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. 2020 Feb 27;18:e0AO5052. doi: 10.31744/einstein_journal/2020AO5052
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Biomechanical comparison of plantar-to-dorsal and dorsal-to-plantar screw fixation strength for subtalar arthrodesis

Nileshkumar Chaudhari 1, Alexandre Leme Godoy-Santos 2,3, Cesar de Cesar Netto 4, Ramon Rodriguez 5, Shouchen Dun 1, Jun Kit He 1, Haley McKissack 1, Glenn S Fleisig 6, Eduardo Araujo Pires 2, Ashish Shah 1
PMCID: PMC7046341  PMID: 32159606

ABSTRACT

Objective

To compare screw fixation strength for subtalar arthrodesis.

Methods

Eight matched pairs of cadaver feet underwent subtalar joint arthrodesis with two 7.3mm cannulated screws. Randomization was used to assign screw orientation, such that one foot in each pair was assigned dorsal to plantar screw orientation (DP Group), and the other foot, plantar to dorsal orientation (PD Group). Standard surgical technique with fluoroscopy was used for each approach. Following fixation, each specimen was loaded to failure with a Bionix ® 858 MTS device, applying a downward axial force at a distance to create torque. Torque to failure was compared between DP and PD Groups using Student’s t test, with p=0.05 used to determine statistical significance.

Results

Statistical analysis demonstrated that the mean torque to failure slightly favored the DP Group (37.3Nm) to the PD Group (32.2Nm). However, the difference between the two groups was not statistically significant (p=0.55).

Conclusion

In subtalar arthrodesis, there is no significant difference in construct strength between dorsal-to-plantar and plantar-to-dorsal screw orientation. The approach chosen by the surgeon should be based on factors other than the biomechanical strength of the screw orientation.

Keywords: Subtalar joint, Arthrodesis, Ankle, Joint instability, Arthritis, Joint diseases

INTRODUCTION

Arthrodesis of the subtalar joint is an effective treatment for patients with isolated subtalar arthritis or instability. ( 1 , 2 ) Subtalar joint arthritis may develop idiopathically or secondary to trauma ( 3 ) inflammatory arthropathy, ( 4 ) tarsal coalition, ( 5 ) and ankle arthrodesis. The subtalar joint may become unstable by ligament or tendon insufficiency, ( 6 , 7 ) or by neuromuscular dysfunction. ( 8 ) Subtalar arthrodesis is done as a component of triple arthrodesis for stage three adult-acquired flat foot to correct hind foot misalignment. However, for talocalcaneal conditions, isolated subtalar arthrodesis has also been advocated for with cited advantages of lower risk of adjacent joint arthritis and lower risk of nonunion or malunion of the transverse tarsal joint. In all cases the procedure is performed to relieve pain and improve function. ( 1 , 2 , 9 ) The root of this pain lies in changes in articular geometry and, therefore, joint motion, in these pathologies. There is increased stress on joints in the area and the foot is forced to perform abnormal motions, resulting in increased contact stress and forces that cause further degeneration. ( 10 ) The goal is to fuse the subtalar joint in a solid and physiologic position to stop further painful motion. ( 11 )

Fusion rates in subtalar arthrodesis range from 84% to 100% in various studies. ( 1 , 2 , 12 ) Operative techniques have included various adjuncts to help achieve fusion, including autogenous bone graft, allograft, and, more recently, various orthobiologics. ( 13 ) Subtalar arthrodesis with autologous bone grafts and secured with cancellous bone screw showed ample stability and rate of union. Prior to 1970, internal fixation was not used for these procedures, particularly in children. Initially, Steinmann pins were used to maintain the achieved position of the joint, and later staples and power devices were used. ( 14 , 15 ) With the advent of AO techniques (https://www.aofoundation.org/), compression screws were introduced to maintain position and to enhance the likelihood of a successful bony fusion. ( 1 , 9 , 16 , 17 )

The goal of this study was to compare the biomechanical stability of these two constructs, to investigate whether dorsal-to-plantar screw orientation or plantar-to-dorsal screw orientation creates a more stable construct. The techniques were compared using two screws for fixation. From dorsal to plantar, two 32mm partially-threaded, 7.3mm cannulated cancellous screws were used. From plantar to dorsal, two 7.3mm cannulated cancellous screws were used; the short-threaded 16mm screw was used to gain compression in combination with a long-threaded screw to maximize the fixation with this approach.

