AO-1.2 Biology and biomechanics in fracture management.pdf

$Page 1: AO-1.2 Biology and biomechanics in fracture management.pdf$
1

AO Principles Of Fracture Management | DrTonQuyen

1.2 Biology and biomechanics in fracture management Stephan M. Perren & Lutz Claes

1 Introduction - Stephan Perren

This chapter addresses anyone who is eager to appreciate the biological and biomechanical basis of fracture management—the why and how of the way bone reacts to intervention—thus facilitating the choice of the appropriate procedure for any fracture problem. It offers a review of the basic rationale for the interested clinical user, rather than precise data for scientists. The literature quoted contains data concerning the special features discussed. For more extensive references the scientific literature should be consulted. In spite of worldwide research, much remains unknown or controversial. We will, therefore, consider the facts and abstain from far-reaching interpretations. The main goal of internal fixation is to achieve prompt and, where possible, full function of the injured limb with rapid rehabilitation of the patient. Although reliable fracture healing is only one element in functional recovery, its mechanics, biomechanics, and biology should be understood. For biological or biomechanical reasons it is often necessary to sacrifice some strength and stiffness. For internal fixation, neither the strongest nor the stiffest implant is necessarily optimal. Internal fixation cannot permanently replace a broken bone but provides temporary support. Under critical conditions, the mechanical requirements may be more demanding than the biological advantages. Every surgeon must determine which combination of technology and procedure best fits his experience, environment, and in particular the demands of the patient. Before choosing an implant material, several aspects have to be considered. Depending on the requirements, the stronger and more forgiving stainless steel may be preferable to the electrochemically inert and biologically superior

1 Giới thiệu - Stephan Perren

Nội dung chương này nhằm trình bày đến những ai tha thiết thấu hiểu cơ sở sinh học và cơ sinh học của xử trí gãy xương quản lý—tại sao và làm thế nào xương phản ứng với những can thiệp—từ đó dễ dàng lựa chọn được thủ thuật phù hợp cho bất kz bài toán gãy xương nào. Nó điểm lại các yếu tố cơ bản phù hợp để giúp những bác sĩ lâm sàng thấy hứng thú, hơn là những dữ liệu chính xác cho các nhà nghiên cứu khoa học. Các tài liệu trích dẫn có chứa các dữ liệu tập trung vào các điểm đặc biệt được tranh luận. Để có những tham khảo bao quát hơn cần tra cứu các các tài liệu khoa học. Mặc dầu nghiên cứu trên phạm vị toàn cầu, rất nhiều điều vẫn chưa biết hoặc còn tranh cãi. Do đó, chúng tôi sẽ tập trung vào các sự kiện thực tế và hạn chế không giải thích sâu. Mục tiêu chính của kết hợp xương bên trong là đạt được nhanh chóng, và nếu có thể, đầy đủ chức năng của chi bị thương thông qua việc cho bệnh nhân tập phục hồi chức năng sớm. Mặc dù liền xương đáng tin cậy chỉ là một yếu tố trong việc khôi phục lại chức năng, đặc tính cơ học, cơ sinh học, và sinh học của nó vẫn nên được hiểu rõ. Bởi do các nguyên nhân sinh học hoặc sinh cơ học, thường cần phải hy sinh phần nào độ bền và độ cứng. Đối với cố định xương bên trong, không nhất thiết phải là bền nhất hay cứng nhất mới là tốt nhất. Kết hợp xương bên trong không thể vĩnh viễn thay thế xương gãy, nhưng nó tạo ra sự hỗ trợ tạm thời. Trong những điều kiện tới hạn, có thể ưu tiên các yêu cầu cơ học hơn các ưu thế sinh học. Mỗi phẫu thuật viên phải xác định sự kết hợp giữa công nghệ và thủ thuật nào là phù hợp nhất với kinh nghiệm, môi trường của mình và đặc biệt là yêu cầu của bệnh nhân. Trước khi lựa chọn chất liệu phương tiện, một số khía cạnh cần được xem xét. Tùy thuộc vào yêu cầu, thép không rỉ bền và sẵn có hơn có thể được ưa dùng hơn titan trơ về mặt điện hóa học, tốt hơn về mặt sinh học và dễ biến dạng hơn

2


and more deformable but less strong titanium. In other situations it may be more favorable to use titanium, especially in its pure c.p. titanium form.

2 Bone as a tissue The intact bone serves as a scaffold that supports and protects the soft parts and enables locomotion and mechanical functioning of the limbs. The important mechanical characteristics of bone are its stiffness (bone deforms only a little under load) and strength (bone tolerates high load without failure). In considering a fracture and its healing, the brittleness of bone is of special interest: bone is strong but it breaks under very small deformation [1]. This means that bone behaves more like glass than like rubber. Therefore, at the onset of fracture healing, bone cannot bridge a fracture gap which is continually subject to displacement. For an unstable or flexibly fixed (see section 4.2) fracture, a sequence of biological events, mainly the formation of soft and hard callus, helps to reduce the mobility and deformation of the repair tissues. Resorption of the fragment-ends further reduces tissue deformation. These reactions ultimately promote biological stabilization of the fracture. Finally, internal remodeling restores the original bone structure.

3 Fracture of bone A fracture is the result of single or multiple overload. The fracture occurs within a fraction of a millisecond. It results in appreciable damage to soft tissue due to rupture and an implosion-like process. Rapid separation of fracture surfaces creates a void resulting in severe soft-tissue damage (Video AO51010).

3.1 The mechanical and chemical effects of the fracture The mechanical effect of a fracture consists primarily in a loss of bony continuity, resulting in pathological mobility and loss of the support function of bone, and leading ultimately to pain. Surgical stabilization may restore the function immediately. Thus, the patient regains pain-free mobility and avoids such sequelae of disturbed or abolished function as

nhưng kém bền hơn. Trong những tình huống khác, sử dụng titan có thể thuận lợi hơn, đặc biệt là trong dạng titan c.p. tinh khiết của nó.

2 Xương như là một mô Xương còn nguyên vẹn có chức năng như một giàn giáo nâng đỡ và bảo vệ phần mềm và cho phép sự vận động và chức năng cơ học của chi. Các đặc tính cơ học quan trọng của xương là độ cứng (xương bị biến dạng rất ít khi chịu tải) và độ bền (xương chịu được tải lớn mà không gãy). Khi xem xét gãy xương và sự liền lại của nó, độ giòn của xương được quan tâm đặc biệt: xương bền nhưng gãy với một biến dạng rất nhỏ [1]. Điều này có nghĩa là xương giống như thủy tinh hơn là cao su. Vì vậy, tại thời điểm bắt đầu liền xương, xương không thể tạo cầu can qua khoảng gãy nếu như nó vẫn còn tiếp tục di lệch. Với gãy xương được cố định không vững hoặc cố định đàn hồi (xem phần 4.2), một chuỗi các sự kiện sinh học, chủ yếu là sự hình thành của can mềm và cứng, sẽ giúp làm giảm sự di động và biến dạng của các mô sửa chữa. Sự tái hấp thu đầu tận các mảnh gãy làm giảm hơn nữa sự biến dạng mô. Những phản ứng này tăngcường tối đa độ vững sinh học của gãy xương. Cuối cùng, sự tư sửa bên trong sẽ phục hồi lại cấu trúc xương ban đầu.

3 Gãy xương Gãy xương là hậu quả của một hoặc nhiều tình trạng quá tải. Gãy xương xảy ra trong vòng một phần nhỏ một phần nghìn giây. Gây ra tổn thương thấy rõ cho mô mềm do sự đứt vở và một quá trình giống như nổ dồn vào trong. Sự chia tách chóng của các mặt gãy tạo ra một khoảng trống dẫn đến tổn thương mô mềm nghiêm trọng (Video AO51010).

3.1 Tác động cơ học và hóa học của gãy xương Tác động cơ học của gãy xương chủ yếu là mất sự liên tục của xương, gây ra cử động bệnh lý và mất chức năng nâng đỡ của xương, và cuối cùng làm cho bệnh nhân đau đớn. Cố định bằng phẫu thuật có thể khôi phục lại chức năng ngay lập tức. Nhờ đó, bệnh nhân có thể vận động không đau và tránh được các di chứng rối loạn hoặc mất chức năng

3


algodystrophy (see chapter 6.5). Traumatic discontinuity of bone ruptures blood vessels within and without the bone. Spontaneously released chemical agents help to induce bone healing. In fresh fractures these agents are very effective and scarcely need any boost. The role of surgery should be to guide and support this healing process.

như algodystrophy (xem chương 6.5). Sự mất liên tục của xương tổn thương xương làm đứt đoạn mạch máu trong và ngoài xương. Phóng thích một cách tự nhiên các yếu tố kích thích liền xương. Trong gãy xương tươi những yếu tố này rất hiệu quả và hầu như không cần bất kz sự tăng cường nào. Vai trò phẫu thuật nên là hướng dẫn và hỗ trợ quá trình liền xương.

Video AO51010

3.2 Fracture and blood supply Although a fracture is a purely mechanical process, it triggers important biological reactions such as bone resorption and bone (callus) formation. These two processes depend on the blood supply. The following factors may almost always damage the blood supply and have an immediate bearing on the surgical procedures: • The accident: As a result of the displacement

of the fragments, periosteal and endosteal blood vessels are ruptured and periosteum is stripped. Furthermore, the implosion damages the soft tissues which are essential for the repair process as well.

• The transportation: If rescue and transportation take place without prior fracture stabilization, motion at the fracture site will add to the initial damage.

• The surgical approach: All surgical exposures of the fracture will invariably result in additional damage, as shown by recent work on ligation of the perforating arteries in the femoral diaphysis [2].

• The implant: Considerable damage to bone circulation may result not only from the

3.2 Gãy xương và sự cấp máu Mặc dù gãy xương là một quá trình cơ học đơn thuần, nó kích thích các phản ứng sinh học quan trọng như tái hấp thu xương và hình thành can xương. Hai quá trình này phụ thuộc vào sự cung cấp máu. Các yếu tố sau đây có thể hầu như luôn luôn làm tổn thương sự cấp máu và có sự xé rách ngay trong các thủ thuật phẫu thuật:

• Tai nạn: như là hậu quả của sự di lệch các mảnh gãy, các mạch máu ở màng ngoài xương và màng trong xương bị đứt và màng ngoài xương bị bong tróc. Hơn nữa, sự nổ vở làm tổn thương mô mềm mà rất cần thiết cho quá trình sữa chữa.

• Sự vận chuyển: Nếu cứu nạn và vận chuyển được thực hiện mà trước đó không bất động xương gãy, sự di động tại ổ gãy sẽ tăng thêm tổn thương ban đầu.

• Đường mổ: Tất cả các đường bộc lộ ổ gãy đều sẽ gây thêm tổn thương với mức độ thay đổi, ví dụ như việc đốt các nhánh xuyên ở thân xương đùi *2+.

• Phương tiện: Tổn thương tuần hoàn xương đáng kể có thể xảy ra không chỉ do

4


retraction and periosteal stripping required to apply an implant, but also from the interface between that implant and the bone (Fig. 1.2-1) [3].

• Elevated intra-articular pressure reduces the epiphyseal bone circulation, especially in young patients.

kéo dãn và bóc màng xương cần thiết cho việc đặt phương tiện, mà còn do sự tương tác giữa phương tiện đó với xương (Hình 1.2-1) [3].

• Gia tăng áp lực bên trong khớp làm giảm tuần hoàn đầu xương, đặc biệt ở những bệnh nhân trẻ tuổi.

Fig. 1.2-1: The effect of implant contact upon bone blood supply. The blood supply within the area immediately deep to the plate is damaged. This area will undergo remodeling that removes the dead bone. During the second and third month after onset of necrosis, the induced remodeling results in temporary porosis. Such porosis corresponds to the tunneling activity of the Haversian osteons. It will subsequently be filled up. Occasionally, in the presence of an infection the temporary porosis may lead to sequestration.

