REVISTA DE ORTOPEDIA Y TRAUMATOLOGÍA
Volumen 43, pp 47-52
ESTUDIO EXPERIMENTAL
Evolución de la rigidez del callo de fractura en fracturas estables e inestables tratadas con fijador externo rígido y a biocompresión. Estudio experimental en corderos
Evolution of the resistance of fracture calluses in stable and unstable fractures treated with rigid external fixation and biocompression. Experimental study in lambs
MORA, G.; FORRIOL, F., y CAÑADELL, J.
Laboratorio de Ortopedia Experimental. Departamento de COT. Clínica Universitaria. Universidad de Navarra.
Correspondencia:
Dr. G. MORA.
Departamento de COT.
Clínica Universitaria de Navarra.
Pío XII, 36.
31008 Pamplona.
Recibido: Diciembre de 1997.
Aceptado: Junio de 1998.
RESUMEN: Se analiza la evolución de la transmisión de carga por un fijador externo monolateral intrumentado con galgas extensiométricas y la rigidez del callo de fractura en tres grupos de fracturas: a) transversal y b) oblicua, ambas con fijador rígido, y c) transversal con un fijador a compresión. Cada grupo tenía tres corderos. Las fuerzas que pasan por el fijador en el grupo a disminuyen hasta el 40% al día 15.° y siguen disminuyendo hasta quedar a nivel del 20% al final del tratamiento. La rigidez del callo aumenta progresivamente, alcanzando los 30 kg/mm a partir del día 20 de tratamiento. En el grupo b la fuerza por el fijador es del 40% después de las 3 semanas de tratamiento. La rigidez del callo aumenta progresivamente hasta 14 kg/mm a partir del día 26 de tratamiento. Los resultados obtenidos en el grupo c muestran que inmediatamente después de la dinamización la carga se reparte entre el fijador y el hueso. Al llegar al día 22 la situación se estabiliza, con menos del 10% de carga por el fijador. La rigidez del callo aumenta de forma constante, alcanzando valores superiores a 100 kg/mm. Como conclusión, este trabajo hace una determinación de la evolución de la curación de los diferentes tipos de fracturas, tratando de obtener el mejor control de las mismas y definir el momento más idóneo para la retirada del fijador externo.
PALABRAS CLAVE: Fractura. Biomecánica. Fijación externa.
ABSTRACT: An analysis was made of the evolution of load bearing by monolateral external fixation equipped with extensiometric gauges and the stiffness of the fracture callus. Three groups of fractures were studied: a) transverse and b) oblique with rigid fixation, and c) transverse with compression fixation. Each group consisted of three lambs. The forces transmitted through the fixator in group a diminished to 40% on day 15 and continued to decrease until they reached 20% at the end of treatment. Callus stiffness increased progressively, reaching 30 kg/mm at day 20 of treatment. In group b the forces transmitted through the fixator were 40% after three weeks of treatment. Callus stiffness increased progressively to 14 kg/mm at day 26 of treatment. The results obtained in group c show that immediately after dinamization, the load was distributed between the fixator and bone. By day 22 the situation had stabilized, with the fixator bearing less than 10% of the load. Callus stiffness increased constantly, attaining values of more than 100 kg/mm. In conclusion, this study examined the evolution of fracture healing in different types of fracture, in an attempt to improve control of the fracture and to define the most suitable moment for removing the external fixator.
KEY WORDS: Fracture. Biomechanics. External fixation.
En la consolidación de una fractura intervienen factores biológicos y mecánicos, modificando la rigidez del callo durante el proceso y permitiendo un gradual aumento de la transmisión de cargas por el mismo. Según avanza la formación del callo de fractura, éste también contribuye a la rigidez de la estructura fijador-hueso y una parte de la carga pasará por el foco de fractura, disminuyendo las cargas que se transmiten por el fijador. Una disminución regular de la movilidad indicará una consolidación activa, y a la inversa, cuando la movilidad se mantenga se estará produciendo un retraso de consolidación o una pseudoartrosis.3
Por tanto, el sistema de osteosíntesis (por ejemplo, fijador externo) más adecuado será aquel que adapte su rigidez a la evolución del callo de fractura, produciendo niveles superiores de reparación ósea.19,24 Los objetivos del presente trabajo son evaluar la evolución de las fuerzas y de la rigidez del neoformado óseo en fracturas, estables (transversales) e inestables (oblicuas) y el comportamiento de las fuerzas y de la rigidez del neoformado óseo en las fracturas estables sometidas a dinamización a biocompresión.
