Journal of Orthopaedic Surgery and Research, 2006; 1: 2-2 (más artículos en esta revista)

Biomecánica y del ligamento cruzado anterior de reconstrucción

BioMed Central
Savio LY Woo (ddecenzo@pitt.edu) [1], Changfu Wu (chw54@pitt.edu) [1], Ozgur Dede (ozd2@pitt.edu) [1], Fabio Vercillo (fabio.vercillo @ poste.it ) [1], Sabrina Noorani (syn1@pitt.edu) [1]
[1] Musculoesqueléticas Centro de Investigación, Departamento de Bioingeniería de la Universidad de Pittsburgh, Pennsylvania, EE.UU.

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Resumen

Durante años, bioengineers y cirujanos ortopédicos han aplicado los principios de la mecánica para obtener información valiosa acerca de la compleja función del ligamento cruzado anterior (LCA). Los resultados de estas investigaciones han proporcionado datos científicos para los cirujanos para mejorar los métodos de reconstrucción del LCA y rehabilitación postoperatoria. Esta revisión se presente en papel ejemplos concretos de cómo el campo de la biomecánica ha afectado la evolución de la ACL de investigación. La anatomía y biomecánica de la ACL, así como el descubrimiento de nuevas herramientas en ACL relacionados con el estudio biomecánico se introducen por primera vez. Algunos factores importantes que afectan a los resultados quirúrgicos de reconstrucción de LCA, incluida la selección del injerto, la colocación del túnel, la tensión inicial del injerto, la fijación del injerto, injerto túnel de movimiento y la curación, se examinó a continuación. La base científica para el nuevo procedimiento quirúrgico, es decir, las características anatómicas doble paquete ACL reconstrucción, destinado a recuperar rotatory la estabilidad de la rodilla, se presenta. Para concluir, el futuro papel de la biomecánica en la obtención de valiosa en vivo de datos que pueden avanzar en la comprensión de la ACL ACL y la función del injerto con el fin de mejorar los resultados del paciente tras la reconstrucción del LCA se sugiere.

Fondo

Un ligamento cruzado anterior (LCA) es la ruptura de una de las más comunes las lesiones de rodilla en el deporte. Se estima que la incidencia anual es de aproximadamente 1 en 3000 dentro de la población en general en los Estados Unidos, lo que se traduce en más de 150000 nuevos ACL lágrimas cada año [1, 2]. A diferencia de muchos tendones y ligamentos, una sustancia mediados de ACL lacrimógenos no puede curar y la manifestación es de moderada a severa con discapacidad "dar forma" a las actividades de episodios de la vida diaria, especialmente durante las actividades deportivas exigentes con el corte y las maniobras de giro. Además, puede causar lesiones a otros tejidos blandos dentro y alrededor de la rodilla, sobre todo la menisci, y conducir a la aparición temprana de la osteoartritis de rodilla. Por lo tanto, el tratamiento quirúrgico utilizando autoinjertos de tejido o aloinjertos es a menudo realizado por los cirujanos en los pacientes con una ruptura de ACL. Se estima que aproximadamente 100000 primaria de la reconstrucción del LCA cirugías se realizan anualmente en los Estados Unidos [1, 3]. El costo directo de estas operaciones se estima en más de $ 2 mil millones [4].

El objetivo de una ACL es la reconstrucción de reproducir las funciones de los nativos de ACL. Durante los últimos tres decenios, clínicamente relevantes estudios biomecánicos nos han proporcionado datos importantes sobre la ACL, especialmente en su compleja anatomía y funciones en la estabilización de la articulación de la rodilla en varios grados de libertad (DOF). Como tal, la reconstrucción quirúrgica de la ACL no ha sido capaz de reproducir la complejidad de sus funciones. Tanto a corto como a largo plazo y los estudios de resultados clínicos revelan un 11-32% inferior al resultado satisfactorio para los pacientes [5 - 8], entre los cuales hasta un 10% puede requerir la revisión de reconstrucción ACL [9]. De hecho, ACL reconstrucción sigue siendo un importante problema clínico como hasta la fecha se han registrado más de 3000 trabajos publicados en los últimos 10 años, con más de la mitad se centra en las técnicas, un gran número de complicaciones y cuestiones conexas, y sólo un pequeño porcentaje sobre el resultado clínico.