Hình 1.2-1: Tác động của sự tiếp xúc phương tiện lên sự cấp máu cho xương. Hệ thống cấp máu ngay dưới vị trí nẹp vít lập tức bị tổn thương. Vị trí này sẽ trải qua quá trình tái cấu trúc để loại bỏ xương chết. Trong tháng thứ hai và tháng thứ ba sau khi hoại tử bắt đầu, quá trình tái tạo tạo ra xương rỗng tạm thời. Xương rỗng này tương ứng với hoạt động của hệ thống Haver. Sau đó nó sẽ được lấp đầy. Đôi khi, với sự hiện diện của nhiễm trùng xương rỗng tạm thời có thể tạo thành mảnh xương mục.

4 Biomechanics and bone healing in different situations 4.1 Fractures without surgical stabilization 4.1.1 Mechanics Fracture of a bone in most cases produces a completely unstable situation. Obvious exceptions to this statement are impaction fractures of the metaphyses. Non-displaced fractures with intact periosteum, as well as abduction fractures of the proximal end of the femoral neck and green-stick “fractures”, are relatively stable.

4 Sinh cơ học và sự liền xương trong các tình trạng khác nhau 4.1 Gãy xương không phẫu thuật 4.1.1 Cơ học Gãy một xương trong hầu hết trường hợp gây ra một tình trạng mất vững hoàn toàn. Những ngoại lệ có thể thấy rõ của điều này là những gãy xương cài ở hành xương. Gãy xương không di lệch với màng xương còn nguyên vẹn, cũng như gãy dạng cổ xương đùi và gãy cành tươi, là tương đối vững.

5


Fractures without treatment

Without treatment, nature tries to stabilize the mobile fragments by pain-induced contraction of the surrounding muscles, which may lead to shortening. At the same time, hematoma and swelling increase the hydraulic-pressure effect, although only temporarily, and may also have a transient stabilizing effect. Observations made of bone healing without treatment are a help in understanding the positive and negative effects of medical intervention. It is surprising to observe how well initial mobility is compatible with solid bone healing (Fig. 1.2-2). In such cases the residual problem is lack of alignment and, consequently, impairment of function.

Gãy xương không được điều trị

Không được điều trị, bản năng tự nhiên sẽ cố gắng làm vững các mảnh gãy di động bằng sự co rút mô cơ bao quanh gây ra do đau, mà có thể dẫn đến ngắn chi. Trong thời gian đó, khối máu tụ và sự sung nề gia tăng tác động của áp lực thủy tĩnh, mặc dù tạm thời, cũng có thể có tác dụng làm vững. Quan sát được thực hiện trên xương đang liền mà không điều trị gì giúp chúng ta hiểu được các tác dụng dương tính và âm tính của can thiệp y học. Thật ngạc nhiên khi quan sát thấy sự di động ban đầu bị khuất phục bởi sự liền xương cứng chắc tốt đến thế nào (Fig. 1.2-2). Trong những trường hợp này, các vấn đề tại chỗ là không thẳng trục, mà hậu quả là khiếm khuyết chức năng.

Fig. 1.2-2: Spontaneous healing of a fracture without treatment. Solid healing has been achieved but there is a severe degree of malalignment. Hình 1.2-2: Liền xương tự phát không cần điều trị. Sự liền xương cứng chắc đạt được nhưng có sự biến dạng trầm trọng.

Fractures with conservative treatment

As in any fracture treatment, conservative management consists first in closed reduction to restore gross alignment. Subsequent stabilization maintains reduction and reduces mobility of the fragments which enable them to “unite” readily. In conservative treatment stabilization is achieved by the following means.

Gãy xương với điều trị bảo tồn

Như bất kz kiểu điều trị gãy xương nào, điều trị bảo tồn trước hết là nắn kín để phục hồi lại sự biến dạng đại thể. Bất động sau đó giúp duy trì sự kéo nắn và giảm thiểu sự di động của các mảnh gãy để giúp chúng liền lại dễ dàng. Trong điều trị bảo tồn sự bất động có thể đạt được bằng các phương tiện sau.

6


Traction (Fig. 1.2-3)

Application of traction along the long axis of the bone not only aligns the bone fragments, by, forexample, “ligamentotaxis”, but provides some stabilization as well.

External splinting

Application of externally applied splints made of wood, plastic, or plaster results in a certain amount of fracture stabilization. The splint dimensions are the most important mechanical element. Therefore, circular external splints are very stiff and strong, based on their large diameter. The strength of an external splint is mainly a function of its dimensions. A circular splint with its large outer diameter is very stiff, but its poor coupling to bone, because of interposed soft tissue, reduces its efficiency. Externally applied splints (plastic cast) result in restoration of gross anatomy and maintenance of reduction under conditions of relative mobility. In diaphyseal fractures, correct fragment alignment is all that is needed for proper function of the limb or for prompt healing of the fracture. In articular fractures, however, precise anatomical reduction is important to avoid incongruency which would give rise to excessive local strain (see also chapter 3.1).

Kéo liên tục (Hình 1.2-3)

Áp dụng lực kéo liên tục dọc theo trục dài của xương không chỉ làm thẳng trục các mảnh gãy, nhờ, ví dụ, “ligamentotaxis”, mà còn cung cấp tác dụng cố định nào đó.

Đặt nẹp bên ngoài

Sử dụng các loại nẹp đặt ngoài bằng gỗ, nhựa, hoặc thạch cao tạo ra một mức độ bất động gãy xương nhất định. Kích thước của nẹp là yếu tố cơ học quan trọng nhất. Vì vậy, nẹp vòng tròn ôm bên ngoài rất cứng và bền, nhờ vào đường kính rất lớn của chúng. Chức năng chính của kích thước nẹp bên ngoài là tao ra độ bền của nó. Một nẹp tròn bao quanh với đường kính bên ngoài lớn rất cứng, nhưng nó không ghép nối tốt với xương, bởi vì mô mềm xen vào giữa làm giảm hiệu quả của nó. Nẹp đặt bên ngoài (nẹp nhựa) giúp phục hồi giải phẫu về đại thể và duy trì sự nắn chính đó trong điều kiện di động tương đối. Trong gãy thân xương, sự nắn chỉnh phù hợp các mảnh gãy là tất cả những gì cần thiết để đạt được chức năng đầy đủ của xương hoặc để liền xương được nhanh chóng. Trong gãy xương nội khớp, tuy vậy, việc nắn chỉnh phục hồi giải phẫu một cách chính xác là rất quan trọng để để tránh bất tương hợp khớp mà sẽ làm biến dạng tại chỗ quá mức (xem thêm chương 3.1).

Fig. 1.2-3: Fracture reduction and stabilization by means of traction. a/b) Figures illutrate that the force reducing the fracture perpendicularly to the long axis decreases with alignment. Thus gross mobility is reduced while micro-motion persists. c) Stabilization of a fracture using a plaster cast. The plaster cast acts like a splint, it reduces mobility but does not abolish it. The cast represents a very stiff splint. The mobility stems from the fact, that the plaster cast is only loosely coupled to the bone through soft tissues. Hình 1.2-3: Nắn lại ổ gãy và bất động bằng các phương tiện kéo liên tục. a/b) Hình minh họa rằng lực nắn ổ gãy vuông góc với trục dài giảm theo sự thẳng trục. Vì vậy di lệch đại thể có thể nắn được trong khi sự dịch chuyển vi thể vẫn tồn tại. c) Cố định gãy xương bằng bó bột. Khối bột hoạt động như một nẹp, nó giảm bớt sự di động nhưng không loại bỏ nó. Bó bột đại diện cho một loại nẹp rất cứng. Sự di động này xuất phát từ thực tế rằng, khối thạch cao chỉ nối kết lỏng lẻo với xương thông qua mô mềm.

7


4.2 Fractures with flexible surgical fixation —Lutz Claes With flexible fixation, the fracture fragments displace in relation to each other when load is applied across the fracture site. A typical example is “splinting” by nail or bridging plate, in contrast to compression plating which is non-flexible. Displacement increases with the applied load and decreases with the rigidity of the splint. The two types of behavior under flexible fixation are:

• Elastic: The load results in reversible deformation of the splint. After unloading, the fragments of the fracture spring back into their former relative position.

• Plastic: The load results in an irreversible deformation of the splint, and the fracture fragments maintain permanent displacement. Plastic deformation occurs immediately following a variable amount of elastic deformation.

4.2 Gãy xương với cố định đàn hồi — Lutz Claes Với cố định đàn hồi, các mảnh gãy di lệch trong mối tương quan với nhau khi tải được truyền qua vị trí gãy. Một ví dụ điển hình là “nẹp” bằng đinh nội tủy hoặc nẹp vít bắt cầu, trái ngược với nẹp vít nén ép không đàn hồi. Sự di lệch tăng lên cùng với tải đặt vào và giảm di theo độ cứng nẹp. Hai kiểu biểu hiện dưới sự cố định đàn hồi là:

• Đàn hồi: Tải gây ra biến dạng có thể đảo ngược của nẹp. Sau khi loại bỏ tải, các mảnh gãy bật về lại trở lại vị trí tương đối trước đó của chúng.

• Mềm: Tải gây ra sự biến dạng không thể đảo ngược của nẹp, và các mảnh gãy vẫn duy trì sự di lệch cố định. Biến dạng mềm xảy ra ngay sau khi biến dạng vượt quá khoảng biến thiên của biến dạng đàn hồi của nẹp.

4.2.1 Mechanics

Mechanics of flexible fixation

There is no exact definition of required or tolerated flexibility or relative stability. In general, a fixation method is labeled as flexible if it allows an appreciable interfragmentary movement under functional weight bearing. Therefore, all fixation methods with the exception of compression techniques may be seen as flexible fixations. Devices for fracture fixation such as external fixators, internal fixators, or intramedullary nails possess various degrees of stiffness and lead to fixations of gradually differing flexibility depending on how they are applied and loaded. However, all of them allow interfragmentary movement, which can stimulate callus formation or inhibit bony union.

Intramedullary nail

The classical Küntscher nail, implanted after reaming, achieves good stability against bending moments and shear forces perpendicular to its long axis, but it is rather inefficient against torque and is unable to prevent axial shortening (telescoping). The torsional stiffness of slotted

4.2.1 Cơ học

Cơ chế cơ học của cố định đàn hồi

Không có sự xác định chính xác độ đàn cần thiết hoặc chấp nhận được cũng như độ vững tương đối. Nhìn chung, một phương pháp cố định được gọi là đàn hồi nếu nó cho phép sự chuyển động đáng kể giữa các mảnh gãy dưới tải chức năng. Vì vậy, tất cả các phương pháp cố định ngoại trừ kỹ thuật nén ép đều có thể được xem là cố định đàn hồi. Các thiết bị để cố định gãy xương chẳng hạn như cố định ngoài, cố định trong, hoặc đinh nội tủy có độ cứng khác nhau và dẫn đến sự cố định có mức độ đàn hồi khác nhau phụ thuộc vào việc chúng được áp dụng như thế nào và tải đặt lên chúng lớn bao nhiêu. Tuy nhiên, tất cả chúng đều cho phép sự chuyển động giữa các mảnh gãy, mà có thể kích thích tạo can xương hoặc ức chế liền xương.

Đinh nội tủy

Đinh Küntscher cổ điển, được đóng vào sau doa ống tủy, đạt được độ vững tốt chống các mô-men bẻ cong và các lực trượt vuông góc với trục dài của xương, nhưng nó khá kém hiệu quả trong việc chống lại mô-men xoắn và không thể ngăn chặn sự rút ngắn trục (chồng ngắn). Độ cứng xoắn của đinh

8


nails is low and the torsional and axial coupling between the nail and bone is loose. Therefore, the effective application of this nail was mainly limited to simple transverse or short oblique fractures (i.e., fractures that provide buttress and spontaneously lock against torsion). Additionally, the Küntscher nail is flexible in bending, which promotes callus formation. Progress in nail design, notably the introduction of locking, which, in turn, made possible the development of the solid nail, over came the limitations of the Küntscher nail. Due to interlocking, such nails are better able to withstand torsional moments and axial loading [4]. The stability under these loads is dependent on the diameter of the nail and the geometry and number of the locking bolts and of their spatial arrangement. The bending flexibility depends on the fit of the nail within the medullary canal and the extent of the fracture area, and can be as small as the bending flexibility of the nail itself. Intramedullary nails are located within the mechanical center of the bone and, therefore, have similar mechanical behavior in the frontal and lateral plane. This differs from what occurs with plate fixation (for more information see chapter 3.3.1).

