Análise comparativa da resistência de fêmures de cães após a confecção de janelas ósseas circular e quadrada

Resumos

With the purpose of evaluating the weakness caused by holes in the cortical bone, the authors performed circular holes in the diaphysis cortical bone of eight femurs from dog carcasses, and square holes in the diaphysis cortical bone of the contralateral femurs, the diagonals being similar to the diameters. The specimens were submitted to torsion stress test in a mechanical test machine to determine maximum torque and rigidity to torsion. Maximum mean torque for the femurs with circular holes was 13.65 ± 5.12 Nm and mean rigidity was 1.18 ± 0.45 Nm/degree, while the femurs with square holes showed maximum mean torque of 13.39 ± 5.23 Nm and mean rigidity of 1.05 ± 0.41 Nm/degree. The resistance to torsion stress in femurs with circular or square holes was very similar and the statistical analysis did not show a significant difference (p = 0.05).

Bone; biopsy; biomechanics

ARTIGO ORIGINAL

Análise comparativa da resistência de fêmures de cães após a confecção de janelas ósseas circular e quadrada

Olavo Pires de Camargo^I; Priscila Martins^II; Ricardo Menezes de Andrade^II; Camilo Ernesto Pernet Duran^II; Alberto Tesconi Croci^I; Tomaz Puga Leivas^III; César Augusto Martins Pereira^IV; Raul Bolliger Neto^V

^IProfessor Livre-Docente

^IIResidente

^IIIEngenheiro Mecânico do Laboratório de Biomecânica

^IVTecnólogo em Saúde do Laboratório de Biomecânica

^VMédico Assistente-Doutor

RESUMO

Com o objetivo de avaliar o enfraquecimento causado pela confecção de janela óssea cortical, os autores confeccionaram uma janela circular no osso cortical da diáfise de oito fêmures de carcaças de cães e uma janela quadrada nos oito pares destes fêmures, com diagonal semelhante ao diâmetro da janela circular contralateral.

As peças anatômicas foram submetidas a teste de tensão torcional em uma máquina de ensaios mecânicos; obtendo-se o torque máximo e a rigidez à torção.

Os resultados mostraram que, para o fêmur com janela circular, o torque máximo médio foi de 13,65 ± 5,12 Nm, e a rigidez média foi de 1,18 ± 0,45 Nm/grau, enquanto que para a janela quadrada o torque máximo médio foi de 13, 39 ± 5,23 Nm, e a rigidez média foi de 1,05 ± 0,41 Nm/grau. A resistência nos ossos com janela circular e quadrada submetidos à tensão torcional foi praticamente igual, fato este corroborado pela análise estatística que não revelou diferença significante (p = 0,05).

Descritores: Osso,biópsia, biomecânica.

INTRODUÇÃO

Na abordagem cirúrgica ortopédica, freqüentemente há necessidade de abertura de uma janela na região cortical de ossos longos para se ter acesso a diversos processos infecciosos, inflamatórios ou neoplásicos, com a finalidade diagnóstica ou de tratamento. Assim, é comum a confecção de janela cortical para drenagem cirúrgica de osteomielite aguda ou crônica, como método diagnóstico de lesões ósseas e mesmo com o objetivo de curetagem de lesões pseudoneoplásicas e de tumores benignos ^{(3, 6, 7, 11)}. Em todas essas eventualidades produz-se um defeito cortical de tamanho variável, que muitas vezes pode levar à ocorrência de uma fratura patológica, principalmente no fêmur ou na tíbia ^{(6, 11)}. Mesmo quando não é permitida a deambulação, fraturas patológicas pós-cirúrgicas têm ocorrido em alguns ossos, até mesmo com o paciente em repouso e também já ocorreram casos de fraturas com paciente em uso de órtese para proteger o membro. Principalmente no nível diafisiário, esta complicação pós-operatória pode levar à reoperação, visando à redução e à fixação desta fratura. No caso de uma biópsia, por exemplo, isto aumenta o risco de agravamento da infecção ou de contaminação por células neoplásicas, inviabilizando até uma cirurgia conservadora do membro⁽⁶⁾.

O tecido ósseo é um material viscoelástico, anisotrópico, devendo ser tratado como um material heterogêneo, principalmente no que se refere à sua porosidade irregularmente distribuída. Estas características motivaram-nos a fazer, neste trabalho, uma análise comparativa entre as janelas ósseas corticais quadradas e circulares, considerando a resistência às forças torcionais que atuam no tecido ósseo^{(4, 8)}.

Orifícios de qualquer proporção podem enfraquecer o tecido ósseo mas, se o diâmetro do orifício for maior que 30% do diâmetro transversal do osso, esse enfraquecimento torna-se exponencial⁽⁵⁾.