OBJECTIVE

To compare screw fixation strength for subtalar arthrodesis.

METHODS

Eight matched-pair fresh-frozen human cadaver feet were tested for this study at the American Sports Medicine Institute (ASMI), from May to July 2018. This project has exemption from ethics committee (www.birmingham.ac.uk/Documents/university/legal/research.pdf). The age of the donors was 56 (±6.5) years old. The specimen was stored frozen at -20 o C until the day before testing. Each specimen was thawed overnight at room temperature. All subtalar joint preparations and fixations were performed by a single surgeon.

One foot from each pair was randomly assigned to one of two groups. One group underwent screw placement in the dorsal-to-plantar orientation (DP Group) from the neck of the talus to posterior calcaneus, and the other group from plantar-to-dorsal orientation (PD Group) from posterior calcaneus to the body and neck of talus.

The subtalar joint was exposed through a 2cm curvilinear incision starting from the tip of the lateral malleolus, extending distally and anteriorly up to sinus tarsi and then extending distally around 1cm. The extensor digitorum brevis muscle was elevated along with sinus tarsi fat pad in single thick flap. Cartilage from the subtalar joint was denuded both from the talus and the calcaneus.

For dorsal-to-plantar screw fixation, an approximately 3cm incision was made between the tibialis anterior tendon and extensor hallucis longus tendon, starting at the level of the anterior ankle joint and extending distally. The neck, medial, and lateral boundaries of the talus were exposed. The heel was held in the center of the palm, maintaining 5° of valgus at the subtalar joint. One 4.5mm threaded guide pin for a 7.3mm screw was placed from the center of the neck of the talus directed towards the center of the palm at the posterior inferior aspect of the calcaneal tubercle, to fix the subtalar joint and compress the posterior facet. Image intensification was utilized with a sagittal and a tangential view of the calcaneus to confirm accurate placement of the pin. Another pin was placed from the medial aspect of the talus neck and directed laterally and plantar towards the calcaneus to fix the anterior facet of subtalar joint. Drilling of the talus and superior surface of the calcaneus was carried out after determining the appropriate depth with the gauge. A 7.3mm, 32mm thread length cannulated cancellous lag screw was inserted over the pin to tightness. A second guide pin was placed distally and more medially on the talar neck, directed more laterally and plantar into the anterior process of the calcaneus. The second pin was measured and overdrilled and the screw was inserted.

For plantar-to-dorsal screw fixation, an approximately 2cm incision was made posteroinferiorly over the calcaneus distal to the Achilles tendon insertion. Two 4.5mm threaded guide pins were placed in parallel from the posterior aspect of calcaneus into the body and neck of the talus. Two 7.3mm cannulated cancellous screws were placed over the guide pins after drilling across the plantar cortex of the talus. Placement of the screws was confirmed with image intensification, using sagittal and anterior views of the ankle and a tangential view of the calcaneus.

After all the soft tissues were removed from the bones, the talus was potted into an aluminum cylinder using polymethyl-methacrylate (PMMA) ( Figure 1 ). A threaded Steinmann pin was drilled through the holes on the cylinder wall, PMMA, and talus to help hold the specimen in position. The construct was mounted on a material testing system (Bionix ® 858, MTS, Eden Prairie, MN) with the talus and calcaneus in the horizontal direction and the medial aspects of each facing up ( Figure 2 ). The position of the construct was adjusted so that the vertical load could be applied to the distal point of the medial aspect of the calcaneus, with the tip of the actuator simulating a medially-applied force at the subtalar joint. Vertical load was applied at 5mm/s. ( 18 ) The test was terminated when an approximately 5mm opening (measured by a tape) at the subtalar joint was observed. The force to failure was determined to be the force at which the fixation failed, which was indicated by a sudden drop in the load-displacement. ( 6 ) The distance between the point of force application to the center of the subtalar joint line was measured using a digital caliper (500-196-20 0-6 Digimatic Caliper, Mitutoyo America, Aurora, IL) and served as the moment arm. The product of this moment arm and the force to failure was considered as the screw fixation failure torque.

Figure 1. Experimental setup. The talus is potted within the aluminum cylinder. A Steinmann pin is drilled to hold the talus in place. The medial aspects of the talus and calcaneus are facing up.