External fixators

External fixators provide fixation based on the principle of splinting. Today’s external fixators are commonly used as unilateral (or monolateral) devices. These are splints which are eccentrically located, in contrast to the nails, and exhibit an asymmetric mechanical behavior. They are stiffer when loaded in the plane of the Schanz screws than when perpendicular to them. An exception to this statement concerns ring fixators which display almost uniform behavior in all planes, so that displacement of the bone fragments in relation to one another is mainly axial. The stiffness of fracture stabilization by external fixation depends on a number of factors, such as:

• The type of implants used, for example, screws and bars.

nội tủy có khía thấp và sự khớp nối trục giữa đinh và xương thì lỏng lẻo. Do đó, ứng dụng có hiệu quả loại đinh này giới hạn chủ yếu vào gãy ngang đơn giản hoặc gãy chéo ngắn (nghĩa là, những gãy xương cung cấp một điểm tựa và tự động khóa chống lại sự vặn xoắn). Ngoài ra, đinh Küntscher rất đàn hồi khi uốn cong, do đó nó kích thích hình thành can xương. Sự tiến bộ trong thiết kế đinh nội tủy, đặc biệt là việc giới thiệu loại đinh có khóa, đến lượt nó làm dễ cho sự phát triển của đinh đặc, đã khắc phục được những hạn chế của đinh Küntscher. Nhờ khóa chốt, các loại đinh này có thể chịu được tải vặn xoắn và tải dọc trục tốt hơn [4]. Độ vững của đinh dưới các loại tải này phụ thuộc vào đường kính và dạng hình học của nó và số lượng các vít khóa cũng như sự sắp xếp trong không gian của chúng. Độ đàn hồi uốn cong của đinh phụ thuộc vào độ khít của đinh bên trong ống tủy và kích thước của ổ gãy xương, và nó có thể nhỏ đến tương đương mức độ đàn hồi của bản thân đinh nội tủy. Đinh nội tủy nằm trong trục cơ học của xương và, vì vậy nó có trạng thái cơ học tương tự nhau ở mặt phẳng trán và mặt phẳng đứng dọc. Khác với những gì xảy ra khi cố định gãy xương bằng nẹp vít (để có nhiều thông tin hơn xem chương 3.3.1).

Cố định ngoài

Cố định ngoài cung cấp sự cố định dựa trên nguyên tắc của đặt nẹp bên ngoài. Các cố định ngoài ngày nay thường được sử dụng ở dạng thiết bị đặt một phía. Đây là những nẹp bên ngoài được đặt lệch tâm, trái ngược với đinh nội tủy, và chúng thể hiện một đặc tính cơ học không đối xứng. Khi chịu tải trên mặt phẳng của các vít Schanz chúng cứng hơn so với tải vuông góc với mặt phẳng các vít. Có một ngoại lệ cho phát biểu này là cố định ngoài hình nhẫn mà biểu hiện đặc tính cơ học gần như đồng nhất trên tất cả mặt phẳng, do đó sự di lệch của các mảnh gãy tương quan với nhau chủ yếu là dọc trục. Độ cứng của hê thống cố định gãy xương bằng khung cố định ngoài phụ thuộc vào một số yếu tố sau:

• Loại phương tiện được sử dụng, ví dụ: vít và thanh ngang.

9


• The geometrical arrangements of these elements in relation to the bone.

• The characteristics of the coupling of the device to the bone [5] (see chapter 3.3.3).

The most important factors with respect to the stability of the fixation are:

• Stiffness of the connecting rods. • Distance between the rod (or rods) and

the bone axis. The stiffer the rod (or tube) and the nearer it is to the bone axis, the more rigid is the fixation.

• Number, spacing, and diameter of the Schanz screws or of the wires, and their tension.

Usually, two Schanz screws of proper diameter in each main fragment are sufficient for a flexible fixation of a long bone fracture. The interfragmentary movement of a fracture fixation by a unilateral fixator under loading is a combination of axial, bending, and shearing displacement. Conventional applications like AO-doubletube arrangements result, under partial loading of 200–400 N, in interfragmentary movements of several millimeters and stimulate callus formation. The external fixator is the only system which allows the surgeon to control flexibility of the fixation. This technique can also be used to modify the loading of the fracture area as healing progresses. This can be done by extending the distance between the bar (fixator body) and the bone, or by reducing the number of bars (or tubes in case of a double-tube fixator). In addition, some types of external fixators allow axial telescoping, to stimulate the healing process (see chapter 3.3.3).

Internal fixators, bridging plates

Plates which span a comminuted fracture in the manner of the external fixator, provide elastic splinting. The stiffness of such an osteosynthesis depends on the dimensions of the fixator or the plate and the quality of coupling to the main fragments (see chapter 3.3.2).

• Sự sắp xếp hình học của các thành phần này trong mối tương quan với xương.

• Các đặc tính của sự khớp nối thiết bị với xương *5+ (xem chương 3.3.3).

Các yếu tố quan trọng nhất cho độ vững của cố định ngoài là:

• Độ cứng của các thanh nối. • Khoảng cách giữa thanh (hoặc các thanh)

tới trục xương. Thanh (hoặc ống) càng cứng và gần trục xương, thì hệ thống cố định càng vững

• Số lượng, khoảng cách, và đường kính vít Schanz hoặc của kim, và độ căng của chúng.

Thông thường, hai vít Schanz với đường kính thích hợp mỗi đầu gãy là đủ cho một một hệ thống cố định đàn hồi của một xương dài. Chuyển động giữa các mảnh gãy của hệ thống cố định bằng cố định một bên là sự kết hợp của dọc trục, uốn cong, trượt và di lệch ngang. Các áp dụng thông thường như sự sắp xếp ống đôi AO đạt được, dưới tải bán phần 200-400, chuyển động giữa các mảnh gãy một vài millimet và kích thích sự hình thành can xương. Hệ thống cố định ngoài là hệ thống duy nhất cho phép bác sĩ phẫu thuật kiểm soát độ đàn hồi của hệ thống cố định. Kỹ thuật này cũng có thể được sử dụng để biến đổi tải ở vùng gãy như là một sự gia tăng liền xương. Nó có thể được thực hiện bằng cách gia tăng khoảng cách giữa thanh nối (thân khung cố định) và xương, hoặc bằng cách giảm số lượng thanh nối (hoặc ống trong trường hợp dùng cố định ngoài ống đôi). Ngoài ra, mốt số loại cố định ngoài còn cho phép co duỗi để kích thích quá trình liền xương (xem chương 3.3.3).

Cố định trong, nẹp vít bắt cầu

Là những nẹp vít bắt qua một ổ gãy vụn theo cách thức của cố định ngoài, tạo ra sự đặt nẹp đàn hồi. Độ cứng của kiểu kết hợp xương này phụ thuộc vào kích thước của phương tiện cố định hoặc nẹp vít và chất lượng của các khớp nối với các mảnh gãy chính (xem chương 3.3.2).

10


4.2.2 Bone healing in unstable conditions

General remarks concerning bone healing under unstable conditions

Fracture healing under unstable or flexible fixation typically occurs by callus formation that mechanically unites the bony fragments. The sequence of callus healing can be divided into four stages: inflammation, soft callus, hard callus, and remodeling. The stages overlap and are determined arbitrarily. Although different investigators have described various graduations, the cascade of the healing processes is basically the same [6].

Inflammation

After the fracture, inflammation soon starts, and lasts until cartilage or bone formation begins to occur (1–7 days post-fracture). Initially there is hematoma formation and inflammatory exudate from ruptured blood vessels. Bone necrosis is seen near the ends of the fracture fragments. Vasodilatation of vessels and hyperemia in the soft tissues surrounding the fracture take place. Ingrowth of vasoformative elements and capillaries into the hematoma then occurs and cellular proliferation is enormously enhanced. Cells involved during this inflammatory period are polymorphonuclear neutrophils, macrophages, and, later on, fibroblasts. A network of fibrin and reticulin fibrils and also collagen fibrils are present in the hematoma. The fracture hematoma is gradually replaced by granulation tissue. Osteoclasts in this environment remove necrotic bone at the fragment ends [6].

Soft callus

Eventually, pain and swelling decrease and soft callus is formed. This corresponds roughly to the time when the fragments are no longer freely moving, approximately 3 weeks postfracture. By the end of this stage, the stability present is adequate to prevent shortening, although angulation at the fracture site can still occur. The soft-callus stage is characterized by an increase in vascularity and ingrowth of capillaries into the fracture callus and by a further increase in cellularity. Fibrous tissue replaces the hematoma. New bone formation starts subperiosteally, and chondroblasts appear in the callus between the bone fragments [6, 7].

4.2.2 Sự liền xương trong tình trạng không vững

Nhận xét chung về sự liền xương trong tình trạng không vững

Liền xương trong tình trạng không vững hoặc cố định đàn hồi thường xảy ra bởi sự hình thành can xương mà liên kết các mảnh gãy về mặt cơ học. Trình tự liền xương có thể chia thành bốn giai đoạn: viêm, can mềm, can cứng, và tái cấu trúc (tu sửa). Các giai đoạn chồng lên nhau và được xác định một cách tùy ý. Mặc dù các nhà nghiên cứu khác nhau đã mô tả nhiều phân bậc khác nhau, thác liền xương về cơ bản là giống nhau [6].

Viêm

Sau gãy xương, giai đoạn viêm bắt đầu sớm, và kéo dài cho đến khi quá trình tạo xương hoặc sụn bắt đầu xảy ra (1-7 ngày sau gãy xương). Ban đầu có sự hình thành khối máu tụ và dịch rỉ viêm từ mạch máu bị tổn thương. Hoại tử xương thấy được ở gần mỗi đầu gãy. Sự giãn mạch của các mạch máu và sự sung huyết trong mô mềm xung quanh vị trí gãy diễn ra. Các yếu tố tạo mạch và các mao mọc vào trong khối máu tụ xảy ra sau đó và sự tăng sinh tế bào được tăng cường mạnh mẽ. Các tế bào tham gia vào giai đoạn viêm là bạch cầu trung tính đa nhân, đại thực bào, và, sau này, là các nguyên bào sợi. Một mạng lưới fibrin và sợi và sợi reticulin cũng như sợi collagen hiện diện trong khối máu tụ. Khối máu tụ ổ gãy được thay thế dần bằng mô hạt. Huỷ cốt bào trong môi trường này loại bỏ phần xương hoại tử ở đầu tận các mảnh vỡ [6].

Can mềm

Cuối cùng, đau và sưng sẽ giảm bớt và can mềm được hình thành. Tương ứng ước chừng với khoảng thời gian khi các mảnh gãy không còn di động tự do, khoảng 3 tuần sau gãy xương. Ở cuối giai đoạn này, độ vững đủ để chống lại sự chồng ngắn, mặc dù gập góc tại vị trí gãy vẫn có thể xảy ra. Giai đoạn can mềm đặc trưng bởi sự gia tăng tưới máu và sự mọc của các mao mạch vào khối can xương và bởi sự gia tăng thêm nữa cấu tạo tế bào. Mô xơ thay thế khối máu tụ. Tạo xương mới bắt đầu ở dưới màng ngoài xương, và nguyên bào sụn xuất hiện trong khối can giữa các mảnh gãy [6, 7].

11


Fig. 1.2-4: a) New bone formation starts periosteally far from the fracture line and progresses towards the fracture level. Callus wedges unite most frequently peripherically and endosteally, whereas cortical healing occurs after bridging by callus. b) Histological section of a callus healing in sheep tibia after osteotomy and external fixation (9 weeks postoperatively). c) Fluorescent labeling of the progress of new bone formation in sheep tibia 9 weeks postoperatively (green 4 weeks, yellow 8 weeks staining).