Material y Método
Como animal de experimentación se eligió el cordero (Ovis aries), de raza churra, de unos 2-3 meses de edad, con un peso medio de 18 kg. Se utilizó el fijador externo Monotubo® (Jaquet Ortopedie, Howmedica, Ginebra), que es un fijador externo monolateral extensible que gracias a un mecanismo de rodamientos permite la compresión y la dinamización elástica. Los animales se dividieron en tres grupos según el tipo de fractura y tratamiento (Tabla 1). Las fracturas estables (grupos I y III) fueron en este estudio fracturas transversales con 1 mm de separa-ción interfragmentaria tratadas en el grupo a con el fijador externo rígido y en el grupo c abriendo la rosca de dinamización 1 mm para conseguir la biocompresión, permitindo un contacto entre los fragmentos. Las fracturas inestables (grupo b) fueron fracturas con un trazo de osteotomía de 60° de inclinación y tratadas con el fijador externo rígido.
| Tabla 1. División de los animales según el tipo de fractura y tratamiento. | |||||
| Grupo | Tipo de | Tratamiento | N.° de | Evolución | Mediciones/ |
| fractura | animales | (meses) | día | ||
| a | Transversal | Rígido | 3 | 1 | 1 |
| b | Oblicuas | Rígido | 3 | 1 | 1 |
| c | Transversal | Biocompresión | 3 | 1 | 1 |
Suponiendo que es el desplazamiento que se produce cuando se aplica la carga axial Fz sobre el hueso (Fig. 1), se obtiene la siguiente fórmula:7,25
Fz = (Kf + Kh) d [1]
donde la fuerza soportada por el fijador será Ff = Kfd y la soportada por el hueso Fh = Kh d, siendo Kf la rigidez axial del fijador y Kh la del callo de consoli-dación.
Figura 1. Efectos de las fuerzas sobre la deformación del espacio interfragmentario y la barra del fijador
La rigidez del callo (Kh) se incrementa a medida que la fractura consolida, por lo que puede considerarse como un índice de reparación ósea7 y se puede expresar como:
Kh: Rigidez del callo.
Kf: Rigidez del fijador.
Fz: Fuerza total de apoyo.
Ff: Fuerza soportada por el fijador.
Por tanto, conocida la rigidez del fijador (Kf) se puede obtener la rigidez del callo si medimos la fuerza total ejercida por el paciente (Fz), mediante una plataforma de fuerzas, y la que es soportada por el fijador (Ff), instrumentando el fijador.
Para la realización del presente trabajo se utilizaron fijadores externos unilaterales Monotubo®, a los que se les sustituyó una porción de su barra central por un sensor, diseñado en el Departamento de Mecánica Experimental, de la Escuela de Ingenieros de la Universidad de Navarra. La rigidez del sistema de fijación no se afectó por la interposición del sensor, adaptado a la geometría del fijador, en la barra central del mismo.
Cada animal fue anestesiado, sin intubación traqueal, y se le colocó en la pata posterior izquierda un fijador externo monolateral con cuatro clavos, dos proximales y dos distales al foco de fractura, de 5 mm de diámetro (Apex®, Howmedica). Posteriormente, para homogeneizar el trazo se efectuó la osteotomía en el tercio medio de la tibia con sierra neumática, dejando una diástasis del foco de fractura de 1 mm. Se realizó control radiográfico en el postoperatorio inmediato y semanalmente hasta el momento del sacrificio de cada animal, con un intensificador de imágenes portátil (Siremobil II, Siemens®, Erlangen, Alemania), utilizando placas radiográficas Kodak® Diagnostic Film MRE.
Para la valoración de las fracturas a cada animal se le mantuvo en una jaula aislado con el fin de evitar en lo posible el deterioro de los fijadores instrumentados. Cada día se colocó a cada animal durante 30 segundos, con la pata intervenida apoyada sobre una plataforma de fuerzas conectada a un ordenador (Macintosh IIfx, Apple®) a través de un amplificador (San-ei, N9224, AC Strain Amplifier, Tokio, Japón) y con un programa convertidor analógico/digital para adquisición y tratamiento de datos LabVIEW 2 (National Instruments®, Austin, TX, USA), que recogió los microvoltios que se transmiten por la barra del fijador y los que origina el apoyo sobre la plataforma de fuerzas. De esta forma se registraron simultáneamente la fuerza total de apoyo del animal sobre la pata intervenida (Fz) y la fuerza axial que atravesaba el fijador (Ff), desde el día de la intervención hasta la retirada del fijador. Este sistema nos permitió conocer las fuerzas transmitidas por el foco de fractura y establecer diariamente el porcentaje de fuerzas que pasaban por el fijador externo e indirectamente calcular la evolución diaria de la rigidez del neoformado óseo de acuerdo con la ecuación 2.
El programa estadístico empleado ha sido el SPSS para Windows® versión 6.1.2. Los datos se estudiaron mediante análisis descriptivo dentro de cada grupo y cada día.
