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HNO

, Volume 55, Issue 12, pp 938–944 | Cite as

Untersuchungen zum Entstehungsmechanismus der isolierten Orbitabodenfraktur

Simulation am Finite-Elemente-Modell des menschlichen Schädels
  • C. PunkeEmail author
  • A. Fritsche
  • H. Martin
  • K.P. Schmitz
  • H.W. Pau
  • B. Kramp
Originalien

Zusammenfassung

Hintergrund

Die isolierte Orbitabodenfraktur stellt einen wesentlichen Anteil der Mittelgesichtsfrakturen dar. Dabei ist der Mechanismus der Entstehung von isolierten Frakturen der Orbitawände (Blow-Out-Frakturen) noch ungeklärt. Es haben sich zwei konkurrierende Erklärungsmodelle herausgebildet. Während die Hydraulic-Pressure-Theorie davon ausgeht, dass die Last hauptsächlich über den inkompressiblen Orbitainhalt auf den Orbitaboden übertragen wird, erklärt die Buckling-Force-Theorie die Frakturen durch Spannungs- und Biegebrüche der Orbitawände infolge Lasteinleitung direkt auf den Orbitarand.

Material und Methoden

Um den Mechanismus der Frakturentstehung zu klären wurde ein vereinfachtes Finite-Elemente-Modell des Schädels durch optische Vermessung eines Autopsieschädels entwickelt. Materialdaten aus der Literatur wurden zur Annäherung des Modells übernommen. In verschiedenen Lastversuchen wurden beide Hypothesen durch direkte und indirekte Kraftübertragung simuliert.

Ergebnisse

Verschiedene Lastversuche wurden mit Hilfe des Finite-Elemente-Modells des Schädels simuliert. Die berechneten Druckkonzentrationsmaxima zeigten sich im Orbitaboden.

Schlussfolgerung

Die Simulation zeigte, dass beide Mechanismen zu Frakturen führen können, wie auch neuere Untersuchungen belegen. Die Generierung eines Finite-Elemente-Modells und die Simulation von Lastfällen dienten zunächst der Etablierung einer Methode. Um ein in den Eigenschaften realitätsnahes Modell des menschlichen Schädels nachzubilden sind genauere Untersuchungen zu den Materialdaten der verschiedenen Strukturen und die erweiterte Bestimmung und Vermessung unterschiedlicher Schädel- bzw. Orbitageometrien notwendig.

Schlüsselwörter

Finite-Elemente-Modell Orbitabodenfraktur Buckling-Force-Theorie Hydraulic-pressure-Therorie Orbita 

Investigation of the mechanisms involved in isolated orbital floor fracture

Simulation using a finite element model of the human skull

Abstract

Background

Isolated orbital floor fractures make up a significant proportion of all facial injuries, but the mechanism involved in these injuries to the orbital walls (blow-out fractures) has not yet been completely defined. Two theories have been described, which seem to be mutually exclusive. According to the hydraulic pressure theory, the kinetic energy of the blow is transferred via the incompressible eye tissue to the floor of the orbita, which in turn fractures. The buckling force theory, in contrast, explains these fractures as the result of bending and shear stresses arising from kinetic energy act directly on the orbital rim.

Materials and Methods

With the aim of elucidating the mechanism of injury, we constructed a simplified finite-element model of the human orbita by 3D optical scanning of a human skull obtained after an autopsy examination. We created a generic approximation model based on empiric data derived from femoral fractures and reported in the literature. Several experiments were conducted to test both the above hypotheses by direct and indirect application of kinetic energy.

Results

We simulated different types of shear stress with the finite-element model of the skull. The calculated points of maximum pressure were all within the orbital floor.

Conclusion

The simulation showed that both mechanisms can lead to fractures, as also documented by recent studies. The generation of a finite-element model and simulation of stresses were initially useful in establishing a method. More detailed studies on the empiric data relating to the various structures and more extensive determination and measurement of different skull and/or orbita geometries are needed before we can achieve a model in which the mechanical attributes of the structures involved are reproduced with closer approximation to the real-life situation.

Keywords

Finite element model Orbital floor fractures Buckling force theory Hydraulic pressure therory Orbita 

Notes

Interessenkonflikt

Es besteht kein Interessenkonflikt. Der korrespondierende Autor versichert, dass keine Verbindungen mit einer Firma, deren Produkt im Artikel genannt ist, oder einer Firma, die ein Konkurrenzprodukt vertreibt, bestehen. Die Präsentation des Themas ist unabhängig und die Darstellung der Inhalte ist produktneutral.

