Komplexe ligamentäre Instabilitäten nach „open book“-Verletzungen des Beckenrings – Finite-Elemente-Computersimulation und Bruchversuch

Zusammenfassung

Hintergrund: Beckenringfrakturen sind kombinierte knöchern-ligamentäre Verletzungen und werden anhand der unfallbedingten Krafteinwirkung klassifiziert. Anamnestische, klinische und radiologische Kriterien sind zur Diagnosefindung notwendig. Ziel aller Stabilisierungsarten ist die optimale Rekonstruktion des knöchernen Beckenrings, der mitverletzte Bandapparat wird indirekt beachtet. Klinische Studien kamen zum Schluss, dass bei „open book“-Verletzungen diese Weichteilverletzungen für das schlechte klinische Outcome verantwortlich sein können. Ziel der Arbeit war es, durch Simulationen mit einem realistischen Finite-Elemente-(FE-)Computermodell posttraumatische Instabilitäten einer „open book“-Verletzung vorherzusagen und in die Osteosyntheseplanung einzubeziehen. Patienten/Material: Es wurde ein komplettes FE-Modell des Beckenrings auf Basis eines CT-Datensatzes entwickelt. Die geometrischen Abmessungen des Bandapparats wurden durch eigene anatomische Studien exakt nachgebildet. Mit Parameterstudien wurde der Einfluss einzelner Bandgruppen auf Verschiebungen im vorderen und hinteren Beckenring gemessen. Weiterhin erfolgten die Simulation einer „open book“-Verletzung hinsichtlich des möglichen ligamentären Verletzungsumfangs sowie die biomechanische Validierung durch Bruchversuche an Kadaverbecken. Ergebnisse: Der Bandapparat des Beckens dient entscheidend dem Erhalt der Stabilität, wobei einzelne Bandgruppen spezielle lokal stabilisierende Funktionen innehaben, aber auch mit anderen Gruppen funktionell verzahnt sind. Wesentlich wird der vertikale Lastabtrag durch die Bänder des Beckenbodens, der horizontale durch die Bänder im hinteren Beckenring gesichert. Bei „open book“-Verletzungen kommt es zu einer schrittweisen Ruptur aller Bandstrukturen, wobei eine wesentliche Instabilität mit 2 Rotationsachsen erst bei Durchtrennung der Bänder im hinteren Beckenring entsteht. In diesem Fall sollte neben der Rekonstruktion der Symphyse auch eine Stabilisierung im hinteren Beckenring erfolgen. Schlussfolgerungen: Numerische Simulationen an FE-Modellen können posttraumatische Instabilitäten vorhersagen. Jedoch ist aufgrund des inkompletten Datenmaterials zur Erstellung patientenspezifischer Beckenmodelle eine Implementierung in die klinische Praxis noch nicht realistisch.

Abstract

Background: Instability of pelvic ring fractures is also caused by ligament disruption. Classifications are based on the major forces leading to fracture. Data from injury mechanisms as well as clinical and radiological criteria are used to determine the degree of instability. The major aim of all kinds of stabilisation is the anatomic reconstruction of the bony pelvic ring. The injured ligamentous apparatus is still ignored. Some clinical trials assume that soft-tissue injuries may be the reason for the poor patient outcome in “open book” pelvic ring fractures. The aim of the study was to develop a realistic finite element (FE) computer model to simulate “open book” fractures and predict injury-associated instabilities for osteosynthesis planning. Patients/Material: We developed a realistic FE computer model of the pelvic ring based on CT data. With anatomic studies a computer model of the ligamentous apparatus was created and inserted into the pelvic ring to complete the bone-ligament complex. Numerical simulations were performed to identify the influence of single pelvic ligaments on the shifting at the intact anterior and posterior pelvic ring. Additionally, a biomechanical validated virtual crack simulation with anterior-posterior compression forces was undertaken to predict complex instabilities in “open book” pelvic ring fractures. Results: The pelvic ligaments have local and general stabilising functions. The sacrospinous and sacrotuberous ligaments are providing the vertical load transfer, whereas the ligaments of the iliosacral joint and the iliolumbal ligament are necessary for the horizontal load transfer. In “open book” fractures ligaments are ruptured stepwise from anterior to posterior. If the intraosseous and posterior ligaments of the iliosacral joint are intact, only single rotational instability along the ipsilateral iliosacral joint occurs. If the ligaments at the posterior pelvic ring are ruptured too, a second axis across both iliosacral joints was measured. In this particular case additional stabilisation of the posterior pelvic ring should be performed. Conclusion: With numerical simulations, prediction of injury-associated instabilities is possible. Because of incomplete radiological data the implementation of patient-specific FE pelvic computer models into the clinical routine is still not realistic.

finite Elemente - Bruchversuch - Beckenring

finite element - crack simulation - pelvic ring

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