Einen neuartigen Ansatz, um zu bestimmen, wenn Patienten mit Tibia-Frakturen können Gewicht zu tragen

Bis jetzt ist noch nie ein Werkzeug, das bestimmen konnte, wie lange es dauern wird, einen Patienten zu heilen, die von einer Schienbeinkopf-Fraktur.

„Was war das spannende an unserem Projekt war, dass alle die mechanische Analyse war geblendet, um die klinische Behandlung der Patienten und der Chirurg sah nie von unseren Daten“, sagt Hannah Dailey, ein Assistent professor für Maschinenbau und mechanik an der Lehigh University P. C. Rossin School of Engineering and Applied Science. „Wenn wir es alle zusammen, wir waren in der Lage, die Frage zu beantworten,“ Kann der virtuelle mechanische test Vorhersagen, wie lange es dauert, den Patienten zu heilen?‘ Wir haben festgestellt, dass es könnte.“

Dailey, der ist auch verbunden mit Lehigh Institut für Funktionelle Materialien und Geräte (I-FMD), ist der führende Autor des „Virtuellen Mechanischen Tests Basierend Auf Niedrig-Dosis-Computertomographie-Scans für Tibia-Fraktur.“ Das Papier erschien in der 3. Juli Ausgabe des Journal of Bone and Joint Surgery.

Die meisten Menschen, die gegen Ihre tibia oder Schienbein, fahren Sie entlang einer normalen Heilung timeline. Als die Wochen vergehen, immer mehr neue Knochen genannt Kallus bildet sich entlang der Bruchlinien. Kallus beginnt mit einem schwammigen material, das im Laufe der Zeit härtet in den Knochen, der genauso stark oder stärker als vor der Pause. Die Patienten kommen in der Regel in der für die X-Strahlen, die in regelmäßigen Abständen und solange, wie die Bilder zeigen, es gibt immer mehr Kallus in der region, ist alles gut.

Aber einige Menschen nicht heilen normalerweise. Diesem Fehler zu heilen, ist aufgerufen, eine pseudarthrose, und es kann äußerst kräftezehrend.

„Muskel-Skelett-Verletzungen sind sehr, sehr schmerzhaft“, sagt Dailey. „Und wenn ein Knochen nicht heilen richtig, Patienten können Schmerzen für Wochen oder Monate.“

Im Idealfall, sagt Sie, die Chirurgen, würde wieder bedienen zu früh an einem Patienten mit einer pseudarthrose. Aber die Unterscheidung zwischen einem wahren pseudarthrose—wo kein neuer Knochen bildet an alle—und ein Knochen, die Heilung nur sehr langsam—ist schwierig. Und dieser Unterschied ist entscheidend. Wenn es ersteres ist, eine zweite Operation ist zwingend erforderlich. Wenn es letzteres, kann es besser sein für den Patienten, zu warten und zu vermeiden das Risiko und die Kosten für eine weitere operation.

Die Klarstellung, dass der entscheidende Unterschied zwischen dem, wer braucht zusätzliche Chirurgie und wer nicht, ist schwierig, weil die Chirurgen in der Regel verlassen sich auf X-Strahlen, um festzustellen, inwieweit die Knochenheilung. X-Strahlen sind jedoch zwei-dimensional, oft unscharf, und kann zeigen ein unvollständiges Bild.

„Unser Ansatz war,“ Können wir Messen Heilung in einem strukturellen Weg, und eine Nummer auf, wie Sie geheilt ein Knochen?'“ sagt Dailey. „Anstelle der Verwendung von X-Strahlen, um festzustellen, „ja, geheilt‘ oder ‚Nein, der nicht geheilt wird,‘ können wir genauer sein? Durch die Verwendung von engineering-tools, die Antwort war, ja. Wir könnten.“

In dieser Studie, Erwachsene mit tibiaschaftfrakturen wurden prospektiv rekrutiert, die für die Beobachtung folgenden standard aufgebohrt intramedulläre nagelung, ein Verfahren, in dem ein Titan-Stab eingefügt in den Hohlraum der tibia und gesichert an das oben und unten mit Schrauben. Die Schrauben erlauben es dem Patienten, um Gewicht zu tragen bald nach der Operation durch Gedrückthalten der oberen Knochen-fragment vom Einsturz auf die untere Knochen-fragment.

Patienten follow-up inklusive Röntgenbilder und Abschluss von patient-berichteten Ergebnisse der Maßnahmen, durchgeführt bei 6, 12, 18 und 24 Wochen nach der Operation. Niedrig-Dosis-Computertomographie (CT) scans wurden durchgeführt, bei 12 Wochen. Diese scans ein detailliertes, dreidimensionales Bild von dem, was sich im inneren jedes einzelnen Patienten.