Fatores importantes na gênese de fraturas são a magnitude, a duração e a direção das forças atuando no osso. As forças podem ser de tração ou compressão, neste caso chamadas de forças axiais, pois são paralelas ao eixo longitudinal do osso. Estes esforços provocam encurtamento ou alongamento ósseos. Nos esforços de torção, a deformação angular provoca forças de cisalhamento, cuja tensão máxima ocorre no ponto mais distante do centro do eixo maior do osso, ou seja, na superfície cortical. Observando uma secção transversal do osso, as forças de reação no mesmo, quando submetido à torção, têm o sentido oposto ao da força de torque aplicada. Contudo, quando se tem um defeito ósseo e este é submetido à tensão torcional, o sentido da tensão no osso é o mesmo da força externa aplicada na porção central de sua secção transversal. Neste caso, somente a superfície da região cortical do osso está resistindo à tensão imposta⁽²⁾. Na prática, as janelas ósseas são confeccionadas em formatos diversos, geralmente não arredondados, mas sim com angulações que podem concentrar tensões.

O objetivo deste trabalho experimental em fêmures de cães foi o de realizar uma análise comparativa entre as janelas ósseas corticais quadradas, que são as freqüentemente utilizadas nos procedimentos ortopédicos, e circulares, visando a estabelecer se existe uma diferença significativa entre elas, quanto à resistência do osso submetido às forças de torção.

MATERIAL E MÉTODOS

Foram utilizados oito pares de fêmures de cães já submetidos à eutanásia após prática de técnica cirúrgica. Os pares de fêmures foram captados de carcaças de cães com pesos variando entre 12 e 24 kg (média=18 ±4,1 kg), apresentando diferentes características quanto ao tamanho e à proporção das medidas. Cada fêmur fora retirado através de desarticulações no quadril e no joelho do cão, sendo obtidas peças com todas as partes moles daquele segmento.

As peças foram radiografadas para serem excluídos os casos que apresentassem sinais de patologias ósseas ou de fraturas prévias.

Todas as peças foram submetidas à dissecção das partes moles até o nível subperiostal, dispostas nos pares respectivos, identificadas com números de 1 (um) a 8 (oito) e correlacionadas com o peso da carcaça da qual eram provenientes.

Após a dissecção subperiostal, todos os ossos foram submetidos às mensurações do respectivo comprimento longitudinal e do diâmetro no ponto médio da diáfise, utilizando-se um paquímetro digital Mitutoyo^® (Tabela 1).

Todos os ossos foram acondicionados aos pares respectivos em sacos plásticos, identificados e congelados a -20ºC.

Após um mínimo de quatro horas de descongelamento em soro fisiológico à temperatura ambiente, os fêmures foram submetidos aos pares à confecção das janelas ósseas. As janelas circulares e quadradas foram distribuídas alternadamente, quanto ao lado esquerdo ou direito, entre os pares de fêmures.

Para a confecção das janelas ósseas, os ossos foram presos em um torno de bancada. As janelas quadradas foram confeccionadas com osteótomo delicado, previamente preparado para este trabalho, e as diagonais do quadrado foram dispostas nas direções longitudinal e transversal do osso. Os vértices dos quadrados foram ligeiramente arredondados com uma broca fina. As janelas circulares foram confeccionadas com brocas e perfurador elétrico (Figura 1). As diagonais ou os diâmetros transversos das janelas ósseas quadradas ou circulares, respectivamente, foram realizadas aproximadamente no ponto médio das diáfises femorais e mediam cerca de metade do diâmetro diafisário naquele ponto. Estas medidas foram conferidas com um paquímetro digital com aproximação centesimal (Figura 2) e encontram-se na (Tabela 2).

Após o preparo das janelas ósseas, os ossos foram novamente acondicionados aos pares, numerados e congelados.

Após um mínimo de quatro horas de descongelamento em soro fisiológico à temperatura ambiente, os fêmures foram submetidos ao ensaio de torção, provocando uma rotação interna da extremidade distal do fêmur.

Os ensaios de torção foram executados em uma máquina universal de ensaios mecânicos Kratos K5002, dotada de célula de carga CCI 10 tf. A torção foi realizada transformando-se o movimento retilíneo vertical ascendente do travessão móvel da máquina de ensaios mecânicos em movimento circular, através de um dispositivo dotado de roda denteada e corrente. Uma garra especialmente desenvolvida para esta finalidade foi acoplada à roda denteada axialmente, constituindo o cabeçote móvel ao qual uma das extremidades do fêmur foi fixada. Em sistema deslizante solidário à base do dispositivo, foi montada concentricamente uma segunda garra idêntica à anterior, o cabeçote fixo, para fixação da outra extremidade óssea (Figura 3).

