Influencia del grado de reducción de la fractura en el ambiente mecánico del callo durante el proceso de reparación ósea mediante fijación externa | Revista Española de Cirugía Ortopédica y Traumatología

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Otros estudios plantean los efectos de la aplicación de cargas o movimientos de tipo cíclico sobre el callo.13,14,19El nivel de cargas presente en el foco de fractura depende fundamentalmente de factores relacionados con su naturaleza (estabilidad, conminución, orientación de los fragmentos, etc.) y con el sistema de fijación empleado en su tratamiento. De entre los distintos sistemas de fijación, la fijación externa ha tenido un gran auge por las ventajas que ofrece: deambulación precoz, reducción del tiempo de hospitalización, simplicidad y rapidez de aplicación, mínima invasividad de la técnica quirúrgica y posibilidad de reducción de la fractura de forma controlada.24 Además, la fijación externa permite modificar el ambiente mecánico al que está sometido el foco de fractura, en función de la evolución de la reparación.Diversos estudios han analizado diferentes configuraciones de sistemas de fijación externa comerciales, estudiando los efectos que sobre la rigidez y estabilidad de la fractura tienen, entre otros, el número y diámetro de los tornillos, los materiales utilizados, la proximidad de las barras al hueso fracturado y la disposición espacial de tornillos y barras.4 Juan y cols.12 consideraron, además, la evolución de las características mecánicas del callo durante la reparación, relacionando la configuración del fijador y el estado de evolución de la fractura con la rigidez del conjunto.Sin embargo, en el ambiente mecánico del callo de fractura influyen no sólo los parámetros de diseño del sistema de fijación externa, sino también variables propias de la configuración que se adopte y, lo que es más importante, las características de la reducción de la fractura que se consiga, factor particularmente crítico si se tiene en cuenta la dificultad de obtener una buena reducción durante el acto quirúrgico. La reducción de la fractura, entendida como la restauración de la alineación anatómica del hueso, incluye variables como la orientación angular y el desplazamiento relativo entre los fragmentos óseos en el espacio. En este último aspecto son muy escasos los estudios realizados y, por tanto, el diseño de los sistemas de fijación existentes no contempla, en su gran mayoría, la posibilidad de actuar de forma controlada y precisa sobre la reducción.Con el fin de aclarar esta cuestión, se planteó como objeto del presente trabajo el análisis de las cargas presentes en el foco de fractura en función de parámetros que dependen de la naturaleza de la propia fractura y de la reducción conseguida. Para poder relacionar las cargas que actúan sobre el sistema hueso fracturado-fijador externo con los niveles de carga y estado tensional transmitido al foco de fractura, es necesario utilizar técnicas que permitan estimar dichos valores a partir de las propiedades mecánicas de los materiales y las características geométricas de dichos elementos. Hoy en día, la técnica de análisis más utilizada para tratar este tipo de problemas es el método de los elementos finitos (MEF).El análisis mediante el MEF ha sido utilizado de forma frecuente en investigaciones relacionadas con la traumatología y, más concretamente, en el estudio de la fijación externa. Vera y cols.29 y Nishimura17 mediante esta técnica, concluían que el callo asume una gran parte de las cargas a las que se ve sometido el sistema fijador externo-hueso, incluso desde sus primeros estados. Juan y cols.12 y Chao y cols.5 en sendos estudios comparativos, modelaron mediante elementos unidimensionales (vigas) varios sistemas de fijación externa de amplio uso clínico. Meroi y Natali15 desarrollaron un modelo mixto, en el que combinaron la utilización de elementos unidimensionales y tridimensionales. Este último tipo de elementos ha sido también utilizado, más recientemente, por Richards y cols.27Sin embargo, aunque existe un gran número de estudios que caracterizan el comportamiento de los sistemas de fijación externa, aún no ha sido determinada la importancia que tienen los factores relacionados con la fractura y la reducción conseguida durante el acto quirúrgico sobre la estabilidad global y, por tanto, sobre el proceso de reparación. Con el fin de aclarar esta cuestión, se estructuró el presente estudio en cuatro partes. La primera parte consistió en el desarrollo de un modelo de elementos finitos simplificado del sistema hueso-fijador mediante elementos unidimensionales. La segunda parte se centró en la caracterización biomecánica de un sistema de fijación externa comercial en una configuración clínica habitual mediante ensayos en laboratorio. En tercer lugar, se validó el modelo mediante la modificación de diversos parámetros del mismo hasta conseguir que su comportamiento fuese análogo al observado experimentalmente en el fijador comercial. Por último, del modelo final obtenido se extrajeron los datos referentes al estado tensional y a la magnitud y naturaleza de las cargas actuantes en el foco de fractura durante el proceso de consolidación, lo cual ha permitido conocer cómo influyen los parámetros relativos a la reducción de la fractura y a establecer cuáles de ellos pueden resultar más críticos al inducir mayores niveles de cargas y tensiones en el callo.Material y métodoModelo de elementos finitosSe desarrolló un modelo de elementos finitos del conjunto fijador externo-tibia fracturada, empleando las características físicas y geométricas de un fijador externo unilateral comercial (STRONGER®, IQL, S. L.). Dicho fijador de configuración unilateral comprende un cuerpo central que permite controlar el alargamiento y el giro, y dos bridas laterales a las que se fijan los tornillos de cortical. La unión entre las bridas y el cuerpo central se lleva a cabo mediante cuatro rótulas que permiten la reducción de la fractura en planos independientes.A su vez, en el modelo se consideraron las características correspondientes a una tibia humana con una fractura de tercio medio y con un callo de fractura de características mecánicas variables con el tiempo. El modelo desarrollado permitía modificar la configuración del sistema de fijación y la orientación espacial de los fragmentos óseos, así como las propiedades mecánicas del callo de fractura, con el fin de analizar su influencia en el ambiente mecánico del montaje.Dadas las características geométricas del conjunto, se utilizaron elementos finitos unidimensionales tipo viga, que consideran las características mecánicas más relevantes para el estudio del comportamiento mecánico del sistema. Esta aproximación permitió simplificar el tratamiento y análisis de los resultados obtenidos sin perder validez de forma significativa.4,12 Los elementos que componían el modelo fueron dotados de las características mecánicas correspondientes a los materiales de los elementos reales (tabla 1), cuyos datos fueron obtenidos de la bibliografía.8,20,30<img src="129v45n03-13015929tab01.gif"></img>Se emplearon en el modelo del conjunto (fijador, fragmentos óseos y callo) un total de 31 elementos, conectados entre sí por 27 nodos (Fig. 1). Para el desarrollo y análisis del modelo fue utilizado el programa I-DEAS Master Series 6 (SDRC, Milford, Ohio). Como hipótesis se consideraron materiales elásticos lineales con propiedades homogéneas.<img src="129v45n03-13015929tab02.gif"></img>Figura 1. Modelo de elementos finitos del conjunto fijador externo-tibia fracturada. Caracterización biomecánica de un fijador unilateral tipoEl parámetro utilizado para la caracterización del fijador fue su rigidez, es decir, la resistencia que ofrece a la deformación al ser sometido a carga. Las cargas que soporta un fijador externo durante su uso clínico normal son el resultado de una combinación de diferentes modos de carga: compresión axial, flexión en los planos anatómicos y torsión.25 Dadas las características del fijador, éste presenta una respuesta mecánica distinta respecto a los distintos modos de carga que actúan sobre él, por lo que fue necesario obtener en el laboratorio la rigidez del fijador respecto a cada uno de los modos de carga de forma independiente. Puesto que la rigidez de un sistema de fijación externa depende, entre otros parámetros, de la configuración adoptada, se estableció una configuración estándar con tres tornillos por segmento óseo. Para la realización de los ensayos se montó el fijador externo sobre dos barras de metacrilato de sección cuadrada y 25 mm de ancho, empleadas en trabajos previos como modelo sintético de hueso,4,12 quedando los fragmentos alineados entre sí longitudinalmente, simulando el foco de fractura mediante una separación entre ellos de 25 mm. La distancia entre el eje de las barras de metacrilato y el eje de la barra de estabilización del fijador se fijó en 70 mm, y la separación entre los tornillos de cortical centrales de ambos fragmentos se estableció en 200 mm. A su vez, la separación entre tornillos de un mismo fragmento se fijó en 20 mm, siendo utilizados tornillos de cortical de acero inoxidable de 6 mm de diámetro. La evaluación de la rigidez del fijador en la configuración descrita se realizó mediante una máquina universal de ensayos SERVOSIS en los modos de carga de compresión, flexión en el plano antero-posterior, flexión en el plano medio-lateral y torsión (Fig. 2), obteniéndose los resultados que se presentan en la tabla 2.<img src="129v45n03-13015929tab03.gif"></img><img src="129v45n03-13015929tab04.gif"></img> Figura 2. Esquema de los montajes utilizados para la obtención de la rigidez ante los distintos modos de carga: A: Compresión. B: Flexión en el plano frontal. C: Flexión en el plano sagital. D: Torsión.