Esta revisión documento ofrecerá una perspectiva sobre la forma biomecánica ha ayudado a comprender el complejo funcionamiento normal de la ACL, así como para impulsar la reconstrucción del LCA. En primer lugar, la anatomía y la función de la ACL, así como las herramientas disponibles en ACL relacionados con el estudio biomecánico se hizo una breve presentación. En segundo lugar, las contribuciones de biomecánica en la determinación de algunos de los principales factores que afectan a los resultados quirúrgicos de reconstrucción del LCA se discuten. En tercer lugar, el papel de la biomecánica en el desarrollo de un nuevo procedimiento de reconstrucción del LCA, es decir, las características anatómicas doble paquete de reconstrucción del LCA, se presenta. Por último, el futuro papel de la biomecánica en la obtención de la necesaria en vivo de datos para seguir mejorando los resultados de la reconstrucción ACL para un mejor resultado del paciente se sugiere.

Anatomía y biomecánica de la ACL

La ACL se extiende desde el cóndilo femoral lateral en el intercondylar muesca, para su inserción en la parte anterior de la central meseta tibial. La sección transversal zonas de la ACL en los dos sitios de inserción son más grandes que los que están en el medio fondo. La sección transversal forma de la ACL es también irregular [10]. Funcionalmente, la ACL se compone de la anteroedialmente (AM) y el paquete posterolateral (PL) paquete [11]. Se ha demostrado que la AM paquete se alarga y endurece en flexión, mientras que el PL paquete hace lo mismo en relación con la extensión [12]. Estos complejos anatomies hacer la ACL especialmente adecuado para limitar la excesiva tibial anterior traducción, así como axial tibial valgus de rodilla y las rotaciones.

Estudios de laboratorio han determinado carga-alargamiento de la curva de un hueso-ligamento-hueso por un complejo ensayo de tracción uniaxial. La rigidez y, en última instancia la carga se obtienen a que represente sus propiedades estructurales. En la misma prueba, una tensión-relación también se puede obtener, a partir de la cual el módulo, resistencia a la tracción, en última instancia tensión, tensión y densidad de energía se puede medir para representar las propiedades mecánicas [13]. Además, las fuerzas de la ACL se puede medir mediante el estudio de la cinemática de la rodilla en 6 DOF en respuesta a las cargas aplicadas externamente. Por ejemplo, cuando la rodilla es sometida a una carga tibial anterior, tibial anterior se somete a la traducción, así como la rotación tibial interna. Por lo tanto, biomecánica es útil para determinar las interrelaciones entre la rodilla y lista de control de acceso como la cinemática de datos servirá como base para el objetivo de una sustitución del injerto.

Descubrimiento de herramientas para estudios biomecánicos de la ACL ACL y los injertos

Ha habido muchas herramientas, incluida la hebilla transductores, células de carga, extensómetros, y así sucesivamente, diseñado para medir las fuerzas dentro de la ACL cuando una carga se aplica a la rodilla [14 - 19]. Todos han contribuido de manera significativa al conocimiento de la función de la ACL. Sin embargo, todos ellos se pongan en contacto con el ACL.

Otros investigadores prefieren medir la fuerza en la ACL sin contacto. Estos incluyen el uso de radiografías o cinemática vinculación sistemas adjunta a los huesos y determinar las fuerzas en la ACL cinemática mediante la combinación de datos de la rodilla intacta y la carga-deformación de las curvas de la ACL [12, 20]. Más recientemente, informática y simulaciones de modelado también se han utilizado para estimar las fuerzas en la ACL durante la marcha [21].