O ensaio foi realizado a uma velocidade constante de 20 mm/min de aplicação de carga na corrente, o que correspondia a 16,7 graus/min de aplicação de torque na garra do cabeçote móvel. Cada osso foi ensaiado até a ocorrência da fratura.

Os dados de força de tração e de ascenção linear aplicadas pelo travessão móvel à corrente, fornecidos pela máquina de ensaios, eram transferidos a um microcomputador tipo IBM-PC através de uma placa de aquisição de dados dotada de conversor analógico-digital. Tal sistema permitiu o acompanhamento gráfico da prova e o cálculo dos parâmetros torque e deformação angular, empregados nos diagramas dos ensaios de torção. Foram calculados os parâmetros rigidez à torção em fase elástica (Nm/grau) e torque máximo (Nm).

Realizou-se estatística descritiva dos parâmetros quantitativos: diâmetro diafisário central, comprimento total do fêmur, rigidez à torção e torque máximo, calculando-se média (M), desvio padrão (DP) e erro padrão da média (EPM).

Compararam-se as amostras relacionadas (pareadas) paramétricas através do teste "t" pareado e as amostras não paramétricas pela prova de Wilcoxon. Adotou-se o nível de significância de 5 % (a = 0,05).

RESULTADOS

Os valores dos torque máximo e da rigidez em fase elástica dos fêmures submetidos aos esforços de torção foram, em média, ligeiramente maiores nos ossos do grupo em que foram confeccionadas janelas circulares. Na comparação estatística, não houve diferenças significativas entre os grupos de fêmures nos quais foram feitas janelas circulares e quadradas, quanto aos parâmetros comprimento total do fêmur, diâmetro da diáfise do fêmur no seu comprimento médio, torque máximo e rigidez em fase elástica. Os valores obtidos e o resultado da análise estatística estão mostrados (Tabelas 2 e 3).

DISCUSSÃO

A comparação pareada reduz a interferência da variação biométrica dos fêmures (dimensão e forma) e do processo de conservação através de congelamento à temperatura de -20º C (Tabelas 1 e 2).

Optou-se por comparar janelas de forma circular e quadrada pela facilidade técnica de realização e pela expectativa de concentrações de tensões significantemente maiores, provocadas pelos ângulos retos do quadrado.

Os testes pretendiam obter parâmetros de comparação que nos permitissem verificar a influência da forma de janelas ósseas corticais na resistência do osso.

A realização de um furo ou janela óssea provoca uma perda significante da resistência óssea à torção e à flexão. A linha de ruptura passa obrigatoriamente pela descontinuidade provocada⁽²⁾.

O efeito de concentração de tensões devido à forma de um orifício é um fenômeno conhecido e de fácil comprovação em materiais isotrópicos e elásticos. Porém, a estrutura óssea tem características mais complexas.

O osso cortical diafisário é um material compósito constituído basicamente por hidroxiapatita, uma cerâmica de alta resistência, que lhe confere principalmente rigidez, e por uma matriz basicamente composta por colágeno, uma proteína responsável por suas propriedades elásticas e plásticas. Sua estrutura não homogênea, a existência de trabeculados ósseos com arquitetura bem definida (alinhamento principal) e a interposição de fluídos conferem ao mesmo características de anisotropia e de viscoelasticidade. Apresenta, in vivo, processo de cicatrização e remodelação contínuos, regulados por mecanismos complexos, inclusive por efeitos piezelétricos⁽⁸⁾.

Estas características fazem com que o osso apresente uma resistência adaptada às tensões pontuais, variáveis ao longo do tempo (idade, por exemplo), posição (localização anatômica) e às solicitações externas (freqüência e intensidade de forças e nível de atividade).

Em relação à forma do furo, a concentração de tensões é proporcionalmente maior naqueles que apresentam mudanças bruscas de forma, como nas janelas quadradas, nas quais, quanto mais agudas forem as arestas, maior o efeito de concentração e, conseqüentemente, maior a resistência do osso às tensões⁽¹⁰⁾.

Ao contrário do que acontece, principalmente nos materiais isotrópicos, é difícil obter-se um acabamento regular no contorno das janelas ósseas, tanto nas confeccionadas por ferramentas de corte manual (osteótomos), como nas confeccionadas por materiais elétricos (serras oscilatórias e brocas).

A realização de janelas com formas mais suaves, que pretendam reduzir os efeitos de concentração, pode, na prática, não surtir o efeito esperado. As irregularidades e descontinuidades das estruturas trabeculares no contorno das janelas não permitem a homogeneização de tensões pretendida. Não se consegue um acabamento suficientemente regular que elimine os efeitos de concentração de tensões.