Resultados
Al estudiar la evolución de fuerzas a través del fijador externo en el grupo a se observó cómo dis-minuyeron de forma progresiva durante las dos primeras semanas hasta alcanzar el 40%. Posteriormente siguieron disminuyendo hasta quedar al 20% al final del tratamiento (Fig. 2). Hay, por tanto, un rápido descenso en los primeros 10 días para hacerse progresivamente más lento a medida que avanza el proceso. La rigidez del callo de fractura aumentaba progresivamente alcanzando los 30 kg/mm a partir del día 20 de tratamiento en todos los animales (Fig. 3).
Figura 2. Fracturas estables. Fijador externo rígido. Promedio diario del porcentaje de fuerzas transmitidas por el fijador cada día.
Figura 3. Fracturas estables. Fijador externo rígido. Progresión de la rigidez de la fractura. Promedio diario.
Los resultados obtenidos en el grupo b mostra-ron que la progresión diaria del porcentaje de la fuerza total que atraviesa la barra del fijador presentaba un moderado descenso en los primeros 10 días, un descenso mínimo en los 10 días siguientes y posteriormente un descenso moderado y menos acentuado que en la fase inicial (Fig. 4). Los valores alcanzaron el 40% después de las 3 semanas de tratamiento en todos los animales. La rigidez del callo de fractura aumentó progresivamente y muy lentamente, alcanzando los 14 kg/mm en dos de los tres animales estudiados, a partir del día 26 de tratamiento (Fig. 5).
Figura 4. Fracturas inestables. Fijador externo rígido. Promedio diario del porcentaje de fuerzas transmitidas por el fijador cada día.
Figura 5. Fracturas inestables. Fijador externo rígido. Progresión de la rigidez de la fractura. Promedio diario.
Los resultados obtenidos en el grupo c se observó que el primer día antes de efectuar la dinamización, el 100% de la carga pasa por el fijador externo e inmediatamente después de abrir la rosca de dinamización, la carga se reparte entre el fijador y el hueso, en distinta proporción para cada uno de los corderos, con una media del 50%. Durante los primeros 8 días la carga que soportaba el fijador era similar a la del segundo día, pero a partir de entonces comenzaba a disminuir. Al llegar al día 22 la curva presentaba valores inferiores al 10% (Fig. 6). La rigidez aumentó de forma constante hasta situarse entre los días 15 al 20 en un valor de 50 kg/mm en los tres animales. A partir de aquí se elevó la pendiente de aumento de la rigidez, alcanzándose valores siempre superiores a 100 kg/mm y llegando en uno de los animales a 200 kg/mm (Fig. 7).
Figura 6. Fracturas estables. Fijador externo en biocompresión. Promedio diario del porcentaje de fuerzas transmitidas por el fijador cada día.
Figura 7. Fracturas estables. Fijador externo en biocompresión. Progresión de la rigidez de la fractura. Promedio diario.
Discusión
Desde el punto de vista mecánico el aspecto más importante de un fijador externo es la rigidez del sistema de fijación ante diferentes tipos de solicitaciones. En los extremos óseos del foco de fractura se pueden presentar de cuatro tipos: una carga axial, dos momentos flectores, anteroposterior y lateral, y una torsión. Frente a cada una de estas solicitaciones debe oponerse una rigidez (axial, anteroposterior, lateral y torsional). Un fijador externo puede ser a la vez estable y elástico. La estabilidad impide la pérdida de reducción, mientras que la elasticidad permite micromovimientos, ya que en esta situación el fijador se deforma al aplicar una carga y cuando ésta cesa vuelve a su posición original. Este fenómeno se suele producir por la flexión de los clavos o por la deformación de la barra, mientras que en el fijador externo dinámico lo que varía son las condiciones de la barra para permitir la transmisión de fuerzas axiales a través del callo de fractura (Fig. 8). Si los fragmentos están en contacto, las cargas axiales serán transmitidas desde el primer momento a través del foco de fractura. Si, por el contrario, existe una separación hasta que se forme el callo, las solicitaciones serán absorbidas por el fijador externo. Diferentes autores2-5,9,16 han empleado este método para conocer las deformaciones del callo de fractura y la rigidez del montaje tanto en trabajos clínicos como experimentales.
Figura 8. Estabilidad y elasticidad en fijación externa.