<img src="129v45n03-13015929tab05.gif"></img> Validación del modeloPara poder considerar fiables los resultados obtenidos del modelo de elementos finitos fue necesario validar éste previamente, mediante el ajuste de determinados parámetros del modelo, de forma que los valores de rigidez estimados en cada modo de carga reprodujeran lo mejor posible los obtenidos en laboratorio.Las simplificaciones introducidas en el modelo de elementos finitos (elementos tipo viga con uniones rígidas) con respecto a la estructura real que intenta reproducir, implican que ciertas características propias de las uniones entre los diversos componentes, como holguras, la deformación de elementos de conexión, de las rótulas, etc., no sean consideradas inicialmente. Sin embargo, estas características influyen notablemente en el comportamiento mecánico del fijador real, por lo que es necesario que el modelo las contemple. Por tanto, se consideran como parámetros de ajuste del modelo la rigidez a flexión de las rótulas del fijador, la rigidez a torsión del cuerpo central del fijador y la rigidez a compresión de este mismo elemento, requiriendo en cada caso para su ajuste la variación del módulo elástico de los elementos que simulan dichos componentes en el modelo.En la unión tornillo-hueso se ha considerado empotramiento perfecto pues aunque la osteolisis alrededor de los tornillos podría aumentar la flexibilidad de dicha unión, ésta afectaría principalmente en los estados más avanzados de la consolidación10,17 y es difícil de cuantificar su efecto.La fase de validación comprende un proceso iterativo, en el cual con unos valores iniciales de los parámetros de ajuste se estima mediante el modelo la rigidez del fijador bajo los modos de carga considerados. Con el fin de simular las condiciones de laboratorio, en el modelo se consideran las propiedades de las barras de metacrilato y un callo inexistente simulado mediante una separación entre fragmentos. A continuación se valora la desviación entre los valores estimados por el modelo y los obtenidos en laboratorio y se modifican los módulos elásticos de los elementos de ajuste. Con estos nuevos parámetros del modelo se vuelven a estimar las rigideces del fijador y la desviación respecto a los valores experimentales, y así sucesivamente hasta que se obtiene unos valores máximos de error inferiores al 5% en todos los modos de carga. Los resultados de rigidez en cada modo de carga obtenidos a partir del modelo validado se expresan en la tabla 2, así como el grado de ajuste respecto a los obtenidos experimentalmente. Análisis de sensibilidad de los parámetros relativos al grado de reducción de la fracturaUna vez validado, el modelo se ha utilizado para simular diversos grados de reducción de la fractura y estudiar cómo afectan al ambiente mecánico y al estado tensional del callo.Para ello se consideró el modelo de fijador y tibia facturada sometido a una combinación de cargas equivalente a los valores máximos de fuerzas y momentos que se producen durante la marcha sobre el extremo proximal del hueso18 (tabla 3).<img src="129v45n03-13015929tab06.gif"></img>El sistema de coordenadas de referencia empleado se representa en la figura 3, siendo el plano YZ el que contiene al fijador externo.<img src="129v45n03-13015929tab07.gif"></img>Figura 3. Sistema de coordenadas de referencia. Pierna derecha.El grado de reducción de la fractura se analizó, estudiándose las siguientes variables: tamaño del defecto óseo, ángulo entre fragmentos en los planos sagital y frontal y desalineamiento de los fragmentos en los planos sagital y frontal (Fig. 4). En cada una de estas posibles configuraciones se estudiaron tres posiciones distintas, que quedan establecidas en la tabla 4.<img src="129v45n03-13015929tab08.gif"></img> Figura 4. Casos estudiados: A: Reducción anatómica. B: Angulación en el plano A-P o frontal. C: Angulación en el plano M-L o sagital. D: Defecto óseo. E: Desalineamiento en el plano A-P. F: Desalineamiento en el plano M-L.<img src="129v45n03-13015929tab09.gif"></img>Todos los casos fueron analizados teniendo en cuenta la evolución de las propiedades elásticas del callo de fractura, desde un callo con características elásticas incipientes hasta su total madurez, en que adquiere las características del hueso cortical sano. Se supuso que la evolución de los módulos elásticos (E y G) del callo sigue una escala logarítmica creciente,9,10,16 tal como se representa en la tabla 5. La evolución del callo se simplificó en cuatro estados, correspondiendo el estado 1 a un callo inmaduro, formado a los pocos días de la fractura, y el estado 4 al hueso cortical sano.<img src="129v45n03-13015929tab10.gif"></img>De la combinación de todos los parámetros considerados se estimaron mediante el modelo los valores de las cargas mecánicas presentes en el callo de fractura y el nivel tensional representado por el valor máximo alcanzado de la tensión equivalente de von Mises. Los valores de cargas (fuerzas y momentos) calculados fueron:Axil: Fuerza de compresión en la dirección longitudinal de la diáfisis; Cx: Esfuerzo cortante en dirección antero-posterior; Cy: Esfuerzo cortante en dirección medio-lateral; Mz: Momento torsor; Mx: Momento flector en el plano antero-posterior; My: Momento flector en el plano medio-lateral.Los datos obtenidos permitieron conocer cuáles de los parámetros considerados tenían mayor influencia sobre el ambiente mecánico del callo de fractura y de qué forma influían en él. ResultadosSe presentan a continuación los valores obtenidos de fuerzas, momentos y tensiones de von Mises presentes en el foco de fractura en cada tipo de reducción no anatómica considerada, teniendo en cuenta, además, la evolución de las características mecánicas del callo desde su estado más incipiente hasta que adquiere las propiedades del hueso cortical.Tamaño del defecto óseoLos resultados obtenidos en función del tamaño del defecto óseo se muestran en la figura 5. Destaca la invariabilidad del nivel de fuerzas en el callo, independientemente del tamaño del defecto óseo durante toda su evolución. El momento flector Mx crece con la evolución del callo de forma pronunciada, mostrándose levemente sensible al tamaño del callo. La tensión también incrementa de forma importante su valor en los estados más maduros del callo, siendo algo mayor cuanto más pequeño es su tamaño.<img src="129v45n03-13015929tab11.gif"></img>Figura 5. Fuerzas, momentos y tensión de von Mises máxima en el callo en función del tamaño del defecto óseo. Angulación entre fragmentos en el plano sagitalLos resultados obtenidos para este caso se presentan en la figura 6. Es destacable el fuerte incremento del momento My en los casos en que el ángulo entre fragmentos es mayor, tendencia que se acentúa en los estados más maduros del callo. El momento Mx también experimenta un incremento a medida que evoluciona el callo, pero se muestra insensible al ángulo entre fragmentos en el plano sagital. La tensión de von Mises, a su vez, también aumenta de forma importante en los casos de mayor ángulo entre fragmentos (reducción menos anatómica).<img src="129v45n03-13015929tab12.gif"></img> Figura 6. Fuerzas, momentos y tensión de von Mises máxima en el callo en función de la angulación entre fragmentos en el plano sagital. Angulación entre fragmentos en el plano frontalLos resultados obtenidos para este caso se presentan en la figura 7. Se observa un aumento muy pronunciado del momento Mx en los casos en que existe mayor ángulo entre fragmentos. Además, este incremento se hace mayor cuanto más evolucionado se encuentra el callo en su consolidación. La tensión sigue una tendencia similar, incrementándose de forma notable cuanto mayor es el ángulo entre los fragmentos. Asimismo, también se produce un aumento significativo de tensión a medida que va madurando el callo.<img src="129v45n03-13015929tab13.gif"></img>Figura 7. Fuerzas, momentos y tensión de von Mises máxima en el callo en función de la angulación en el plano frontal. Desalineamiento entre fragmentos en el plano sagitalEn la figura 8 se representan los resultados obtenidos para este caso. Al igual que ocurre en el resto de casos, las fuerzas tienden a permanecer estables. Es destacable en cambio la excepción de la fuerza de compresión (Axil), que es de menor magnitud en los casos de mayor desalineamiento, fundamentalmente en callos poco desarrollados. Los momentos tienden a ser mayores a medida que evoluciona el callo, aunque el efecto es mucho más pronunciado en los momentos Mx y My. A su vez, My es el único que se ve claramente influido por el grado de desalineamiento de los fragmentos en este plano, incrementando de forma muy pronunciada su valor cuanto mayor es éste. La tensión en el callo aumenta básicamente con su nivel de madurez.<img src="129v45n03-13015929tab14.gif"></img> Figura 8. Fuerzas, momentos y tensión de von Mises máxima en el callo en función del desalineamiento en el plano sagital. Desalineamiento entre fragmentos en el plano frontalSe representan los resultados correspondientes en la figura 9. Destaca el hecho de que un mayor desalineamiento entre fragmentos produce una disminución intensa de la fuerza de compresión en el callo, aunque sólo en los primeros estados de evolución. El momento Mx se hace también mayor a medida que evoluciona el callo, tendencia que se hace más pronunciada en caso de que el desalineamiento sea mayor. Asimismo, la tensión en el callo aumenta tanto por un mayor desalineamiento entre fragmentos como por una mayor rigidez del callo.