Hình 1.2-4: a) Sự hình thành xương mới bắt đầu ở màng xương cách xa đường gãy và tiến dần hướng tới vị trí gãy. Các khối can nối liền với nhau thường thấy nhất ở ngoại biên và nội cốt mạc, trong khi liền vỏ xương xảy ra sau khi can đã bắt cầu. b) Phiến đồ mô học của ổ can xương đang liền ở xương chày cừu sau khi cắt xương và cố định ngoài (9 tuần sau phẫu thuật). c) Chụp đánh dấu huznh quang tiến trình hình thành xương mới ở xương chày cừu 9 tuần sau phẫu thuật (nhuộm màu xanh lá 4 tuần, vàng 8 tuần).

Hard callus

When the fracture ends are linked together by soft callus, the stage of hard callus starts and it lasts until the fragments are firmly united by new bone (3–4 months). The soft callus is converted by enchondral ossification and intramembranous bone formation into a rigid calcified tissue. Chronological analysis shows that bony callus proliferation begins in areas remote from the fracture which are mechanically idle, and slowly progresses towards the fracture (Fig. 1.2-4). Two different types of bone formation occur at the same time:

• Enchondral ossification, mainly in the late phase of periosteal callus formation,

• Intramembranous bone formation periosteally and endosteally.

Bony bridging of the callus normally occurs at the periphery of the periosteal callus and endosteal bone and precedes the remodeling phase.

Can cứng

Khi các đầu gãy được liên kết với nhau bằng can mềm, giai đoạn can cứng bắt đầu và nó kéo dài cho đến khi các mảnh gãy được hợp nhất một cách vững chắc bằng xương mới (3-4 tháng). Can mềm được chuyển đổi bởi sự cốt hóa nội sụn và sự hình thành xương trong màng trở thành mô canxi hóa cứng chắc. Phân tích theo thứ tự thời gian cho thấy sự tăng sinh can xương bắt đầu ở các vùng cách xa ổ gãy không chịu lực cơ học, và tiến chậm dần về phía ổ gãy (Hình 1.2-4). Hai kiểu tạo xương khác nhau xảy ra cùng một thời điểm:

• Tạo xương nội sụn, chủ yểu ở pha muộn của tạo can màng ngoài xương,

• Tạo xương trong màng ở màng ngoài xương và màng trong xương.

Sự bắt cầu xương của khối can thường xảy ra ở ngoại biên của can màng ngoài xương và màng trong xương và tiến qua giai đoạn tái cấu trúc.

Remodeling

This stage of remodeling begins once the fracture has solidly united. The process may take from a

Tái cấu trúc

Ở giai đoạn này sự tu sửa bắt đầu khi ổ gãy đã liền cứng chắc. Quá trình này có thể có thể mất

12


few months to several years. It lasts until the bone has completely returned to its original morphology, including restoration of the medullary canal. The woven bone is slowly replaced by lamellar bone.

Biomechanics of callus healing

When bone fractures are splinted, movement of the fragments in relation to one another depends on the amount of external loading, stiffness of the splints, and the stiffness of the tissues bridging the fracture. Initial postoperative interfragmentary movement decreases [8–10] healing time in relation to the increasing size and rigidity of the callus. When the interfragmentary movement is sufficiently reduced, “hard” bony callus bridging can occur (Fig. 1.2-5). For cell and tissue differentiation within the healing zone, the local tissue strain and hydrostatic pressure are more important than the interfragmentary movement. In an early stage of healing, when mainly fibrous tissue is present, the fracture tolerates a deformation or tissue strain greater than in a later stage when the callus contains mainly calcified tissue. Strain conditions will have to be taken into account when judging under which clinical conditions bony bridging will occur or a non-union develop. Bony bridging between the distal and proximal callus formations can only occur when the local strain, i.e., relative deformation, is below that of the newly formed bone [11]. Even for the most simple fracture pattern and interfragmentary movement the tissue strain shows an inhomogeneous distribution in the callus and in the cortical fracture gap [12]. Furthermore, the structure of the bridging element (direct connection or “woven” bone) is an essential factor. However, as long as the local mechanical conditions allow the cells to produce bone by enchondral ossification and/or intramembranous bone formation, the stiffness of the callus can be increased and the local tissue strain reduced to values which then allow for bony bridging.

từ vài tháng đến vài năm. Nó kéo dài cho đến khi xương hoàn toàn trở lại hình thái ban đầu của nó, bao gồm sự phục hồi lại ống tủy. Xương kiểu dệt dần được thay thế bằng xương phiến mỏng.

Sinh cơ học của liền can

Khi bị gãy xương được đặt nẹp, sự chuyển động của các mảnh gãy tương quan với nhau phụ thuộc vào lượng tải bên ngoài, độ cứng của nẹp, và độ cứng của mô bắt qua ổ gãy. Chuyển động giữa các mảnh gãy sau phẫu thuật ban đầu làm giảm [8-10] thời gian liền xương trong mối tương quan với sự tăng kích thước và độ cứng mô can. Khi chuyển động giữa các mảnh gãy giảm đủ, sự bắt cầu can xương “cứng” có thể diễn ra (Hình 1.2-5). Đối với sự biệt hóa các tế bào và mô trong vùng liền xương, độ căng của mô tại chỗ và áp lực thủy tỉnh quan trọng hơn chuyển động giữa các mảnh gãy. Trong giai đoạn sớm của sự liền xương, khi mô hiện diện là chủ yếu là mô xơ, ổ gãy dung nạp được sự biến dạng hoặc sức căng của mô lớn hơn trong giai đoạn sau khi can chứa chủ yếu là mô can-xi hóa. Tình trạng căng sẽ phải được tính đến khi đánh giá trong tình huống lâm sàng nào sự bắc cầu xương sẽ xảy ra hoặc không liền xương sẽ phát triển. Sự bắc cầu xương giữa khối tạo can ở xa và gần chỉ có thể xảy ra khi sức căng tại chỗ, tức là biến dạng tương đối, ở dưới mức xương mới có thêt hình thành [11]. Ngay cả đối với kiểu gãy và chuyển động giữa các mảnh gãy đơn giản nhất và sức căng mô cũng phân bố không đồng đều trong khối can và trong khoảng cách giữa vỏ xương *12+. Hơn nữa, cấu trúc của thành phần bắt cầu (liên kết trực tiếp hoặc xương “dệt”) là một yếu tố cần thiết. Tuy nhiên, chừng nào tình trạng cơ học tại chỗ cho phép các tế bào tạo xương bằng cốt hóa nội sụn và/ hoặc tạo xương trong màng, độ vững của mô can có thể được tăng lên và sức căng của mô tại chổ có thể giảm đến giá trị mà khi đó nó cho phép sự bắc cầu xương xảy ra.

13


Fig. 1.2-5: Typical course of interfragmentary movement monitored for human tibial shaft fractures. The postoperative initial interfragmentary movements under 300 N axial load (normalized to 100% at the outset) decrease with the passage of time. After about 13 weeks, the callus healing has stabilized the fracture. Hình 1.2-5: Tiến trình đặc trưng cho di động giữa các mảnh gãy được theo dõi trên gãy thân xương chày ở người. Chuyển động giữa các mảnh gãy lúc đầu sau phẫu thuật khi chịu tải dọc trục 300N (chuẩn hóa thành 100% lúc bắt đầu) giảm dần theo thời gian. Sau khoảng 13 tuần, sự liền can đã cố định ổ gãy.

Bone forming cells such as osteoclasts and chondrocytes are located at the surface of the cortex or the existing callus. They experience the local surface strain and hydrostatic pressure which may be different from the strain between the bony surfaces [12, 13]. Multifragmentary fractures seem to tolerate more motion between the two main fragments because the overall movement is shared by several serial fracture planes, which reduces the tissue strain or deformation locally. Today there is clinical experience and experimental proof that flexible fixation can stimulate callus formation, thereby accelerating fracture healing [10, 14]. This can be observed in diaphyseal fractures splinted by intramedullary nails, external fixators, or bridge plating. However, if the interfragmentary strain is excessive (instability), or the fracture gap is too wide, bony bridging by callus is not obtained in spite of good potential callus formation (hypertrophic non-union) [15]. The capacity to stimulate callus formation seems to be limited and may be insufficient when large fracture gaps are to be bridged [16]. In such cases “dynamization” by allowing axial shortening of the fixation device (nail or external fixator) can reduce the fracture gap and permit bony bridging. On the other hand, interfragmentary movement (loading) may also be too small to stimulate the necessary callus formation if the fixation device is too stiff, or if the fracture gap is too wide (low strain) [11].

Các tế bào tạo xương như hủy cốt bào và tế bào sụn nằm ở bề mặt của vỏ xương hoặc mô can có sẵn. Chúng chịu sức căng bề mặt tại chỗ và áp lực thủy tĩnh mà có thể khác với sức căng giữa các bề mặt xương *12, 13]. Gãy nhiều mảnh dường như chịu được sự đi động giữa hai mảnh gãy chính nhiều hơn do sự di động tổng thể được chia sẻ bởi nhiều mặt gãy, giúp làm giảm sức căng mô hoặc biến dạng tại chỗ. Ngày nay những kinh nghiệm lâm sàng và các bằng chứng thực nghiệm cho thấy rằng cố định đàn hồi có thể kích thích tạo can, qua đó đẩy nhanh quá trình liền xương *10, 14+. Điều này có thể quan sát được ở gãy thân xương được cố định bằng đinh nội tủy, cố định ngoài, hoặc nẹp vít bắt cầu. Tuy nhiên, nếu sức căng giữa các mảnh gãy vượt quá mức (không vững), hoặc khoảng cách các mảnh gãy quá lớn, sẽ không đạt được sự bắt cầu bằng can xương bất chấp tạo can tốt (không liền phì đại) [15]. Khả năng kích thích tạo can có vẻ bị hạn chế và không đủ khi cần phải bắt cầu quá khoảng cách lớn giữa các mảnh gãy [16]. Trong những trường hợp như vậy “sự hóa động” bằng cách cho phép thu ngắn theo trục của phương tiện cố định (cố định ngoài hoặc đinh nội tủy) có thể làm giảm khoảng gãy và cho phép bắt cầu xương. Mặt khác, chuyển động giữa các mảnh gãy (chịu tải) có thể quá nhỏ để kích thích tạo can cần thiết nếu phương tiện cố định quá cứng hoặc nếu khoảng cách các mảnh gãy quá rộng (sức căng nhỏ) [11].

14


Again dynamization may be the solution to the problem. If a patient is too immobile to load the operated leg, an externally applied load might be the way to stimulate callus formation [17].

Một lần nữa hóa động có thể là giải pháp cho vấn đề này. Nếu một bệnh nhân quá bất động không đặt tải lên chân được phẫu thuật, áp tải bên ngoài có thể là cách để kích thích tạo can [17].

Callus healing and blood supply

An immediate reduction of total bone blood flow has been observed following a fracture or osteotomy, the cortical circulation being reduced by nearly 50% [18]. This reduction has been attributed to a physiological vasocon-striction in both the periosteal and the medullary vessels as a response to trauma [19]. During the repair of a fracture, however, the adjacent intraosseus and extraosseus arterial circulation proliferates. After 2 weeks, a peak of blood supply can be observed. Thereafter, during healing, blood flow in the callus area gradually decreases again. There is also a temporary inversion of the normally centripetal blood flow after disruption of the medullary system. Microangiographic [20, 21] studies have demonstrated that much of the vascular supply to the callus area derives from the surrounding soft tissue (Fig. 1.2-6) [20, 21], a reason not to strip any soft tissues!

