Entwicklung einer neuartigen Operationstechnik für den autologen Knochentransfer zur Optimierung der Rekonstruktion von Defekten in großen Röhrenknochen

Bachmeier, Andreas Thomas (2021): Entwicklung einer neuartigen Operationstechnik für den autologen Knochentransfer zur Optimierung der Rekonstruktion von Defekten in großen Röhrenknochen. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Etablierte Verfahren zur Rekonstruktion großer Defekte in Röhrenknochen, wie die Kallusdistraktion, führen zu einer langwierigen Behandlung des Patienten mit vielfältigen Komplikationen und zu einer drastischen Verminderung der Lebensqualität. Ziel dieser Arbeit war die Optimierung der Knochendefektrekonstruktion, um die Behandlungsdauer sowie Komplikationen deutlich zu reduzieren und eine Rekonstruktion mit vitalem und autologem Knochengewebe zu ermöglichen. Die hierfür entwickelte Operationstechnik basiert auf der longitudinalen Osteotomie eines Teils der Fibula des Patienten und der anschließenden Durchmesservergrößerung nach Bildung von Kallusgewebe. Die Aufdehnung erfolgt dabei mit einem neuartigen Expansionssystem, durch das eine radiale Kallusdistraktion ermöglicht wird. Nach Abschluss der Expansion ist ein Fibulasegment mit erhöhtem Durchmesser entstanden, was somit die interne Stabilisierung durch einen intramedullären Marknagel mit ausreichendem Durchmesser zur Stabilisierung von Femur oder Tibia ermöglicht. Das expandierte Fibulasegment wird sodann in den Defekt des entsprechenden Knochens transplantiert und anschließend fixiert. Bei Anwendung dieser neuartigen Technik muss somit kein externes Fixationssystem mit entsprechenden Nachteilen, wie z.B. Infektionsgefahr, verwendet werden. Dieser innovative Ansatz wird als Fibulaexpansion bezeichnet. Die im Folgenden ausgeführte Arbeit befasste sich zuerst mit der Entwicklung einer ausführlichen Operationstechnik mit der Definition der entscheidenden klinischen Prinzipien und allen notwendigen Schritten zur erfolgreichen Umsetzung der Knochendefektrekonstruktion mittels Fibulaexpansion. Als entscheidender Parameter für die Realisierung der Fibulaexpansion unter Anwendung eines Expansionssystems wurden die auftretenden Distraktionskräfte definiert. Um eine ausführliche Evaluation dieser bei der Distraktionsosteogenese (DO) entstehenden Kräfte zu ermöglichen, wurden darauffolgend morphologische Distraktionsflächen (DA) durch die Vermessung dreidimensionaler, virtueller Knochenmodelle von mehreren Fibulae und Tibiae definiert. Diese haben sodann einen Rückschluss auf die Menge an vorhandenem Kallusgewebe zugelassen. Hierfür wurde eine neuartige Methode entwickelt, die in der Tibia und Fibula von Erwachsenen für eine longitudinale, transversale als auch radiale DO angewendet wurde. Die radiale DO tritt dabei bei der Fibulaexpansion auf. Die longitudinale DO kommt beim klinisch etablierten Segmenttransport vor. Zudem ist eine Distraktion in transversale Richtung zur Vergrößerung der Knochendimensionen möglich. Dabei wird allerdings im Gegensatz zur radialen Distraktion keine Expansionseinheit im Knochen, sondern ein externes System, eingesetzt. CT-Datensätze von 21 adulten menschlichen Tibiae und 24 Fibulae wurden für die Untersuchung ausgewählt. Durch Segmentierung der CT-Daten wurden volumetrische Knochenmodelle erstellt. Die DA für die longitudinale DO wurde in einer CAD-Umgebung unter Verwendung des gesamten Knochenquerschnitts in der proximalen, zentralen und distalen Diaphyse der Tibia und Fibula bestimmt. Zusätzlich wurde die Markraumfläche in der Fibula definiert. Darüber hinaus wurden die Gesamtflächen und die Markraumflächen für eine transversale bzw. radiale Distraktion unter Verwendung einer längs gespaltenen Fibula mit einer Osteotomielänge von 8, 12, 16 und 20 cm ermittelt. Die Osteotomieebene war dabei in medialer und anteromedialer Richtung orientiert. Schließlich wurden Spearman-Analysen durchgeführt, um die Korrelation zwischen Knochenlänge und Distraktionsfläche zu beurteilen. Für die longitudinale DO betrugen die mittleren Gesamtflächen 880, 540 und 480 mm2 in der Tibia und 130, 150 und 