En nuestro centro de investigación, hemos sido pionera en la utilización de un robot manipulador, junto con un 6-DOF-fuerza universal momento sensor (UFS), como se ilustra en la Figura 1 [22]. Este robot / UFS sistema de evaluación se pueden utilizar para medir in situ la fuerza de los vectores de la ACL ACL y el injerto en respuesta a las cargas aplicadas a la rodilla. Este sistema es capaz de registrar con precisión y repetición de las traducciones y la rotación de menos de 0,2 mm y 0,2 °, respectivamente [23]. Los lectores interesados pueden referirse a Woo, et al. de los principios y funcionamiento detallado de este sistema de ensayo [22, 24].

A través del uso de la robótica / UFS sistema de evaluación, una profunda comprensión de la función de la ACL, y que es más importante y su AM PL legajos, era posible. Por ejemplo, se ha constatado que en virtud de una carga tibial anterior, el paquete de PL en realidad llevaba una carga superior a la AM conjunto con la rodilla cerca de extensión, y la AM paquete llevaba una carga superior con el ángulo de flexión de rodilla de más de 30 ° ( Figura 2] [25]. También se constató que cuando la rodilla se combinan bajo las cargas de rotatory valgus y pares de torsión tibial interna, la AM y paquetes PL casi uniformemente comparte la carga a 15 ° de flexión de la rodilla [25]. Por lo tanto, es evidente que los más pequeños PL conjunto desempeña un papel importante en el control de estabilidad rotatory debido a su mayor posición lateral femoral.

ACL reconstrucción

La primera intra-articular, comenzó la reconstrucción del LCA con Hey-Groves en 1917, pero se hizo popular por O'Donoghue en 1950. La introducción de equipo artroscópico ha dado lugar a cambios revolucionarios en la cirugía ACL [26 - 28]. Existe desde entonces ha sido un aumento significativo en la frecuencia de ACL reconstrucción, así como la investigación en este procedimiento.

Biomecánica para la reconstrucción del LCA

El objetivo último de una lista ACL para la reconstrucción es restaurar la función de la ACL intacta. Laboratorio de estudio sobre cadáver humano rodilla diseñado para evaluar la eficacia de la reconstrucción del LCA en virtud de maniobras clínico, es decir, cajón anterior y prueba de Lachman, revelan que la mayoría de los actuales procedimientos de reconstrucción son satisfactorios durante las cargas tibial anterior [29]. Sin embargo, no para restablecer la cinemática y la conservación in situ en las fuerzas de la ACL en virtud de rotatory cargas (Figuras 3 y 4] y cargas musculares [30, 31].

Factores que influyen en el resultado de una reconstrucción ACL

Los factores que podrían determinar el destino de una lista ACL de reconstrucción incluyen la selección del injerto, la colocación del túnel, la tensión inicial del injerto, la fijación del injerto, injerto túnel movimiento, y la tasa de cicatrización del injerto. Creemos que hay una secuencia lógica para examinar estos factores con el fin de alcanzar el ideal de resultados (Figura 5].

Una tendencia en desarrollo para la reconstrucción del LCA

Como tradicionales solo paquete ACL reconstrucción no puede restablecer plenamente rotatory la estabilidad de la rodilla, los investigadores han explorado anatómica doble paquete ACL ACL para la reconstrucción de sustitución [70 - 73]. Un doble conjunto anatómico de reconstrucción ACL utiliza dos injertos para sustituir a la enmienda y PL legajos de la ACL. Biomecánico estudios han revelado que un paquete doble anatómicos reconstrucción ACL tiene claras ventajas en términos de la consecución de la cinemática a nivel de la rodilla intacta con la consiguiente mejora de la conservación in situ en las fuerzas de la ACL injerto más parecidos a los de la ACL intacta, incluso cuando la rodilla es sometido a cargas rotatory [30]. Se muestra en las figuras 3 y 4 son el tibial anterior, junto traducción y la in situ la fuerza en la ACL ACL y los injertos en respuesta a cargas combinadas rotatory de 5 Nm de torsión tibial interna y 10 Nm de par valgus. Cabe señalar que el tibial anterior, junto traducción anatómica después haz doble ACL reconstrucción fue de 24% menos que los tradicionales que, después de solo paquete ACL reconstrucción. Además, la fuerza in situ en la ACL del injerto fue del 93% de la ACL intacta en comparación con sólo el 68% solo paquete para la reconstrucción del LCA.

