Дослідження навантаження тіла хребця LIV за динамічної симуляції рухів у поперековому відділі хребта на скелетно-м’язових моделях після виконання заднього бісегментарного спондилодезу

Abstract

One of the risk factors for complications in the spinal motion segments of the thoracic and lumbar regions, as well as in the adjacent segments with spinal fusion ones, is changes in the sagittal vertebral-pelvic balance. Purpose. To determine the effect of muscle changes that occur during the performance of two-segment LIV–SI spinal fusion on the load of adjacent motion segments. Material and methods. The spinal fusion of two spinal motion segments of the lumbar spine was simulated at the LIV–LV and LV–SI levels at different angles of segment fixation in the OpenSim programme. Five models were analysed: 1 (basic) — without changes; 2 — changes in the points of attachment and muscle strength; 3 — normo-lordotic fixation; 4 — hypolordotic; 5 —hyperlordotic. The load on the zone of interest was measured as the magnitude of the projection of the force vector depending on the angle of inclination of the torso as a percentage of the body weight. Results. Simulation of the above configurations of the instrumental spinal fusion (intact, normo-lordotic, hyperlordotic, hypolordotic positions due to a change in the angle of the LIV–SI spinal fusion) showed that the load force of the adjacent segments when bent forward depended on the angle of the instrumental spinal fusion performed. Conclusions. As a result of study of the kinematic model of the lumbar spine using bisegmental spinal fusion of LIV–SI, it was proved that the load force of the adjacent segments when bent forward depended on the angle of the instrumental spinal fusion performed. It was determined that the upper adjacent vertebra of the fixation zone had a relatively insignificant increase in load in the case of fixation in the hyperlordotic position; in the hypolordotic position, the load on the upper segment led to an increase in loads on the upper adjacent segment, and in the hypolordic position, it led to a slight decrease compared to the normo-lordotic fixation. According to the results of the study, minimal muscle damage is expected during the surgical intervention, so the reliability of the model is closer to minimally invasive surgery. The developed kinematic models can be useful in the planning of the transpedicular fixation surgery to prevent complications.Одним із чинників ризику розвитку ускладнень у хребтово-рухових сегментах грудного та поперекового відділів, а також суміжних сегментах зі спондилодезованими, є зміни сагітального хребтово-тазового балансу. Мета. Визначити вплив зміни м’язів, які відбуваються під час виконання заднього двосегментарного спондилодезу LIV–SІ на навантаження суміжних рухових сегментів. Матеріал і методи. Моделювали спондилодез двох хребтово-рухових сегментів поперекового відділу хребта на рівнях LIV–LV т а LV–SI під різними кутами фіксації сегментів у програмі OpenSim. Проаналізовано 5 моделей: 1 (базова) — без змін; 2 — зміни точок прикріплення та сили м’язів; 3 — нормолордотична фіксація; 4 — гіполордотична; 5 — гіперлордотична. Навантаження на зону інтересу вимірювали як величину проєкції вектора сили залежно від кута нахилу тулуба у відсотках до маси тіла. Результати. Моделювання наведених конфігурацій інструментального спондилодезу (інтактному, нормолордотичному, гіперлордитичному, гіполордотичному положеннях за рахунок зміни кута спондилодеза LIV–SI) показало, що сила навантаження суміжних сегментів за згинання вперед, залежить від виконаного кута інструментального спондилодезу. Висновки. У результаті дослідження кінематичної моделі поперекового відділу хребта з використанням бісегментарного спондилодезу LIV–SI доведено, що сила навантаження суміжних сегментів за згинання вперед залежить від виконаного кута інструментального спондилодезу. Визначено, що верхній суміжний хребець зони фіксації мав порівняно незначне збільшення навантаження в разі фіксації в гіперлордотичному положенні, за гіполордотичного — навантаження на верхній сегмент призводили до зростання навантажень на верхній суміжний сегмент, а гіполордотичного — незначного зменшення порівняно з варіантом нормолордотичної фіксації. За результатами дослідження передбачається мінімальне ушкодження м’язів під час хірургічного втручання, тому достовірність моделі більш наближена до малоінвазивної хірургії. Розроблені кінематичні моделі можуть бути корисними під час планування операції транспедикулярної фіксації для запобігання ускладнень.