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Philipp M. Lenzlinger Leitender Arzt Chirurgie, Leiter Unfallchirurgie Spital Limmattal Bone healing and fractures Principles and concepts Vorbereitungskurs zum chirurgischen Basisexamen 103. Jahreskongress der SGC, Lugano 1. Juni 2016
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Bone healing and fractures - Basisexamen Chirurgie€¦ · Bone healing and fractures − Principles and concepts Vorbereitungskurs zum chirurgischen Basisexamen 103. Jahreskongress

May 15, 2018

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Philipp M. Lenzlinger

Leitender Arzt Chirurgie, Leiter Unfallchirurgie Spital Limmattal

Bone healing and fractures −

Principles and concepts

Vorbereitungskurs zum chirurgischen Basisexamen 103. Jahreskongress der SGC, Lugano 1. Juni 2016

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•  Know about the biology and biomechanics of bone healing, as well as their failure

•  Know the properties of angular stable implants

•  Know the AO Fracture classification

Learning objectives

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•  Biology and biomechanics of bone healing - primary / secondary - absolute / relative stability

•  Angular stable implants

•  Delayed union

•  Fracture classification

Topics covered

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•  Biology and biomechanics of bone healing - primary / secondary

Topics covered

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The unstabilized fracture

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The unstabilized fracture

•  Nature tries to stabilize by muscle-contraction, and

hydrostatic pressure of hematoma and edema

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The unstabilized fracture

•  Nature tries to stabilize by muscle-contraction, and

hydrostatic pressure of hematoma and edema

•  Shortening and malalignment -> impairment of

function

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The unstabilized fracture

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The unstabilized fracture

•  Initial mobility is well compatible with solid bone healing

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Goal of Fx Treatment

•  Basis for good function: Fracture reduction and immobilisation to restore anatomical relationships and allow fracture healing

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Immobilisation

•  Of the limb:

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Immobilisation

•  Of the patient:

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Immobilisation

•  Creates problems: - stiff joints, loss of function

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Immobilisation

•  Creates problems: - stiff joints, loss of function - general complications (pneumonia, decubitus etc.)

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Universal Principle

Life is movement - movement is life !

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Goal of Fx Treatment

•  Early and safe mobilization of the injured limb and the patient as a whole

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Goal of Fx Treatment

•  Fracture reduction and fixation to restore anatomical relationships, allowing functional after care

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Goal of Fx Treatment

•  Adequate stability by interfragmentary compression or splintage according to the „personality“ of the fracture and soft tissue injury

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Goal of Fx Treatment

•  Preservation of the blood supply to soft tissue and bone by careful handling and gentle reduction techniques

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Topics covered

•  Biology and biomechanics of bone healing - primary / secondary

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Fracture healing

•  Stable conditions direct fracture healing no callus formation

2 distinct ways of bone healing

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Fracture healing

Direct or primary bone healing

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Fracture healing

•  Stable conditions direct fracture healing no callus formation

•  Unstable conditions indirect fracture healing by callus formation

• 

2 distinct ways of bone healing

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Fracture healing

Indirect or secondary bone healing

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Direct fracture healing

Histology

Contact healing gap < 0,01 mm, strain < 2%

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Direct fracture healing

Contact healing

Invasion of osteone Haversian remodeling

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Direct fracture healing

Histology

Contact healing

Gap healing gap 0,8 to 1 mm

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Direct fracture healing

Gap healing

Invasion of capillaries Osteone invasion building of lamellar bone

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Indirect fracture healing

Inflammation Immediately to 7d Hematoma formation Inflammatory exsudate (growth factors, cytokines)

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Indirect fracture healing

Soft callus 1-3 weeks Hematoma organization Fibroblasts, capillaries Stability adequate to prevent shortening

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Indirect fracture healing

Hard callus 1- 4 months Building of fibrous bone (enchondral ossification) At the end fragments are firmly united

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Indirect fracture healing

Remodelling

Months to years Building of lamellar bone from fibrous bone

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Indirect fracture healing

Bone healing and pain medication

?