Liền can và cấp máu

Sự giảm sụt ngay lập tức tổng lưu lượng máu qua xương có thể quan sát được sau gãy xương hoặc cắt xương, tuần hoàn vỏ xương giảm gần 50% [18]. Mức giảm này được quy cho là do co mạch sinh lý ở cả các mạch máu màng ngoài xương và ống tủy như là một đáp ứng với chấn thương *19+. Trong quá trình sửa chữa lại gãy xương, tuy vậy, tuần hoàn động mạch trong xương và ngoài xương liền kề đều tăng sinh. Sau 2 tuần, có thể thấy được đỉnh cấp máu. Sau đó, trong quá trình liền xương, lưu lượng máu trong khu vực mô can giảm dần một lần nữa. Ngoài ra còn có một sự đảo ngược tạm thời của lưu lượng máu hướng tâm thông thường sau khi hệ thống tủy bị gián đoạn. Các nghiên cứu chụp vi mạch *20, 21+ đã chứng minh rằng có rất nhiều mạch máu cung cấp cho vùng can có nguồn gốc từ mô mềm xung quanh (Hình 1.2-6) [20, 21], một l{ do để không bóc bất kz phần mô mềm nào!

Fig. 1.2-6: Blood supply of callus formation. Top: before bony bridging. Bottom: after bony bridging. Ia) nutrient artery ascending, Ib) nutrient artery descending, II) meta-physeal arteries, III) periosteal arteries (adapted from Rhinelander) Hình 1.2-6: Sự cấp máu cho tạo mô can. Trên: trước khi bắc cầu xương. Dưới: sau khi bắc cầu xương. Ia) động mạch nuôi dưỡng lên, Ib) động mạch nuôi dưỡng xuống, II) động mạch hành xương, III) động mạch màng ngoài xương (chuyển thể từ Rhinelander)

The early vascular response seems to be extremely sensitive to the prevailing mechanical conditions. The vascular response in the cortex and in the bone marrow appears to be greater after more flexible fracture fixation than when rigid fixation is employed. However, large tissue strains, caused by instability, reduce the blood supply, especially to the fracture gap [22].

Phản ứng mạch máu sớm có dường như cực kz nhạy cảm với tình trạng cơ học ưu thế. Các phản ứng mạch máu trong vỏ xương và trong tủy xương xuất hiện sau cố định đàn hồi nhiều hơn so với cố định cứng. Tuy nhiên, sức căng mô lớn, gây ra bởi sự mất vững, làm giảm sự cấp máu, đặc biệt là cho khoảng trống giữa các mảnh gãy [22].

15


Internal fixation of fractures alters the biology of fracture healing because the fracture hematoma and soft-tissue blood supply are affected by the operative procedure. Following considerable intramedullary reaming, endosteal blood flow is reduced, but if reaming has been moderate, it is rapidly restored. Reaming does result in a delayed return of blood flow in cortical bone, which depends on the extent of reaming and the size of nail [23, 24]. Overall, endosteal blood perfusion is less affected by nailing without reaming than by “reamed nailing”. Histological investigations showed that bone healing was faster after nailing without reaming and that the area of avascularity was reduced. However, the presence or absence of reaming did not affect the blood flow within the fracture callus, because the callus was mainly vascularized from the surrounding soft tissues [25]. The least damage to the blood supply, however, is done by the use of external or internal fixators with minimal fragment manipulation and little contact between implant and bone [26, 27].

Cố định trong gãy xương làm thay đổi đặc tính sinh học của liền xương vì khối máu tụ ổ gãy và sự cấp máu từ mô mềm xương quanh chịu ảnh hưởng bởi các thủ thuật phẫu thuật. Sau doa ống tủy đáng kể, lưu lượng máu màng trong xương giảm, nhưng nếu được doa vừa phải, nó nhanh chóng phục hồi. Doa ống tủy thực sự gây ra chậm phục hồi lưu lượng máu xương vỏ, điều này phụ thuộc vào mức độ doa và kích thước của đinh nội tủy [23, 24]. Nhìn chung, sự tưới máu màng trong xương ít bị tác động bởi đinh nội tủy không doa hơn so với “đinh nội tủy có doa ống tủy”. Các nghiên cứu mô học cho thấy, liền xương diễn ra nhanh hơn sau đóng đinh không doa ống tủy và vùng vô mạch giảm đi. Tuy nhiên, có hay không có doa ống tủy không ảnh hưởng đến lưu thông máu trong mô can ổ gãy, bởi vì mô can chủ yếu được cấp máu từ mô mềm xung quanh [25]. Ít gây tổn thương nhất cho sự cấp máu, tuy vậy, đạt được bằng việc sử dụng cố định ngoài hoặc cố định trong với các thao tác trên mảnh gãy tối thiểu và tiếp xúc giữa xương và phương tiện ít [26, 27].

4.3 Fractures with absolute stability of surgical fixation—Stephan Perren 4.3.1 General comments concerning absolute stability If a fracture is bridged by a stiff splint, its mobility is reduced and little displacement occurs under functional load. This is often called rigid fixation. Although rigidity of the implants contributes to reducing fracture mobility, the only technique which will effectively abolish motion at the fracture site is interfragmentary compression (i.e., compression acting between the fragments). Absolute stability diminishes the strain at the fracture site to such an extent that allows for direct healing without visible callus. Direct healing of this kind is rather a consequence of the existing biomechanical conditions than a goal in itself. When cortical bone is avascular due to trauma, long-lasting stability is required and this is where absolute stability offers the best conditions and chances for healing. In case of complications,

4.3 Gãy xương với làm vững tuyệt đối của cố định phẫu thuật—Stephan Perren 4.3.1 Các ý kiến chung liên quan đến độ vững tuyệt đối Nếu một gãy xương được bắt cầu bằng một nẹp cứng, tính di động của nó được giảm đi và hầu như không có sự di lệch khi chịu tải chức năng. Điều này thường được gọi là cố định cứng. Mặc dầu độ cứng của phương tiện góp phần làm giảm sự di động ổ gãy, kỹ thuật duy nhất mà sẽ loại bỏ hiệu quả chuyển động tại vị trí gãy là nén ép gian mảnh gãy (tức là, tác động lực nén giữa các mảnh gãy). Độ vững tuyệt đối làm giảm sức căng tại vị trí gãy đến một mức độ cho phép sự liền xương trực tiếp mà không tạo mô can có thể thấy được. Liền xương trực tiếp kiểu này là có vẻ là một kết quả của các điều kiện sinh cơ học hiện có hơn là một mục đích của chính nó. Khi xương vỏ vô mạch do chấn thương, độ vững lâu dài là cần thiết và đây là nơi mà độ vững tuyết đối sẽ tạo điều kiện và cơ hội tốt nhất cho sự liền xương. Trong trường

16


disturbance of bone biology or vascularity is by far more serious than a mechanical condition arising from too flexible a fixation–high strain–possibly resulting in delayed union or non-union. It takes much more experience and greater skill to treat a complication due to disturbed vitality than to fix a simple reactive (hypertrophic) non-union which just needs added mechanical stability (see chapter 6.3).

hợp biến chứng, các rối loạn sinh học hoặc tưới máu xương sẽ nghiêm trọng hơn một tình trạng cơ học xuất phát sự cố định quá đàn hồi–sức căng lớn–có thể dẫn đến chậm liền xương hoặc khớp giả. Đòi hỏi kinh nghiệm và kỹ năng nhiều hơn để điều trị một biến chứng do sức sống xáo trộn so với để sửa chữa một khớp giả phản ứng (phì đại) đơn giản mà chỉ cần tăng thêm độ vững cơ học (xem chương 6.3).

4.3.2 Basic aspects of mechanics The tools to achieve absolute stability are:

• Compressive preload Compression maintains close contact between two fragments, as long as compression at the fracture site exceeds the traction forces acting at the fragment ends. Studies using the sheep as an experimental animal showed that compressive preload does not produce pressure necrosis, neither in plate screws nor in axially compressing plates [6, 28]. Rahn [29] could show that even overloaded bone does not undergo pressure necrosis provided overall stability is maintained (Fig. 1.2-7).

4.3.2 Khía cạnh cơ học cơ bản Các công cụ để đạt được độ vững tuyệt đối là:

• Tải nén ứng trước Lực nén duy trì sự tiếp xúc chặt chẽ giữa hai mảnh gãy, hễ lực nén tại vị trí gãy xương còn vượt quá lực kéo tác động ở các đầu gãy. Nghiên cứu sử dụng cừu làm động vật thí nghiệm cho thấy rằng tải nén ứng trước không gây ra hoại tử áp lực, bất kể là các vít hay nẹp trong các nẹp vít nén ép trục [6, 28]. Rahn [29] chỉ ra rằng thậm chí xương quá tải cũng không hoại tử do áp lực giúp cho độ vững tổng thể được duy trì (Hình 1.2-7).

Fig. 1.2-7: Stabilization through application of compression. The compressive preload abolishes displacement of the fracture fragments and results in absolute stability as long as the compression produced is larger than the traction produced by function. Hình 1.2-7: Cố định vững nhờ áp dụng lực nén. Tải nén ứng trước loại bỏ sự di lệch của các mảnh gãy và tạo ra độ vững tuyệt đối miễn rằng lực nén tạo ra lớn hơn lực kéo bởi các hoạt động chức năng.

Production of friction When fracture surfaces are compressed against each other, friction is installed. Friction counteracts shear forces that act tangentially so sliding displacement is avoided (Fig. 1.2-8). Shearing stems, in most cases, from torque applied to the limb and is more important than forces acting perpendicular to the long axis of the bone. The amount of friction depends on the compression between the surfaces. For smooth bony

• Tạo ra lực ma sát Khi các mặt gãy được nén lại với nhau, lực ma sát được thiết lập. Lực ma sát chống lại lực trượt tác động tiếp tuyến nhờ đó chống lại được sự di lệch trượt (Hình 1.2-8). Trượt, trong hầu hết trường hợp, do lực xoắn tác động lên chi và nó quan trọng hơn các lực tác dụng vuông góc với trục dài của xương. Độ lớn lực ma sát phụ thuộc vào lực nén giữa các mặt gãy. Đối với bề mặt xương nhẵn lực

17


surfaces the normal forces produce somewhat less than 40% of friction [30–32]. Rough surfaces allow a form fit and interdigitation of the fragments, which additionally counteract displacement due to shear.

bình thường tạo ra lực ma sát phần nào nhỏ hơn 40% nó [30-32]. Bề mặt thô ráp cho phép sự phù hợp về hình dạng và sự đan kẽ của các mảnh gãy, giúp tăng cường chống lại sự di lệch do trượt.

Fig. 1.2-8: Stabilization through application of compression producing friction. As long as the amount of friction is larger than the force that tends to displace the fracture along the fracture plane, absolute stability is maintained. Screw fixation of a plate relies on the same mechanism.

Hình 1.2-8: Cố định bằng cách áp dụng lực nén giúp sản sinh ra lực ma sát. Miễn là độ lớn lực ma sát lớn hơn lực có xu hướng làm di lệch ổ gãy nứt dọc mặt gãy, độ vững tuyệt đối vẫn được duy trì. Vít cố định của một nẹp vít cũng dựa trên cùng cơ chế này.

4.3.3 Implants providing absolute stability of fixation

Lag screws and interfragmental compression (see chapter 3.2.1)

The lag screw is a good example of an implant which relies heavily upon compression. The lag screw is applied to have purchase only in the remote cortex, and approximation between the thread and the head of the screw results in interfragmentary compression between the cortices. The fracture located between the remote and near cortices is thereby compressed and absolute stability by pre-load and friction is obtained. In vivo experiments have shown that with lag screws not only can high amounts of forces (> 2,500 N) be produced [6, 33] (Fig. 1.2-9), but moreover, that such forces are maintained over a period which exceeds the time required for fracture healing. Compression produced by a lag screw is not only large, but it acts optimally from within the fracture in contrast to the compression produced by plates (see chapter 3.2.2).