120 mm2 in der Fibula für die proximale, zentrale und distale Diaphyse. In Bezug auf die transversale Distraktion betrugen die mittleren Gesamtflächen in etwa 950, 1400, 1850 und 2300 mm2 sowie für die radiale DO 640, 940, 1230, 1500 mm2 bei Osteotomielängen von 8, 12, 16 bzw. 20 cm. Schwache, positive und nicht-signifikante Korrelationen wurden bei der Korrelation von Knochenlänge und Distraktionsfläche in der Tibia und Fibula beobachtet. Demensprechend können Distraktionsflächen nicht durch Nutzung der Knochenlänge approximiert werden. Zur Berechnung von Kallusdistraktionskräften (CDF), die bei der Dehnung von Kallusgewebe unter Ausschluss des Einflusses von Weichteilgewebe auftreten, wurde ein auf einem Tierversuch basierendes biomechanisches Modell implementiert. Der CDF-Verlauf für die gesamte Distraktionsperiode wurde mit Hilfe des implementierten Modells und variierenden Distraktionsparametern (Anfangsspalt, Distraktionsfläche, Schrittweite, Zeitintervall, Länge) berechnet. Schließlich wurde die CDF auf Grundlage von in der Literatur berichteten, in vivo im Menschen gemessenen Kräften abgeschätzt und mit aus der Simulation gewonnenen Ergebnissen verglichen. Aufgrund der Relaxation des Gewebes war bei jedem Distraktionsschritt eine Maximal - und Ruhekraft zu beobachten. Die Ergebnisse zeigten eine insgesamt nicht lineare degressive Zunahme der Maximal - und Ruhekräfte zu Beginn und eine stetige nicht lineare Zunahme danach. Die Ruhe- und Maximalkräfte bei longitudinaler DO in der tibialen Metaphyse reichten von 0,00075 bis 0,0089 N und 0,22 bis 2,6 N zu Beginn sowie 20 bis 25 N und 70 bis 75 N am Ende der Distraktion. Der Vergleich mit In-vivo-Messdaten der Gesamtdistraktionskraft zeigte die Plausibilität der simulativen Vorhersagen und ergab einen Anteil der Ruhe-CDF an der Gesamtruhekraft für den Knochentransport von 10% bis 33% sowie 10% bis 23% für die Verlängerung. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass der Anteil der Maximal-CDF an der gesamten Maximalkraft 29% bis 58% für den Knochentransport und 27% bis 55% für die Verlängerung des Knochens betrug. Darauffolgend wurden die validierten Modelle zur Generierung biomechanischer Randbedingungen für die Anwendung der radialen und transversalen Fibulaaufdehnung angepasst und angewendet. Die Ruhe- und Maximal-CDF bei transversaler DO in der Fibula reichte hierbei je nach den gewählten Parametern von etwa 0,0017 bis 0,083 N und 0,51 bis 2,4 N zu Beginn sowie 16 bis 43 N und 81 bis 214 N am Ende der Distraktion. Bei der radialen DO in der Fibula wurde eine Ruhe- und Maximal-CDF von 0,0019 bis 0,0058 N und 0,56 bis 1,7 N zu Beginn sowie 12 bis 29 N und 61 bis 142 N am Ende der Distraktion ermittelt. Die Distraktionskräfte verliefen dabei erneut degressiv, stiegen mit zunehmender Osteotomielänge und damit Distraktionsfläche an und waren daher im Vergleich zur longitudinalen DO erhöht. Nachfolgend wurde das neuartige System zur Umsetzung der Fibulaexpansion beim Menschen ausgelegt. Dazu wurden mehrere Konzeptideen erstellt und auf Basis des vielversprechendsten Konzepts Prototypen des Expansionssystems mittels verfügbarer Komponenten in zwei Konfigurationen entwickelt. Der Expansionsballon des Systems bestand aus einem starren PTA-Ballon überzogen mit einer elastischen Silikonhülle mit einer Wandstärke von 0,5 bzw. 1 mm. Ein subkutaner Port wurde verwendet, um Flüssigkeitsinjektion durch Spritzen und somit eine kontrollierte Systemausdehnung zu ermöglichen. Unter Anwendung der ermittelten Randbedingungen wurden sodann physische Fibulamodelle entwickelt und hergestellt. Diese wurden in einen eigens entwickelten Prüfstand integriert, um eine bio-/ mechanische Bewertung der Fibulaexpansion mittels Kraft- und Druckmessung zu ermöglichen. Durch die implementierte Berechnungsmethode wurden nun zu erwartende Distraktionskräfte in den spezifischen, physischen Fibulamodellen berechnet. Der hierdurch bestimmte mittlere Maximalkraftverlauf verlief degressiv von etwa 1,2 N zu Beginn bis 90 N beim letzten Distraktionsschritt. Diese Maximalkräfte mussten somit vom Expansionssystem erreicht