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Indirect fracture healing

Bone healing and NSAR

•  Lack of cox-2 gene leads to impaired bone healing

•  Experimental data is conflicting

•  RCTs needed

•  Treat NSAR as a risk factor for impaired bone healing

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Indirect fracture healing

Stability

•  Interfragmentary movement stimulates callus formation

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Indirect fracture healing

Stability

Interfragmentary movement in human tibia

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Indirect fracture healing

Stability

Baumgaertel & Rahn

absolute relative

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Fracture healing

Indirect vs. direct

•  Direct healing higher initial stability slower bone formation

•  Indirect healing faster bone formation

longer remodelling

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Topics

•  Biology and biomechanics of bone healing - primary / secondary - absolute / relative stability

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Biomechanical principles

Absolute stability

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Biomechanical principles

Relative stability

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Biomechanical principles

Absolute vs. relative stability of fracture fixation

•  Distinct differences in technique, implant use, and biology of fracture healing

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Absolute stability

•  Open reduction internal fixation (ORIF)

Advantages

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Absolute stability

•  Open reduction internal fixation (ORIF)

•  Exact anatomical reduction is inherent

Advantages

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Absolute stability

•  Open reduction internal fixation (ORIF)

•  Exact anatomical reduction is inherent

•  Strain of loading is shared by the implant and the bone, reducing stress on the implant

Advantages

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Absolute stability

•  Open reduction internal fixation (ORIF)

•  Exact anatomical reduction is inherent

•  Strain of loading is shared by the implant and the bone, reducing stress on the implant

•  Pain due to motion is reduced -> early functional after-treatment

Advantages

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Absolute stability

•  Biological shortcomings: - Trauma and surgery result in damage to bone blood supply

Disadvantages

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Absolute stability

•  Biological shortcomings: - Trauma and surgery result in damage to bone blood supply - Increased risk of biological complications

Disadvantages

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Absolute stability

•  Stripping of soft tissue from fragments: risk of devitalization

•  Mechanics: absolute stability requires interfragmentary compression

Damage to blood supply

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Absolute stability

Compression

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Absolute stability

Compression

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Absolute stability

•  Regular plates require and produce compression

Conventional internal fixation

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Absolute stability

Friction between plate and bone

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Absolute stability

Compression

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Absolute stability

Compression and blood supply

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Absolute stability

Avoiding necrosis

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Absolute stability

Blood supply

•  Once obtained, absolute stability may support repair of damaged blood vessels

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Absolute stability

Summary

•  High initial stability

•  Load sharing btw. bone and implant

•  Anatomic reconstruction

•  Impaired blood suply, soft tissue problems

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Relative stability

•  No exact definition of acceptable flexibility

•  Any fixation technique, which does not rely on interfragmentary compression, will allow some interfragmentary movement

Definition

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Relative stability

•  Fracture fragments displace in relation to each other when load is applied accross the fracture site

•  Elastic deformation: after unloading fragments return to original position

Principle

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Relative stability

•  Fracture fragments displace in relation to each other when load is applied accross the fracture site

•  Elastic deformation: after unloading fragments return to original position

•  Plastic deformation: irreversible, fragments remain in permanent displacement

Principle

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Relative stability

•  Requires many fragments and large gaps

Principle

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Relative stability

•  Intramedullary nailing

Techniques

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Relative stability

•  External fixation

Techniques

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Relative stability

•  Internal fixation Bridge plating

Techniques

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Relative stability

•  Geometrical Configuration of construct

Mechanics

increasing stability

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Relative stability

•  Rigidity of the construct depends on x Distance of Schanz screws from fracture y Distance and number of Schanz screws per fragment z Distance between rod and bone axis

Mechanics

x

y z

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Relative stability

•  Internal fixator more stable than external fixator

Mechanics

Long

Tub

e

Long

Pla

te

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An excess of relatively stable implants

does not

lead to absolute stability !!!

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Relative stability

•  Less surgical trauma - fracture site remains largely untouched - blood supply is less compromised

Advantages

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Relative stability

•  Initially the implant bears most of the load risk of implant failure

Disadvantages

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Relative stability

•  Reamed IM nailing will also result in decreased blood supply

Disadvantages

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Relative stability

•  Correct reduction of axes and rotation is more demanding

risk of malalignment

Disadvantages

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Conclusion

Absolute vs. relative stability

•  Absolute stability: higher initial stability anatomic reduction more biological complications

•  Relative stability: respects „biology“ more mechanical complications (malalignment, implant failure, instability)

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Topics covered

•  Biology and biomechanics of bone healing - primary / secondary - absolute / relative stability

•  Angular stable implants

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Angular stability

•  Why and how

does it work?