Figure 1

MTS: Bionix ® 858 MTS.

Figure 2. Experimental setup. The construct was mounted on a material testing system.

Figure 2

The fixation strengths were compared between the two groups using a paired t test. Statistical significance was kept at p<0.05. Statistical analysis was conducted using (SPSS), version 11.5.0 software (SPSS Inc., Chicago, IL).

RESULTS

The force to failure was 585.9±201.1N for the plantar-to-dorsal fixation and 667.2±449.4N for the dorsal-to-plantar fixation. The moment arm was 55.1±4.7mm for the dorsal-to-plantar fixation and 54.8±3.9mm for the plantar-to-dorsal fixation. The failure torque was 32.2±11.2Nm and 37.3±26.9Nm for the plantar-to-dorsal and dorsal-to-plantar fixations, respectively ( Figure 3 and 4 ). Even though the average failure torque of the dorsal-to-plantar technique was slightly greater than that of the plantar-to-dorsal technique, the difference was not statistically significant (p=0.55).

Figure 3. Comparison of load to failure between plantar-to-dorsal and dorsal-to-plantar fixations.

Figure 3

Figure 4. Screw placements. (A) Dorsal-to-plantar screw orientation. Two 7.3mm cannulated screws were placed from the talus, directed posteriorly through the calcaneus toward the plantar surface. (B) Plantar-to-dorsal screw orientation. Two 7.3mm cannulated screws were directed from the calcaneus, anteriorly and superiorly through the talus.

Figure 4

DISCUSSION

When performing subtalar arthrodesis, internal fixation with screws has been shown to achieve exceptional compression and rigid immobilization. Surgeons have the choice of types of screw, number of screws, and direction of screw placement. ( 19 ) There is no consensus on which manner of fixation is the best. ( 20 , 21 )

Rate of nonunion with subtalar arthrodesis has been reported to vary between 2% and 30%. ( 22 ) Meticulous preparation of the joint, compression, and immobilization are especially important for preventing non-union and malunion. ( 19 ) The use of double parallel screws and double diverging screws have both been identified to provide support under two to three-fold greater compressive force than a single-screw construct. Chuckpaiwong et al. provided biomechanical evidence for selecting specific screw constructs, trajectories, and patterns. A double screw fixation displayed greater compression, torsional stiffness, and resistance to joint rotation. ( 23 )

There is also a positive correlation between bone density and compression capacity of screws. ( 22 ) The bone in the neck is harder than the soft cancellous bone of the heel, which gives better purchase to the head. We therefore used the long-threaded 32mm screws for better calcaneal stability. ( 11 )

Previous literature has not compared the biomechanical effectiveness and fusion rates between placing screw from the heel up and from the talar neck down for internal fixation. Fixation in the plantar-to-dorsal direction, from calcaneus to talus, has become routine in many practices. ( 11 ) This approach is commonly used when performing a calcaneal osteotomy with subtalar fusion, as in rheumatoid arthritis, severe deformity in posterior tibial dysfunction, and in some cases of arthritis secondary to calcaneal fractures. ( 18 ) The advantages described are that this technique has an easier initial approach, access to denser talar bone once the screw is placed, and less risk of neurovascular injury than the dorsal-to-plantar approach. ( 16 ) Any disturbance of bone supply can easily deprive the bone of the oxygen source, potentially leading to talar avascular necrosis. The plantar-to-dorsal technique avoids this complication. ( 24 )

The alleged disadvantages to the heel approach are that the calcaneal cortex is often relatively soft, necessitating use of a washer to stabilize the screw head and prevent penetration, and that the short-threaded screw is needed for at least the first screw to allow compression and avoid the threading from crossing the joint. ( 11 ) Additionally it is often cumbersome to the surgeon to control foot position in addition to having to hold the foot up in order to place the screws. Consistent with Kunzler et al., a frequent complaint with this technique is symptomatic hardware from prominence of headed screws, occurring from 11% to 53% of cases. The patients walk on the screws which elicits pain and the screws often need to be taken out, requiring a return to the operating room. A simple solution to this was the suggested use of headless screws that allow burial below the cortical surface. ( 25 )

