Experimental Studies of Lateral Stress to Transverse Fractured Femora Treated with External Fixation

Abstract

As part of a postmortem research project 9 beagle femora were dynamically tested by means of three-point bending. The test device was a spring driven impactor with an impact velocity of 3 m/s. Maximum bending force, deflection and force-deflection history were documented. After the impact transverse fractures were observed in 6 specimens, while another 3 specimens showed short oblique fractures. The fractured femora were treated realistically with external fixation (triax monotube) and again loaded on the impactor. After this treatment of the specimens and dynamic loading comminuted fractures occurred. In 7 cases all 4 pins were distorted. While there was only a small difference between the mean bending force of 751.01 N before and 729.54 N after treatment, a significant difference in terms of deflection and bending stiffness showed with p = 0.0039 for both parameters. This experimental result means that in cases of transverse fractures caused by ventral force only 9.6 % of the initial bending stiffness is obtained after stabilization with external fixation. Considering the fact that the use of external fixation protracts the time to bone consolidation of transverse fractures, this method cannot be designed as the therapy of choice.

Résumé

9 fémurs de beagle étaient testés dynamiquement au moyen d'un impact latéral. Le test était réalisé à l'aide d'un impacteur avec une vélocité d'impact de 3 mètres/seconde. La force de flexion et la déflection étaient documentées. Après l'impact dans 6 cas, des fractures transverses étaient observées, 3 autres cas montraient une fracture oblique courte. La fracture fémorale était traitée avec une fixation externe et de nouveau mise dans l'impacteur. Après ce traitement, les fractures comminutives survenaient. Dans 7 cas, 4 broches étaient tordues. Alors qu'il y avait seulement une petite différence entre la force de 751,01 N avant et 729,54 N après traitement, une différence significative en terme de déflexion et de flexion apparaissait avec un p = 0,0039 pour les deux paramètres. Ce résultat expérimental suggère que dans les cas de fracture transverse causée par une force latérale, seulement 9,6 % de la rigidité initiale, sont obtenus après stabilisation par un fixateur externe. En considérant le fait que l'utilisation de la fixation externe prolonge la consolidation osseuse des fractures transverses, cette méthode ne peut pas être le traitement choisi.

Resumen

Dentro de un estudio de investigación postmortem se pusieron a prueba dinámicamente 9 fémures de perro Beagle mediante flexión lateral a 3 puntos. El aparato de prueba fue un percutor de muelle con una velocidad de impacto de 3 m/s. Se documentaron la fuerza máxima de torsión, de flexión y la historia fuerza-deflexión. Tras el impacto, se observaron fracturas transversas en 6 especímenes y en otros 3 fracturas oblicuas cortas. Los fémures fracturados se trataron con fijación externa (monotubo triax) y se colocaron de nuevo en el percutor. Tras dicho tratamiento y nueva percusión se produjeron fracturas conminutas. En 7 casos los 4 clavos estaba distorsionados. Solamente hubo una pequeña diferencia entre la fuerza media de flexión de 751,01 N antes y 729,54 N tras el tratamiento pero hubo una diferencia significativa en términos de rigidez de torsión y de flexión con una p de 0,0039 para ambos parámetros. Este resultado experimental significa que en caso de fracturas transversas causadas por fuerza lateral sólo el 9,6 % de la rigidez de flexión inicial se obtiene tras la estabilización externa. Considerando el hecho de que la fijación externa prolonga la consolidación de hueso de las fracturas transversas este método no puede ser considerado como el tratamiento de elección.

Zusammenfassung

Im Rahmen einer postmortalen Untersuchung wurden 9 Femora von Beagle-Hunden einer dynamischen Dreipunktbiegung unterzogen. Als Testgerät zur Expansion diente ein federbetriebenes Stoßgerät, dabei betrug die Aufprallgeschwindigkeit 3 m/s. Gemessen und als elektronische Daten registriert wurden die maximale Biegekraft und die Durchbiegung, aus diesen Parametern wurde die Steigung der Kraft-Weg-Kurve ermittelt. Bei 6 Proben kam es zu Querfrakturen, in 3 weiteren Fällen zu kurzen Schrägbrüchen. Die frakturierten Testproben wurden realitätsgetreu mit dem externen Fixateur (Triax monotube) versorgt und erneut dynamisch belastet. Nach der Versorgung und erneuten Impaktierung kam es mehrheitlich zu Trümmerbrüchen. In 7 Fällen fand sich eine Verformung aller 4 Pins. Während die mittlere Biegekraft vor und nach Versorgung mit 751,05 N versus 729,54 N nur wenig differierte, kam es sowohl bei der Durchbiegung als auch bei der Biegesteifigkeit zu höchst signifikanten Unterschieden mit jeweils p = 0,0039 für beide Messparameter. Daraus ergibt sich aus experimenteller Sicht, dass bei Einsatz des Fixateurs bei Querfrakturen nach ventralen in vivo-ähnlicher Krafteinwirkung die Biegesteifigkeit auf 9,6 % des Ausgangswertes abfällt. Vor dem Hintergrund verzögerter Konsolidierung von Querfrakturen mit dem Fixateur externe kann diese Methode nicht als Therapie der Wahl bezeichnet werden.

