Biomechanics of the distal locking of intra-medullary nail.
Biomécanique verrouillage distal du clou centro-médullaire.
Résumé
The intramedullary nailing is one of the most commonly used techniques to fix broken long bones in the human body. The intramedullary nailing technique is increasingly used not only in diaphyseal bone fractures but also around the metaphyseal areas. It offers a relatively minimal surgical approach allowing to keep more of the soft tissues intact and thus accelerating recovery and overall functional outcome. The intramedullary nail must be locked proximally and distally to maintain good longitudinal and rotational stability. The proximal locking can be done using an automatic aiming device as there is almost no deformation of the nail in the proximal area. The automatic mechanical aiming device cannot be used distally because of the nail deformation and a shift of locking holes. The most commonly used technique for distal locking is a freehand technique.The purpose of this work was to study the phenomena that take place around the distal locking screw and to analyse the interaction between the bone and the distal locking screw of intramedullary nail in order to better understand whether the position of the screw can have influence to the bone resistance and eventually to the fracture propagation if it occurs in the contact area. To achieve this goal the study was done in several stages. The first part involved an experimental work with the purpose to understand the local strain phenomena occurring at the interface between the bone and a metallic rod. It included medical imaging and compression experimentation. Three groups of 15 specimens were used. Local mechanical compression loadings at different quasi-static strain rates were imposed to the rod placed on the bone specimen. Medical imaging was used before and after the experimentation in order to evaluate different parameters including the geometrical shape of the bone and the bone matter density in distinguished areas under the metallic rod as well as to evaluate the extent of bone damage and the fracture propagation that occur during compression. This in vitro experimentation allowed to evaluate the phenomena occurring due the local loading.The results in this phase of the study have shown no statistical significance in fracture propagation regrading the BV/TV ratio and geometry of the bone. In fact, the fractures propagated mostly always in a longitudinal direction under the rod which means that there must be other factors involved in containing the fracture, such as collagen fibres, other proteins and substances. Without surprise more bone fractures occurred in greater displacement groups.The second phase involved another experimental work which approached the real conditions that take place during the mechanical loading of the intramedullary nail locking screw. There were 3 groups of 6 specimens, each group defined by the distal locking screw aiming angle.Introducing some alignment error and comparing it to the reference where the screw is perpendicularly inserted to the nail permitted to evaluate the influence of the position change to the strain and eventually the fracture propagation.This part of the study showed statistical differences between group with 15° locking screw angulation in vertical plane and control group regarding the end of linear behaviour. In fact, the linear behaviour ended after a much shorter distance of displacement and required less force. This means that the 15° range of error could be acceptable in intramedullary nail distal locking in horizontal plane, but may destabilize the structure with less strain if it is put at 15° angle in vertical plane. This has potential clinical impact. As seen in the second part of this study, which is also consistent with clinical findings, there were much more screw ruptures than complete bone fractures. This shows that though the Young's modulus of the steal is much higher, its position in the overall nail-bone-screw structure exposes it to potential damage.
L'enclouage centromédullaire est une des techniques les plus utilisées de fixation des os longs chez l'homme. Cette technique est de plus en plus utilisée non seulement pour fixer les fractures diaphysaires mais aussi des fractures autour des régions métaphysaires. Elle permet d'utiliser la voie d'abord relativement minime et de respecter les tissus mous autour de la fracture ce qui accélère le rétablissement et le résultat fonctionnel. Le clou centromédullaire doit être verrouillé en proximal et en distal pour que la stabilité longitudinale et rotatoire soit maintenue. Le verrouillage proximal peut être fait de manière automatique en utilisant un guide attaché au clou, car il n'y a presque pas de déformation du clou dans la région proximale. Il ne peut pas être utilisé en distal, car à cause d'une déformation du clou les trous de verrouillage se décalent. La technique la plus utilisée pour le verrouillage distal est la technique à main levée.L'objectif de ce travail a été d'étudier les phénomènes qui ont lieu au niveau de la vis de verrouillage distal et d'analyser l'interaction entre l'os et la vis afin de mieux comprendre si la position de la vis peut avoir de l'influence sur la résistance de l'os et éventuellement sur la propagation de fracture si celle-ci survient au niveau de contact. L'étude a été menée en deux parties. La première partie a impliqué le travail expérimental dans le but de comprendre les phénomènes de contrainte locale présente à l'interface entre l'os et un barreau métallique. Trois groupes de 15 échantillons ont été utilisés. Une compression mécanique locale quasi statique à des déplacements différents a été imposée au barreau métallique posé sur l'os. L'imagerie médicale a été faite avant et après l'expérimentation afin d'évaluer des paramètres : l'aspect géométrique de l'os, la quantité de substance osseuse, l'endommagement osseux et une propagation de fracture survenue éventuellement pendant la compression. Cette expérimentation a permis d'évaluer les phénomènes liés au chargement local. Elle n'a pas démontré de résultats statistiquement significatifs concernant le lien entre la propagation de fracture et le rapport BV/TV mais aussi la géométrie de l'os. Le trait de fracture se propageait dans la plupart des cas de manière longitudinale ce qui voudrait dire qu'il existe d'autres facteurs impliqués dans la contention de fracture comme des fibres de collagène, d'autres protéines et des substances. Sans surprise, les fractures étaient peu nombreuses dans les groupes de déplacement plus important.La deuxième partie a impliqué un travail expérimental qui se rapprochait des conditions réelles présentes au niveau de la vis de verrouillage distal du clou centromédullaire. Trois groupes de six échantillons ont été utilisés. Ces groupes ont été définis par l'angle de visée de la vis.Une certaine erreur d'alignement a été introduite et comparée à la direction perpendiculaire de verrouillage distal du clou ce qui a permis d'évaluer l'influence de changement de la position sur la contrainte et éventuellement une propagation de fracture.Cette partie a démontré une différence statistiquement significative entre le groupe où le verrouillage distal a été effectué à l'angle de 15° dans le plan vertical et le groupe de contrôle par rapport à la perte de la linéarité de comportement. La fin du comportement linéaire a été observée à une distance de déplacement moindre et a nécessité moins de force. Une erreur de 15° pourrait être acceptable dans le plan horizontal lors du verrouillage distal mais pourrait entraîner une déstabilisation de structure avec moins de contrainte en cas d'erreur de 15° dans le plan vertical. Cette partie d'étude a aussi démontré qu'il y avait beaucoup plus de fracture de vis que de fracture osseuse. Ces résultats montrent que même si le module de Young d'acier est beaucoup plus important, sa position dans la structure globale clou – os – vis l'expose à un potentiel endommagement.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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