<img src="129v45n03-13015929tab15.gif"></img> Figura 9. Fuerzas, momentos y tensión de von Mises máxima en el callo en función del desalineamiento en el plano frontal. DiscusiónLos resultados obtenidos en el presente trabajo muestran que los esfuerzos cortantes que actúan sobre el callo de una fractura tratada por fijación externa unilateral no experimentan variaciones sustanciales durante su evolución hasta la consolidación final. De hecho, tampoco se muestran influidos de forma notable por el grado de reducción de la fractura conseguido, al menos, dentro de los límites establecidos en este estudio para cada tipo de reducción. Este hecho es de importancia si se considera que ciertos autores21 han relacionado las cargas de cizalladura en el callo con un mayor riesgo de refractura y con un mayor impedimento para la osteogénesis, sobre todo en su estado de evolución más incipiente. Es necesario recordar, sin embargo, que la carga a la que se ha sometido a los sistemas para su análisis corresponde a una actividad (marcha) que transmite bajos niveles de esfuerzos cortantes a la diáfisis de la tibia, en comparación con otras actividades habituales.18Las cargas de compresión en la diáfisis de la tibia son debidas al peso corporal del paciente durante el apoyo del pie en la marcha humana. Según los resultados obtenidos, el tipo de fijación externa utilizado en este estudio transmite al callo un nivel de cargas de compresión elevado, incluso desde su estado más incipiente. Cuando el callo alcanza un módulo elástico del 1% del correspondiente al hueso intacto (Callo 2), el sistema transmite al callo la práctica totalidad de las cargas de compresión. Puede sorprender el hecho de que, en etapas tan tempranas, sea el callo el que transmita la mayor parte de la carga de compresión del sistema, y no el fijador externo, pero hay que considerar que la escasa longitud del callo y su elevada sección, combinados con un sistema de fijación con baja rigidez a compresión, provoca que la transmisión de cargas se produzca por el elemento más rígido, que en estas condiciones es el propio callo. Los resultados obtenidos se corresponden con los trabajos desarrollados por diversos autores.3,28,29 Prat y cols.26 coinciden plenamente en los resultados obtenidos en este sentido, señalando además que a los pocos días de la intervención quirúrgica, el callo ya adquiere las características mecánicas correspondientes al estado 2 considerado. Estos resultados se repiten para todos los tipos y grados de reducción estudiados, por lo que no presentan una influencia clara sobre la presencia de este tipo de cargas en el foco de fractura. Únicamente cabe destacar que el desalineamiento de los fragmentos, en cualquiera de los planos, hace que el reparto de las cargas de compresión sea más equilibrado entre fijador y callo en las fases iniciales, debido a la disminución de la sección resistente de éste. Este reparto de cargas se mantiene hasta que el callo adquiere un módulo elástico cercano al 10% del que posee el hueso intacto.Los momentos que soporta el callo son crecientes a lo largo de su maduración. En un principio, es el fijador el que absorbe la mayor parte de los momentos presentes en el sistema, situación que traslada gradualmente al callo de fractura a medida que éste se hace más rígido. El momento torsor es el que experimenta esta tendencia de forma más atenuada, tanto por ser de menor magnitud como por el hecho de que la inercia que ofrecen dos elementos en paralelo, separados entre sí, impide que los momentos torsores presentes en éstos sean elevados, hasta el punto de que las reducciones no anatómicas, en cualquiera de los modos estudiados, tampoco les afectan de forma apreciable. Teniendo en cuenta que el momento torsor produce, principalmente, esfuerzos de cizalladura en el callo, se pueden extrapolar las mismas conclusiones que las expuestas en la discusión previa relativa a los esfuerzos cortantes.Los momentos flectores My y Mx en el callo, además de ser progresivamente mayores a medida que el callo se hace más rígido, se ven afectados tanto por el tipo como por el grado de reducción de la fractura. Cualquier ángulo o desalineación entre los fragmentos óseos provoca un aumento importante del momento flector característico del plano en que se produce dicha reducción no anatómica; es decir, cuanto mayor es el ángulo o desalineación entre fragmentos en el plano sagital, mayor es el momento My resultante, mientras el momento Mx permanece más o menos estable. El mismo razonamiento cabe para ángulos o desalineaciones en el plano frontal, aunque en este caso es el momento Mx el que experimenta aumentos importantes, permaneciendo el momento My estable. En caso de reducción anatómica, el fijador absorbe la mayor parte del momento My del sistema, incluso en el estado más evolucionado del callo (Callo 4), transmitiéndole a éste entre el 7 y el 13% (en función del estado de madurez del callo) del momento My que actuaría sobre el hueso sin fijador. En cambio, una desalineación entre fragmentos en el plano sagital del 50% del diámetro de la tibia multiplica por 4 ese valor, y un ángulo entre fragmentos de 15° en dicho plano hace que el momento My transmitido al callo sea hasta seis veces superior. El caso del momento Mx es algo distinto, ya que en el caso de reducción anatómica, el sistema transmite al callo la mayor parte de Mx de manera gradual durante su evolución, de forma que en el estado más evolucionado (Callo 4) el callo soporta hasta el 70% del momento Mx que actuaría en el hueso sin fijador. Así, una desalineación en el plano frontal del 50% del diámetro de la tibia provoca aumentos en Mx del 70% respecto al que actuaría en el hueso sin fijador, y un ángulo entre fragmentos en ese mismo plano de 15° provoca aumentos de hasta el 100%.Los niveles de tensión de von Mises también presentan una clara tendencia a aumentar a medida que el callo ofrece características mecánicas más consistentes. Es importante hacer notar que ya desde los primeros estadios de evolución existe un nivel de tensiones en el callo considerable, lo que puede proporcionar el ambiente mecánico que se estima necesario para promover la consolidación.1,5,7,14 Sin embargo, este efecto se intensifica de forma importante en los casos en que la reducción es no anatómica. Si en el caso de reducción anatómica se producen incrementos de tensión desde 20 MPa hasta 45 MPa durante el desarrollo del callo, con una desalineación del 50% en cualquier plano se alcanzan valores máximos de hasta 60-65 MPa, y con ángulos entre fragmentos de 15° estos valores llegan a los 75 MPa. Si bien un umbral mínimo de tensión parece necesario para conseguir la consolidación, también parece claro que existe un umbral máximo a partir del cual se impide la formación del puente óseo entre los fragmentos, umbral que podría ser traspasado por el hecho de no conseguir una reducción lo suficientemente depurada.Por último, es necesario tener en cuenta las limitaciones del modelo simplificado presentado que se centran principalmente en la consideración del callo como un elemento unidimensional con propiedades elásticas lineales homogéneas. Dichas hipótesis, aunque permiten estimar los valores de fuerzas y momentos a nivel del callo, únicamente proporcionan una estimación global del nivel tensional, mediante el valor máximo de la tensión de von Mises. Para conocer de forma más detallada el estado tenso-deformacional a nivel de los diferentes tejidos del callo debería emplearse un modelo más complejo en el que se considerara éste mediante elementos tridimensionales.27Aunque el estudio se ha llevado a cabo en una configuración estándar determinada, las conclusiones generales pueden ser extrapoladas a configuraciones semejantes. Sin embargo, para sacar conclusiones de configuraciones sustancialmente distintas debería adaptarse el modelo para dichas nuevas consideraciones.La hipótesis de comportamiento lineal del modelo (que considera que las cargas sobre el callo son proporcionales a las cargas aplicadas) es una buena aproximación al problema, aunque modelos posteriores deberían considerar no linealidades, principalmente relacionadas con las características mecánicas del callo en sus etapas más iniciales. ConclusionesParece claro que la función primordial del fijador externo durante la mayor parte de la evolución del callo es absorber los momentos flectores que tienden a desalinear los fragmentos y desestabilizar la fractura, pues las fuerzas de compresión son absorbidas por el callo desde etapas muy tempranas. Los datos obtenidos muestran, además, que ciertos grados de reducción no anatómica, especialmente la angulación entre fragmentos de fractura, trasladan también gran parte de los momentos flectores al callo, con lo que la función primordial del sistema de fijación externa de absorber la carga que el hueso fracturado no puede asumir quedaría muy limitada, provocando un incremento elevado de las cargas en el callo que podría desembocar en una falta de consolidación o una pseudoartrosis. AgradecimientosEste trabajo ha sido financiado parcialmente por el Ministerio de Industria y Energía a través de la iniciativa ATYCA (Apoyo a la Tecnología, la Seguridad y la Calidad Industrial), en un proyecto de título: «Definición de las características biomecánicas de un nuevo sistema de fijación externa de fracturas mediante alineación controlada», realizado durante los años 1998 y 1999. Los fijadores han sido suministrados por la empresa Industrias Quirúrgicas de Levante (IQL, S.L.)." 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Diseño experimental: Se desarrolla un modelo de elementos finitos del conjunto fijador externo-tibia fracturada, validado con ensayos mecánicos de compresión, flexión en los planos frontal y sagital, y torsión. El modelo considera, además, la evolución del callo desde un estado inicial hasta su consolidación, mediante la variación de sus propiedades elásticas. Del modelo desarrollado se obtienen valores de fuerzas, momentos y tensiones en el foco de fractura, considerando diversos grados de reducción no anatómica según las configuraciones siguientes: ángulo entre fragmentos (planos sagital y frontal), desalineación entre ejes de fragmentos (planos sagital y frontal) y separación longitudinal. Resultados: Los momentos presentes en el callo aumentan al disminuir el grado de reducción, especialmente en los casos de angulación y desalineación, con valores máximos de 60 Nm (+600%). La tensión de von Mises también aumenta con menores grados de reducción, produciéndose incrementos del 180% (hasta 80 MPa) respecto a los valores obtenidos en fracturas con reducción anatómica. Conclusiones: Una reducción de fractura no adecuada incrementa los momentos flectores en el callo, así como su estado tensional en general, que se hace más crítico cuanto menor es el grado de reducción alcanzado, fundamentalmente en el caso de angulación y desalineación entre fragmentos. Ciertos grados de reducción no anatómica representan, por tanto, un mayor riesgo de retardo en la consolidación o incluso ausencia de la misma." ] "en" => array:1 [ "resumen" => "Objective: Influence of different degrees of non-anatomic reduction of fractures by unilateral external fixation on the mechanical environment of callus formation was evaluated. 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Estadísticas

Influencia del grado de reducción de la fractura en el ambiente mecánico del callo durante el proceso de reparación ósea mediante fijación externa

Influence of fracture reduction on the mechanical environment of callus formation during bone repair using external fixation

M A. Sierra Hernándeza, M. Comín Clavijoa, J M. Prat Pastora, J L. Peris Serraa, C M. Atienza Vicentea, F. Mollá Doménecha

a Instituto de Biomecánica de Valencia (IBV). Valencia.