Um estudo teórico de concentração de tensões em furos com diferentes contornos, elíptico, quadrado com cantos arredondados, quadrado e triangular, variando inclusive as posições⁽⁹⁾. Demonstra uma variação do coeficiente de concentração de tensões (k) para furos em forma (contorno) de círculo (k=2,16), elipse (k=0,67), quadrado com lado paralelo ao eixo e cantos arredondados (k=1,67), quadrado com diagonal paralela ao eixo (k=0,33) e triangular (equilátero) com altura paralela ao eixo (k=5,68). Este estudo pressupõe o osso como um material poroelástico isotrópico (teoria de Biot) ou como elástico isotrópico⁽¹⁾. Chama a atenção no entanto que os resultados reais podem diferir dos obtidos em simulação matemática.

Contrariando as expectativas, não se comprovou diferença significante da resistência óssea à torção em relação à forma de janela (Tabela 3).

Outro resultado surpreendente foi o relatado em experimento, que também não comprovou diferença na resistência à torção em fêmures com furos de 2,8 mm e 3,6 mm de diâmetro, respectivamente⁽¹⁾.

Estes resultados parecem indicar que alterações significantes de forma e dimensão não alteram a resistência à torção.

É provável que os efeitos de concentração de tensões provocados pelas irregularidades e descontinuidades ao redor do contorno da janela sejam os principais responsáveis pela redução da resistência.

Na prática, significa dizer que, enquanto não se desenvolver uma técnica que permita a regularização do contorno da janela óssea que possibilite real homogeneização de tensões, não tem sentido aumentar-se o tempo cirúrgico na tentativa de se obterem formas mais suaves.

Talvez, o cuidado com o acabamento da borda da janela resulte na redução de concentração de tensões e, conseqüentemente, do risco de ocorrência de fraturas patológicas.

Mesmo assim, deve-se, sempre que possível, tentar a superposição do efeito de atenuação (forma e acabamento do rebordo), evitando-se a elaboração de janelas com ângulos agudos e ou com mudança brusca de forma (formas irregulares), e se possível arredondando os cantos vivos, tanto internos, quanto externos.

Verifica-se, também, que os modelos matemáticos atuais utilizados em simulações biomecânicas de estruturas ósseas que utilizam modelos de materiais isotrópicos ou poroelásticos isotrópicos não apresentam resultados satisfatórios, diferindo em muito dos resultados reais⁽⁹⁾.

CONCLUSÃO

A forma das janelas quadradas ou circulares não afeta significativamente a resistência óssea à torção.

Trabalho recebido em 15/08/2001. Aprovado em 28/03/2002

Trabalho realizado pelo Grupo de Oncologia Ortopédica e Laboratório de Biomecânica do IOT Hospital das Clínicas - FMUSP.

• 1 Brooks, D.B., Burstein, A H., Frankel, V.H. : The biomechanics of torsional fractures. J Bone Joint Surg. (Am) 52: 507-513, 1970.
• 2. Burstein, A.H., Currey, J., Frankel, V.H., Heiple, K.G., Lunseth, P., Vessely, J.C. : The effect of screw holes. J Bone Joint Surg (Am) 54: 1143-1156, 1972.
• 3. Fidler, M. : Incidence of fracture through metastases in long bones. Acta Orthop Scand 52: 623-627, 1981.
• 4. Frankel, V.H., Burstein, A.H. : Biomecánica ortopédica. Mecánica aplicada al sistema locomotor, Barcelona, Editorial Jims, 1973. p. 198.
• 5. Harkess, J.W., Ramsey, W.C., Harkess J.W. : Principles of fractures and dislocations in adults; in Rockwood Jr., C.A., Green, O.P., Bucholz, R.W.; Fractures in adults, Philadelphia, Lippincott-Raven, 1966, p. 03-19.
• 6. Harrington, K.D. : News trends in the management of lower extremity metastases. Clin Orthop 169: 53-61, 1982.
• 7. Hipp, J.A., Springfield, D.S., Hayes, W.C. : Predicting pathologic fracture risk in the management of metastatic bone defects. Clin Orthop 312: 120-134, 1995.
• 8. Mears, D.C. : The tissues of the musculoskeletal system; in Materials and orthopaedic surgery, Baltimore, Williams & Wilkins, 1979, p. 762.
• 9 Nowinski, J. : Effect of holes and perforations on the strength and stress distribution in bone elements, in Ghista, D.; Osteoarthromechanics, New York, Mc Graw Hill, 1982, p.46-91.
• 10. Popov, E.: Introdução à mecânica dos sólidos, São Paulo, Edgard Blücher, 1978: p. 534.
• 11. Pugh, J., Sherry, H.S., Futterman, B., Frankel, V.H. : Biomechanics of pathologic fractures. Clin Orthop 169: 109-114, 1982.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  02 Set 2005
• Data do Fascículo
  Jun 2002

Histórico

• Recebido
  15 Ago 2001
• Aceito
  28 Mar 2002