Ultrasonic and acoustic emission monitoring of internal implant-stabilized bone fracture healing

Abstract

Die chirurgische Behandlung von Knochenbrüchen im Kindesalter mit flexiblen intramedulären Nägeln ist mittlerweile Routine im klinischen Alltag. Den richtigen Zeitpunkt für das Entfernen der Implantate zu finden stellt hierbei eine der wichtigsten Aufgaben des behandelnden Arztes dar. Die zur Zeit verfügbaren Methoden zur Beobachtung des Heilungsverlaufes sind jedoch meist subjektiv, abhängig von Erfahrung und Beurteilung des Chirurgen und haben sich darüber hinaus als unzuverlässig erwiesen. Fehlinterpretationen hinsichtlich des Status der Frakturheilung können Komplikationen verursachen und bergen erhebliche Risiken für den Patienten. Aus diesem Grund ist es wichtig, objektive und verlässliche Kriterien und Diagnosewerkzeuge zu finden, mit denen der Heilungsverlauf überwacht werden und festgestellt werden kann, ob ein Knochenbruch erfolgreich verheilt ist. Das Ziel der vorliegenden Studie war es daher, die Anwendungsmöglichkeiten von Ultraschallmessungen und Schallemissionstechnik als zerstörungsfreie Verfahren zur Überwachung des Frakturheilungsverlaufs nach der Behandlung mit FIN zu untersuchen. Mittels Osteotomie wurden bei 23 Schafen Schrägfrakturen in der rechten Tibia erzeugt und mit FIN stabilisiert. Die Knochen wurden anschließend 2, 6, 12 oder 24 Wochen nach der Operation entnommen und geprüft. Um Referenzwerte für intaktes Knochenmaterial zu bekommen wurden die jeweiligen Gegenbeine ebenfalls untersucht. Aus den Ultraschallmessungen wurde die Schallgeschwindigkeit der Proben ermittelt, da diese von den jeweiligen Materialeigenschaften des durchlaufenen Mediums abhängt. Schallemissionstechnik wurde im Zusammenhang mit zerstörungsfreien, quasi stationären Biege-, Torsions- und Kompressionsbelastungstests, sowie während zyklischer Prüfung mit gleichzeitiger Aufbringung von Druckkraft und Drehmoment im elastischen Bereich angewendet. Bei der abschließenden zerstörenden Prüfung mit zunehmender Torsionsbelastung bis zum Versagen der Probe wurden ebenfalls auftretende Schallemissionsereignisse detektiert und ausgewertet um Unterschiede in den Signalmerkmalen zu identifizieren, die den Fortschritt der Frakturheilung widerspiegeln. Nach der Fraktur war die Schallgeschwindigkeit der Knochen verglichen mit den Werten der Gegenbeine erheblich niedriger und fing erst mit fortschreitendem Heilungsverlauf an zu steigen. Innerhalb des beobachteten Heilungszeitraums wurden die Kontrollwerte der Gegenbeine aber nicht wieder erreicht. Während der zerstörungsfreien mechanischen Prüfung konnten keine Schallemissionsereignisse detektiert werden. Somit wurde bestätigt, dass diese Tests innerhalb des elastischen Bereichs des Probenmaterials durchgeführt wurden. Die detektierten Schallemissionsereignisse aus der zerstörenden Prüfung wiesen für alle Proben ähnliche Frequenzspektren auf. Abhängig vom Heilungsstadium konnte jedoch eine Änderung der Spitzenamplitude beobachtet werden. Mit Hilfe der Lokalisierung der Quellen der Schallereignisse war es möglich beginnende Schädigungen der Knochen bereits vor dem endgültigen Versagen festzustellen und den Ort des Bruches vorherzusagen. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie bestätigen das Potential von Ultraschallmessungen und Schallemissionstechnik als zerstörungsfreie Methode um den Heilungsverlauf nach der chirurgischen Behandlung von Knochenbrüchen mit flexiblen intramedulären Nägeln zu beobachten.

Pediatric bone fracture treatment by the method of flexible intramedullary nailing has become a commonly used technique in daily clinical routine. One of the most important tasks of the orthopedic surgeon is to determine the right time point for implant removal. Currently available methods for evaluation of fracture healing in clinical practice are mostly subjective and dependent on judgment and expertise of the surgeon. Moreover they have been proven to be inappropriate. Misinterpretation of fracture healing status can lead to questionable and undesired results and expose the patient to avoidable risks. Hence, it is important to define more objective and reliable criteria and diagnostic tools to monitor fracture healing process and identify whether a fracture is healed. Therefore, the aim of this study was to investigate the applicability of ultrasound measurements and acoustic emission technique as a non-destructive method to monitor fracture healing process after treatment with FIN. Oblique diaphyseal osteotomy was performed on 23 ovine tibiae and investigated 2, 6, 12 and 24 weeks after fracture and contralateral intact bone was used for determination of control values. Ultrasonic examination was implemented with an axial transmission approach and ultrasound velocity within the bone specimens was derived as this ultrasonic parameter is related to material properties. Furthermore, acoustic emission behavior was investigated during non-destructive quasi-stationary torsional, tensile and bending tests as well as during cyclic testing with torsional and compressive loading within the elastic range simultaneously and destructive mechanical examination with increasing torque till failure. Acoustic emission events detected during destructive testing were analyzed in regard to identify differences in failure mechanism with progress of fracture healing. Ultrasound velocity was significant decreased for osteotomized specimens compared with contralateral control bone and increased with healing time but did not reach control values within the observed healing time period. Non-destructive testing of specimens did not cause acoustic emission events and confirmed that tests were performed within the elastic range of specimen materials. While frequency content of acoustic emission signals was similar for all specimen groups, change of height of peak amplitude was observed within the different fracture healing stages. From localization of acoustic emission source, it was possible to predict the location of final failure even before the occurrence and to identify the most possible area for specimen failure change with healing time. The findings of the present study indicate that ultrasonic and acoustic emission monitoring could be used to determine fracture healing status non-invasively after treatment with flexible intramedullary nailing.