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    "textoCompleto" => "<p class="elsevierStylePara">Es generalmente aceptado el hecho de que el ambiente mec&#225;nico presente en el foco de fractura influye de forma determinante en el proceso de reparaci&#243;n &#243;sea&#46; Diversos autores<span class="elsevierStyleSup">2&#44;6&#44;21-23</span> han desarrollado los conceptos generales que explican la evoluci&#243;n del tejido indiferenciado inicial hacia tejido cartilaginoso&#44; fibroso o hueso&#44; en funci&#243;n de la naturaleza de las cargas y la magnitud de las deformaciones presentes en el foco de fractura&#46; Otros estudios plantean los efectos de la aplicaci&#243;n de cargas o movimientos de tipo c&#237;clico sobre el callo&#46;<span class="elsevierStyleSup">13&#44;14&#44;19</span></p><p class="elsevierStylePara">El nivel de cargas presente en el foco de fractura depende fundamentalmente de factores relacionados con su naturaleza &#40;estabilidad&#44; conminuci&#243;n&#44; orientaci&#243;n de los fragmentos&#44; etc&#46;&#41; y con el sistema de fijaci&#243;n empleado en su tratamiento&#46; De entre los distintos sistemas de fijaci&#243;n&#44; la fijaci&#243;n externa ha tenido un gran auge por las ventajas que ofrece&#58; deambulaci&#243;n precoz&#44; reducci&#243;n del tiempo de hospitalizaci&#243;n&#44; simplicidad y rapidez de aplicaci&#243;n&#44; m&#237;nima invasividad de la t&#233;cnica quir&#250;rgica y posibilidad de reducci&#243;n de la fractura de forma controlada&#46;<span class="elsevierStyleSup">24</span> Adem&#225;s&#44; la fijaci&#243;n externa permite modificar el ambiente mec&#225;nico al que est&#225; sometido el foco de fractura&#44; en funci&#243;n de la evoluci&#243;n de la reparaci&#243;n&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Diversos estudios han analizado diferentes configuraciones de sistemas de fijaci&#243;n externa comerciales&#44; estudiando los efectos que sobre la rigidez y estabilidad de la fractura tienen&#44; entre otros&#44; el n&#250;mero y di&#225;metro de los tornillos&#44; los materiales utilizados&#44; la proximidad de las barras al hueso fracturado y la disposici&#243;n espacial de tornillos y barras&#46;<span class="elsevierStyleSup">4</span> Juan y cols&#46;<span class="elsevierStyleSup">12</span> consideraron&#44; adem&#225;s&#44; la evoluci&#243;n de las caracter&#237;sticas mec&#225;nicas del callo durante la reparaci&#243;n&#44; relacionando la configuraci&#243;n del fijador y el estado de evoluci&#243;n de la fractura con la rigidez del conjunto&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Sin embargo&#44; en el ambiente mec&#225;nico del callo de fractura influyen no s&#243;lo los par&#225;metros de dise&#241;o del sistema de fijaci&#243;n externa&#44; sino tambi&#233;n variables propias de la configuraci&#243;n que se adopte y&#44; lo que es m&#225;s importante&#44; las caracter&#237;sticas de la reducci&#243;n de la fractura que se consiga&#44; factor particularmente cr&#237;tico si se tiene en cuenta la dificultad de obtener una buena reducci&#243;n durante el acto quir&#250;rgico&#46; La reducci&#243;n de la fractura&#44; entendida como la restauraci&#243;n de la alineaci&#243;n anat&#243;mica del hueso&#44; incluye variables como la orientaci&#243;n angular y el desplazamiento relativo entre los fragmentos &#243;seos en el espacio&#46; En este &#250;ltimo aspecto son muy escasos los estudios realizados y&#44; por tanto&#44; el dise&#241;o de los sistemas de fijaci&#243;n existentes no contempla&#44; en su gran mayor&#237;a&#44; la posibilidad de actuar de forma controlada y precisa sobre la reducci&#243;n&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Con el fin de aclarar esta cuesti&#243;n&#44; se plante&#243; como objeto del presente trabajo el an&#225;lisis de las cargas presentes en el foco de fractura en funci&#243;n de par&#225;metros que dependen de la naturaleza de la propia fractura y de la reducci&#243;n conseguida&#46; Para poder relacionar las cargas que act&#250;an sobre el sistema hueso fracturado-fijador externo con los niveles de carga y estado tensional transmitido al foco de fractura&#44; es necesario utilizar t&#233;cnicas que permitan estimar dichos valores a partir de las propiedades mec&#225;nicas de los materiales y las caracter&#237;sticas geom&#233;tricas de dichos elementos&#46; Hoy en d&#237;a&#44; la t&#233;cnica de an&#225;lisis m&#225;s utilizada para tratar este tipo de problemas es el m&#233;todo de los elementos finitos &#40;MEF&#41;&#46;</p><p class="elsevierStylePara">El an&#225;lisis mediante el MEF ha sido utilizado de forma frecuente en investigaciones relacionadas con la traumatolog&#237;a y&#44; m&#225;s concretamente&#44; en el estudio de la fijaci&#243;n externa&#46; Vera y cols&#46;<span class="elsevierStyleSup">29</span> y Nishimura<span class="elsevierStyleSup">17</span> mediante esta t&#233;cnica&#44; conclu&#237;an que el callo asume una gran parte de las cargas a las que se ve sometido el sistema fijador externo-hueso&#44; incluso desde sus primeros estados&#46; Juan y cols&#46;<span class="elsevierStyleSup">12</span> y Chao y cols&#46;<span class="elsevierStyleSup">5</span> en sendos estudios comparativos&#44; modelaron mediante elementos unidimensionales &#40;vigas&#41; varios sistemas de fijaci&#243;n externa de amplio uso cl&#237;nico&#46; Meroi y Natali<span class="elsevierStyleSup">15</span> desarrollaron un modelo mixto&#44; en el que combinaron la utilizaci&#243;n de elementos unidimensionales y tridimensionales&#46; Este &#250;ltimo tipo de elementos ha sido tambi&#233;n utilizado&#44; m&#225;s recientemente&#44; por Richards y cols&#46;<span class="elsevierStyleSup">27</span></p><p class="elsevierStylePara">Sin embargo&#44; aunque existe un gran n&#250;mero de estudios que caracterizan el comportamiento de los sistemas de fijaci&#243;n externa&#44; a&#250;n no ha sido determinada la importancia que tienen los factores relacionados con la fractura y la reducci&#243;n conseguida durante el acto quir&#250;rgico sobre la estabilidad global y&#44; por tanto&#44; sobre el proceso de reparaci&#243;n&#46; Con el fin de aclarar esta cuesti&#243;n&#44; se estructur&#243; el presente estudio en cuatro partes&#46; La primera parte consisti&#243; en el desarrollo de un modelo de elementos finitos simplificado del sistema hueso-fijador mediante elementos unidimensionales&#46; La segunda parte se centr&#243; en la caracterizaci&#243;n biomec&#225;nica de un sistema de fijaci&#243;n externa comercial en una configuraci&#243;n cl&#237;nica habitual mediante ensayos en laboratorio&#46; En tercer lugar&#44; se valid&#243; el modelo mediante la modificaci&#243;n de diversos par&#225;metros del mismo hasta conseguir que su comportamiento fuese an&#225;logo al observado experimentalmente en el fijador comercial&#46; Por &#250;ltimo&#44; del modelo final obtenido se extrajeron los datos referentes al estado tensional y a la magnitud y naturaleza de las cargas actuantes en el foco de fractura durante el proceso de consolidaci&#243;n&#44; lo cual ha permitido conocer c&#243;mo influyen los par&#225;metros relativos a la reducci&#243;n de la fractura y a establecer cu&#225;les de ellos pueden resultar m&#225;s cr&#237;ticos al inducir mayores niveles de cargas y tensiones en el callo&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Material y m&#233;todo</p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleItalic">Modelo de elementos finitos</span></p><p class="elsevierStylePara">Se desarroll&#243; un modelo de elementos finitos del conjunto fijador externo-tibia fracturada&#44; empleando las caracter&#237;sticas f&#237;sicas y geom&#233;tricas de un fijador externo unilateral comercial &#40;STRONGER<span class="elsevierStyleSup">&#174;</span>&#44; IQL&#44; S&#46; L&#46;&#41;&#46; Dicho fijador de configuraci&#243;n unilateral comprende un cuerpo central que permite controlar