4.3.3 Các phương tiện cung cấp sự cố định có độ vững tuyệt đối

Vít CI và nén ép gian mảnh gãy (xem chương 3.2.1)

Vít CI (vít nép ép gian mảnh gãy) là một ví dụ tốt về một phương tiện cố định dựa chủ yếu vào lực nén. Vít CI được bắt so cho chỉ ăn vào vỏ xương phía xa, và sự tiệm cận giữa gai và đầu vít giúp tạo ra lực nén gian mảnh gãy giữa các vỏ xương. Đường gãy nằm giữa vỏ xương xa và gần nhờ đó được nén lại với nhau và tạo được lực ma sát cũng như đạt được độ vững tuyệt đối dưới tải ứng trước. Các nghiên cứu in vivo đã chỉ ra rằng với vít CI không chỉ có thể tạo ra một lực lớn (> 2.500 N) [6, 33] (Hình 1.2-9), mà ngoài ra, các lực đó còn được duy trì trong khoảng thời gian vượt quá thời gian cần thiết cho sự liền xương. Lực nén tạo ra bởi vít CI không chỉ lớn, mà nó còn tác động tối ưu từ bên trong ổ gãy ngược lại với lực nén được tạo ra bởi nẹp vít (xem chương 3.2.2).

18


Fig. 1.2-9: Photoelastic model showing the compression exerted upon an oblique osteotomy. The lag screw produces forces of around 2,500 to 3,000 N.

Hình 1.2-9: Mô hình quang đàn hồi biểu hiện lực nén tác dụng lên xương được cắt chéo. Vít CI tạo ra lực có độ lớn quanh khoảng 2.500 đến 3.000 N.

Special biomechanical aspects and limitations

There are two relative disadvantages of compression fixation by lag screw only. Lag screws provide a high amount of compression, but the lever arm of such compression is, in most instances, too limited to resist functional loading. This applies similarly for bending and torque, because the range of action of the compression is limited to a small diameter viewed from the center of the screw. This explains why long oblique fractures may be fixed by two to three lag screws only, while short oblique or transverse fracture cannot. When a screw thread strips under a single overload, it loses its compressive action and is unable to recover its function. Therefore, lag screws and plate screws should not be tightened to a level where they start to give way. Under such application the bone threads are partially damaged and/or the screws are plastically deformed. The more the screw is tightened, the greater the risk that it will lose resistance, i.e., its holding power.

Các khía cạnh và các giới hạn sinh cơ học đặc biệt

Có hai nhược điểm tương đối của cố định nén ép chỉ bằng vít CI. Vít CI cung cấp một lực nén lớn, nhưng cánh tay đòn của lực nén này, trong hầu hết trường hợp, lại quá giới hạn để có thể chịu được tải chức năng. Áp dụng này tương tự với lực uốn và xoắn, bởi vì phạm vị tác động của lực nén được giới hạn trong một đường kính nhỏ nhìn từ trung tâm của vít. Điều này lý giải cho việc tại sao với gãy xương chéo dài có thể được cố định chỉ bằng hai hoặc ba vít CI, trong khi gãy chéo ngắn hoặc gãy ngang thì không thể. Khi một ren vít bong ra dưới một tình trạng quá tải đơn độc, nó sẽ mất tác dụng nén và không thể khôi phục lại chức năng của nó. Vì vậy, vít CI và vít nẹp không nên siết quá đến mức mà chúng bắt đầu cong. Với kiểu áp dụng như vậy các ren trong xương bị tổn thương một phần và /hoặc vít bị biến dạng mềm. Vít càng được siết chặt, nguy cơ nó mất đi sức chống chịu, tức là, khả năng giữ chặt của nó càng cao.

Plates and their different functions

A fracture fixed with one or more lag screws provides rigid fixation without motion (abso-lute stability), but in general such fixation resists only minimal loading. A splint bridging the fracture site can reduce the load placed on a fracture site.

Nẹp vít và các chức năng khác nhau của chúng

Gãy xương được cố định bằng một hoặc nhiều vít CI tạo ra sự cố định vững chắc mà không có sự chuyển động (vững tuyệt đối), nhưng nhìn chung kiểu cố định này chỉ chịu được tải tối thiểu. Nẹp bên ngoài bắt cầu qua ổ gãy có thể giảm bớt tải

19


Therefore, lag screws are usually combined with plates acting as splints to protect against or neutralize additional forces (Fig. 1.2-10 and Fig. 1.2-11). When the fracture is closely adapted and compressed, the splint does not reduce motion but it reduces loading across the fracture.

đặt lên vị trí gãy. Vì vậy, vít CI thường được kết hợp với một nẹp vít hoạt động như một nẹp bên ngoài để bảo vệ chống lại hoặc trung hòa các lực bổ sung (Hình 1.2-10 và hình 1.2-11). Khi ổ gãy được nén và phù hợp, nẹp bên ngoài không làm giảm chuyển động nhưng nó giảm tải trên ổ gãy.

Fig. 1.2-10: Compression by a plate. This classical picture shows that by applying tension to the plate, compression of the plated bone segment can be produced. Thus, compression acts within the bone along its long axis. Such compression is effective only in transverse fractures and, as shown using photoelasticity, is effective only in the near cortex underlaying the plate. Hình1.2-10: Nén bằng nẹp vít. Hình ảnh kinh điển này cho thấy bằng cách áp dụng lực căng lên tấm nẹp, có thể tạo ra lực nén các đoạn xương được bắt nẹp vít. Như vậy, lực nén tác động lên xương dọc theo trục dài của nó. Lực nén này chỉ có hiệu quả trong gãy ngang và, như được chỉ ra trong hình ảnh chụp quang đàn hồi này, chỉ hiệu quả trên vỏ xương gần nằm ngay dưới nẹp.

Fig. 1.2-11: Compression by a prebent plate. Symmetrical compression may be achieved by prebending the plate. The slightly curved plate is applied to the bone surface with the middle part elevated. When the screws are tightened, the far cortex opposite to the plate is compressed as well. Hình 1.2-11: Nén bằng một nẹp được uốn cong trước. Có thể tạo ra lực nén đối xứng bằng cách hơi uốn cong nẹp vít trước khi bắt. Tấm nẹp hơi cong được áp dụng cho bề mặt xương với phần giữa nhô cao. Khi các vít được siết chặt, vỏ xa đối diện với tấm nẹp cũng sẽ được nén tốt.

20


Different plate functions

Compression is but one of many functions of a plate which can be achieved singly or in comination with other implants. The plate applied on the tension side of a bone acts optimally as a tension band. A plate may also be applied under tension so that it compresses the bone along its long axis (Fig 1.2-12). When used alone, this application is effective in certain transverse or short oblique fractures. When a plate bridges a bone defect, it supports the bone fragments and keeps them in proper alignment. The plate then has a buttress function (see chapter 3.2.2). Under such conditions the plate initially carries full functional load (Fig 1.2-13).

Các chức năng khác nhau của nẹp

Nén là một trong nhiều chức năng của nẹp vít mà có thể đạt được riêng lẻ hoặc phối hợp với các phương tiện khác. Nẹp vít được bắt ở phía căng của xương có tác dụng như một đai căng. Nẹp cũng có thể đặt dưới lực căng để nén xương theo trục dọc của nó (Fig 1.2-12). Khi được sử dụng đơn độc, kiểu áp dụng này tỏ ra hiệu quả trong một số kiểu gãy ngang hoặc gãy chéo ngắn nhất định. Khi nẹp vít được dùng để bắt cầu qua một vị trí khuyết xương, nó hỗ trợ các mảnh gãy và giữ chúng thẳng trục. Nẹp vít còn có chức năng nâng đỡ (xem chương 3.2.2). Trong tình huống này nẹp chịu toàn bộ tải chức năng (Fig 1.2-13).

Fig. 1.2-12: Tension band plate. The plate is applied to the convex surface of the long bone, preferably on the opposite side to the muscle mass. Thus, the plate is loaded in tension and the bone in compression.

Hình 1.2-12: Nẹp đai căng. Nẹp được đặt ở mặt lồi của các xương dài, tốt nhất là ở phía đối diện với khối cơ. Như vậy, nẹp sẽ chịu lực căng và xương thì chịu lực nén.

Compression using other implants

Nails are not suited to provide compression, because their spring constant, i.e., the deformation to force ratio, is very small. Thus, minute amounts of adjustment of the fracture result in shortening or creeping of the locking bolts within metaphyseal bone. This would abolish long-term stability. Still, there is a place, in the early stages, for short-term compression to reduce fracture mobility, and consequent pain, in locked nailing. Fixators are very well suited for compression fixation in metaphyseal bone, for example, in osteotomies. This does not necessarily apply for the diaphysis where asymmetry and flexibility must be considered together with compression. Cerclage wires lose their compression after application when the wires are released (elastic recoil) or bent over to the bone surface.

Nén bằng các phương tiện khác

Đinh nội tủy không phù hợp để cung cấp lực nén, do hệ số đàn hồi của nó, tức là, tỷ số biến dạng trên lực tác động, là rất nhỏ. Như vậy, chỉ với một điều chỉnh rất nhỏ ổ gãy cũng có thể đưa đến chồng ngắn hoặc biến dạng trượt vít khóa ở trong hành xương. Điều này làm mất đi độ vững lâu dài. Tuy nhiên, trong giai đoạn sớm, vẫn có thể nén một thời gian ngắn nhằm làm làm giảm tính di động của ổ gãy, và giảm đau do hậu quả của sự di động đó, với đinh nội tủy có khóa. Hệ thống cố định rất thích hợp cho cố định nén ép ở xương hành xương, ví dụ, trong các thủ thuật đục xương. Nó không nhất thiết áp dụng cho thân xương nơi mà tính không đối xứng và tính đàn hồi phải được xem xét cùng với lực nén. Buộc cerclage mất đi tính chất nén ép của chúng sau khi áp dụng do dây buộc giãn ra (bật lại đàn hồi) hoặc uốn cong trên bề mặt xương.

21


Fig. 1.2-13: Implant functioning as a buttress. The buttress function of the PFN (proximal femoral nail) provides support to the bone mainly by maintaining the original shape of the bone where the latter is not able to provide resistance to axial load. Such load would result in shortening of the bone. Buttressing is an important technique around the metaphyseal ends of the long bones.

Hình 1.2-13: Phương tiện có chức năng như một cột chống. Chức năng nâng đỡ của PFN (đinh nội tủy đầu trên xương đùi) cung cấp sự hỗ trợ cho xương chủ yếu bằng cách duy trì hình dạng ban đầu của xương do xương không đủ khả năng để chịu tải dọc trục. Những tải như vậy sẽ gây ra sự chồng ngắn của xương. Nâng đỡ là một kỹ thuật quan trọng quanh các đầu tận hành xương của các xương dài.

4.3.4 Bone healing under absolute stability Bone healing is different for cortical and cancellous bone. The basic elements correspond qualitatively, but the volume to surface ratio being very different, the speed and reliability of healing are generally better in cancellous bone.

Diaphyseal fractures

In the diaphysis, stable or rigid fixation is achieved by means of interfragmentary compression to maintain the fracture fragments in close apposition (see chapter 3.2.2). Pain due to motion will subside and allow for early functional aftertreatment within a few days (Fig.1.2-14). Radiologically, only minor changes can be observed: Under absolutely stable fixation, there is minimally visible callus formation or none at all. The fact that the fragment ends are closely apposed means that there is no actual fracture gap to be seen on the x-ray (Fig. 1.2-15). This renders the judgement of fracture healing difficult. A gradual disappearance of the fracture gap, with trabeculae growing across it, is a good sign, while a widening of the gap may be an indirect sign of

4.3.4 Liền xương với cố định vững tuyệt đối Sự liền xương khác nhau giữa xương cứng và xương xốp. Các yếu tố cơ bản tương ứng về chất lượng, nhưng tỉ lệ thể tích trên bề mặt lại rất khác nhau, tốc độ và độ tin cậy của liền xương nhìn chung là tốt hơn ở xương xốp.