Por supuesto, las características anatómicas doble paquete ACL reconstrucción quirúrgica implica más variables que pueden afectar el resultado final. Una de las principales preocupaciones es la fuerza de distribución entre la AM y PL injertos y el potencial de sobrecarga, ya sea uno de los dos injertos [25]. Más corto en longitud y de diámetro más pequeño, el PL del injerto que tienen un mayor riesgo de fracaso del injerto. Para encontrar una variedad de ángulos de flexión de rodilla para la fijación del injerto que sería seguro para los dos de los injertos, nuestro centro de investigación ha realizado una serie de experimentos y ha descubierto que cuando ambas AM y la PL injertos se fija en el 30 °, in situ la fuerza en el PL del injerto fue del 34% y 67% más alto que en el paquete intacto PL en respuesta a una carga tibial anterior y combinado rotatory cargas, respectivamente. Mientras tanto, cuando la AM injerto se fijó en 60 ° y el PL del injerto se fijó en plena extensión, la fuerza en la mañana del injerto fue del 46% más alto que en el paquete intacto AM en virtud de una carga tibial anterior [74]. Un estudio de seguimiento encontró que cuando el PL del injerto se fijó en 15 ° y la AM injerto se fijó en cualquiera de los 45 ° o 15 ° de flexión de rodilla, las fuerzas in situ en la AM y PL injertos fueron inferiores a las de la AM y PL legajos, es decir, ni injerto fue sobrecargado. Por lo tanto, estos ángulos de flexión son seguros para la fijación del injerto [75].

Futuras funciones de biomecánica en la reconstrucción del LCA

En esta revisión el papel, hemos resumido la forma in vitro estudios biomecánicos han hecho muchas contribuciones importantes a la comprensión de la ACL ACL y los injertos de sustitución y la forma en que estos datos han ayudado a los cirujanos. En el futuro, los estudios biomecánicos debe implicar más realista vivo en condiciones de carga. Prevemos un enfoque que involucra tanto experimental y métodos computacionales (véase la figura 6]. Continuo los avances en el desarrollo de formas de medir en vivo la cinemática de la rodilla durante las actividades diarias se están realizando. Recientemente, un doble sistema ortogonal fluoroscópico ha sido utilizada para medir en vivo la rodilla cinemática, con una precisión de 0,1 mm y 0,1 º para objetos con formas conocidas, las posiciones y orientaciones [76]. Una vez recogidos, la cinemática en vivo los datos se pueden reproducir en cadavérico especímenes utilizando la robótica / UFS sistema de evaluación con el fin de determinar in situ las fuerzas en la ACL ACL y los injertos. De forma paralela, sobre temas concretos modelos computacionales de la rodilla puede ser construido. Sobre la base de la misma en vivo cinemática de datos, las fuerzas in situ en la ACL ACL y los injertos se puede calcular. Cuando el cálculo in situ la idoneidad de las fuerzas de los obtenidos experimentalmente, el modelo computacional es entonces validado y puede ser utilizado para calcular el estrés y la tensión en las distribuciones de la ACL ACL y los injertos, así como para predecir las fuerzas in situ en la ACL y ACL injertos durante más complejas in vivo mociones que no se puede hacer en experimentos de laboratorio. Al fin y al cabo, será posible desarrollar una gran base de datos sobre las funciones de ACL ACL y los injertos que se basan en temas específicos de datos (como la edad, género, y la geometría), a dilucidar los mecanismos específicos de lesión del LCA, a personalizar específicas del paciente quirúrgico (incluido el pre-quirúrgicos de planificación), así como el diseño de protocolos de rehabilitación adecuado. Creemos que tal enfoque basado en biomecánica proporcionará los médicos una valiosa información científica adecuada para llevar a cabo la reconstrucción del LCA y el diseño adecuado post-operatorio protocolos de rehabilitación. Al final, todos estos avances contribuirán a un mejor resultado del paciente.

Agradecimientos

El apoyo financiero del NIH subvención AR 39683 y de Asia y el Instituto Americano para la Educación y la Investigación (ASIAM) Se agradecen.