Perkutane Fraktur Reduktion feliner Tibiae (Gap Modell) mittels CT- Bildgebung, Computer Design Software und 3D gedruckten externen Fixateuren, sowie anschließende minimalinvasive Plattenosteosynthese: Eine Kadaverstudie

Marten, Felix

Dissertation 2025 CC BY 4.0

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Perkutane Fraktur Reduktion feliner Tibiae (Gap Modell) mittels CT- Bildgebung, Computer Design Software und 3D gedruckten externen Fixateuren, sowie anschließende minimalinvasive Plattenosteosynthese : Eine Kadaverstudie

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Obwohl die MIPO insbesondere für die Knochenheilung große Vorteile bietet, da sie die Gefahr von Frakturheilungsstörungen und Infektionen reduziert, wird sie gerade bei Katzen noch nicht flächendeckend durchgeführt. Gründe hierfür sind schlechtere Sichtverhältnisse, häufiges Auftreten von Achsabweichungen oder Rotationsfehlern, nicht optimale Lagerungshilfen und Tools sowie deren Kosten und die längere Operationsdauer mit möglicher intraoperativer Fluoroskopie. Um die Anwendbarkeit der MIPO auch bei Katzen zu erleichtern und zu verbessern, sollte in vorliegender Studie ein Jig entwickelt werden, der die frakturierten Tibiae (Gap-Modell) von extern im Rahmen eines Fixateurs externe Typ 1 rekonstruierte. Dabei diente die Spiegelung der kontralateralen Tibia als Schablone für die Ausrichtung der Fragmente und für die Konstruktion des Jigs. In einem weiteren Schritt sollte untersucht werden, ob nach Vorfixation mittels Jig eine MIPO möglich war und die korrekte Reposition der Fragmente darunter gehalten werden konnte. Zusätzlich wurde eine deutliche Reduktion der Operationszeit erwartet.

Material und Methodik

Die Untersuchungen wurden in zwei Abschnitten an der Klinik für Kleintiere der TiHo-Hannover innerhalb von zwei Jahren durchgeführt. Im ersten Teil der Studie wurden von 11 Katzenkadavern Röntgenaufnahmen der 22 Tibiae in 2 Ebenen (ML, LL) sowie CT-Aufnahmen erstellt und anhand von festgelegten Messparametern evaluiert: mechanische Achse (Länge), TTA, TPA, mechanische Winkel (MPTA, LPTA, LDTA und MDTA). Nach Durchführung der initialen Messungen wurden an jedem Knochen artifizielle Frakturen nach dem Prinzip des in der Humanmedizin beschriebenen Gap-Models gesetzt. Jeweils zwei Pin-Kugel-Konstruktionen wurden, wie von Lynch und Davies im Jahre 2019 beschrieben, im proximalen und distalen Hauptfragment platziert. Die Kugeln dienten später als Fixationspunkte für den Jig. Nach Setzen des Gaps und Anbringen der Pins wurde ein weiteres Set von CT-Aufnahmen angefertigt.

Zunächst wurde das native CT mittels 3D-Software bearbeitet und die separierten Tibiae sagittal gespiegelt und anschließend als Schablone für die Ausrichtung der Fragmente der jeweils kontralateralen frakturierten Tibiae genutzt. Diese überlagerte und fixierte Ausrichtung wurde als STL-Datei in eine weitere Software übertragen und ein Jig um die definierte Position der Kugeln und Pins konstruiert. Nach Fertigstellung des Jigs konnte dieser mittels 3D-Drucker erstellt werden. Der gedruckte Jig wurde an den Pins und Kugeln der Tibiae angebracht und sorgte so für deren Ausrichtung. Diese wurde anschließend mittels erneuter CT-Untersuchung und Röntgen evaluiert und mit den nativen Werten verglichen. Eine Tibia musste infolge Pin-Kugel-Lockerung aus der Studie genommen werden, daher gelangten nur 21 Tibiae in die Auswertung. Nach Durchführung der MIPO erfolgten die letzten CT- und Röntgen-Untersuchungen.

Im zweiten Teil der Studie wurden der Nutzen und die Qualität des Jigs als Hilfsmittel für die Durchführung einer MIPO evaluiert. Hierfür wurden alle 21 Tibiae unter realistischen Operationsbedingungen mit angebrachtem Jig minimalinvasiv mit 2.0-LCP Platten versorgt. Während des Eingriffs wurden Operationszeit, Schnittlängen im Bereich des proximalen und distalen Fragmentes, mögliche Komplikationen und die Dauer der anschließenden Entfernung des Jigs dokumentiert. Zudem wurde auch die Ausrichtung der Fragmente post MIPO erneut per CT und Röntgen evaluiert und mit den Nativwerten sowie den Werten post Jig verglichen.