The dorsal-to-plantar technique has its own benefits and disadvantages as well. When osteotomy of the calcaneus or other indications listed above are not present, this approach allows simple supine positioning of the patient with a bump under the hip to bring the foot to a neutral rotation position, and only two fluoroscopy views are required to check position of the pin. The surgeon can hold the foot in one hand and place the pins and screws with the drill in the other hand in an easily reproducible manner. This also allows the surgeon to manipulate the foot easily, observe the range of motion and relation between the talus and calcaneus, and assess the impact on procedure outcome. ( 14 ) By holding the heel in the midpoint of the palm and aiming to this point with the pin through the neck of the talus, accurate placement of this first pin can be frequently achieved on the first try. After this screw is inserted, the first guide pin can be left in place and the second pin can easily be oriented based on the first. ( 26 ) In contrast, placing the guide pins from plantar to dorsal requires placing the patient in the lateral position, holding that position with a device such as a vacuum “bean-bag”, making certain that the fluoroscopy beam rotation is perfectly sagittal, and acquiring three views to ensure accurate pin placement. ( 9 )

One limitation of the dorsal-to-plantar technique is the possibility of anterior ankle impingement on the lower anterior tibia by the hardware, if the screws are not placed deep enough in the talar neck. Limited thread tightness has also been reported in the less dense calcaneal bone. ( 11 ) This can be overcome by confirming the depth fluoroscopically and ensuring appropriate range of motion of the ankle after arthrodesis. The surgeon can also solve this by countersinking the screws or placing the screws further down the talar neck if the anatomy allows.

Avascular necrosis is an additional risk to take into consideration with the dorsal-to-plantar technique. It has been reported in the literature that avascular necrosis occurs at the subchondral bone, at the subtalar joint, in a sizeable portion of patients who develop this complication. Of note, the results of this study showed a large standard deviation of 449.4N for force failure in the dorsal-to-plantar fixation construct, as compared to 201.1N in the plantar-to-dorsal fixation construct. This variation may suggest that stability using the dorsal-to-plantar approach is less predictable; however, no definite conclusion can be drawn and this would warrant further investigation.

In terms of limitations for this study, sample size was small as only eight matched pairs of cadaveric limbs were included. Furthermore, only the strength of the construct was tested in the Bionix 858 MTS, ignoring the other biological factors involved in the successful arthrodesis of the subtalar joint. Additionally, the bone marrow density of the cadaveric bone was unknown, which may impact the overall strength of the constructs. Future studies that account for the factors mentioned above are warranted to compare fusion rates with the dorsal-plantar and plantar-dorsal techniques.

No significant difference was found between the dorsal-to-plantar or the plantar-to-dorsal technique with respect to the failure torque of the screw construct.

CONCLUSION

Although no definitive conclusions can be drawn with respect to this study’s clinical implications, our results suggest that the surgeon may be able to determine the manner of fixation by taking into account additional procedures that need to be accomplished, rather than by which screw orientation will provide the most stable arthrodesis. When subtalar fusion needs to be combined with a calcaneal osteotomy, the screws can be placed from the calcaneus to the talus. If there is no need for an osteotomy, the method is at the surgeon’s discretion.

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Comparação biomecânica da força de fixação de parafuso com orientação de plantar para dorsal e vice-versa para artrodese subtalar

Nileshkumar Chaudhari 1, Alexandre Leme Godoy-Santos 2,3, Cesar de Cesar Netto 4, Ramon Rodriguez 5, Shouchen Dun 1, Jun Kit He 1, Haley McKissack 1, Glenn S Fleisig 6, Eduardo Araujo Pires 2, Ashish Shah 1

RESUMO

Objetivo

Comparar a força de fixação dos parafusos para artrodese subtalar.

Métodos

Oito pares de pés de cadáveres frescos foram submetidos à artrodese da articulação subtalar com dois parafusos canulados de 7,3mm. A randomização foi usada para atribuir a orientação do parafuso, de modo que um pé em cada par foi designado com orientação de dorsal para plantar (Grupo DP), e o outro pé com orientação de plantar para dorsal (Grupo PD). Técnica cirúrgica padrão com radioscopia foi usada para os procedimentos. Após a fixação, cada amostra foi testada até a falha com um dispositivo Bionix®858 MTS, aplicando força axial descendente a uma distância para criar torque. O torque de falha foi comparado entre os Grupos DP e PD, usando o teste t de Student, com p=0,05 usado para determinar significância estatística.