Literatur

  1. 1.
    Ahmad F, Kirkpatrick WN, Lyne J et al. (2003) Strain gauge biomechanical evaluation of forces in orbital floor fractures. Br J Past Surg 56: 3–9CrossRefGoogle Scholar
  2. 2.
    Breuer HT, Grossenbacher R (2006) Blindness following reduction of a malar fracture. HNO online publiziert: 07.04.2006Google Scholar
  3. 3.
    Converse JM, Smith B (1957) Enophthalmus and diplopia in fractures of the orbital floor. Br J Past Surg 9: 265–274CrossRefGoogle Scholar
  4. 4.
    McCoy FJ, Chandler RA, Magnan CG Jr et al. (1962) An analysis of facial fractures and their complications. Plast Reconstr Surg 29: 381-891CrossRefGoogle Scholar
  5. 5.
    Dacho A, Steffen H, Ziegler CM et al. (2002) Orbitabodenrekonstruktion. Vergleich einer neuen perforierten 0,15 mm dicken PDS-Folie mit etabliertem Titanium-Dynamic-Mesh. HNO 50: 21–28PubMedCrossRefGoogle Scholar
  6. 6.
    Drescher J, Schmidt R, Hardtke HJ (1998) Finite-Elemente-Modellierung und Simulation des menschlichen Trommelfells. HNO 46: 129–134PubMedCrossRefGoogle Scholar
  7. 7.
    Ernst A, Herzog M, Seidl RO (Hrsg) (2003) Traumatologie des Kopf-Hals-Bereichs. Thieme Verlag, StuttgartGoogle Scholar
  8. 8.
    Fujino T (1974) Experimental „Blowout“ Fracture of the Orbit. Plast Reconstr Surg 54: 81–82PubMedCrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    Fujino T, Makino K (1980) Entrapment mechanism and ocular injury in orbital blowout fracture. Plast Reconstr Surg 65: 71–574Google Scholar
  10. 10.
    Green RP, Peters DR, Shore JW et al. (1990) Force necessary to fracture the orbital floor. Ophthal Plast Reconstr Surg 6: 211–217PubMedCrossRefGoogle Scholar
  11. 11.
    King EF (1944) VI. Diseases of the orbit and sphenoidal sinus, 1. Fractures of the orbit, transactions of the ophthalmic. Society of the United Kingdom 64: 134–39Google Scholar
  12. 12.
    Kramp B, Fischer AL, Werner HJ et al. (1996) Klinische und erste numerische Untersuchungen zum Entstehungsmechanismus von Blow-out-Frakturen. Klin Monatsbl Augenheilkd Suppl 2: 10Google Scholar
  13. 13.
    Lanz T von, Wachsmuth W (Hrsg) (1979) Praktische Anatomie, Erster Band, Erster Teil, Kopf. Springer, BerlinGoogle Scholar
  14. 14.
    Michel O (2000)Transnasal surgery of the orbita. Review of current indications and techniques. HNO 48: 4–17PubMedCrossRefGoogle Scholar
  15. 15.
    Phalen JJ, Baumel JJ, Kaplan PA (1990) Orbital floor fractures: a reassessment of pathogenisis. Nebr Med J 75: 100–103PubMedGoogle Scholar
  16. 16.
    Rhee JS, Kilde J, Yoganadan N, Pintar F (2002) Orbital blowout fractures: experimental evidence for the pure hydraulic theory. Arch Facial Plast Surg 4: 98–101PubMedCrossRefGoogle Scholar
  17. 17.
    Rizen JoA, Nikolic V, Banovic B (1989) The role of orbital wall morphological properties and their supporting structures in the etiology of „blow-out“ fractures. Surg Radiol Anat 11: 241–248PubMedCrossRefGoogle Scholar
  18. 18.
    Schwenzer N (1967) Zur Röntgendiagnostik als Voraussetzung für die operative Behandlung von Mittelgesichtsfrakturen. Dtsch Zahnärztin 22: 221Google Scholar
  19. 19.
    Sonnenburg M, Scholtz HJ (Hrsg) (1990) Traumatologie des Gesichtsschädels. JA Barth Verlag, LeipzigGoogle Scholar
  20. 20.
    Stieve M, Schwab B, Haupt C et al. (2006) Intraoperative computed tomography in otorhinolaryngology. Acta Otolaryngol 126: 82–87PubMedCrossRefGoogle Scholar
  21. 21.
    Stoll W, Kroll P (1982) Causes and mechanisms of orbit and eye injuries. Laryngol Rhinol Otol 61: 565–707CrossRefGoogle Scholar
  22. 22.
    Takizawa H, Sugiura K, Baba M et al. (1988) Structural mechanics of the blowout fracture: numerical computer simulation of orbital deformation by the finite element method. Neurosurgery 22: 1053–1055PubMedCrossRefGoogle Scholar
  23. 23.
    Voo L, Kumaresan S, Pintar F et al. (1996) Finite-element models of the human head (Review). Med Biol Eng Comput 34: 375–381PubMedCrossRefGoogle Scholar
  24. 24.
    Waterhouse N, Lyne J, Urdang M, Garey L (1999) An investigation into the mechanism of orbital blow-out fractures. Br J Past Surg 52: 607–612CrossRefGoogle Scholar
  25. 25.
    Zizelmann C, Schramm A, Schon R et al. (2005) Computer assisted methods in reconstructive and function-preserving orbital surgery. New capabilities of computer assisted preoperative surgical planning (CAPP) and computer assisted surgery (CAS). HNO 53: 428–438PubMedCrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Springer Medizin Verlag 2007

Authors and Affiliations

  • C. Punke
    • 1
    Email author
  • A. Fritsche
    • 1
  • H. Martin
    • 1
  • K.P. Schmitz
    • 1
  • H.W. Pau
    • 1
  • B. Kramp
    • 1
  1. 1.Klinik und Poliklinik für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, Kopf- und HalschirurgieUniversität RostockRostockDeutschland

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