Cuando se aplica una carga axial a un hueso fracturado y estabilizado con un fijador externo la carga se distribuirá entre el callo de fractura y el fijador, dependiendo exclusivamente de la rigidez de cada uno en ese momento. En un principio, cuando los fragmentos óseos están completamente separados, toda la carga será soportada por el fijador. A medida que pasa el tiempo se forma un tejido entre los fragmentos de hueso que progresivamente soporta más carga hasta que llega un momento en que el fijador ya no es necesario, pues es el hueso quien transmite toda la carga. La rigidez del callo de fractura es el parámetro mecánico más importante y conocer la evolución de la rigidez de un callo óseo es uno de los aspectos que ofrecen mayor interés para establecer una relación mecánico-biológica y perfeccionar el diseño de los sistemas de fijación. Los cambios graduales en los tejidos durante la consolidación pueden caracterizarse por su rigidez, cambiando desde un módulo de Young de 0,05 MN/m2 para el tejido de granulación a 20.000 MN/m2 para el hueso maduro.22
Por su parte, Perren y cols.21,22 defienden la teoría de la deformación interfragmentaria, haciendo especial hincapié en la diferente tolerancia de los tejidos ante la deformación, ya que cuando se supera esa deformación los tejidos se rompen. Es decir, si el tejido presente en el foco de fractura no puede tolerar las condiciones mecánicas existentes, la respuesta biológica será reducir las tensiones para llegar a una reparación ósea mediante la proliferación y diferenciación de los tejidos como ocurre en la formación del callo. En la reparación de las fracturas se produce una disminución gradual del movimiento interfragmentario, pasando por diferentes clases de tejidos con propiedades mecánicas muy distintas. El tejido de granulación puede tolerar 100% de tensión, el tejido fibroso y cartilaginoso toleran bastante menos y el hueso compacto sólo un 2%.
Desde el punto de vista mecánico, Burny3 distingue tres fases durante la evolución de una fractura. En la primera fase, las tres primeras semanas, aumenta la movilidad del foco por la reabsorción ósea y la necrosis de los fragmentos óseos, disminuyendo temporalmente la estabilidad interfragmentaria. En la segunda fase se produce un aumento progresivo de la estabilidad disminuyendo la deformación, y por último, en el tercer período es cuando el callo alcanza un 50% del módulo elástico del hueso sano. Hablar de dinamización no es hablar de movimiento. Dinamizar es cambiar la mecánica de un fijador externo para modificar su rigidez sin alterar su estabilidad para conseguir que las fuerzas axiales atraviesen el foco de fractura. Como han señalado Lazo y cols.,17,18 con su concepto de biocompresión, la situación ideal en el tratamiento de una fractura es cuando actúan sobre ella única y exclusivamente fuerzas de compresión mecánica producidas por cargas funcionales.
Grundnes y cols.11 comparan en ratas la evolución de osteotomías en carga y en descarga, llegando a la conclusión de que la no restricción de la carga estimula la curación ósea. Molster y cols.20 también encuentran una mayor resistencia en el hueso tratado con clavos intramedulares flexibles en los que se ha permitido la carga. Jernberger13 desarrolló un estudio sobre la rigidez de las fracturas de tibia utilizando galgas extensiométricas fijadas a la tibia de los pacientes, observando un progresivo aumento exponencial de la rigidez durante la consolidación, coincidiendo con otros autores en establecer el valor de 15 Nm/grado,12-14,23como el mínimo de seguridad para la retirada del fijador externo en las fracturas tibiales.
Son muchos los autores que estudian la evolución de los movimientos del fijador,1,3,4,6,8,10 estableciendo su relación con la rigidez del neoformado interfragmentario para la prevención de las pseudoartrosis y para evaluar la progresión del movimiento a nivel del foco de fractura. Sin embargo, además de alcanzar un valor absoluto para la rigidez de la fractura no hay que olvidar otros aspectos que juegan un papel muy importante, como es el caso de pacientes muy pesados o con una angulación residual en la fractura, ya que en ellos es aconsejable alcanzar niveles superiores de rigidez antes de retirar el fijador externo.23 Además, distintas localizaciones anatómicas pueden requerir distintos niveles de rigidez como valor de seguridad.
En el presente estudio se demuestra que la rigidez del neoformado óseo en el proceso de reparación de una fractura aumenta de forma progresiva en todos los grupos estudiados (fracturas estables, inestables y tratadas a biocompresión) a la vez que disminuyen las cargas que pasan por el fijador externo, si bien en cada grupo lo hacen con una magnitud y en un tiempo distinto. Las fuerzas que pasan por el fijador disminuyen progresivamente a medida que avanza el proceso, como se ha señalado en todos los grupos, pero nunca llegan a colocarse por debajo del 20% en los sistemas de fijación rígidos después de un mes de tratamiento.1 Las fracturas que más tardan en conseguir una rigidez del callo son las inestables oblicuas, que necesitan 4 semanas para conseguir una rigidez de 10 kg/mm, mientras que las fracturas estables llegan a 33 kg/mm y las dinamizadas consiguen 120 kg/mm en el mismo espacio de tiempo. Por su parte, el porcentaje de fuerzas que pasan por el fijador sigue siendo del 20% al final del tratamiento en las fracturas estables e inestables y ligeramente inferiores al 5% en el grupo sometido a biocompresión.
Agradecimientos
Este trabajo ha sido realizado gracias a la colaboración de la Fundación Echébano.
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