werden, um die Fibulaexpansion in diesen Modellen auf Basis der Simulation zu realisieren. Anschließend wurden mit dem definierten Prüfstand mechanische Tests durchgeführt. Hierbei wurde zuerst die Durchmesseränderung der Expansionseinheit bei Volumeninjektion außerhalb des Prüfstands mittels optischer Messungen quantifiziert. Diese Versuchsreihe konnte zeigen, dass die Expansionseinheit die gewünschte lineare Aufdehnung in definierter Schrittweite (0,33 mm) erreichen konnte. Danach wurde im Prüfstand die bei der Expansion auftretende Kraft und der entsprechende Druck gemessen. Es zeigte sich, dass die Volumeninjektion, welche zur gleichmäßigen Aufdehnung führte, einen zur Simulation gegenläufigen und damit progressiven Kraftanstieg erzeugt hat. Daher war diese Art der Volumeninjektion gemäß den Simulationsergebnissen ungeeignet, um die Fibulaexpansion umzusetzen. Unter Anwendung des Prüfstands konnte die Volumeninjektion in einem iterativen Prozess nun so optimiert werden, dass der gewünschte Kraftverlauf aus der Simulation erreicht wurde. Die gemessenen Maximalkräfte lagen hierbei für beide Systemkonfigurationen (0,5 bzw. 1 mm Wandstärke) 15 bis 40% über denen aus der Simulation (1,2 bis 90 N). Der gemessene Maximaldruck verlief dabei degressiv von etwa 3 bis 8 atm und der Minimaldruck nach Relaxation ebenfalls degressiv von etwa 1 bis 6 atm. Nun wurde die Durchmesserveränderung, erreicht mit den iterativ optimierten Volumina, erneut quantifiziert. Zudem wurde der entstehende Druck gemessen. Daraus ergab sich, dass die Volumeninjektion, mit der die gewünschten Kräfte erreicht werden konnten, eine nicht lineare Durchmesserveränderung mit variierender Aufdehnungsrate zur Folge hatte. Dementsprechend entstand ein Konflikt zwischen gleichmäßiger Aufdehnung und ausreichender Krafterzeugung. Die Minimaldrücke bei der kraftoptimierten Volumeninjektion verliefen hierbei von etwa 0,5 bis 5,5 atm und die Maximaldrücke lagen bei 3,5 bis 7,5 atm. Auf die mechanischen Tests folgten biomechanische Untersuchungen zur Beurteilung der Umsetzung der Fibulaexpansion im Modell mittels optischer Verschiebungsmessungen. Hierfür wurden die Fibulamodelle mit einer physischen Simulation des Kallusgewebes aus synthetischen, elastischen Bändern versehen. Zur Beurteilung, welche Distraktionskräfte die physische Simulation erzeugt, wurden die Fibulamodelle samt Kallussimulation im Prüfstand unter Messung der entstehenden Kraft automatisiert und schrittweise distrahiert. Im Anschluss ist der entstehende Kraftverlauf durch Anpassung der Bänderkonfiguration iterativ optimiert worden. Die Messergebnisse konnten zeigen, dass die Kallussimulation einen der Modellierung ähnlichen Kraftverlauf mit einer vergleichbaren mittleren Gesamtdistraktionskraft erzeugt. Abschließend wurde die tatsächliche Verschiebung des Fibulafensters der biomechanischen Fibulamodelle bei Expansion des Systems in optischen Verschiebungsmessungen quantifiziert. Parallel zur Verschiebung wurde der im System vorhandene Druck gemessen. Die Ergebnisse haben aufgezeigt, dass das entwickelte Expansionssystem die generierten Modelle schrittweise distrahieren konnte und die Aussage ermöglicht, dass die kraftoptimierte Volumeninjektion für die Fibulaexpansion zu bevorzugen ist. Bei der Distraktion verkippte das Fibulafenster basierend auf der lateral und medial herrschenden Spannung im Material. Zudem führte eine Expansionseinheit mit erhöhter Wandstärke zu einem gleichmäßigeren Aufdehnverhalten. Die ermittelten Drücke bei Expansion der Fibulamodelle verliefen hinsichtlich des Maximaldrucks von etwa 2 bis 9 atm und bezüglich des Minimaldrucks von 1 bis 7 atm. Zusammenfassend hat die biomechanische Modellierung plausible Distraktionskräfte geliefert, welche bei der Fibulaexpansion zu erwarten sind. Darauf basierend haben die entwickelten Systemprototypen ausreichend Kraft erzeugt und daher erfolgreich die Fibulamodelle mit realistischem Widerstand distrahieren können. Somit sind die konzeptionierten Systeme vielversprechend, um den neuartigen Ansatz der Fibulaexpansion tatsächlich im Patienten zu realisieren.