Eine statistische Untersuchung zur Ermittlung der Signifikanz der Unterschiede wurde durchgeführt. Hierfür wurden zweiseitige T-Tests, Wilcoxon-Rangsummen-Tests sowie Intraclass-Korrelationstests genutzt.

Ergebnisse

In Teil 1 der Studie unterschieden sich die Messergebnisse zwischen den nativen kontralateralen Tibiae und den mit Jig versorgten Tibiae signifikant. Allerdings konnten alle Messwerte nach den im Vorfeld definierten Richtwerten vergleichbarer Studien in 16/21 Fällen als nahezu anatomisch korrekt und in 5/21 Fällen als zumindest akzeptabel bewertet werden (Johnson et al., 2022; Lynch & Davies, 2019; Scheuermann et al., 2024a). Während in Bezug auf die Knochenlänge alle Knochen als nahezu anatomisch korrekt eingestuft werden konnten (< 0,5mm), lag die Abweichung der mechanischen Winkel in 92% der Fälle bei < 5°. In 8% der Fälle war die Abweichung größer und lag zwischen 5-10°. Im Durchschnitt konnten Abweichungen von unter 1 mm in Bezug auf die Länge und unter 3° in Bezug auf alle Winkel gemessen werden, obwohl in allen Fällen die kontralaterale Tibia als Template genutzt wurde und zwischen den nativen Tibiae beider Seiten teils Abweichungen von über 5° bei einigen Winkeln vorlagen.

Im zweiten Teil der Studie konnte die MIPO in allen Fällen (21/21) trotz des angebrachten Jigs erfolgreich durchgeführt werden. Allerdings traten während der Durchführung der MIPO in 5/21 Fällen Komplikationen auf. Hiervon wurden 4 als geringgradig (2x Interaktion von Pins mit Platten-Schrauben; 2x Lagerungsprobleme infolge cranio-lateraler Pinposition) und 1 als mittelgradig (Interaktion von Pin mit Platte) eingestuft, so dass in diesem Fall die Platte nicht in optimaler Position auf dem Knochen fixiert werden konnte. Auch im 2. Teil der Studie konnten signifikante Unterschiede zwischen der mit Jig versorgten Tibiae und der post MIPO-Tibiae sowie zwischen den nativen ipsilateralen Tibiae und den post MIPO-Tibiae detektiert werden.

Dennoch konnte beim Vergleich der Messwerte zwischen den Tibiae mit Jig und den post MIPO-Tibiae das Ergebnis der Rekonstruktion durch die MIPO in 16/21 Fällen als nah anatomisch korrekt beurteilt werden und in den restlichen 5/21 Fällen immerhin noch als akzeptabel. Bei einem Vergleich zwischen den post-MIPO Tibiae und den nativen ipsilateralen Tibiae wurden 17/21 Fälle als nah anatomisch bewertet und nur 4/21 als akzeptabel. Somit konnte der Jig nicht verhindern, dass sich die Fragmente bei der MIPO geringfügig verlagerten. Allerdings waren auch im 2. Studienteil die durchschnittlichen Abweichungen von Länge (ca. 1mm) und Winkeln (< 3°) relativ gering und damit ähnlich wie im ersten Teil der Studie. Die durchschnittliche Operationszeit der MIPO bei angebrachtem Jig betrug in vorliegender Studie 11,38 min. Wurde die für die Entfernung des Jigs und der Pins benötigte Zeit inkludiert, so betrug die mittlere Operationsdauer 13,05 min.

Beurteilung

In der vorliegenden Untersuchung konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, auch bei der Katze unter Zuhilfenahme von computertomographischen Daten, virtueller Planungssoftware sowie einem 3D-Drucker einen Jig zu erstellen, der das proximale und distale Fragment der Tibia ausrichten und in Position fixieren kann. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die gespiegelte kontralaterale Tibia als Schablone für die Rekonstruktion der frakturierten Seite dienen kann. In allen Fällen konnte die MIPO in deutlich verkürzter Operationszeit durchgeführt werden, wodurch vor allem das Infektionsrisiko gesenkt und auch die Belastung für den Patienten während des Eingriffs minimiert werden kann. Allerdings konnte der Jig die Fragmente während der MIPO nicht 100%ig in Position halten. Dennoch waren die Abweichungen minimal und dürften daher keine klinische Relevanz haben. Dieses müsste jedoch in weiteren, auch klinischen Studien evaluiert werden.

Although MIPO offers great advantages, particularly for bone healing, as it reduces the risk of fracture healing disorders and infections, it is not yet widely used in cats. The reasons for this are poor visibility, frequent occurrence of axial deviations or rotational errors, suboptimal positioning aids and tools as well as their costs and the longer duration of the operation with possible intraoperative fluoroscopy. In order to facilitate and improve the applicability of MIPO in cats, the aim of this study was to develop a jig that reconstructed the fractured tibiae (gap model) externally using a type 1 external fixator. The mirrored contralateral tibia served as a template for the alignment of the fragments and for the construction of the jig. The next step was to investigate whether MIPO was possible after pre-fixation using a jig and whether the correct reduction of the fragments could be maintained underneath. In addition, a significant reduction in operating time was expected.

