Design and Validation of a Remote-Controlled Internal Lengthening Plate for Distraction Osteogenesis in Pediatric Patients

L'ostéogenèse par distraction est une technique couramment utilisée afin d'allonger les os longs chez les patients atteints d'une difformité osseuse dans un membre. Ce procédé chirurgical consiste à exécuter une ostéotomie partielle au niveau de la diaphyse de l'os et à séparer graduellement les deux morceaux à l'aide d'un fixateur extensible, qui maintient les deux segments osseux vis-à-vis l'un l'autre. Le fixateur le plus répandu est l'appareil Ilizarov qui, malgré son succès dans l'ostéogenèse par distraction, peut causer des infections ou de la cicatrisation excessive au niveau des broches de fixation. L'introduction des fixateurs télescopiques intramédullaires, tel le PRECICE, a résolu ces complications chez les patients adultes. Cependant, son implantation est impossible chez les patients pédiatriques. L'objectif du projet est de concevoir un fixateur extramédullaire dont l'implantation n'endommage pas les plaques de croissance des patients en croissance. Un fixateur extramédullaire en acier inoxydable en forme de plaque osseuse extensible a été conçu afin de pallier le manque d'implants pour ostéogenèse par distraction chez les enfants. Cette plaque est fixée à l'aide de « locking screws », des vis qui maintiennent le dispositif au-dessus de la surface de l'os, préservant ainsi la vascularisation à la surface de l'os et favorisant la régénération. Le fixateur est composé de deux corps télescopiques accouplés, le premier desquels contient un aimant en rotation et une vis sans fin, qui sont responsables de l'extension, et le deuxième qui contient un filet de vis interne compatible avec la vis sans fin. Ces deux corps ont une fixation le long du côté où sont percés trois trous filetés afin de recevoir des « locking screws ». L'aimant est actionné par une manette magnétique externe au patient. Pour chaque rotation de l'aimant, le fixateur subit une extension de 0,025 mm, favorisant ainsi une distraction précise et contrôlée. Afin de tester la force de distraction, un montage expérimental a été conçu pour simuler la force appliquée sur les segments osseux lorsque le fixateur est installé et en fonction. Le fixateur est fixé à une plate-forme coulissante sur laquelle est placé un poids. Des faux segments osseux ont été fixés à la plate-forme ainsi qu'à la base du montage expérimental, pour que la plate-forme coulisse en unisson avec la distraction une fois le fixateur vissé aux segments osseux. Plusieurs distractions complètes de 50 mm ont été exécutées, pour des poids variant de 10 à 70 kg avec un intervalle de 10 kg, ainsi qu'un test additionnel à 75 kg. Ces tests ont été effectués sur des segments cylindriques en bois et sur des os synthétiques.

Abstract

Distraction osteogenesis is a technique widely used to treat limb length discrepancies due to congenital deformities, trauma, or infection. A cut is made to the affected bone, which is then incrementally lengthened with a fixation device used to hold both segments and to apply a distraction. For pediatric patients, the only available option is the Ilizarov external fixator, which is known to cause pin tract infections and scarring, as well as having a negative impact on the child's body image and social life. Recently, the introduction of implantable lengthening nails such as the PRECICE has solved these problems for adult patients. The objective of the project was to design an internal extramedullary and externally controlled fixator whose implantation would not damage the child's growth plates. An extramedullary fixator was designed in the form of a stainless steel lengthening bone plate, screwed on the external surface of the bone. This device makes use of locking screws, which hold the device slightly above the bone surface, preserving the vascularization envelope on the surface of the bone and promoting faster bone regeneration. It is composed of two telescopic halves, the first containing a rotating magnet and a leadscrew, which drive the lengthening mechanism, and the other containing an internal thread compatible with the leadscrew's threads. Each half features a flange running alongside the length of its exterior shell, onto which three screw holes are evenly distributed on each side. This magnet can be activated from outside the patient's limb with a magnetic controller. For every rotation completed by the controller, it is calculated that the device extends 0.025 mm, resulting in a precise and controlled lengthening procedure. To validate the lengthening plate's distraction mechanism, an experimental bench was designed to simulate a load applied on the bone segments while the fixator is installed. To do so, the fixator was attached to a vertically sliding wooden platform onto which weights were stacked. Mock bone segments were attached to the base and the platform, so that the weights would move in unison with the distraction. A series of full 50 mm distractions were performed on the experimental bench, with weights ranging from 10 kg to 70 kg in 10 kg increments, as well as a final test at 75 kg. Also, to measure possible changes in the device's distraction speed, measurements of the gap were taken every five minutes during the lengthening until the full 50 mm distraction was reached. These tests were performed on wooden bone segments and synthetic bones.