el alargamiento y el giro&#44; y dos bridas laterales a las que se fijan los tornillos de cortical&#46; La uni&#243;n entre las bridas y el cuerpo central se lleva a cabo mediante cuatro r&#243;tulas que permiten la reducci&#243;n de la fractura en planos independientes&#46;</p><p class="elsevierStylePara">A su vez&#44; en el modelo se consideraron las caracter&#237;sticas correspondientes a una tibia humana con una fractura de tercio medio y con un callo de fractura de caracter&#237;sticas mec&#225;nicas variables con el tiempo&#46; El modelo desarrollado permit&#237;a modificar la configuraci&#243;n del sistema de fijaci&#243;n y la orientaci&#243;n espacial de los fragmentos &#243;seos&#44; as&#237; como las propiedades mec&#225;nicas del callo de fractura&#44; con el fin de analizar su influencia en el ambiente mec&#225;nico del montaje&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Dadas las caracter&#237;sticas geom&#233;tricas del conjunto&#44; se utilizaron elementos finitos unidimensionales tipo viga&#44; que consideran las caracter&#237;sticas mec&#225;nicas m&#225;s relevantes para el estudio del comportamiento mec&#225;nico del sistema&#46; Esta aproximaci&#243;n permiti&#243; simplificar el tratamiento y an&#225;lisis de los resultados obtenidos sin perder validez de forma significativa&#46;<span class="elsevierStyleSup">4&#44;12</span> Los elementos que compon&#237;an el modelo fueron dotados de las caracter&#237;sticas mec&#225;nicas correspondientes a los materiales de los elementos reales &#40;tabla 1&#41;&#44; cuyos datos fueron obtenidos de la bibliograf&#237;a&#46;<span class="elsevierStyleSup">8&#44;20&#44;30</span></p><p class="elsevierStylePara"><img src="129v45n03-13015929tab01.gif"></img></p><p class="elsevierStylePara">Se emplearon en el modelo del conjunto &#40;fijador&#44; fragmentos &#243;seos y callo&#41; un total de 31 elementos&#44; conectados entre s&#237; por 27 nodos &#40;Fig&#46; 1&#41;&#46; Para el desarrollo y an&#225;lisis del modelo fue utilizado el programa I-DEAS Master Series 6 &#40;SDRC&#44; Milford&#44; Ohio&#41;&#46; Como hip&#243;tesis se consideraron materiales el&#225;sticos lineales con propiedades homog&#233;neas&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleItalic"><img src="129v45n03-13015929tab02.gif"></img></span></p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleBold">Figura 1&#46;</span> Modelo de elementos finitos del conjunto fijador externo-tibia fracturada&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleItalic"> Caracterizaci&#243;n biomec&#225;nica de un fijador unilateral tipo</span></p><p class="elsevierStylePara">El par&#225;metro utilizado para la caracterizaci&#243;n del fijador fue su rigidez&#44; es decir&#44; la resistencia que ofrece a la deformaci&#243;n al ser sometido a carga&#46; Las cargas que soporta un fijador externo durante su uso cl&#237;nico normal son el resultado de una combinaci&#243;n de diferentes modos de carga&#58; compresi&#243;n axial&#44; flexi&#243;n en los planos anat&#243;micos y torsi&#243;n&#46;<span class="elsevierStyleSup">25</span> Dadas las caracter&#237;sticas del fijador&#44; &#233;ste presenta una respuesta mec&#225;nica distinta respecto a los distintos modos de carga que act&#250;an sobre &#233;l&#44; por lo que fue necesario obtener en el laboratorio la rigidez del fijador respecto a cada uno de los modos de carga de forma independiente&#46; Puesto que la rigidez de un sistema de fijaci&#243;n externa depende&#44; entre otros par&#225;metros&#44; de la configuraci&#243;n adoptada&#44; se estableci&#243; una configuraci&#243;n est&#225;ndar con tres tornillos por segmento &#243;seo&#46; Para la realizaci&#243;n de los ensayos se mont&#243; el fijador externo sobre dos barras de metacrilato de secci&#243;n cuadrada y 25 mm de ancho&#44; empleadas en trabajos previos como modelo sint&#233;tico de hueso&#44;<span class="elsevierStyleSup">4&#44;12</span> quedando los fragmentos alineados entre s&#237; longitudinalmente&#44; simulando el foco de fractura mediante una separaci&#243;n entre ellos de 25 mm&#46; La distancia entre el eje de las barras de metacrilato y el eje de la barra de estabilizaci&#243;n del fijador se fij&#243; en 70 mm&#44; y la separaci&#243;n entre los tornillos de cortical centrales de ambos fragmentos se estableci&#243; en 200 mm&#46; A su vez&#44; la separaci&#243;n entre tornillos de un mismo fragmento se fij&#243; en 20 mm&#44; siendo utilizados tornillos de cortical de acero inoxidable de 6 mm de di&#225;metro&#46; La evaluaci&#243;n de la rigidez del fijador en la configuraci&#243;n descrita se realiz&#243; mediante una m&#225;quina universal de ensayos SERVOSIS en los modos de carga de compresi&#243;n&#44; flexi&#243;n en el plano antero-posterior&#44; flexi&#243;n en el plano medio-lateral y torsi&#243;n &#40;Fig&#46; 2&#41;&#44; obteni&#233;ndose los resultados que se presentan en la tabla 2&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><img src="129v45n03-13015929tab03.gif"></img><span class="elsevierStyleItalic"><img src="129v45n03-13015929tab04.gif"></img></span></p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleBold"> Figura 2&#46;</span> Esquema de los montajes utilizados para la obtenci&#243;n de la rigidez ante los distintos modos de carga&#58; A&#58; Compresi&#243;n&#46; B&#58; Flexi&#243;n en el plano frontal&#46; C&#58; Flexi&#243;n en el plano sagital&#46; D&#58; Torsi&#243;n&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleItalic"><img src="129v45n03-13015929tab05.gif"></img></span></p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleItalic"> Validaci&#243;n del modelo</span></p><p class="elsevierStylePara">Para poder considerar fiables los resultados obtenidos del modelo de elementos finitos fue necesario validar &#233;ste previamente&#44; mediante el ajuste de determinados par&#225;metros del modelo&#44; de forma que los valores de rigidez estimados en cada modo de carga reprodujeran lo mejor posible los obtenidos en laboratorio&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Las simplificaciones introducidas en el modelo de elementos finitos &#40;elementos tipo viga con uniones r&#237;gidas&#41; con respecto a la estructura real que intenta reproducir&#44; implican que ciertas caracter&#237;sticas propias de las uniones entre los diversos componentes&#44; como holguras&#44; la deformaci&#243;n de elementos de conexi&#243;n&#44; de las r&#243;tulas&#44; etc&#46;&#44; no sean consideradas inicialmente&#46; Sin embargo&#44; estas caracter&#237;sticas influyen notablemente en el comportamiento mec&#225;nico del fijador real&#44; por lo que es necesario que el modelo las contemple&#46; Por tanto&#44; se consideran como par&#225;metros de ajuste del modelo la rigidez a flexi&#243;n de las r&#243;tulas del fijador&#44; la rigidez a torsi&#243;n del cuerpo central del fijador y la rigidez a compresi&#243;n de este mismo elemento&#44; requiriendo en cada caso para su ajuste la variaci&#243;n del m&#243;dulo el&#225;stico de los elementos que simulan dichos componentes en el modelo&#46;</p><p class="elsevierStylePara">En la uni&#243;n tornillo-hueso se ha considerado empotramiento perfecto pues aunque la osteolisis alrededor de los tornillos podr&#237;a aumentar la flexibilidad de dicha uni&#243;n&#44; &#233;sta afectar&#237;a principalmente en los estados m&#225;s avanzados de la consolidaci&#243;n<span class="elsevierStyleSup">10&#44;17</span> y es dif&#237;cil de cuantificar su efecto&#46;</p><p class="elsevierStylePara">La fase de validaci&#243;n comprende un proceso iterativo&#44; en el cual con unos valores iniciales de los par&#225;metros de ajuste se estima mediante el modelo la rigidez del fijador bajo los modos de carga considerados&#46; Con el fin de simular las condiciones de laboratorio&#44; en el modelo se consideran las propiedades de las barras de metacrilato y un callo inexistente simulado mediante