικής και επομένως αποφόρτιση της σκαφοειδούς εντομής της κερκίδας. Επίσης, ο καρπός καθίσταται σταθερότερος. Οι μέγιστες παραμορφώσεις αυξάνονται στην ψευδαρθρωσική εστία και επομένως αυξάνεται και η οστική ανακατασκευή. Η αλλαγή δε που διαπιστώνεται στην ανατομική εντόπιση των μέγιστων παραμορφώσεων στην ψευδαρθρωσική εστία έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση νέων κέντρων οστικής ανακατασκευής. Όταν ο καρπός ισορροπήσει σε μια νέα δυναμική κατάσταση και υποχωρήσει η προένταση των συνδέσμων τότε αυξάνεται ακόμα περισσότερο η ωλένια κλίση των φορτίων και επομένως και η αποφόρτιση της σκαφοειδούς εντομής της κερκίδας. Ο καρπός χαλαρώνει και αυξάνονται οι μετατοπίσεις των οστών του ενω διατηρούνται αυξημένες οι μέγιστες παραμορφώσεις στην ψευδαρθρωσική εστία γεγονός που αποτελεί θετικό ερέθισμα για την οστική ανακατασκευή και κατά συνέπεια για την ευόδωση της πώρωσης. Η ανάλυση με τη χρήση των πεπερασμένων στοιχείων που διενεργήθηκε αποκάλυψε ότι οι αλλαγές που προκαλεί η σφηνοειδής οστεοτομία του κάτω πέρατος της κερκίδας, στον καρπό με ψευδάρθρωση κατάγματος σκαφοειδούς έχουν θετικές επιδράσεις τόσο στην πώρωση της ψευδάρθρωσης (αύξηση των παραμορφώσεων στην ψευδαρθρωσική εστία) όσο και στην αποφυγή ανάπτυξης αρθρίτιδας την πηχεοκαρπική άρθρωση (αποφόρτιση της σκαφοειδούς εντομής της κερκίδας). Τα ευρήματα αυτά έρχονται σε συμφωνία με τα πειραματικά ευρήματα των Παπαχρήστου και συνεργατών καθώς επίσης και με τα δημοσιευμένα κλινικά αποτελέσματα από τη χρήση της συγκεκριμένης μεθόδου. Θεωρούμε ότι η χρήση της σφηνοειδούς οστεοτομίας του κάτω πέρατος της κερκίδας σε περιπτώσεις ψευδαρθρώσεων καταγμάτων του σκαφοειδούς του καρπού αποτελεί μια αποτελεσματική μέθοδο και ότι οι θετικές επιδράσεις της στην εμβιομηχανική συμπεριφορά του καρπού είναι καλώς τεκμηριωμένες.