Resultados

A análise estatística demonstrou que a média do torque até a falha favoreceu ligeiramente o Grupo DP (37,3Nm) em relação ao PD (32,2Nm). No entanto, a diferença entre os dois grupos não foi estatisticamente significativa (p=0,55).

Conclusão

Na artrodese subtalar, não há diferença significativa na força de compressão entre as orientações dos parafusos dorsal-plantar e plantar-dorsal. A abordagem escolhida pelo cirurgião deve ser baseada em outros fatores, sem preocupação com a força biomecânica da orientação dos parafusos.

Keywords: Articulação subtalar, Artrodese, Tornozelo, Instabilidade articular, Artrite, Artropatias

INTRODUÇÃO

A artrodese da articulação subtalar é um tratamento eficaz para pacientes com instabilidade ou artrite subtalar isolada.( 1 , 2 )O desenvolvimento de artrite da articulação subtalar pode ser idiopático ou secundário a traumas,( 3 )artropatia inflamatória,( 4 )coalizão tarsal( 5 )e artrodese do tornozelo. A articulação subtalar pode se tornar instável por insuficiência ligamentar ou tendínea,( 6 , 7 )ou por disfunção neuromuscular.( 8 )A artrodese subtalar é feita como um componente da artrodese tripla para o tratamento de pé plano valgo adquirido do adulto em estágio III, para corrigir o desalinhamento do retropé. Porém, a artrodese subtalar isolada também é recomendada para alterações talocalcaneanas, por seu risco diminuído de artrite adjacente e de falha na consolidação ou consolidação viciosa da articulação tarsal transversa. Em todos os casos, o procedimento é realizado para aliviar a dor e melhorar a função.( 1 , 2 , 9 )A causa da dor, nessas alterações, são as mudanças na geometria articular e nos movimentos articulares. Existe um aumento do estresse nas articulações, e o pé é forçado a fazer movimentos anormais, o que resulta em aumento do estresse de contato e força que levam a mais degeneração.( 10 )O objetivo é consolidar a articulação subtalar em posição sólida e fisiológica, para evitar dores de movimento.( 11 )

As taxas de fusão na artrodese subtalar variam entre 84% e 100% em diversos estudos.( 1 , 2 , 12 )As técnicas operatórias incluem muitos adjuntos para se obter a fusão, incluindo o enxerto ósseo autógeno, aloenxerto e, mais recentemente, diversos tratamentos biológicos ( orthobiologics ).( 13 )A artrodese subtalar com enxertos ósseos autólogos presa com parafuso para osso esponjoso apresenta grande estabilidade e boa taxa de consolidação. Antes de 1970, a fixação interna não era utilizada para esse procedimento, especialmente em crianças. Inicialmente, eram usados pinos de Steinmann para manter a posição obtida da articulação; depois, passou-se a utilizar grampos cirúrgicos e dispositivos de fusão.( 14 , 15 )Com o advento das técnicas AO de fixação (https://www.aofoundation.org/), foram introduzidos parafusos de compressão para manter a posição e aumentar a probabilidade de sucesso da fusão óssea.( 1 , 9 , 16 , 17 )

Este estudo tem como objetivo comparar a estabilidade biomecânica desses dois construtos, para investigar qual orientação do parafuso cria um construto mais estável: se dorsal para plantar (DP) ou plantar para dorsal (PD). As técnicas foram comparadas utilizando-se dois parafusos para fixação. Para a orientação DP, utilizaram-se dois parafusos para ossos esponjosos canulados de 7,3mm de comprimento, com rosca de 32mm. Para a orientação PD, utilizaram-se dois parafusos para ossos esponjosos canulados de 7,3mm de comprimento, com rosca de 16mm, para ganhar compressão em combinação com parafuso de rosca longa para maximizar a fixação.

OBJETIVO

Comparar a força de fixação do parafuso para artrodese subtalar.

MÉTODOS

Oito pares combinados de pés de cadáveres humanos frescos foram testados para este estudo no American Sports Medicine Institute (ASMI), de maio a julho de 2018. Este projeto teve isenção do Comitê de Ética (www.birmingham.ac.uk/Documents/university/legal/research.pdf). A idade dos doadores era 56 (±6,5) anos. Os espécimes foram armazenados congelados a -20°C até o dia antes do teste. Cada espécime foi descongelado durante a noite em temperatura ambiente. Todas as preparações articulares subtalares e fixações foram feitas por um único cirurgião.