una separaci&#243;n entre fragmentos&#46; A continuaci&#243;n se valora la desviaci&#243;n entre los valores estimados por el modelo y los obtenidos en laboratorio y se modifican los m&#243;dulos el&#225;sticos de los elementos de ajuste&#46; Con estos nuevos par&#225;metros del modelo se vuelven a estimar las rigideces del fijador y la desviaci&#243;n respecto a los valores experimentales&#44; y as&#237; sucesivamente hasta que se obtiene unos valores m&#225;ximos de error inferiores al 5&#37; en todos los modos de carga&#46; Los resultados de rigidez en cada modo de carga obtenidos a partir del modelo validado se expresan en la tabla 2&#44; as&#237; como el grado de ajuste respecto a los obtenidos experimentalmente&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleItalic"> An&#225;lisis de sensibilidad de los par&#225;metros relativos al grado de reducci&#243;n de la fractura</span></p><p class="elsevierStylePara">Una vez validado&#44; el modelo se ha utilizado para simular diversos grados de reducci&#243;n de la fractura y estudiar c&#243;mo afectan al ambiente mec&#225;nico y al estado tensional del callo&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Para ello se consider&#243; el modelo de fijador y tibia facturada sometido a una combinaci&#243;n de cargas equivalente a los valores m&#225;ximos de fuerzas y momentos que se producen durante la marcha sobre el extremo proximal del hueso<span class="elsevierStyleSup">18</span> &#40;tabla 3&#41;&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><img src="129v45n03-13015929tab06.gif"></img></p><p class="elsevierStylePara">El sistema de coordenadas de referencia empleado se representa en la figura 3&#44; siendo el plano YZ el que contiene al fijador externo&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><img src="129v45n03-13015929tab07.gif"></img></p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleBold">Figura 3&#46;</span> Sistema de coordenadas de referencia&#46; Pierna derecha&#46;</p><p class="elsevierStylePara">El grado de reducci&#243;n de la fractura se analiz&#243;&#44; estudi&#225;ndose las siguientes variables&#58; tama&#241;o del defecto &#243;seo&#44; &#225;ngulo entre fragmentos en los planos sagital y frontal y desalineamiento de los fragmentos en los planos sagital y frontal &#40;Fig&#46; 4&#41;&#46; En cada una de estas posibles configuraciones se estudiaron tres posiciones distintas&#44; que quedan establecidas en la tabla 4&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><img src="129v45n03-13015929tab08.gif"></img></p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleBold"> Figura 4&#46;</span> Casos estudiados&#58; A&#58; Reducci&#243;n anat&#243;mica&#46; B&#58; Angulaci&#243;n en el plano A-P o frontal&#46; C&#58; Angulaci&#243;n en el plano M-L o sagital&#46; D&#58; Defecto &#243;seo&#46; E&#58; Desalineamiento en el plano A-P&#46; F&#58; Desalineamiento en el plano M-L&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><img src="129v45n03-13015929tab09.gif"></img></p><p class="elsevierStylePara">Todos los casos fueron analizados teniendo en cuenta la evoluci&#243;n de las propiedades el&#225;sticas del callo de fractura&#44; desde un callo con caracter&#237;sticas el&#225;sticas incipientes hasta su total madurez&#44; en que adquiere las caracter&#237;sticas del hueso cortical sano&#46; Se supuso que la evoluci&#243;n de los m&#243;dulos el&#225;sticos &#40;E y G&#41; del callo sigue una escala logar&#237;tmica creciente&#44;<span class="elsevierStyleSup">9&#44;10&#44;16</span> tal como se representa en la tabla 5&#46; La evoluci&#243;n del callo se simplific&#243; en cuatro estados&#44; correspondiendo el estado 1 a un callo inmaduro&#44; formado a los pocos d&#237;as de la fractura&#44; y el estado 4 al hueso cortical sano&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><img src="129v45n03-13015929tab10.gif"></img></p><p class="elsevierStylePara">De la combinaci&#243;n de todos los par&#225;metros considerados se estimaron mediante el modelo los valores de las cargas mec&#225;nicas presentes en el callo de fractura y el nivel tensional representado por el valor m&#225;ximo alcanzado de la tensi&#243;n equivalente de von Mises&#46; Los valores de cargas &#40;fuerzas y momentos&#41; calculados fueron&#58;</p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleItalic">Axil&#58;</span> Fuerza de compresi&#243;n en la direcci&#243;n longitudinal de la di&#225;fisis&#59; <span class="elsevierStyleItalic">Cx&#58;</span> Esfuerzo cortante en direcci&#243;n antero-posterior&#59; <span class="elsevierStyleItalic">Cy&#58;</span> Esfuerzo cortante en direcci&#243;n medio-lateral&#59; <span class="elsevierStyleItalic">Mz&#58;</span> Momento torsor&#59; <span class="elsevierStyleItalic"> Mx&#58;</span> Momento flector en el plano antero-posterior&#59; <span class="elsevierStyleItalic">My&#58;</span> Momento flector en el plano medio-lateral&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Los datos obtenidos permitieron conocer cu&#225;les de los par&#225;metros considerados ten&#237;an mayor influencia sobre el ambiente mec&#225;nico del callo de fractura y de qu&#233; forma influ&#237;an en &#233;l&#46;</p><p class="elsevierStylePara"> Resultados</p><p class="elsevierStylePara">Se presentan a continuaci&#243;n los valores obtenidos de fuerzas&#44; momentos y tensiones de von Mises presentes en el foco de fractura en cada tipo de reducci&#243;n no anat&#243;mica considerada&#44; teniendo en cuenta&#44; adem&#225;s&#44; la evoluci&#243;n de las caracter&#237;sticas mec&#225;nicas del callo desde su estado m&#225;s incipiente hasta que adquiere las propiedades del hueso cortical&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleItalic">Tama&#241;o del defecto &#243;seo</span></p><p class="elsevierStylePara">Los resultados obtenidos en funci&#243;n del tama&#241;o del defecto &#243;seo se muestran en la figura 5&#46; Destaca la invariabilidad del nivel de fuerzas en el callo&#44; independientemente del tama&#241;o del defecto &#243;seo durante toda su evoluci&#243;n&#46; El momento flector <span class="elsevierStyleItalic">Mx</span> crece con la evoluci&#243;n del callo de forma pronunciada&#44; mostr&#225;ndose levemente sensible al tama&#241;o del callo&#46; La tensi&#243;n tambi&#233;n incrementa de forma importante su valor en los estados m&#225;s maduros del callo&#44; siendo algo mayor cuanto m&#225;s peque&#241;o es su tama&#241;o&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleItalic"><img src="129v45n03-13015929tab11.gif"></img></span></p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleBold">Figura 5&#46;</span> Fuerzas&#44; momentos y tensi&#243;n de von Mises m&#225;xima en el callo en funci&#243;n del tama&#241;o del defecto &#243;seo&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleItalic"> Angulaci&#243;n entre fragmentos en el plano sagital</span></p><p class="elsevierStylePara">Los resultados obtenidos para este caso se presentan en la figura 6&#46; Es destacable el fuerte incremento del momento <span class="elsevierStyleItalic">My</span> en los casos en que el &#225;ngulo entre fragmentos es mayor&#44; tendencia que se acent&#250;a en los estados m&#225;s maduros del callo&#46; El momento <span class="elsevierStyleItalic">Mx</span> tambi&#233;n experimenta un incremento a medida que evoluciona el callo&#44; pero se muestra insensible al &#225;ngulo entre fragmentos en el plano sagital&#46; La tensi&#243;n de von Mises&#44; a su vez&#44; tambi&#233;n aumenta de forma importante en los casos de mayor &#225;ngulo entre fragmentos &#40;reducci&#243;n menos anat&#243;mica&#41;&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleItalic"><img src="129v45n03-13015929tab12.gif"></img></span></p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleBold"> Figura 6&#46;</span> Fuerzas&#44; momentos y tensi&#243;n de von Mises m&#225;xima en el callo en funci&#243;n