Gãy thân xương

Ở thân xương, đạt được sự cố định vững và cứng bằng lực nén gian mảnh gãy để duy trì các đoạn gãy ghe p sát nhau (xem chương 3.2.2). Đau do chuyển động sẽ giảm bớt và cho phép vận động chức năng hậu phẫu sớm trong vòng vài ngày sau mổ (Fig.1.2-14). Về mặt x quang, chỉ có thể quan sát được những thay đổi rất nhỏ: Dưới sự cố định vững hoàn toàn, có rất ít mô can có thể nhìn thấy hoặc hầu như không có gì cả. Thực tế là đầu các mảnh gãy được đặt sít nhau có nghĩa là không có khoảng hở thật sự giữa các đầu gãy có thể thấy được trên x-quang (Hình 1.2-15). Điều này làm cho việc đánh giá sự liền xương trở nên khó khăn. Sự biến mất dần dần khoảng trống giữa các đầu gãy, với các bè xương băng qua nó, là một dấu hiệu tốt, ngược lại sự mở rộng khoảng cách có thể là một dấu hiệu gián tiếp của mất

22


instability.The surgeon judges the progress of healing based on the absence of radiological signs of irritation, such as bone resorption or the formation of a cloudy “irritation” callus, as well as by clinical symptoms of pain and swelling

vững. Các phẫu thuật viện đánh quá sự tiến triển của quá trình liền xương dựa trên sự vắng mặt các dấu hiệu x quang của sự kích thích, chẳng hạn như sự tiêu xương hoặc tạo xương của mô can “kích thích” không rõ ràng, cũng như các triệu chứng lâm sàng đau và sung

Fig. 1.2-14: Direct healing of a plated diaphysis in a German shepherd dog with unrestricted weight bearing. When the fracture fragments are held together, for instance by interfragmentary compression, no displacement between the fragment surfaces occurs. Under these conditions direct bone healing is achieved by internal remodeling of the lamellar bone. Hình1.2-14: Liền xương trực tiếp của một thân xương được bắt nẹp vít ở một con chó chăn cừu Đức không hạn chế chịu tải. Khi các mảnh gãy được giữ lại với nhau, ví dụ bằng lực nén gian mảnh gãy, không có sự dịch chuyển giữa các mặt gãy xảy ra. Dưới những điều kiện này liền xương trực tiếp đạt được bằng cách tái cấu trúc bên trong xương phiến mỏng.

Fig. 1.2-15: Direct bone healing is not the rule after medullary nailing, but can occasionally be observed under conditions of stability. Transverse tibial fracture in a human 7 weeks postoperatively. Hình1.2-15: Liền xương trực tiếp không phải thường quy sau đóng đinh nội tủy, nhưng đôi khi có thể quan sát được trong những điều kiện vững. Gãy ngang xương chày ở người 7 tuần sau phẫu thuật.

The histological sequence of healing under conditions of absolute stability:

• In the first few days after surgery there is minimal activity within bone near the fracture. The hematoma is then resorbed and/or transformed into repair tissue. The

Trình tự mô học của sự liền xương trong điều kiện vững tuyệt đối:

• Trong vài ngày đầu tiên sau phẫu thuật có hoạt động tối thiểu trong xương gần ổ gãy. Khối tụ máu được tái hấp thu và/ hoặc chuyển đổi thành mô sửa chữa. Sưng nề

23


swelling subsides while the surgical wound heals.

• After a few weeks the Haversian system starts to remodel the bone internally as shown by Schenk and Willenegger [34] (Fig. 1.2-16 and Fig. 1.2-17). At the same time “stable” gaps between imperfectly fitting fragments start to fill with lamellar bone whose orientation is transverse to the long axis of the bone.

• In the subsequent weeks, the cutter heads of the osteons reach the fracture and cross it wherever there is contact or only a minute gap [35], thus producing an interdigitation of newly formed osteons bridging the gap.

giảm bớt trong khi vết thương do phẫu thuật liền dần.

• Sau một vài tuần, hệ thống Haver bắt đầu tái cấu trúc xương ở bên trong như được trình bày bởi Schenk và Willenegger [34] (Hình 1.2-16 và hình 1.2-17). Tại cùng một thời điểm này khoảng cách “vững” giữa các đầu gãy được cố định không hoàn hảo bắt đầu điền đầy bằng xương phiến có hướng ngang với trục dài của xương.

• Trong những tuần tiếp theo, các đầu cắt của hệ thống Haver sẽ với đến ổ gãy và băng qua nó bất kể có sự tiếp xúc hoặc chỉ một khoảng cách nhỏ *35+, do đó tạo ra một sự xen kẽ các hê thống haver tân tạo bắt cầu qua khoảng trống.

Fig. 1.2-16: Histological appearance of direct cortical bone healing. The areas of dead and damaged bone are replaced internally by Haversian remodeling. The fracture line has been graphically enhanced. Necrosis in cancellous bone is less likely because of its better vascularization. Hình1.2-16: Biểu hiện mô học của liền xương vỏ xương trực tiếp. Các vùng xương chết và bị tổn thương được thay thế bên trong bởi sự tu sửa Haver. Đường gãy đã được làm nổi bật. Hoại tử ở xương xốp ít xảy ra do nó được cấp máu tốt hơn. Fig. 1.2-17: Schematic diagram of Haversian remodeling. The osteon carries at its tip a group of osteoclasts that drill a tunnel into the dead bone. Behind the tip, osteoblasts form new bone with living cells and connection to the capillaries within the canal. Hình 1.2-17: Sơ đồ giản lược sự tu sửa Haver. Các hệ thống Haver mang ở đỉnh của nó một nhóm các huỷ cốt bào khoan một đường hầm vào xương chết. Đằng sau đỉnh, các nguyên bào xương tạo xương mới với các tế bào sống và kết nối đến các mao mạch trong kênh.

Fractures in cancellous bone

Mechanically, fractures about the metaphysis are characterized by a comparatively large fracture

Gãy xương ở xương xốp

Về mặt cơ học, gãy xương ở hành xương đặc trưng bởi một mặt gãy tương đối lớn. Điều này

24


surface. This offers good fixation in terms of bending and torque, and thus these fractures tend to be more stable, while healing occurs more rapidly. Radiological evaluation is somewhat impeded by more complex 3-D structure of the cancellous bone. The main histological activity seen in fracture healing of cancellous bone occurs at the level of the trabeculae. Healing is—due to the larger surface per volume—more likely to occur faster than in cortical bone. Because vascularization of the cancellous bone is better, necrosis is less likely to occur.

giúp cho sự cố định tốt để chống uốn cong và xoắn, và do đó kiểu gãy xương này có xu hướng vững hơn, trong khi liền xương diễn ra nhanh hơn. Đánh giá x quang phần nào bị cản trở bởi cấu trúc 3-D phức tạp hơn của xương xốp. Hoạt động mô học chính của liền xương xốp xảy ra ở cấp độ các bè xương. Liền xương—do tỉ lệ bề mặt trên thể tích lớn hơn—có vẻ như diễn ra nhanh hơn xương đặc. Bởi vì sự cấp máu cho xương xốp tốt hơn, hoại tử dường như ít khi xảy ra hơn.

4.3.5 Biomechanics and biology of stable fracture fixation

Induction of fracture healing

Stable fixation reduces and holds the fracture so that it behaves like intact bone. It appears likely that fracture instability is the most important mechanism triggering or inducing callus in the non-stable situation. It is, therefore, difficult to understand why a stably fixed fracture would heal at all. It could be assumed that under absolute stability the effect of necrosis of the fragment ends induces internal remodeling of the bone which eventually crosses the fracture line and thus repairs the fracture. If this mechanism is to be accepted as being of importance, the treatment of choice for a fracture with extended damage to the blood supply consists in absolute stability produced by interfragmentary compression.

4.3.5 Sinh cơ học và sinh học của cố định vững

Sự cảm ứng của liền xương

Cố định vững nắn chỉnh và giữ ổ gãy sao cho nó hoạt động như xương còn nguyên vẹn. Dường như sự không vững của ổ gãy là cơ chế quan trọng nhất kích thích hoặc cảm ứng tạo mô can trong tình trạng không vững. Do đó, rất khó để hiểu được tại sao cố định xương vững chắc lại có thể liền. Có thể giả định rằng dưới độ vững tuyệt tác động của hoại tử các đầu gãy kích thích sự tu sửa bên trong xương mà cuối cùng băng qua đường gãy và do đó sửa chữa ổ gãy. Cơ chế này được chấp nhận hay không rất quan trọng, như vậy việc lựa chọn điều trị cho một gãy xương với tổn thương rộng sự cấp máu sẽ cốt ở việc đạt được độ vững tuyệt đối mà được tạo ra nhờ lực nén gian mảnh gãy.

Precision of reduction

Today, in diaphyseal fractures, we refrain from exact reduction of a complex fracture pattern to avoid surgical damage to the blood supply. However, in articular fractures, “precise” reduction is still considered essential.

Recovery of blood supply

Absolute stability also has positive effects on blood supply, in that under stable conditions the blood vessels may more easily cross a fracture site. Despite the deleterious effects of some surgical procedures used to achieve absolute stability, once obtained, it supports the repair of blood vessels (Fig. 1.2-18). In plate fixation, the comparably large contact area (footprint) of conventional plates is

Độ chính xác của nắn chỉnh

Ngày nay, với gãy thân xương, chúng ta hạn chế việc nắn chỉnh chính xác một gãy xương phức tạp để tránh gây tổn thương nguồn cấp máu do phẫu thuật. Tuy nhiên, với gãy xương nội khớp, nắn chỉnh “chính xác” vẫn rất cần thiết.

Khôi phục nguồn cấp máu

Độ vững tuyệt đối có tác động tích cực lên sự cấp máu, trong tình trạng vững các mạch máu có thể dễ dàng đi qua ổ gãy hơn. Bất chấp những tác động xấu của một số thủ thuật phẫu thuật được sử dụng để đạt được độ vững tuyệt đối, một khi đã đạt được, nó sẽ hỗ trợ cho sự khôi phục các mạch máu (Hình 1.2-18). Trong cố định bằng nẹp vít, vùng tiếp xúc tương đối lớn (giường nẹp) của các nẹp vít thông

25


considered as a disadvantage. Bone tolerates mechanical loading quite well and protects the blood vessels within its structures from being affected by it. The blood vessels entering the bone from the periosteal and endosteal sides are, however, very sensitive to any external contact. When plates are placed onto the bone surface, they are likely to disturb this periosteal blood supply. In conventional plating, part of the stability is obtained by friction between the plate and bone, which requires a minimum area of contact. Extended and continuous contact between any implant and bone results in areas of bone necrosis in the cortex directly underneath a plate. This may lead to temporary porosis of the bone and, exceptionally, to sequestration. Recent studies have shown that reduction of the interface between implant and bone may improve resistance to local infection and enhance fracture healing [36] (Fig. 1.2-19).

thường được xem là một nhược điểm. Xương chịu được tải cơ học khá tốt và bảo vệ các mạch máu bên trong các cấu trúc của nó khỏi bị tổn thương bởi chính nó. Các mạch máu đi vào xương từ màng ngoài xương và màng trong xương, tuy vậy, rất nhạy cảm với bất kì sự tiếp xúc bên ngoài nào. Khi nẹp được đặt trên bề mặt xương, chúng có vẻ như sẽ làm tổn thương sự cấp máu màng ngoài xương này. Với nẹp thông thường, một phần của độ vững đạt được nhờ lực ma sát giữa nẹp và xương, mà chỉ đòi hỏi một diện tích tiếp xúc tối thiểu. Diện tiếp xúc rộng và liên tục giữa phương tiện và xương gây ra một vùng hoại tử xương ở vỏ xương nằm trực tiếp bên dưới nẹp. Điều này có thể dẫn đến tình trạng xốp xương tạm thời, ngoại lệ, tạo mảnh xương mục. Những nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng giảm sự tiếp xúc giữa phương tiện và xương có thể cải thiện khả năng chống nhiễm trùng tại chỗ và tăng cường liền xương *36+ (Hình 1.2-19.)

Fig. 1.2-18: The effect of stability on revascularization. The osteotomy of a rabbit tibia has been reduced and stably fixed. As early as 2 weeks after the complete transection of the bone and medullary cavity the blood vessels appear reconstructed and are functioning, as this angiography at 14 days shows. Hình 1.2-18: Tác động của độ vững lên tái lưu thông mạch máu. Cắt xương một xương chày ở thỏ đã được nắn và cố định vững chắc. 2 tuần sau khi bị cắt ngang hoàn toàn xương và ống tủy, các mạch máu có biểu hiện tu sửa và đang hoạt động, như được chỉ ra ở hình ảnh chụp mạch tại thời điểm 14 ngày.

