Analýza zatížení sousedního disku při fúzi páteřního segmentu v oblasti lumbosakrální páteře

Analysis of the influence of lumbosacral fusion on the adjacent moving segment

conference paper

en

The term "adjacent segment disease – ASD" is the designation for clinical degeneration of the adjacent active segment to the fused segment. This disease occurs as the subsequent complication of spinal fusion, which could result in more surgery. The fusion spine segment significantly reduces movement which causes load enhancement in adjacent active segments and causes a change of mobility. The changes are probably the primary cause of the occurrence of ASD. The strongest degeneration occurs at the nearest point under or above the fusion. The purpose of this work was to analyze the loading of the adjacent disc to the fused segment for flexion and extension movement of the whole segment. The problem was comprehensively solved using complex experimental and computational modeling. Thanks to experimental measurement we recorded the re-sponse of the test specimen to flexion and extension movement. The test sample was composed of three vertebrae and two discs. The specimens were taken from a pig. Two states were modeled: healthy and damaged with a LEGACY implant. In healthy specimens the deformation mainly takes place in the disc. In the case of the fusion of two vertebrae with the same loading the deformation mainly take place on an adjacent disc. One way to determine the state of stress inside discs is by computational modeling. The strain-stress states were done by solving the computational model in the ANSYS system. Two variants were solved: healthy and damaged with a LEGACY implant. The model was loaded by angular displacement according to flexion and extension movement. The most important findings are: the specimen with the fused segment has significantly higher stiffness compared to the healthy specimen. The disc above the fused segment treated with LEGACY is more loaded (higher stresses) in flexion than in the healthy specimen.

Termín onemocnění přilehlého pohybového segmentu (adjacent segment disease – ASD) označuje klinické projevy degenerace přilehlého pohybového segmentu k segmentu s fúzí. Toto onemocnění se vyskytuje jako následná komplikace spinální fúze, která může vyžadovat další chirurgický zásah. Přestože vliv pevné fúze na degeneraci sousedních pohybových segmentů je znám ve spondylochirurgii již dlouhá léta, jeho výskyt při zavádění nových operačních metod a implantátů není dosud objasněn. Je to způsobeno nedostatkem dlouhodobých studií s homogenními skupinami pacientů i nedostatečnou úrovní znalostí rizikových faktorů přispívajících k degeneraci. Fúze páteřního segmentu výrazně omezuje pohyb v cílové etáži, čímž dojde k zvýšení zatížení sousedních pohybových segmentů a změně pohyblivosti. Tyto změny pak pravděpodobně hrají primární úlohu v příčině vzniku ASD. K nejvýraznější degeneraci dochází v úrovni těsně nad nebo pod fúzí, což je patrné zejména u dlouhých instrumentovaných fúzí. Cílem práce bylo analyzovat zatížení přilehlého disku k fúzovanému segmentu při flexním a extenzním pohybu celého segmentu. K řešení problému bylo přistoupeno komplexně a bylo využito jak experimentální tak výpočtové modelování. Cílem experimentálního modelování bylo určit odezvu zkušebního vzorku na flexní a extenzní pohyb. Zkušební vzorek byl tvořen třemi obratli a dvěma disky. Obratle byly odebrány z prasete domácího. Byly modelovány dva stavy: stav neporušeny a stav porušeny s fixátorem LEGACY (fúze segmentu). Měření bylo provedeno na dvou vzorcích. Vzorky byly ve zkušebním stroji ZWICK přes speciální přípravek zatěžovány silovými dvojicemi a byly určovány hodnoty úhlu natočení segmentu. U zdravého vzorku se při flexi dominantně deformují poddajné části a to jsou disky. V případě fůze dvou obratlových těl se při stejném zatížení dominantně deformuje přilehlý disk. Jednou z možností jak posoudit napjatost uvnitř disků je výpočtové modelování. Na základě CT snímků byl vytvořen model geometrie segmentu (tři těla a dva disky). Cílem bylo provést deformačně-napěťovou analýzu metodou konečných prvků v programovém systému ANSYS. Modelovány byly dva stavy neporušený a stav s fixátorem LEGACY. Model byl zatížen deformačně natočením horní plochy (zatížení odpovídající flexnímu a extenznímu pohybu). Analyzovány byly napětí v discích obou řešených variant. Nejdůležitější závěry lze shrnout do těchto konstatování. Při flexi a extenzi je vzorek s fúzovaným segmentem výrazně tužší než neporušený vzorek. Disk nad ošetřeným segmentem fúzí fixátorem LEGACY je při deformačním zatížení vzorku do flexe stejným úhlem, namáhán víc než u stavu zdravého. Přestože výsledky nebyly statisticky prokázaný (nízký počet vzorků), jsou rozdíly natolik výrazné, že je můžeme považovat za relevantní. Na experimentech v současné době dále pokračujeme.

The term "adjacent segment disease – ASD" is the designation for clinical degeneration of the adjacent active segment to the fused segment. This disease occurs as the subsequent complication of spinal fusion, which could result in more surgery. The fusion spine segment significantly reduces movement which causes load enhancement in adjacent active segments and causes a change of mobility. The changes are probably the primary cause of the occurrence of ASD. The strongest degeneration occurs at the nearest point under or above the fusion. The purpose of this work was to analyze the loading of the adjacent disc to the fused segment for flexion and extension movement of the whole segment. The problem was comprehensively solved using complex experimental and computational modeling. Thanks to experimental measurement we recorded the re-sponse of the test specimen to flexion and extension movement. The test sample was composed of three vertebrae and two discs. The specimens were taken from a pig. Two states were modeled: healthy and damaged with a LEGACY implant. In healthy specimens the deformation mainly takes place in the disc. In the case of the fusion of two vertebrae with the same loading the deformation mainly take place on an adjacent disc. One way to determine the state of stress inside discs is by computational modeling. The strain-stress states were done by solving the computational model in the ANSYS system. Two variants were solved: healthy and damaged with a LEGACY implant. The model was loaded by angular displacement according to flexion and extension movement. The most important findings are: the specimen with the fused segment has significantly higher stiffness compared to the healthy specimen. The disc above the fused segment treated with LEGACY is more loaded (higher stresses) in flexion than in the healthy specimen.

onemocnění přilehlého pohybového segmentu, výpočtové a experimentální modelování, MKP

adjacent segment disease, experimental and computational modeling, FEM

2010

01.08.2010

SPRINGER, 233 SPRING STREET, NEW YORK, NY 10013, UNITED STATES

Singapur

978-3-642-14514-8

1680-0737

6th World Congress of Biomechanics

31

811–814

4