Abstract

Established procedures for the reconstruction of large defects in long bones, such as distraction osteogenesis (DO), result in a prolonged treatment of the patient with multiple complications and a drastic reduction in the patient's quality of life. The aim of this work was to optimize bone defect reconstruction to significantly reduce treatment time as well as complications and to allow reconstruction with vital and autologous bone tissue. The developed surgical technique is based on longitudinal osteotomy of a portion of the patient's fibula and subsequent diameter enlargement after formation of callus tissue with a novel expansion system that facilitates radial DO. After completion of the expansion, a fibula segment with increased diameter has been created, thus allowing internal stabilization by an intramedullary nail with a sufficient diameter for stabilization of the femur or tibia. The expanded fibula segment is then transplanted into the defect of the affected bone and subsequently fixated. Thus, when using this novel technique, there is no need to use an external fixation system with corresponding disadvantages, such as risk of infection. This innovative approach is called fibula expansion. The work carried out in the following first dealt with the development of a detailed surgical technique with the definition of crucial clinical principles and all necessary steps for the successful implementation of bone defect reconstruction using fibula expansion. The distraction forces that occur during DO were defined as the decisive parameter for the realization of fibula expansion using an expansion system. To allow a detailed evaluation of these forces, morphological distraction areas (DA) were defined by measuring three-dimensional virtual bone models of several fibulae and tibiae, as these areas facilitate a quantification of the amount of callus tissue present. For this purpose, a novel method was developed and applied to adult tibiae and fibulae for longitudinal, transverse as well as radial DO. Radial DO takes place during fibula expansion. Longitudinal DO occurs during a clinically established segmental transport. In addition, distraction in transverse direction to increase bone dimensions is possible. However, unlike radial distraction, this does not involve an expansion unit in the bone, but an external system. CT datasets of 21 adult human tibiae and 24 fibulae were selected for study. Image segmentation was used to create volumetric models. The DA for longitudinal DO was determined in a CAD environment using the total bone cross-section in the proximal, central, and distal diaphysis of the tibia and fibula. In addition, the medullary canal area in the fibula was determined. Furthermore, the total areas and the medullary areas were determined for transverse and radial distraction, respectively, using a longitudinally split fibula with osteotomy lengths of 8, 12, 16, and 20 cm. The osteotomy plane was oriented in medial and anteromedial direction. Finally, Spearman analyses were performed to assess the correlation between bone length and DA. For longitudinal DO, the mean total areas were 880, 540, and 480 mm2 in the tibia and 130, 150, and 120 mm2 in the fibula for the proximal, central, and distal diaphysis, respectively. With respect to transverse and radial distraction, the mean total areas were approximately 950, 1400, 1850, and 2300 mm2 and 640, 940, 1230, 1500 mm2 for osteotomy lengths of 8, 12, 16, and 20 cm, respectively. Weak, positive, and non-significant correlations were observed for the correlation of bone length and DA in the tibia and fibula. Accordingly, distraction areas cannot be approximated by using the bone length. Subsequently, a biomechanical model based on an animal experiment was implemented to calculate callus distraction forces (CDF) that occur when callus tissue is stretched, excluding the influence of soft tissue. The CDF curve for the complete distraction period was calculated using the implemented model and varying distraction parameters (initial gap, distraction area, step size, time interval, length). Finally, the CDF was also estimated based on published distraction forces measured in vivo and compared with the results obtained from the simulation. Due to tissue relaxation, a maximum and resting force was observed for each distraction step. The results showed an overall nonlinear degressive increase in the maximum and resting forces at the beginning and a steady nonlinear increase thereafter. The resting and maximum forces in longitudinal DO in the tibial metaphysis ranged from 0.00075 to 0.0089 N and 0.22 to 2.6 N at the beginning of distraction and 20 to 25 N and 70 to 75 N at the end of distraction. Comparison with in vivo data showed the plausibility of the simulative predictions and revealed a contribution of the resting CDF to the total resting force of 10% to 33% for bone transport and 10% to 23% for lengthening. In addition, it was observed that the proportion of maximum CDF was 29% to 58% and 27% to 55% of the total maximum force for bone transport and lengthening, respectively. Thereafter, the validated models for generating biomechanical boundary conditions were adapted and applied to the application of radial and transverse fibula distraction. Here, the resting and maximum CDF for transverse DO in the fibula ranged from approximately 0.0017 to 0.083 N and 0.51 to 2.4 N at the beginning and 16 to 43 N and 81 to 