26


Fig. 1.2-19: Bridging plate: the plate spans a critical fracture area and is fixed only near its two ends. Thus, contact at the fracture site that could impede circulation is avoided and there is a possibility for including a bone graft under the “bridge” Hình 1.2-19: Nẹp bắt cầu: nẹp băng qua một vùng gãy trầm trọng và chỉ được cố định gần hai đầu của nó. Như vậy, có thể tránh được sự tiếp xúc ở ổ gãy mà có thể cản trở sự lưu thông máu và có thể ghép xương bên dưới “cầu nối”

4.4 Special implants These observations have led to the development of the new LC-DCP (limited contact dynamic compression plate), but also to different concepts like the internal fixator, where the plate hardly touches the cortex, while the screws lock in the plate holes (see chapters 3.2.1 and 3.4).

LC-DCP and internal fixators

For a reduced contact between the “plate body” and the bone and in order to reduce vascular damage, the plates were first undercut as far as safe application of screw compression would allow [37]. The next step consisted in minimizing the plate-bone contact to isolated points only [27, 38–44]. With the PC-Fix (point contact fixator) the splinting body is not pressed towards the bone due to a specially designed conical interlocking screw hole. While the LC-DCP still acts like a plate, the PC-Fix resembles a plate but acts, completely differently, as an internal

4.4 Các phương tiện đặc biệt Những quan sát này không chỉ đưa đến sự phát triển của LC-DCP (nẹp nén ép động tiếp xúc tối thiểu), mà còn các khái niệm khác như cố định trong, mà nẹp hầu như không chạm vào vỏ xương, trong khi các vít khóa vào trong các lỗ nẹp (xem chương 3.2.1and 3.4).

LC-DCP và cố định trong

Để giảm thiểu sự tiếp xúc giữa “thân nẹp” và xương nhằm giảm tổn thương mạch máu, các nẹp lúc đầu được cắt nhỏ đến mức có thể cho phép áp dụng an toàn các vít nén [37+. Bước tiếp theo chủ yếu làm giảm tối đa sự tiếp xúc xương-nẹp thành những điểm tiếp xúc tách biệt [27, 38-44]. Với PC-Fix (cố định tiếp xúc điểm) thân nẹp không ép lên xương nhờ một thiết kế đặc biệt với các lỗ vít khóa hình nón. Trong khi LC-DCP vẫn còn hoạt động như một nẹp vít, PC-Fix giống một nẹp vít, nhưng hoạt động hoàn toàn khác, như một cố định trong,

27


fixator, i.e., a splint.

Locked screws

When the plate is used like a splint, it may take advantage of screws which are locked within the plate (Fig. 1.2-20 and Fig. 1.2-21). An early example of such a device is the so-called Schuhli, i.e., a washer-nut between the plate undersurface and the bone surface. When the nut is tightened against the plate, the screw is positioned perpendicularly to the plate body and firmly held in place [45]. A modification of this technique allows the screw to be stabilized in a selected inclination [46].

nghĩa là, một nẹp đặt ngoài.

Vít khóa

Khi nẹp vít được sử dụng như nẹp bên ngoài, nó có thể tận dụng được ưu thế của các vít được khóa vào trong nẹp (Hình 1.2-20 và hình 1.2-21). Một ví dụ sớm về một thiết bị như vậy được gọi là Schuhli, nghìa là, một long đền – đai ốc giữa mặt dưới nẹp và bề mặt xương. Khi ốc được siết chặt ngược lại nẹp, vít được định vị vuông góc với thân nẹp và giữ chắc tại chỗ [45]. Một biến thể của kỹ thuật này cho phép vít được cố định với độ nghiêng chọn lựa [46].

Fig. 1.2-20: Conventional plate screws Hình 1.2-20: Vít nẹp thông thường

Fig. 1.2-21: Locked plate screws. Hình 1.2-21: Vít nẹp khóa

28


Fig. 1.2-22: Effect of reamed (a) and unreamed (b) nails on the blood supply of the tibia in a group of dogs. The blood supply after the unreamed procedure is markedly better. The lower part of each picture is a sample cross-section of the dog tibia 7 hours after surgery and preterminal application of procion red. Active blood vessels are shown as small red dots. The upper part of each picture is a composite with all cross-sections of the relevant group superimposed. The inner white area of the superimposed picture is an artifact.

Hình 1.2-22: Tác động của đinh nội tủy doa (a) và không doa (b) ống tủy lên sự cấp máu xương chày ở một nhóm chó. Sự cấp máu sau thủ thuật không doa ống tủy tốt hơn rõ rệt. Phần dưới của mỗi bức ảnh là một mẫu mặt cắt ngang xương chày chó 7 giờ sau khi phẫu thuật và sử dụng đỏ procion. Các mạch máu hoạt động được biểu hiện như một dấu chấm nhỏ màu đỏ. Phần trên của mỗi bức ảnh là một phức hợp với tất cả các mặt cắt ngang của nhóm phù hợp được xếp chồng. Vùng trắng bên trong của hình ảnh chồng là một ảnh giả.

4.5 Recent developments in internal fixation technology The most important recent advance in internal fixation of fracture consists mainly in the realization of minimally invasive techniques [47] (see chapters 3.3.2and 3.4). In the area of medullary nailing the research has shown that the damage to endosteal blood supply can be reduced by avoiding reaming [48] (Fig. 1.2-22). A further advance in nailing is the development of nails of variable flexibility. The nails are flexible at insertion and then are stiffened by a special mechanism. These nails are presently undergoing clinical testing. In external fixation, the development of the “seldrill” screw, as a radially

4.5 Những phát triển gần đây trong kỹ thuật cố định trong Bước tiến quan trọng nhất gần đây trong cố định trong gãy xương chủ yếu trong thực hiện các kỹ thuật xâm nhập tối thiểu [47] (xem chương 3.3.2 và 3.4). Trong lĩnh vực đinh nội tủy các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tổn thương sự cấp máu màng trong xương các thể được giảm bớt bằng việc tránh doa ống tủy [48] (Hình 1.2-22). Một tiến bộ hơn nữa trong đóng đinh nội tủy là sự phát triển đinh có độ đàn hồi tùy biến. Đinh đàn hồi khi đóng vào và sau đó được làm cứng bằng một cơ chế đặc biệt. Những đinh nội tủy này hiện đang trải qua các thử nghiệm lâm sàng. Với cố định ngoài, sự phát triển

29


preloading Schanz screw, has contributed to solving the problem of micro-motion-induced loosening (Fig. 1.2-23).

của vít “tự khoan”, như là vít Schanz tải ứng trước li tâm, đã góp phần giải quyết vấn đề lỏng do các vi chuyển động (Hình 1.2-23).

Fig. 1.2-23: Tip of a self-drilling and self-tapping screw. Such screws can be used especially with unicortical fixation. In bicortical fixation the sharp tip of the screw will likely cause irritation of the periosteal soft tissues. Self-drilling unicortical screws do not produce this problem. Furthermore, with self-drilling screws the required length cannot be measured. This is, however, not a problem for unicortical screws of predetermined length. Hình 1.2-23: Đỉnh của một vít tự khoan và tự ta rô. Những vít như vậy có thể được sử dụng đặc biệt là với cố định một vỏ. Trong cố định hai vỏ đầu nhọn của vít có thể sẽ gây kích thích mô mềm màng ngoài xương. Vít tự khoan một vỏ không gây ra vấn đề này.

Hơn nữa, với vít tự khoan, chiều dài yêu cầu không thể đo được. Điều này, tuy vậy, không phải là một vấn đề đối với vít một vỏ của chiều dài được xác định trước.

Conventional plating is being increasingly replaced by using internal fixators (Fig. 1.2-24). These devices, like the PC-Fix, are splints which do not require being pressed “plate-like” to bone. Thus, the area of contact can be reduced to small points isolated from each other. When developing these implants it was realized, at the same time, that by fixing the screw heads within the plate of the PC-Fix, the length of the screws could be reduced to unicortical dimensions only. This allows safe use of self-drilling self-tapping screws bit tip of the screw no longer protrudes from the remote cortex. The same principle of bolting rather than compressing implants to bone has shown its advantages in hand and maxillofacial surgery.

Nẹp vít thông thường đang được thay thế với việc sử dụng cố định trong (Hình 1.2-24). Các thiết bị này, giống như Fix-PC, là các nẹp mà không cần được nén chặt vào xương “giống nẹp vít”. Như vậy, diện tích tiếp xúc có thể giảm thành các điểm nhỏ riêng biệt với nhau. Khi phát triển các loại phương tiện này thành hiện thực, cùng một lúc, bằng cách cố định các đầu vít trong nẹp PC- Fix, chiều dài các vít có thể được giảm xuống còn một vỏ xương. Điều này cho phép sử dụng một các an toàn vít tự khoan tự ta rô vì đầu nhọn của vít không còn nhô ra khỏi vỏ xa. Có cùng nguyên tắc với bắt bu lông hơn là nén phương tiện vào xương đã cho thấy lợi thế của nó trong phẫu thuật bàn tay và hàm mặt.

30


Fig. 1.2-24: Internal fixators consist of a “plate-like” body and screws but they function in a different way than the conventional plates: The conventional plate is pressed to the bone surface with high forces producing friction that prevents shear between the plate undersurface and the bone. Internal fixators forego the need for interface compression. The screws are locked within the fixator body and they act more like bolts than screws. The screw thread serves only to prevent stripping but does not produce interface compression. Thus, the contact surface between fixator and bone can be abolished or consist of small points only (point contact). Hình 1.2-24: Cố định trong gồm một thân “giống nẹp vít” và các vít nhưng chúng hoạt động theo cách khác so với các nẹp vít thông thường: Các nẹp thông thường được nén ép vào bề mặt xương với lực lớn giúp tạo ra lực ma sát có thể chống trượt giữa mặt dưới nẹp vít và xương. Cố định trong bỏ đi sự cần thiết của lực nén. Các vít bị khóa trong thân hệ thống cố định và chúng hoạt động giống như bu lông hơn là vít. Các ren vít hoạt động chỉ để chống nhổ ra nhưng không tạo ra lực nén giữa các bề mặt. Như vậy, diện tiếp xúc giữa hệ thống cố định và xương có thể được loại bỏ hoặc chỉ gồm các điểm nhỏ (điểm tiếp xúc).

5 Outlook Today’s state-of-the-art technology of surgical fracture treatment offers interesting possibilities but it is wide open to improvement both in terms of surgical technique and of instruments and implants. The goal is well defined as being simple and cost-effective technology to achieve reliable healing and early return to full function of the limb and the patient. The technology must be of appropriate quality and its application must be safe and simple, as well as easy to learn and understand for surgeons of all levels of skills. Basic research and basic development need to cooperate with practically oriented research and development. Once again, we face the need for intense communication and collaboration.

5 Outlook Công nghệ tân tiến nhất ngày nay trong điều trị gãy xương tạo ra những khả năng thú vị nhưng nó vẫn tiếp mở rộng để cải thiện cả về về kỹ thuật phẫu thuật lẫn các dụng cụ và phương tiện kết hợp xương. Vớimục tiêu đã được xác định là công nghệ cần đơn giản nhưng hiệu quả để đạt được sự liền xương đáng tin cậy và sớm trở lại hoạt động chức năng đầy đủ của chi cung như cho bệnh nhân. Công nghệ đó phải có chất lượng phù hợp và ứng dụng nó phải an toàn và đơn giản, cũng như dễ dàng nắm bắt bởi các bác sĩ phẫu thuật ở tất cả các mức độ kỹ năng. Nghiên cứu và phát triển cơ bản cần hợp tác với nghiên cứu và phát triển hướng đến thực hành. Một lần nữa, chúng ta đứng trước sự cần thiết của trao đổi và hợp tác sâu sắc.

Documents

AO-1.2 Biology and biomechanics in fracture management.pdf