Über spezielle, handelsübliche software auf den scans, Dailey, ist Ph. D.-student und Studie co-Autor, Peter Schwarzenberg, integrierte 3-D-mechanischen Strukturmodelle, die die Regionen des Knochens und der neue Knochen oder Kallus. Schwarzenberg lief dann die Modelle durch finite-Elemente-Analyse-software—das gleiche Programm verwendet werden, auch von Ingenieuren, um zu simulieren, wie viel deformation geschieht mit einer Brücke, wenn eine Last (wie Autos oder Fußgänger) angewendet. Schwarzenberg und Dailey wollte, das gleiche zu tun für die Knochen—eine Kraft anzuwenden und zu sehen, wie viel die Knochen spannte. Die weniger gebeugt, die mehr geheilt war.

Schwarzenberg der finite-Elemente-software zu teilen jeden Knochen-Modell in winzigen Zonen genannt-Tetraeder, die alle eine mathematische Beziehung zu einander. Er und Dailey, dann simuliert die Festsetzung der Unterseite des Knochens, so dass es nicht bewegen konnte und legte eine Last auf die Spitze des Knochens in form einer ein-Grad-Rotations-twist. Die Technik nennt sich eine virtuelle torsion test.

„Wir wissen also, was passiert mit dem Tetraeder an den Rändern der Knochen“, sagt Schwarzenberg. „Aber finite-Elemente-Analyse ermöglicht es Ihnen, zu berechnen, was bei den Nachbarn dieser Tetraeder und dann die Nachbarn von denen, Tetraeder und berechnet es den ganzen Weg durch, bis Sie haben bewertet jedes Stück in den Knochen.“

Diese Berechnungen ergaben, wie viel die Knochen spannte, wenn es verdreht war.

„Sie wollen einen test können Sie auf alle anwendbar, und eine Wendung ist ein standard“, sagt Dailey. „Es kommt aus der Geschichte der Tierversuche. Wir hatten eine ziemlich gute Vorstellung über das, was passiert in den Knochen von Tieren unter 12 Wochen, aber bevor wir das Taten, wusste niemand, wie viel strukturelle Heilung stattgefunden hat, die in Menschen bei 12 Wochen.“

Das paar dann auf den CT-scans Digital re-erstellen Sie eine gesunde version des für jede person Bein. Schwarzenberg durchgeführt, die den gleichen virtuellen torsion test auf, dass gesunde Modell dann gemessen, wie sich das flex von der ungebrochenen Rückspiel gegen den gebrochenen Bein. Der daraus resultierende Prozentsatz der Ihnen half, festzustellen, wie steif die gebrochenen Knochen war im Vergleich mit den gesunden Knochen. Die steifere ein Knochen war früh in den Heilungsprozess, der schneller könnte der patient Gewicht zu tragen.

Schwarzenberg und Dailey fand, dass Ihre Ergebnisse aus der virtuellen mechanischen test signifikant korreliert mit, wie lange es dauerte, jeden Patienten zu heilen. Es auch eindeutig identifiziert die einzelne Instanz einer pseudarthrose.

Dailey sagt, das Ziel ist die Erstellung eines diagnostischen Tests, die helfen können Chirurgen festzustellen, ob eine weitere operation notwendig ist. Es könnte auch helfen, die ärzte bestimmen, Wann es sicher ist für Patienten, um Gewicht zu tragen, und es könnte helfen, die Effektivität von Geräten, wie Knochenwachstums-Stimulatoren, die möglicherweise alternativen zur Operation in einigen pseudarthrose Fällen.

Dailey und Ihr team erkennen einen Fehler in Ihrem experimentellen design: wie sind Sie derzeit für die Charakterisierung des Kallus.

„Es gibt eine Menge von Daten, die für die mechanischen Eigenschaften von Knochen“, sagt Schwarzenberg. „Es ist unmöglich zu bekommen Kadaver Knochen mit Kallus, weil Kallus verschwindet, wenn ein Gebrochener Knochen vollständig geheilt ist. Knochen ist diese organisierte, harte Struktur, und die Hornhaut ist fast wie Knorpel. Es gestaltet in den Knochen, aber an der Zeit, Punkte, die wir betrachten, erwarten wir nicht, dass der Kallus haben die gleiche zugrunde liegende Struktur, wie Knochen. Wir denken, dass es zu stark ist, weil wir mit einem Modell, das entwickelt wurde, aus den Knochen.“

Schwarzenberg wird derzeit versucht, zu füllen, die Wissenslücke auf die Musculoskeletal Research Unit an der Universität Zürich, als Teil der “ International Education International Research Graduate Erfahrungen zu Programm (IIE-GIRE). Während seiner sechs-Monats-Gemeinschaft, er ist die Kombination der virtuellen Technik mit einem Optimierungsalgorithmus zur Messung der mechanischen Eigenschaften des Kallus.

Um in der Lage sein, um die Frage zu beantworten, ob ein Knochen heilt und Wann es kann in der Lage sein Lager Gewicht ist Revolutionär, sagt Dailey.