Um pé de cada par foi aleatoriamente designado para um dos dois grupos. Um grupo teve a colocação do parafuso feita na orientação DP (Grupo DP), do colo do tálus ao calcâneo posterior. O outro grupo teve a colocação feita na orientação PD (Grupo PD), do calcâneo posterior para o corpo e colo do tálus.

A articulação subtalar foi exposta por meio de incisão curvilínea de 2cm, da ponta do maléolo lateral, estendendo-se em sentido distal e anterior por 1cm até o seio tarso. O músculo extensor curto dos dedos foi elevado junto da bolsa de gordura do seio tarso em retalho único. A cartilagem da articulação subtalar foi desnudada do tálus e do calcâneo.

Para a fixação DP, foi feita incisão de aproximadamente 3cm entre o tendão tibial anterior e o tendão flexor longo do hálux, começando na altura da articulação do tornozelo anterior e estendendo-se em sentido distal. Foram expostos os bordos medial e lateral e o colo do tálus. O calcanhar foi segurado no centro da palma, mantendo-se 5° de valgo na articulação subtalar. Colocou-se um pino guia com rosca de 4,5mm para parafuso de 7,3mm do centro do colo do tálus em direção ao centro da palma, no aspecto inferior posterior do tubérculo do calcâneo, para ajustar a articulação subtalar e comprimir a faceta posterior. Foi utilizada intensificação de imagem, com visão sagital e tangencial do calcâneo, para confirmar a colocação correta do pino. Outro pino foi inserido do aspecto medial do colo do tálus, em sentido lateral e plantar, em direção ao calcâneo, para ajustar a faceta anterior da articulação subtalar. Foi feita a perfuração do tálus e da superfície superior do calcâneo, após determinação da profundidade adequada com o medidor. Foi inserido parafuso de osso esponjoso canulado de 7,3mm de comprimento e de rosca de 32mm no pino-guia, até que ficasse justo. Um segundo pino guia foi colocado em sentido distal e medial no colo do tálus, em direção mais lateral e plantar no processo anterior do calcâneo. O segundo pino foi medido e alargado, e o parafuso foi inserido.

Para a fixação PD, foi feita incisão de cerca 2cm posteroinferior sobre o calcâneo distal até a inserção no tendão de Aquiles. Dois pinos-guia com rosca de 4,5mm foram colocados paralelos à parte posterior do calcâneo e inseridos no corpo e colo do tálus. Dois parafusos de osso esponjoso canulados de 7,3mm foram colocados sobre os pinos-guia após perfuração por meio do córtex plantar do tálus. A colocação dos parafusos foi confirmada com intensificação de imagem, utilizando-se projeção sagital e anterior do tornozelo, e tangencial do calcâneo.

Após a remoção de todos os tecidos moles dos ossos, o tálus foi fixado em um cilindro de alumínio com polimetilmetacrilato (PMMA) ( Figura 1 ). Um pino de Steinmann rosqueado foi inserido através dos orifícios na parede do cilindro, PMMA, passando também através do tálus, para manter o espécime na mesma posição. O construto foi fixado em um sistema de testagem de materiais (Bionix®858, MTS, Eden Prairie, MN), com o tálus e o calcâneo em direção horizontal e suas porções mediais viradas para cima ( Figura 2 ). A posição do construto foi ajustada de forma que a carga vertical pudesse ser aplicada ao ponto distal da porção medial do calcâneo, com a ponta do atuador simulando uma aplicação de força medial na articulação subtalar. A carga vertical foi aplicada a 5mm/s.( 18 )O teste terminou quando foi observada uma abertura de aproximadamente 5mm (medida com fita métrica) na articulação subtalar. A força até a falha foi determinada pela força exercida, quando houve falha da fixação, indicada por queda repentina no deslocamento da carga.( 6 )A distância entre o ponto de aplicação de força até o centro da linha da articulação subtalar foi medida por compasso de calibre digital (500-196-20 0-6 Digimatic Caliper, Mitutoyo America, Aurora, IL) e serviu como a distância perpendicular. O produto dessa distância perpendicular e a força até a falha foi considerado como o torque de falha da fixação do parafuso.

Figura 1. Configuração experimental. O tálus é fixado dentro no cilindro de alumínio. Um pino de Steinmann é colocado para manter o tálus no lugar. As porções mediais do tálus e do calcâneo estão viradas para cima.

