BIOMÉCANIQUE DE LA TRAUMATOLOGIE. Traumatologie. Ostéosynthèse. Branche de la médecine qui s occupe des accidents.

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1 École de technologie supérieure GTS-815: Biomécanique orthopédique Professeur Natalia Nuño BIOMÉCANIQUE DE LA TRAUMATOLOGIE Traumatologie Branche de la médecine qui s occupe des accidents. La chirurgie orthopédique utilise 2 types d implants destinés: - à l ostéosynthèse - à des remplacements articulaires Ostéosynthèse Ostéosynthèse: Traitement orthopédique des fractures qui consiste à utiliser des vis, des plaques, des écrous pour maintenir les fragments en bonne place Une fracture = discontinuité provoquée par une surcharge Le principe de l ostéosynthèse est d obtenir une stabilité primaire de la fracture afin que l ossification du foyer (fracture) réalise la stabilité finale. 1

2 Ostéosynthèse Fixation des implants : 1) Ostéosynthèse par plaques 2) Ostéosynthèse par clous La fixation de ces implants a un rôle primordial dans le succès de l implant. BIOMÉCANIQUE DES OSTÉOSYNTHÈSES PAR PLAQUES VISSÉES Ostéosynthèse par plaques Une plaque est fixée à l os par des vis Cette fixation doit être parfaite Les vis sont soumises à des contraintes: Elles peuvent se rompre, se dévisser ou encore s arracher par la destruction du filet osseux 2

3 Ostéosynthèse par plaques Types de contraintes au niveau des vis : Contraintes de cisaillement: Tendent à rompre la vis au niveau de la connexion plaque os Contraintes de traction-compression dans l axe longitudinal de la vis: tendent à l arracher Dominique Poitout Le serrage Le serrage de la vis = contraintes dans l os suivant l axe longitudinal de la vis L os, qui est beaucoup plus élastique que la vis, va se comprimer pendant le vissage comme un ressort Ce ressort va exercer une contrainte permanente sur le filet de la vis Les contraintes permanentes sont nécessaires, car elles assurent le blocage de la vis 3

4 Le serrage Un serrage excessif d une vis peut provoquer: Un écrasement osseux ou des fissures pouvant détruire leur ancrage Une nécrose de la zone d appui. Les contraintes de vissage disparaissent et la vis se desserre Résultat : La rigidité de la fixation diminue Dominique Poitout Sollicitation des vis Les vis les plus sollicitées sont celles près de la fracture (foyer). Si le foyer est large, les contraintes sont élevées. Les vis à l extrémité de la plaque sont également très sollicitées en raison de la grande discontinuité de rigidité entre la plaque et l os. 4

5 Stabilité de la plaque Propriété qu a une plaque de rester immobile sur l os Dépend Serrage des vis Fini de surface de la plaque Une bonne stabilité de plaque permet de diminuer les contraintes que les vis supportent Fini de surface de la plaque Dominique Poitout Fini de surface de la plaque Pour une plaque lisse, le coefficient de frottement entre la plaque et l os est faible. Les mouvements du membre tendent à faire glisser la plaque le long de l os et à cisailler les vis. La surface de la plaque en contact avec l os peut avoir des aspérités. On obtient une plaque adhérente. 5

6 Fini de surface de la plaque Une plaque rugueuse (avec aspérités): Coefficient de frottement plus grand entre les deux surfaces en contact Les vis servent notamment à maintenir le contact entre la plaque et l os Les mouvements du côté du membre fracturé transmis à la plaque sont retransmis à l autre côté du membre fracturé non seulement par les vis mais par la totalité de la plaque. Dominique Poitout Contraintes de la plaque a) Traction axiale b) Compression axiale c) Sollicitation en flexion 6