Key words

Beagle femora - stability - external fixation

Mots-clés

Fémur de Beagle - stabilité - fixateur externe

Palabras clave

Femur - fracturas - estabilidad femoral - perro - fijación externa

Schlüsselwörter

Beagle-Hunde - Femora - Stabilität - Fixateur externe

References

• 1 Benz G, Kallieris D, Blume U. Biomechanik des experimentell gesetzten Biege- und Torsionsbruchs vor und nach Versorgung mit Nancy-Nägeln.  Zentralbl Kinderchir. 2000;  9 104-109
• 2 Benz G, Höpfner H, Riedl H, Kallieris D. Fixateur externe versus ESIN. Welche Rückschlüsse erlaubt die biomechanische Untersuchung?.  Zentralbl Kinderchir. 2002;  11 29-33
• 3 Berger I. Pathologisches Institut der Universität Heidelberg: personal announcements 2001. 
• 4 Claes L, Burri C, Gerngroß H. Vergleichende Stabilitätsuntersuchungen an symmetrischen und einseitig ventromedialen Fixateur-externe Osteosynthesen an der Tibia.  Unfallchirurgie. 1981;  7 194-197
• 5 Fernandez F F, Schmickal T, Egenolf M, Hochstein P, Wentzensen A. Fixateur externe - Versorgung von instabilen kindlichen Femurdiaphysenfrakturen: 10 Jahres-Erfahrung.  Akt Traumat. 2001;  31 156-162
• 6 Günther P, Wessel L. Korrektureingriffe nach ellenbogennahen Frakturen im Kindesalter.  Der Unfallchirurg. 2002;  105 478-482
• 7 Hofmann D, Burger H, Hild P. Festigkeitsuntersuchungen am Fixateur externe unter Biegebeanspruchung.  Unfallchirurgie. 1980;  6 1-6
• 8 Höntsch D. Stabilität einer Osteosynthese mit dem Fixateur externe.  OP-Journal. 1999;  15 48-52
• 9 Howmedica Monotube Triax External Fixation System. Instructions for Use. Pfizer Medical Technology Group. 1998
• 10 Letsch R. Osteosyntheseverfahren und Stabilität. Bericht über die Unfallmedizinische Tagung in Berlin 1997. Vol. 99. Berlin; Düringshofen 1999: 69-78
• 11 Prévot J, Lascombes P, Metaizeau J P, Lesur E, Ligier J-N. Embrochage centromédullaire élastique stable, In: Chir Orthopédie-Traumatologie 44-018 Edition. Paris; Techniques, Encycl Med 1993: 1-13
• 12 Schiemann P A. Verfahren zur dynamischen Belastung von Knochen und Knorpel. Thesis. Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg 2002
• 13 Schmickal Th, Hochstein P, Winkler H, Wentzensen A. Der Fixateur externe zur gering invasiven Behandlung kindlicher Frakturen an Femur- und Tibiaschaft.  Zentralbl Kinderchir. 1998;  8 219-234
• 14 Schmittenbecher P P, Dietz H G, Linhard W E, Slongo Th. Complications and problems in intramedullary nailing of children's fractures.  European Journal of Trauma. 2000;  6 287-293
• 15 Siegmeth A, Wruhs O, Vécsei V. External fixation of lower limb fractures in children.  Eur J Pediatr Surg. 1998;  8 35-41
• 16 Steinorth J A. Autologe-allotope Dünndarmmucosa-Transplantation beim Beagle als chirurgische Therapie des Kurzdarmsyndroms. Thesis. Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg 2002
• 17 Till H, Hüttl B, Knorr H, Dietz G. Elastic stable intramedullary nailing provided good long-term results in pediatric long-bone fractures.  Eur J Pediatr Surgery. 2000;  10 319-322
• 18 Von Laer L. Frakturen und Luxationen im Wachstumsalter. 4th ed. Stuttgart, New York; Thieme Verlag 2001: 300-302
• 19 Wessel L M. Kindertraumatologie, online-lesson, URL, http://www.kinderchirurgie-mannheim.uni-hd.de . 2001