de la angulaci&#243;n entre fragmentos en el plano sagital&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleItalic"> Angulaci&#243;n entre fragmentos en el plano frontal</span></p><p class="elsevierStylePara">Los resultados obtenidos para este caso se presentan en la figura 7&#46; Se observa un aumento muy pronunciado del momento <span class="elsevierStyleItalic">Mx</span> en los casos en que existe mayor &#225;ngulo entre fragmentos&#46; Adem&#225;s&#44; este incremento se hace mayor cuanto m&#225;s evolucionado se encuentra el callo en su consolidaci&#243;n&#46; La tensi&#243;n sigue una tendencia similar&#44; increment&#225;ndose de forma notable cuanto mayor es el &#225;ngulo entre los fragmentos&#46; Asimismo&#44; tambi&#233;n se produce un aumento significativo de tensi&#243;n a medida que va madurando el callo&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleItalic"><img src="129v45n03-13015929tab13.gif"></img></span></p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleBold">Figura 7&#46;</span> Fuerzas&#44; momentos y tensi&#243;n de von Mises m&#225;xima en el callo en funci&#243;n de la angulaci&#243;n en el plano frontal&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleItalic"> Desalineamiento entre fragmentos en el plano sagital</span></p><p class="elsevierStylePara">En la figura 8 se representan los resultados obtenidos para este caso&#46; Al igual que ocurre en el resto de casos&#44; las fuerzas tienden a permanecer estables&#46; Es destacable en cambio la excepci&#243;n de la fuerza de compresi&#243;n &#40;Axil&#41;&#44; que es de menor magnitud en los casos de mayor desalineamiento&#44; fundamentalmente en callos poco desarrollados&#46; Los momentos tienden a ser mayores a medida que evoluciona el callo&#44; aunque el efecto es mucho m&#225;s pronunciado en los momentos <span class="elsevierStyleItalic">Mx</span> y <span class="elsevierStyleItalic">My</span>&#46; A su vez&#44; <span class="elsevierStyleItalic"> My</span> es el &#250;nico que se ve claramente influido por el grado de desalineamiento de los fragmentos en este plano&#44; incrementando de forma muy pronunciada su valor cuanto mayor es &#233;ste&#46; La tensi&#243;n en el callo aumenta b&#225;sicamente con su nivel de madurez&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleItalic"><img src="129v45n03-13015929tab14.gif"></img></span></p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleBold"> Figura 8&#46;</span> Fuerzas&#44; momentos y tensi&#243;n de von Mises m&#225;xima en el callo en funci&#243;n del desalineamiento en el plano sagital&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleItalic"> Desalineamiento entre fragmentos en el plano frontal</span></p><p class="elsevierStylePara">Se representan los resultados correspondientes en la figura 9&#46; Destaca el hecho de que un mayor desalineamiento entre fragmentos produce una disminuci&#243;n intensa de la fuerza de compresi&#243;n en el callo&#44; aunque s&#243;lo en los primeros estados de evoluci&#243;n&#46; El momento <span class="elsevierStyleItalic">Mx</span> se hace tambi&#233;n mayor a medida que evoluciona el callo&#44; tendencia que se hace m&#225;s pronunciada en caso de que el desalineamiento sea mayor&#46; Asimismo&#44; la tensi&#243;n en el callo aumenta tanto por un mayor desalineamiento entre fragmentos como por una mayor rigidez del callo&#46;</p><p class="elsevierStylePara"><img src="129v45n03-13015929tab15.gif"></img></p><p class="elsevierStylePara"><span class="elsevierStyleBold"> Figura 9&#46;</span> Fuerzas&#44; momentos y tensi&#243;n de von Mises m&#225;xima en el callo en funci&#243;n del desalineamiento en el plano frontal&#46;</p><p class="elsevierStylePara"> Discusi&#243;n</p><p class="elsevierStylePara">Los resultados obtenidos en el presente trabajo muestran que los esfuerzos cortantes que act&#250;an sobre el callo de una fractura tratada por fijaci&#243;n externa unilateral no experimentan variaciones sustanciales durante su evoluci&#243;n hasta la consolidaci&#243;n final&#46; De hecho&#44; tampoco se muestran influidos de forma notable por el grado de reducci&#243;n de la fractura conseguido&#44; al menos&#44; dentro de los l&#237;mites establecidos en este estudio para cada tipo de reducci&#243;n&#46; Este hecho es de importancia si se considera que ciertos autores<span class="elsevierStyleSup">21</span> han relacionado las cargas de cizalladura en el callo con un mayor riesgo de refractura y con un mayor impedimento para la osteog&#233;nesis&#44; sobre todo en su estado de evoluci&#243;n m&#225;s incipiente&#46; Es necesario recordar&#44; sin embargo&#44; que la carga a la que se ha sometido a los sistemas para su an&#225;lisis corresponde a una actividad &#40;marcha&#41; que transmite bajos niveles de esfuerzos cortantes a la di&#225;fisis de la tibia&#44; en comparaci&#243;n con otras actividades habituales&#46;<span class="elsevierStyleSup">18</span></p><p class="elsevierStylePara">Las cargas de compresi&#243;n en la di&#225;fisis de la tibia son debidas al peso corporal del paciente durante el apoyo del pie en la marcha humana&#46; Seg&#250;n los resultados obtenidos&#44; el tipo de fijaci&#243;n externa utilizado en este estudio transmite al callo un nivel de cargas de compresi&#243;n elevado&#44; incluso desde su estado m&#225;s incipiente&#46; Cuando el callo alcanza un m&#243;dulo el&#225;stico del 1&#37; del correspondiente al hueso intacto &#40;Callo 2&#41;&#44; el sistema transmite al callo la pr&#225;ctica totalidad de las cargas de compresi&#243;n&#46; Puede sorprender el hecho de que&#44; en etapas tan tempranas&#44; sea el callo el que transmita la mayor parte de la carga de compresi&#243;n del sistema&#44; y no el fijador externo&#44; pero hay que considerar que la escasa longitud del callo y su elevada secci&#243;n&#44; combinados con un sistema de fijaci&#243;n con baja rigidez a compresi&#243;n&#44; provoca que la transmisi&#243;n de cargas se produzca por el elemento m&#225;s r&#237;gido&#44; que en estas condiciones es el propio callo&#46; Los resultados obtenidos se corresponden con los trabajos desarrollados por diversos autores&#46;<span class="elsevierStyleSup">3&#44;28&#44;29</span> Prat y cols&#46;<span class="elsevierStyleSup">26</span> coinciden plenamente en los resultados obtenidos en este sentido&#44; se&#241;alando adem&#225;s que a los pocos d&#237;as de la intervenci&#243;n quir&#250;rgica&#44; el callo ya adquiere las caracter&#237;sticas mec&#225;nicas correspondientes al estado 2 considerado&#46; Estos resultados se repiten para todos los tipos y grados de reducci&#243;n estudiados&#44; por lo que no presentan una influencia clara sobre la presencia de este tipo de cargas en el foco de fractura&#46; &#218;nicamente cabe destacar que el desalineamiento de los fragmentos&#44; en cualquiera de los planos&#44; hace que el reparto de las cargas de compresi&#243;n sea m&#225;s equilibrado entre fijador y callo en las fases iniciales&#44; debido a la disminuci&#243;n de la secci&#243;n resistente de &#233;ste&#46; Este reparto de cargas se mantiene hasta que el callo adquiere un m&#243;dulo el&#225;stico cercano al 10&#37; del que posee el hueso intacto&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Los momentos que soporta el callo son crecientes a lo largo de su maduraci&#243;n&#46; En un principio&#44; es el fijador el que absorbe la mayor parte de los momentos presentes en el sistema&#44; situaci&#243;n que traslada gradualmente al callo de fractura a medida que &#233;ste se hace m&#225;s r&#237;gido&#46; El momento torsor es el que experimenta esta tendencia de forma m&#225;s atenuada&#44; tanto por ser de menor magnitud como por el hecho de que la inercia que ofrecen dos elementos en paralelo&#44; separados entre s&#237;&#44; impide que los momentos torsores presentes en &#233;stos sean elevados&#44; hasta el punto de que las reducciones no anat&#243;micas&#44; en