Analisi biomeccanica di segmenti adiacenti dopo chirurgia di fusione spinale utilizzando un modello agli elementi finiti specifico per il paziente geometricamente parametrico

Sommario

Qui, abbiamo utilizzato un modello agli elementi finiti specifico per il paziente per analizzare i cambiamenti meccanici nei segmenti adiacenti dopo l'intervento di fusione spinale. I risultati hanno mostrato che la chirurgia di fusione ha ridotto il movimento complessivo della colonna lombare, ma ha aumentato il carico e lo stress nei segmenti adiacenti, in particolare il segmento prossimale.

Abstract

Questo studio mirava a eseguire un'analisi meccanica dei segmenti adiacenti dopo un intervento chirurgico di fusione spinale utilizzando un modello di elementi finiti geometricamente parametrico specifico per il paziente per chiarire il meccanismo della degenerazione del segmento adiacente (ASD), fornendo così prove teoriche per la prevenzione precoce della malattia. Quattordici parametri basati sulla geometria spinale specifica del paziente sono stati estratti dalla tomografia computerizzata (TC) preoperatoria di un paziente e le posizioni relative di ciascun segmento spinale sono state determinate utilizzando il metodo della corrispondenza delle immagini. Attraverso il metodo di cui sopra è stato stabilito un modello preoperatorio specifico per il paziente della colonna vertebrale. Il modello postoperatorio dopo la chirurgia di fusione intersomatica lombare posteriore L4-L5 (PLIF) è stato costruito utilizzando lo stesso metodo, tranne per il fatto che la lamina e il disco intervertebrale sono stati rimossi e sono stati inseriti una gabbia, 4 viti peduncolari e 2 bielle. La gamma di movimento (ROM) e le variazioni di stress sono state determinate confrontando i valori di ciascuna struttura anatomica tra i modelli preoperatorio e postoperatorio. Il ROM complessivo della colonna lombare è diminuito dopo la fusione, mentre il ROM, lo stress nelle faccette articolari e lo stress nel disco intervertebrale dei segmenti adiacenti sono aumentati. Un'analisi della distribuzione dello stress nell'anulus fibroso, nel nucleo polposo e nelle faccette articolari ha anche mostrato che non solo lo stress massimo in questi tessuti era elevato, ma anche le aree di stress da moderato ad alto erano espanse. Durante la torsione, lo stress nelle faccette articolari e nell'anulus fibroso del segmento adiacente prossimale (L3-L4) è aumentato in misura maggiore rispetto a quello del segmento adiacente distale (L5-S1). Mentre la chirurgia di fusione provoca una restrizione generale del movimento nella colonna lombare, provoca anche una maggiore condivisione del carico da parte dei segmenti adiacenti per compensare il segmento fuso, aumentando così il rischio di ASD. Il segmento adiacente prossimale è più incline alla degenerazione rispetto al segmento adiacente distale dopo la fusione spinale a causa del significativo aumento dello stress.

Introduzione

La chirurgia di fusione spinale intervertebrale è la procedura chirurgica più comunemente utilizzata per il trattamento delle malattie degenerative della colonna lombare¹. Un risultato eccellente nel breve periodo successivo all'intervento chirurgico può essere raggiunto per oltre il 90% dei pazienti². Tuttavia, i risultati di uno studio di follow-up a lungo termine hanno rivelato che alcuni pazienti hanno sviluppato la degenerazione dei segmenti adiacenti al segmento³ fuso. La fusione intersomatica lombare accelera i cambiamenti degenerativi nei segmenti adiacent....

Protocollo

Il protocollo è stato condotto in conformità con la Dichiarazione di Helsinki e il protocollo è stato approvato dal Comitato di Revisione Istituzionale dell'Ospedale dell'Amicizia Cina-Giappone.

1. Modellazione parametrica della geometria della colonna lombare

1. Estrarre i dati iniziali (formato DICOM 3.0 con una dimensione dei pixel di 0,33 mm e una spaziatura degli strati di 1 mm) per la modellazione da un set di dati di scansione TC di un maschio adulto sano senza storia di traumi, deformità o tumori della colonna vertebrale (altezza 180 cm, peso 68 kg).
2. Selezionare 1....

Risultati

Risultati della simulazione del modello paziente-specifico rispetto ai risultati della letteratura precedente
ROM del disco intervertebrale
Secondo le condizioni di carico sperimentali di Guan et ^al.27, un carico del momento flettente puro di 3,5 N∙m in diverse direzioni è stato applicato al punto di carico del modello per simulare il movimento della colonna lombare in flessione, estensione e flessione laterale, e il ROM di ciascun segmento è stato misurato.......

Discussione

In questo studio, è stato stabilito un modello FE paziente-specifico geometricamente parametrico per analizzare le caratteristiche biomeccaniche della colonna lombare dopo l'intervento chirurgico PLIF. I risultati hanno mostrato che lo stress nelle faccette articolari e nel disco del segmento fuso è diminuito significativamente dopo l'intervento chirurgico di PLIF, indicando che PLIF potrebbe rafforzare efficacemente la stabilità del segmento decompresso e ritardare l'ulteriore aggravame.......

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Abaqus	Dassault	https://www.3ds.com/products/simulia/abaqus	Analisi agli elementi finiti
AutoCAD	Autodesk	https://www.autodesk.com/products/autocad/	Un software di progettazione assistita da computer utilizzato per misurare il ROM di diversi segmenti vertebrali
Set di dati di scansione TC	China Japan Friendship Hospital		Set di dati di un maschio adulto sano senza storia di traumi, deformità o tumore della colonna vertebrale (altezza 180 cm, peso 68 kg). I dati grezzi sono stati memorizzati in formato Dicom 3.0 con una dimensione dei pixel di 0,33 mm e una spaziatura degli strati di 1 mm.
Hypermesh 2019	Altair	https://altair.com/hypermesh/	La generazione
di mesh imita la ricerca 21.0	Materialise	https://www.materialise.com/en/healthcare/mimics-innovation-suite/mimics	la costruzione del modello