Anàlisi biomecànic amb un model d'elements finits de la corporectomia vertebral lumbar utilitzant al·loempelts estructurals

Abstract

Objectiu:<br/>Investigar el comportament biomecànic de diversos al·loempelts (fèmur, tíbia i peroné) col·locats anteriorment en substitució del cos vertebral. Investigar la influència de la preparació del platet vertebral en un model de corporectomia per avaluar la millor configuració biomecànica.<br/>Material i mètode:<br/>S'utilitza un model no linear d'elements finits en tres dimensions del raquis lumbar (Noailly 2003) al qual s'adapten quatre cargols transpediculars (Sherpa®, Surgival® S.A.) en L3 i L5, dues barres i un connector. Aquest model va ser modificat amb l'extracció de d'ambdós disc intervertebrals i el cos de L4. Es van realitzar tomografies computeritzades d'un fragment diafisari de fèmur, un fragment diafisari de tíbia i un fragment diafisari de peroné del mateix pacient. Aquests fragments van ser reconstruïts i model·litzats, per a després ser inserits a dins del model. Es van investigar quatre configuracions dels empelts: amb un fragment de fèmur, amb un fragment de tíbia, amb tres fragments de peroné i amb sis fragments de peroné. Es van avaluar quatre configuracions del platet vertebral: amb l'empelt recolzat sobre tot el platet vertebral, amb l'empelt recolzat sobre la meitat de cartílag, amb l'empelt recolzat sobre l'os subcondral i amb l'empelt recolzat sobre l'os esponjós. Es van aplicar forces de compressió(1000N), flexió, extensió i torsió (15 Nmm), sobre el platet superior de L3, es va considerar el platet inferior de L5 fix, i es van calcular les tensions i deformacions produïdes.<br/>Resultats:<br/>Les tensions de Von Misses a dins del fixador es mantenen per sota del límit de fatiga del material i del Yield estrès quan es complementa el muntatge amb l'al·loempelt anterior, i per tant no es produeix la fallida del fixador. L'ús del fixador fa que el raquis lumbar sigui deu vegades més rígid, el que afectarà a la remodelació a llarg termini. La geometria i la configuració de l'al·loempelt te una important influència en les tensions i deformacions a dins de les vèrtebres adjacents, amb la reducció de les mateixes. La resecció del cartílag i la sustentació de l'empelt sobre el platet cortical es la configuració que canvia més les tensions del platet restant, creant àrees de tensions màximes en les zones de contacte. Per altre banda, la resecció complerta de l'os subcondral és la configuració que canvia menys la distribució de tensions en el platet vertebral. La utilització de sis peronés ha demostrat ser el muntatge més estable, però també el que modifica en major mesura les tensions en les vèrtebres adjacents. Donada la seva geometria el·lipsoidal, la tíbia dona unes deformacions més asimètriques que el fèmur. Els resultats amb al·loempelt de fèmur modifiquen en menor mesura les tensions en les vèrtebres adjacents, configurant un muntatge més fisiològic.<br/>Conclusions:<br/>La preservació del platet vertebral cortical no ofereix cap avantatge biomecànic significatiu en la reconstrucció de la columna anterior del raquis lumbar quan s'utilitza una instrumentació transpedicular rígida. Els fragments de diàfisi femoral col·locats en substitució del cos vertebral modifiquen en menor mesura la distribució de tensions i deformacions en les vèrtebres adjacents, en comparació amb tíbia i peroné, comportant-se des del punt de vista biomecànic de manera més fisiològica.

Aims.<br/>Investigate the influence of various types of allograft (from the tibia, femur, and fibula) through finite element analysis. Investigate the influence of end-plate preparation in a model of corporectomy to evaluate the best biomechanical configuration.<br/>Methods.<br/>A non-linear 3D finite element model of a lumbar spine L3-L5 was used as a physiologic model (Noailly, 2003). The model was modified with the insertion of a transpedicular instrumentation (Surgival SA, Spain) and the removal of the L4 body and two adjacent discs. CT scans of a femur, tibia and fibula from the same patient were performed. Fragments of each bone were reconstructed and inserted within the model. Four configurations of allografts were investigated: one femur fragment, one tibial fragment, three fragments of fibula, six fragments of fibula. Four configurations of endplate were investigated: with allograft supported on the entire end-plate, with allograft supported on the half of cartilage endplate wide, with allograft supported on the subcondral cortical shell and, finally, with allograft supported on the trabecular bone. Conventional types of loadings were applied on superior endplate of L3: compression (1000N), flexion, extension, and rotation (15Nm). Fixed displacements were imposed on the distal part of L5 endplate, and strain and stresses were calculated in large displacement (MARC, MSC Software).<br/>Results.<br/>Von Mises stresses within the internal fixator are well below the Yield stress and the fatigue limit and therefore no fracture of the fixator is foreseen. The use of a fixator to create fusion of the two vertebras makes the lumbar spine much stiffer. The geometry and configuration of the allografts have a large influence on the strain and stresses within the adjacent vertebrae with a reduction of strains and stresses. The resection of the cartilage and support the allograft in the cortical shell changes most the maximal principal strains in the remaining end-plate, and creates a peak stress in the contact area. On the other hand, the complete resection of cartilage and subcondral cortical end-plate is the configuration that changes least the maximal principal strains within the adjacent vertebrae. The use of fragments of fibula gives the most stable configuration, but this is also the configuration that changes most the maximal principal strains within the vertebrae. Results obtained with the femur or the tibia are very similar between each other. However, due to its ellipsoidal geometry, the allograft in tibia gives more asymmetric deformations than the femur.<br/>Conclusions.<br/>Preservation of the cortical end-plate may not offer a significant biomechanical advantage in reconstructing the anterior column of lumbar spine when rigid transpedicular instrumentation was used. Allografts harvested from the femur seems to be more reliable and change least the strain and stress distributions within the lumbar spine compared to allografts from the tibia or fibula.