7 Traction axiale L asymétrie du système induit une flexion au niveau de la plaque ouverture du foyer du côté opposé à la plaque Plus l axe de traction est éloigné de la plaque et la traction est élevée, plus la flexion de la plaque due à cette traction devient importante. b) Compression axiale S il y a contact entre les deux segments fracturés et qu il y a un appui cortical (opposé à la plaque), seulement 20% des contraintes passent par la plaque. Le reste des contraintes est appliqué directement sur le foyer de fracture. Résultat : l ossification est favorisé S il n y a pas contact au niveau de la fracture, toutes les contraintes passent par la plaque. Résultat: Décharge mécanique (stress shielding) c) Sollicitation en flexion 3 scénarios possibles Dominique Poitout 7

8 c) Sollicitation en flexion (suite) 1. Plaque située du côté de la concavité (partie de la plaque soumise en compression) : Engendre une ouverture du foyer de la fracture La résistance d une plaque soumise à une flexion est proportionnelle au cube de son épaisseur. Exemple, si on augmente l épaisseur de la plaque de 2 à 3 mm, on augmente sa résistance de 3 fois. c) Sollicitation en flexion (suite) 2. Plaque située du côté de la convexité : Les contraintes sont faibles car la plaque est sollicitée en traction et l os est en compression. Il faut avoir un contact (un appui) à l os cortical opposé. c) Sollicitation en flexion (suite) 3. Plaque située sur la face perpendiculaire au plan de sollicitation : La plaque résiste bien, mais les contraintes dans les vis sont très élevées. Situation non-recommandée 8

9 Nordin & Frankel, 2001 Étude de cas #1 Nordin & Frankel, 2001 Étude de cas #2 Nordin & Frankel,

10 Nordin & Frankel, 2001 Nordin & Frankel, 2001 Nordin & Frankel,

11 Analyse numérique liée à la traumatologie Lecture 7. Application of the FEM to the design of prostheses and fixations Prof. Manuel Doblaré QUELQUES APPLICATIONS DE SIMULATION PAR ÉLÉMENTS FINIS AU DESIGN D IMPLANT Fixations fémorales Fixations du bassin Prothèses THR Prothèses TKR Implants dentaires Fixations externes Fixations fémorales Objectifs: 1. Effectuer une analyse par éléments finis (FE) de la stabilité à court-terme de fractures fémorales proximale et distale après l implantation de différentes fixations (intra et extramédullaires) 2. Analyser le comportement du remodelage du tissu osseux après fracture et pose de l implant 3. Comparaison entre les différents types de fixations Maillage: Les différentes fixations ont été introduites dans un logiciel de CAD, maillées et insérée dans un fémur pré-maillé 11

12 Méthodologie Propriétés des matériaux: Os considéré comme ayant des propriétés hétérogènes, anisotropiques et linéaire élastique Valeurs dérivées de la distribution de la densité osseuse De l acier inox et du titane utilisés pour les fixations Chargements et conditions frontières: Chargements en 3D représentatifs du cycle de marche sur la tête fémorale et sur la tête de la prothèse Forces musculaires 3D au grand trochanter représentant l action des muscles ilio-psoas et des fessiers Fémur contraint au genou Classification des fractures Fractures: A1, B1,and C1 A1 B1 C1 Fixation proximale Clou intramédullaire Gamma Système de fixation extramédullaire DHS 12

13 Clou intramédullaire avec fracture A1 Système de fixation extramédullaire DHS Fracture A1 13

14 Stabilité de la fracture A1 Gamma Déplacement maximal de 0.9 mm DHS Déplacement maximal de 0.8 mm Maillage déformé x 5 Contraintes verticales normales Forte réduction de contrainte en proximal Fémur sain Gamma DHS Contraintes dans les implants 14

15 Remodelage osseux Fractures distales: AO A2.3: Fracture of the distal third of the femur AO C2.1 and AO C3.1 Fixations distales: Plaque condylaire Plaque LISS (Less Invasive Stabilization System) Clou femoral distal (Distal Femoral Nail (DFN)) Plaque condylaires Plaque LISS DFN 15