Figura 1

MTS: Bionix®858 MTS.

Figura 2. Configuração experimental. O construto foi fixado no sistema de testagem de materiais.

Figura 2

As forças de fixação foram comparadas entre os dois grupos, utilizando-se o teste t pareado. A significância estatística foi mantida em p<0,05. A análise estatística foi feita com o software (SPSS), versão 11.5.0 (SPSS Inc., Chicago, IL).

RESULTADOS

A força até a falha foi de 585,9±201,1N para a fixação PD e 667,2±449,4N para a fixação DP. A distância perpendicular foi de 55,1±4,7mm para a fixação DP e 54,8±3,9mm para a fixação PD. O torque de falha foi de 32,2±11,2Nm e 37,3±26,9Nm para as fixações PD e DP, respectivamente ( Figura 3 e 4 ). Embora a média do torque de falha da técnica DP tenha se mostrado ligeiramente mais elevada do que a média da técnica PD, essa diferença não apresentou significância estatística (p=0,55).

Figura 3. Comparação das cargas até a falha entre as fixações plantar para dorsal e dorsal para plantar.

Figura 3

Figura 4. Posicionamento dos parafusos. (A) Orientação dorsal para plantar. Dois parafusos canulados de 7,3mm foram colocados do tálus, posteriormente pelo calcâneo, em direção à superfície plantar. (B) Orientação plantar para dorsal. Dois parafusos canulados de 7,3mm foram colocados do calcâneo em sentido anterior e superior, através do tálus.

Figura 4

DISCUSSÃO

Para a artrodese subtalar, a fixação interna com parafusos demonstra excelente compressão e imobilização rígida. Os cirurgiões podem escolher entre diferentes tipos e quantidade de parafusos, e a direção em que serão colocados.( 19 )Não há consenso sobre qual a melhor maneira de fixação.( 20 , 21 )

O índice de falha de consolidação em artrodese subtalar varia entre 2% e 30%.( 22 )A preparação meticulosa da articulação, a compressão e a imobilização são extremamente importantes para prevenir a falha da consolidação ou consolidação viciosa malunion.( 19 )Há evidências de que o uso de dois parafusos, paralelos ou divergentes, aumenta de duas a três vezes a resistência à força compressiva, com relação a um construto com apenas um parafuso. Chuckpaiwong et al., demonstraram evidências biomecânicas para construtos, trajetórias e padrões específicos de parafusos. A fixação com dois parafusos apresentou maior compressão, rigidez na torção e resistência à rotação articular.( 23 )

Há também correlação positiva entre densidade óssea e a capacidade de compressão dos parafusos.( 22 )O osso no colo é mais duro do que o osso esponjoso e mole do calcanhar, dando mais firmeza para a cabeça. Utilizamos, assim, o parafuso com rosca de 32mm para dar mais estabilidade ao calcanhar.( 11 )

Não há, na literatura, comparação entre a efetividade biomecânica e as taxas de fusão entre a colocação do parafuso do calcanhar para cima ou do colo do tálus para baixo para fixação interna. A fixação no sentido PD, do calcâneo para o tálus, tornou-se rotina em diversos casos.( 11 )Essa abordagem é comumente usada em osteotomias do calcâneo com fusão subtalar, como em casos de artrite reumatoide, deformidade grave em disfunção tibial posterior e em alguns casos de artrite secundária a fraturas do calcâneo.( 18 )As vantagens descritas incluem o fato de que essa técnica tem abordagem inicial mais fácil, dá acesso aos ossos mais densos do tálus após a inserção do parafuso e apresenta menor risco de lesão neurovascular do que a abordagem DP.( 16 )Qualquer perturbação do suprimento ósseo pode fazer com que o osso perca o acesso à fonte de oxigênio, potencialmente levando à necrose avascular do tálus. A técnica PD evita tal complicação.( 24 )