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The lockinghead screw (LHS)

•  Angular stability through locking of screw in the plate

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Advantages of angular stability

•  No compression of plate to the bone

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Advantages of angular stability

•  Blood supply remains intact (internal fixator)

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Advantages of angular stability

•  Resistance to axial loading

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Advantages of angular stability

•  Resistance to pull out

Conventional screw

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Advantages of angular stability

•  Resistance to pull out

Locking head screw

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Advantages of angular stability

•  Resistance to pull out: angulated screws

Angulated LHS

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Advantages of angular stability

•  Resistance to pull out

Angulated LHS

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Advantages of angular stability

•  No contact between bone and plate

•  Blood supply intact

•  Resistance to axial loading

•  Resistance to pull out

Summary

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Advantages of angular stability

•  Poor bone quality Osteoporosis

Clinical advantages

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Advantages of angular stability

•  Small fragments Metaphyseal fractures

Clinical advantages

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Advantages of angular stability

•  Only approximate contouring of plate Minimaly invasive plate osteosynthesis

(MIPO)

Clinical advantages

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Advantages of angular stability

MIPO

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Advantages of angular stability

MIPO

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Topics covered

•  Biology and biomechanics of bone healing - primary / secondary - absolute / relative stability

•  Angular stable implants

•  Delayed union

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Fracture healing?

Delayed union

Fracture healing is not taking place at the expected rate and time (usually 3 months)

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Fracture healing?

Delayed union

2 months after “rigid” fixation

Loosening of screw

Irritation callus

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Fracture healing?

Delayed union

2 months after “rigid” fixation

Loosening of screw

Irritation callus

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Fracture healing?

Non-union

Fracture will not heal without intervention (not before 6, most likely after 9 months)

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Fracture healing?

Non-union

19 years after IM nailing

Hypertrophic callus

Resorption around nail

Fibula prevents union

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Fracture healing?

2 Types of non-union

•  Well vascularized vital non-union due to impaired

stability Problem of Stability

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Fracture healing?

2 Types of non-union

•  Well vascularized vital non-union due to impaired stability Problem of Stability

•  Avascular avital non-union due to devitalized fragments Problem of Biology

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Fracture healing?

2 Types of non-union •  Well vascularized vital non-union due to impaired

stability hypertrophic atrophic

decreasing stability

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Fracture healing?

2 Types of non-union •  Well vascularized vital non-union due to impaired

stability hypertrophic atrophic

Stabilization plate plate reamed IM nail

Bone graft not necessary yes!

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Fracture healing?

2 Types of non-union

•  Avascular avital non-union due to devitalized fragments

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Fracture healing?

2 Types of non-union •  Avascular avital non-union due to devitalized

fragments

Resection shortening of bone Augmentation bone graft

callus distraction “bypass” fibulo-pro-tibia

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Topics covered

•  Biology and biomechanics of bone healing - primary / secondary - absolute / relative stability

•  Angular stable implants

•  Delayed union

•  Fracture classification

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Fracture calssification

Why classify ?

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Fracture calssification

„A classification is useful only if it considers the severity of the bone lesion and serves as a basis for treatment and for evaluation of the results“

Maurice E. Müller, Begründer der AO Klassifikation

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AO Fx Classification

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AO Fx Classification

1 2 4 3

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AO Fx Classification

11- 12- 13-

41- 42- 43-

31- 32- 33-

21- 22- 23-

44-

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AO Fx Classification

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AO Fx Classification

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AO Fx Classification

Exceptions

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AO Fx Classification

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AO ?

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AO 2

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AO 2?

2

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AO 23 - 21- 22- 23-

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AO 23-? 21- 22- 23-

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AO 23-? 21- 22- 23-

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AO 23-C 21- 22- 23-

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AO 23-C? 21- 22- 23-

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AO 23-C2 21- 22- 23-

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AO 23-C2

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