16 Cegonino (2004) Méthodologie Propriétés des matériaux: Os homogène, isotropique et linéaire élastique avec des valeurs moyennes (E = 20.7 GPa, v = 0.29) Ligaments linéaire élastique, isotropique, sans compression possible, avec des valeurs moyennes Acier inox pour la plaque condylaire et titane pour les plaques LISS et DFN Chargements et conditions frontières: Charges en 3D représentatives du cycle de marche sur la tête du fémur et sur la tête de la prothèse Forces musculaires venant de l ilio-psoas et du glutéal Support fixe au tibia et à la fibula 16

17 F (N) º plan frontal º plan sagital Tête fémorale Grand trochanter Petit trochanter Conditions frontières Contraintes à la plaque LISS s max = 545 MPa sadm = 900 MPa Contraintes à la plaque condylaire s max = 455 Mpa sadm = 1200 MPa 17

18 100 jrs 300 jrs 100 jrs Fémur sain Fémur facturé avec LISS Fémur intact avec LISS 100 jrs 300 jrs 100 jrs Fémur sain Fémur fracturé avec DFN Fémur intact avec DFN Conclusions Le système LISS présente un grand avantage au point de vue chirurgical Une bonne stabilité peut être obtenue avec les 3 systèmes Une étude plus détaillée du remodelage osseux est nécessaire pour vérifier la résorption osseuse dans la plaque LISS due à l effet de pont (bridge effect). 18

19 Orthopedics Division Joint, Fracture, Spine Care Presentation Traumatologie et biomécanique Recherche en traumatologie La recherche en traumatologie utilise des tests expérimentaux et l analyse par éléments finis pour optimiser le design d implants ou pour évaluer de nouveaux designs. La recherche se concentre sur: Les chargements statiques La durée de vie en fatigue La rigidité L interface vis-os L usure L instrumentation de l implant La fonction de l implant Design des vis Le design des vis doit permettre une fixation optimale dans l os tout en maintenant une résistance en torsion et en fatigue Les vis sont testés selon les standards ISO / ASTM 19

20 Tests des clous intramédullaires Évaluation de la résistance et de la rigidité du clou complet et aux endroits critiques (jonction entre les vis et le clou) Condition extrême de chargement (sans support avec l os) 700 N pour cycles Optimisation du design Lequel des trois designs dans clou intramédullaire provoque le moins de contrainte? Optimisation du design des clous intramédullaires par AEF Concentration de contraintes la plus faible 20

21 Système DHS Compaison du Protasul S et du Protasul N 2 million de cycles Système DHS Test d usure 800 N pour de cycles dans une solution synthétique (Ringer) à 37 C Tests de systèmes «plaques vis» Permet d évaluer l interaction du système os-implant avec des chargement physiologiques screw hole 21

22 Optimisation des plaques AEF d une plaque lors des systèmes de tests. La force appliquée montre l interaction os-plaque et les contraintes dans les trous de vis Directions futures Planification pré-opératoire de traumas Quel serait le meilleur type d implant pour chaque patient, selon son âge, la qualité de son os (ex. Ostéoporose), le type de trauma, etc. Fixation de fracture: clou ou plaque? Modèle de réhabilitation? Tests et développement des implants Des modèles plus complexes avec des chargements physiologiques améliorés, effets des muscles, guérison de factures, etc. Fixation optimale pour les patients ostéoporotiques 22

23 CHARGE AXIALE PARTAGÉE PAR UNE PLAQUE ET L OS

24 CHARGE AXIALE PARTAGÉE PAR UNE PLAQUE ET L OS (SUITE)

25 CHARGE AXIALE PARTAGÉE PAR UNE PLAQUE ET L OS (SUITE)

26 CHARGE AXIALE PARTAGÉE PAR UNE PLAQUE ET L OS (SUITE ET FIN)