cualquiera de los modos estudiados&#44; tampoco les afectan de forma apreciable&#46; Teniendo en cuenta que el momento torsor produce&#44; principalmente&#44; esfuerzos de cizalladura en el callo&#44; se pueden extrapolar las mismas conclusiones que las expuestas en la discusi&#243;n previa relativa a los esfuerzos cortantes&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Los momentos flectores <span class="elsevierStyleItalic">My</span> y <span class="elsevierStyleItalic">Mx</span> en el callo&#44; adem&#225;s de ser progresivamente mayores a medida que el callo se hace m&#225;s r&#237;gido&#44; se ven afectados tanto por el tipo como por el grado de reducci&#243;n de la fractura&#46; Cualquier &#225;ngulo o desalineaci&#243;n entre los fragmentos &#243;seos provoca un aumento importante del momento flector caracter&#237;stico del plano en que se produce dicha reducci&#243;n no anat&#243;mica&#59; es decir&#44; cuanto mayor es el &#225;ngulo o desalineaci&#243;n entre fragmentos en el plano sagital&#44; mayor es el momento <span class="elsevierStyleItalic">My</span> resultante&#44; mientras el momento <span class="elsevierStyleItalic">Mx</span> permanece m&#225;s o menos estable&#46; El mismo razonamiento cabe para &#225;ngulos o desalineaciones en el plano frontal&#44; aunque en este caso es el momento <span class="elsevierStyleItalic">Mx</span> el que experimenta aumentos importantes&#44; permaneciendo el momento <span class="elsevierStyleItalic">My</span> estable&#46; En caso de reducci&#243;n anat&#243;mica&#44; el fijador absorbe la mayor parte del momento <span class="elsevierStyleItalic">My</span> del sistema&#44; incluso en el estado m&#225;s evolucionado del callo &#40;Callo 4&#41;&#44; transmiti&#233;ndole a &#233;ste entre el 7 y el 13&#37; &#40;en funci&#243;n del estado de madurez del callo&#41; del momento <span class="elsevierStyleItalic">My</span> que actuar&#237;a sobre el hueso sin fijador&#46; En cambio&#44; una desalineaci&#243;n entre fragmentos en el plano sagital del 50&#37; del di&#225;metro de la tibia multiplica por 4 ese valor&#44; y un &#225;ngulo entre fragmentos de 15&#176; en dicho plano hace que el momento <span class="elsevierStyleItalic">My</span> transmitido al callo sea hasta seis veces superior&#46; El caso del momento <span class="elsevierStyleItalic">Mx</span> es algo distinto&#44; ya que en el caso de reducci&#243;n anat&#243;mica&#44; el sistema transmite al callo la mayor parte de <span class="elsevierStyleItalic">Mx</span> de manera gradual durante su evoluci&#243;n&#44; de forma que en el estado m&#225;s evolucionado &#40;Callo 4&#41; el callo soporta hasta el 70&#37; del momento <span class="elsevierStyleItalic">Mx</span> que actuar&#237;a en el hueso sin fijador&#46; As&#237;&#44; una desalineaci&#243;n en el plano frontal del 50&#37; del di&#225;metro de la tibia provoca aumentos en <span class="elsevierStyleItalic">Mx</span> del 70&#37; respecto al que actuar&#237;a en el hueso sin fijador&#44; y un &#225;ngulo entre fragmentos en ese mismo plano de 15&#176; provoca aumentos de hasta el 100&#37;&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Los niveles de tensi&#243;n de von Mises tambi&#233;n presentan una clara tendencia a aumentar a medida que el callo ofrece caracter&#237;sticas mec&#225;nicas m&#225;s consistentes&#46; Es importante hacer notar que ya desde los primeros estadios de evoluci&#243;n existe un nivel de tensiones en el callo considerable&#44; lo que puede proporcionar el ambiente mec&#225;nico que se estima necesario para promover la consolidaci&#243;n&#46;<span class="elsevierStyleSup">1&#44;5&#44;7&#44;14</span> Sin embargo&#44; este efecto se intensifica de forma importante en los casos en que la reducci&#243;n es no anat&#243;mica&#46; Si en el caso de reducci&#243;n anat&#243;mica se producen incrementos de tensi&#243;n desde 20 MPa hasta 45 MPa durante el desarrollo del callo&#44; con una desalineaci&#243;n del 50&#37; en cualquier plano se alcanzan valores m&#225;ximos de hasta 60-65 MPa&#44; y con &#225;ngulos entre fragmentos de 15&#176; estos valores llegan a los 75 MPa&#46; Si bien un umbral m&#237;nimo de tensi&#243;n parece necesario para conseguir la consolidaci&#243;n&#44; tambi&#233;n parece claro que existe un umbral m&#225;ximo a partir del cual se impide la formaci&#243;n del puente &#243;seo entre los fragmentos&#44; umbral que podr&#237;a ser traspasado por el hecho de no conseguir una reducci&#243;n lo suficientemente depurada&#46;</p><p class="elsevierStylePara">Por &#250;ltimo&#44; es necesario tener en cuenta las limitaciones del modelo simplificado presentado que se centran principalmente en la consideraci&#243;n del callo como un elemento unidimensional con propiedades el&#225;sticas lineales homog&#233;neas&#46; Dichas hip&#243;tesis&#44; aunque permiten estimar los valores de fuerzas y momentos a nivel del callo&#44; &#250;nicamente proporcionan una estimaci&#243;n global del nivel tensional&#44; mediante el valor m&#225;ximo de la tensi&#243;n de von Mises&#46; Para conocer de forma m&#225;s detallada el estado tenso-deformacional a nivel de los diferentes tejidos del callo deber&#237;a emplearse un modelo m&#225;s complejo en el que se considerara &#233;ste mediante elementos tridimensionales&#46;<span class="elsevierStyleSup">27</span></p><p class="elsevierStylePara">Aunque el estudio se ha llevado a cabo en una configuraci&#243;n est&#225;ndar determinada&#44; las conclusiones generales pueden ser extrapoladas a configuraciones semejantes&#46; Sin embargo&#44; para sacar conclusiones de configuraciones sustancialmente distintas deber&#237;a adaptarse el modelo para dichas nuevas consideraciones&#46;</p><p class="elsevierStylePara">La hip&#243;tesis de comportamiento lineal del modelo &#40;que considera que las cargas sobre el callo son proporcionales a las cargas aplicadas&#41; es una buena aproximaci&#243;n al problema&#44; aunque modelos posteriores deber&#237;an considerar no linealidades&#44; principalmente relacionadas con las caracter&#237;sticas mec&#225;nicas del callo en sus etapas m&#225;s iniciales&#46;</p><p class="elsevierStylePara"> Conclusiones</p><p class="elsevierStylePara">Parece claro que la funci&#243;n primordial del fijador externo durante la mayor parte de la evoluci&#243;n del callo es absorber los momentos flectores que tienden a desalinear los fragmentos y desestabilizar la fractura&#44; pues las fuerzas de compresi&#243;n son absorbidas por el callo desde etapas muy tempranas&#46; Los datos obtenidos muestran&#44; adem&#225;s&#44; que ciertos grados de reducci&#243;n no anat&#243;mica&#44; especialmente la angulaci&#243;n entre fragmentos de fractura&#44; trasladan tambi&#233;n gran parte de los momentos flectores al callo&#44; con lo que la funci&#243;n primordial del sistema de fijaci&#243;n externa de absorber la carga que el hueso fracturado no puede asumir quedar&#237;a muy limitada&#44; provocando un incremento elevado de las cargas en el callo que podr&#237;a desembocar en una falta de consolidaci&#243;n o una pseudoartrosis&#46;</p><p class="elsevierStylePara"> Agradecimientos</p><p class="elsevierStylePara">Este trabajo ha sido financiado parcialmente por el Ministerio de Industria y Energ&#237;a a trav&#233;s de la iniciativa ATYCA &#40;Apoyo a la Tecnolog&#237;a&#44; la Seguridad y la Calidad Industrial&#41;&#44; en un proyecto de t&#237;tulo&#58; &#171;Definici&#243;n de las caracter&#237;sticas biomec&#225;nicas de un nuevo sistema de fijaci&#243;n externa de fracturas mediante alineaci&#243;n controlada&#187;&#44; realizado durante los a&#241;os 1998 y 1999&#46; Los fijadores han sido suministrados por la empresa Industrias Quir&#250;rgicas de Levante &#40;IQL&#44; S&#46;L&#46;&#41;&#46;</p>"
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Información del artículo

ISSN: 18884415
Idioma original: Español

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