As desvantagens da técnica PD incluem o fato de que o córtex do calcâneo é, muitas vezes, relativamente mole e requer o uso de arruelas para estabilizar a cabeça do parafuso e prevenir a penetração, e, além disso, a rosca curta é necessária pelo menos no primeiro parafuso, para permitir compressão e evitar que a rosca atravesse a articulação.( 11 )Ademais, é extremamente incômodo para o cirurgião controlar a posição do pé, além de ter que segurá-lo levantado, para colocar os parafusos. Conforme observado também por Kunzler et al., uma queixa frequente com essa técnica é a proeminência sintomática da cabeça dos parafusos, o que ocorre em 11% a 53% dos casos. Os pacientes andam sobre os parafusos, o que causa dor e, muitas vezes, requer a remoção dos parafusos, bem como nova cirurgia. Um solução simples é o uso de parafusos sem cabeça, o que permite que eles sejam colocados abaixo da superfície cortical.( 25 )

A técnica DP tem seus próprios benefícios e desvantagens. Quando a osteotomia do calcâneo ou outras indicações listadas aqui não estão presentes, essa abordagem permite que o paciente fique em posição supina com elevação na área do quadril, de forma a trazer o pé para uma posição de rotação neutra; além disso, requer apenas duas imagens de fluoroscopia, para checar a posição do pino. O cirurgião pode segurar o pé com uma mão e colocar os pinos e parafusos com a broca cirúrgica com a outra mão, de forma facilmente reprodutível. Isso também permite que o cirurgião manipule o pé com facilidade, observe a amplitude de movimento e a relação entre o tálus e o calcâneo, e faça avaliações sobre impacto no desfecho do procedimento.( 14 )Segurando-se o calcanhar com o ponto central da palma e utilizando esse ponto como mira para o pino em direção ao colo do tálus, a colocação precisa desse primeiro pino é geralmente obtida na primeira tentativa. Após a inserção do parafuso, o primeiro pino-guia pode ser deixado no lugar, e o segundo pino é facilmente guiado com base no primeiro.( 26 )Em contraste, a colocação dos pinos-guia no sentido PD requer que o paciente esteja em posição lateral, o que demanda colchão posicionador a vácuo, sendo necessário garantir que a rotação dos raios de fluoroscopia seja precisamente sagital, com três imagens para assegurar a colocação precisa do pino.( 9 )

Uma limitação da técnica DP é a possibilidade de impacto do tornozelo anterior na tíbia anterior inferior, devido aos parafusos, caso os parafusos não tenham penetrado o suficiente no colo do tálus. Também há relatos de firmeza limitada na rosca dos parafusos em ossos do calcâneo com menor densidade.( 11 )Isso pode ser resolvido, confirmando-se a profundidade, por meio de fluoroscopia e garantindo que haja amplitude adequada de movimento do tornozelo após a artrodese. O cirurgião também pode resolver essa questão, escareando os parafusos ou os colocando mais fundo no colo do tálus, se a anatomia permitir.

A necrose avascular é um risco adicional a ser levado em conta na técnica DP. Há relatos na literatura da ocorrência de necrose avascular no osso subcondral, na articulação subtalar, em grande parte dos pacientes que desenvolvem tal complicação. Vale destacar que os resultados deste estudo mostraram grande desvio padrão de 449,4N para força de falha na fixação DP, em comparação a 201,1N na fixação PD. Essa variação pode sugerir que a estabilidade seja menos previsível na abordagem DP – porém, não se pode obter conclusões definitivas e são necessárias futuras investigações.

Com relação às limitações deste estudo, a amostra era pequena – apenas oito pares de membros cadavéricos foram incluídos. Além disso, foi testada apenas a força do construto no Bionix 858 MTS, não incluindo outros fatores biológicos envolvidos no sucesso da artrodese da articulação subtalar. Ademais, a densidade da medula óssea dos cadáveres era desconhecida, o que pode impactar na força geral dos construtos. São necessários estudos futuros que incluam os fatores mencionados acima para comparar os índices de fusão com as técnicas DP e PD.

Não foi observada diferença significativa entre as técnicas DP e PD com relação ao torque de falha dos construtos dos parafusos.

CONCLUSÃO

Embora não seja possível tirar conclusões definitivas com relação às implicações clínicas deste estudo, nossos resultados sugerem que talvez o cirurgião possa determinar a maneira de fixação adequada, levando em conta os procedimentos adicionais necessários, em vez de se basear em qual orientação do parafuso resultará na artrodese mais estável. Quando a fusão subtalar precisa ser combinada com a osteotomia do calcâneo, os parafusos podem ser colocados do calcâneo para o tálus. Se não houver necessidade de osteotomia, o cirurgião pode definir o método de sua preferência.


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