214 N at the end of distraction. For radial DO in the fibula, a resting and maximum CDF of 0.0019 to 0.0058 N and 0.56 to 1.7 N at the beginning and 12 to 29 N and 61 to 142 N at the end of distraction was determined. Distraction forces were again degressive, increasing with rising osteotomy length and thus distraction area, and were accordingly increased compared with longitudinal DO. Afterwards, the novel expansion system was designed to implement fibula expansion in humans. For this purpose, several concept ideas were generated and prototypes of the expansion system were developed in two configurations based on the most promising concept using available components. The expansion balloon of the system consisted of a rigid PTA balloon covered with an elastic silicone sheath with a wall thickness of 0.5 or 1 mm. A subcutaneous port was utilized to facilitate fluid injection using syringes, which enabled a controlled system expansion. Using the determined boundary conditions, physical fibula models were then developed and manufactured. These were integrated into a specially developed test bench to enable a biomechanical evaluation of fibula expansion by means of force and pressure measurement. Through the simulative model, expected distraction forces were now calculated for these specific fibula models. The determined mean maximum force curve was degressive from about 1.2 N at the beginning to 90 N at the last distraction step. These maximum forces thus had to be reached by the expansion system in order to realize fibula expansion based on the model. Subsequently, mechanical tests were carried out with the defined test bench. Here, the diameter change of the expansion unit during volume injection outside the test bench was first quantified by means of optical measurements. This series of tests was able to show that the expansion unit could achieve the desired linear expansion with a defined step size (0.33 mm). Then, forces and the corresponding pressure occurring during expansion were measured in the test bench. It was found that the volume injection, which led to uniform expansion, produced a force increase that was progressive and thus opposite to the simulation. Therefore, according to the simulation results, this type of volume injection was unsuitable to implement fibula expansion. Using the test bench, the volume injection could now be optimized in an iterative process so that the desired force curve from the simulation was achieved. The measured maximum forces for both system configurations (0.5 and 1 mm wall thickness) were 15 to 40% higher than those from the simulation (1.2 to 90 N). The measured maximum pressure was degressive from about 3 to 8 atm and the minimum pressure after relaxation was also degressive from about 1 to 6 atm. Now, the diameter change, achieved with the iteratively optimized volumes, was quantified. In addition, the resulting pressure was measured. From this, it was found that the volume injection, which could achieve the desired forces, resulted in a nonlinear diameter change with varying distraction rate. Accordingly, a trade-off arose between uniform expansion and sufficient force generation. Here, the minimum pressure during force-optimized volume injection ranged from about 0.5 to 5.5 atm and the maximum pressure was 3.5 to 7.5 atm. The mechanical tests were followed by biomechanical investigations to assess the feasibility of fibula expansion using optical displacement measurements. For this purpose, the fibula models were provided with a physical simulation of the callus tissue made of synthetic elastic bands. To assess the distraction forces generated by the physical simulation, the fibula models including the callus simulation were gradually distracted in the test bench while measuring the resulting force. Subsequently, the resulting force curve was iteratively optimized by adjusting the band configurations. The measurement results showed that the callus simulation could produce a force curve similar to the modeled force progressions with a comparable mean total distraction force. Finally, the actual displacement of the fibula window of the biomechanical fibula models during expansion of the system was quantified in optical displacement measurements. In addition to the displacement, the pressure present in the system was measured. The results showed that the developed expansion system could gradually distract the generated models, allowing the conclusion that force-optimized volume injection is preferable for fibula expansion. During distraction, the fibula window tilted based on the lateral and medial prevailing stress in the material. In addition, an expansion unit with increased wall thickness resulted in a more uniform expansion behavior. The pressures determined during expansion of the fibula models were approximately 2 to 9 atm with respect to the maximum pressure and 1 to 7 atm for the minimum pressure. In summary, biomechanical modeling provided plausible distraction forces to be expected during fibula expansion. Based on this, the developed system prototypes generated sufficient force and therefore successfully distracted the fibula models with realistic resistance. Thus, the conceptualized systems are promising for realizing the novel procedure of fibula expansion in patients.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Deutsch
• Datum der mündlichen Prüfung: 24. November 2021
• 1. Bericht­erstatter:in: Euler, Ekkehard