Material and methods:

The investigations were carried out in two sections at the Clinic for Small Animals at the TiHo-Hannover over a period of two years. In the first part of the study, radiographs of the 22 tibiae in two planes (ML, LL) and CT images were taken of 11 cat cadavers and evaluated using defined measurement parameters: mechanical axis (length), TTA, TPA, mechanical angle (MPTA, LPTA, LDTA and MDTA). After performing the initial measurements, artificial fractures were placed on each bone according to the principle of the gap model described in human medicine. Two pin-sphere constructs were placed in the proximal and distal main fragment, as described by Lynch and Davies in 2019. The spheres later served as fixation points for the jig. After placing the gap and attaching the pins, another set of CT images was taken.

Firstly, the native CT was processed using 3D software and the separated tibiae were mirrored sagittally and then used as a template for aligning the fragments of the contralateral fractured tibiae. This superimposed and fixed alignment was transferred to another software program as an STL-file and a jig was constructed around the defined position of the spheres and pins. Once the jig design process was finished, it was created using a 3D printer. The printed jig was attached to the pins and spheres of the tibiae, thus ensuring their alignment. This was then evaluated using another CT scan and X-ray and compared with the native values. One tibia had to be removed from the study due to pin-sphere loosening, so only 21 tibiae were analysed. The final CT and X-ray examinations were performed after the MIPO.

In the second part of the study, the benefit and quality of the jig as an aid for performing a MIPO were evaluated. For this purpose, all 21 tibiae were treated minimally invasively with 2.0 LCP plates under realistic surgical conditions with the jig attached. During the procedure, the operating time, incision lengths in the area of the proximal and distal fragments, possible complications and the duration of the subsequent removal of the jig were documented. In addition, the alignment of the fragments post MIPO was re-evaluated by CT and X-ray and compared with the native values and the values post jig.

A statistical analysis was performed to determine the significance of the differences. Two-sided T-tests, Wilcoxon-singed-rank-tests and intraclass-correlation-tests were used for this purpose.

Results:

In part 1 of the study, the measurement results differed significantly between the native contralateral tibiae and the jig-fitted tibiae. However, all measured values could be assessed as almost anatomically correct in 16/21 cases and at least acceptable in 5/21 cases according to the previously defined reference values of comparable studies (Johnson et al., 2022; Lynch & Davies, 2019; Scheuermann et al., 2024a). While all bones could be classified as almost anatomically correct in terms of bone length (< 0.5 mm), the deviation of the mechanical angles was < 5° in 92% of cases. In 8% of cases, the deviation was greater and was between 5-10°. On average, deviations of less than 1 mm in relation to the length and less than 3° in relation to all angles were measured, although the contralateral tibia was used as a template in all cases and there were deviations of over 5° in some angles between the native tibiae on both sides.

In the second part of the study, MIPO was successfully performed in all cases (21/21) despite the jig being attached. However, complications occurred during MIPO in 5/21 cases. Of these, 4 were classified as minor (2x interaction of pins with plate screws; 2x positioning problems due to cranio-lateral pin position) and 1 as moderate (interaction of pin with plate), so that in this case the plate could not be fixed in the optimal position on the bone. Significant differences between the jig-fitted tibiae and the post-MIPO tibiae and between the native ipsilateral tibiae and the post-MIPO tibiae were also detected in the second part of the study.

Nevertheless, when comparing the measured values between the tibiae with jig and the post MIPO tibiae, the result of the reconstruction by MIPO was judged to be close to anatomically correct in 16/21 cases and still acceptable in the remaining 5/21 cases. In a comparison between the post-MIPO tibiae and the native ipsilateral tibiae, 17/21 cases were assessed as close anatomical and only 4/21 as acceptable. Thus, the jig could not prevent the fragments from shifting slightly during MIPO. However, the average deviations in length (approx. 1 mm) and angles (< 3°) were also relatively small in the second part of the study and therefore similar to the first part of the study. The average operation time of the MIPO with the jig attached was 11.38 min in the present study. If the time required for the removal of the jig and the pins was included, the average operation time was 13.05 min.

Conclusion:

In the present study, it was shown that it is possible to create a jig that can align the proximal and distal fragments of the feline tibia and fix it in position with the aid of computer tomography data, virtual planning software and a 3D printer. In addition, it was shown that the mirrored contralateral tibia can serve as a template for the reconstruction of the fractured side. In all cases, MIPO could be performed in a significantly shorter operating time, which above all reduces the risk of infection and also minimises stress for the patient during the procedure. However, the jig was not able to hold the fragments 100% in position during MIPO. Nevertheless, the deviations were minimal and should therefore have no clinical relevance. However, this would have to be evaluated in further clinical studies.