Funzionalità meccanica di un fissatore circolare esterno per il trattamento di fratture di piatto e pilone tibiale: modellazione agli elementi finiti

External fixation is a surgical treatment mainly used for stabilization of long bone fractures: in this study, we wanted to focus on fractures involving the distal and proximal region of the tibia, treated with the use of a TrueLok EVO System external circular fixator. Compared with other conventional fracture reduction techniques, such as internal plates and screws and intramedullary nails, external circular fixators cause less disturbance to the tissues surrounding the bone, vasculature and periosteum. This feature makes them ideal when acute trauma with skin contusions and open wounds are present. They also provide, excellent stability that allows early weight loading and the performance of well-tolerated joint mobility exercises. The purpose of this thesis was to study the mechanical principles of external fixation identified through biomechanical analysis and clinical experience. The stability of the external circular fixator in the treatment of plateau and tibial pilon fracture was studied through a computational approach using the finite element method. Specifically, three-dimensional finite element models of the tibia and fibula, based on data from a patient-specific computed tomography scan, and from the external fixator were reconstructed. Then, axial loads were applied to the tibia bone to represent the swing and stance phases of the gait cycle during the rehabilitation period in order to identify the stress distribution and micromovements of the bone fragments. The computational approach used has proven to be a useful tool for assessing the biomechanical function of external fixators, allowing its strengths to be identified, and providing information to clinicians about its placement during surgery.

La fissazione esterna è un trattamento chirurgico usato principalmente per la stabilizzazione delle fratture delle ossa lunghe: in questo studio, si è voluto porre l’attenzione sulle fratture che interessano la regione distale e prossimale della tibia, trattate con l’uso di un fissatore circolare esterno TrueLok EVO System. Rispetto alle altre tecniche convenzionali di riduzione delle fratture, quali placche e viti interne e chiodi intramidollari, i fissatori circolari esterni causano meno disturbi ai tessuti circostanti l'osso, alla vascolarizzazione e al periostio. Questa caratteristica li rende ideali nel caso in cui siano presenti traumi acuti con contusioni cutanee e ferite aperte. Essi forniscono inoltre, un'eccellente stabilità che consente un carico precoce del peso e l'esecuzione di esercizi di mobilità articolare ben tollerati. Lo scopo della tesi è stato quello di studiare i principi meccanici della fissazione esterna identificati attraverso l’analisi biomeccanica e l'esperienza clinica. La stabilità del fissatore circolare esterno nel trattamento della frattura di piatto e pilone tibiale, è stata quindi studiata mediante un approccio computazionale, che utilizza il metodo agli elementi finiti. In particolare sono stati ricostruiti modelli tridimensionali agli elementi finiti della tibia e del perone, basati sui dati di una tomografia computerizzata paziente specifica, e del fissatore esterno. Sono stati successivamente applicati carichi assiali all’osso della tibia, per rappresentare le fasi di oscillazione e appoggio del ciclo del passo, durante il periodo riabilitativo, al fine di individuare la distribuzione della tensione e i micromovimenti dei frammenti ossei. L’approccio computazionale utilizzato si è dimostrato essere uno strumento utile per la valutazione della funzionalità biomeccanica dei fissatori esterni, permettendo di individuarne i punti di forza, e fornendo informazioni ai clinici circa il suo posizionamento in fase chirurgica.