Математичне моделювання варіантів транспедикулярної фіксації ділянки грудопоперекового переходу після вертебректомії ТhХІІ за умов нахилу тулуба назад

Abstract

Fractures at the thoracolumbar junction are the most common traumatic spinal injuries. Advances in instrumentation for vertebral body replacement have significantly improved surgical techniques.However, the biomechanical characteristics of stabilizing surgeries have been insufficiently studied. Objective. To investigate the stressstrain state (SSS) of a mathematical finite element model of the humanthoracolumbar spine during trunk backward bending after ТhХІІ vertebra resection, considering different transpedicular fixation options. Methods. A mathematical finite element model of the humanthoracolumbar spine — ThIX‒LV vertebrae — was developed. The ТhХІІ vertebra was removed, and an interbody support and transpedicularsystem with 8 screws were implanted to simulate the postsurgical state after a ТhХІІ burst fracture with wide laminectomy, facetectomy, and corpectomy. The influence of transpedicular screw length and the presence of cross-links on the SSS of the model wasexamined. Results. The use of bicortical screws reduced stress levels in the bone elements of the model, except in the regions around the screws in the lumbar vertebrae, when compared to short screws.Installing cross-links decreased stress levels at all control points compared to models without cross-links. Specifically, in the presence of cross-links, the SSS values at the entry points of the short screwsinto the vertebral bodies of ThX, ThXI, LI, and LII were 2.3, 1.8, 1.2, and 5.0MPa, respectively, compared to 2.7, 2.0, 1.5, and 6.1 MPa in the models without cross-links. In the case of bicortical screwswithout cross-links, the stress values at the screw entry points into the pedicles of the corresponding vertebrae were 2.9, 1.5, 8.2, and 11.2 MPa, respectively, compared to 2.7, 1.5, 7.5, and 10.2 MPa in the models with cross-links. Conclusions. When the trunk is tilted backward, the use of cross-links reduces stress levels at all control points in the models, regardless of the screw length used. Bicortical transpedicular screws increase stress levels on the screws themselves and in the lumbar vertebral bodies surrounding them.

Переломи ділянки грудопоперекового переходу є найчастішими травматичними ураженнями хребта. Удосконалення систем стабілізації та конструкцій для заміни тіл хребців значнопокращило техніку хірургічних утручань. Але особливості біомеханіки варіантів стабілізувальних операцій вивчені недостатньо. Мета. Вивчити напружено-деформований стан(НДС) моделі грудопоперекового відділу хребта під час нахилу тулуба назад після резекції хребця ТhХІІ за різних варіантів транспедикулярної фіксації. Методи. Розроблено математичнускінченно-елементну модель грудопоперекового відділу хребта людини — хребці ТhІХ‒LV. Хребець ТhХІІ видалено і встановлено міжтілову опору та траспедикулярну систему із 8 гвинтів.Тобто, імітовано стан після хірургічного втручання з приводу вибухового перелому ТhХІІ із широкою ламінектомією, фасетектомією та корпектомією. Досліджували вплив на НДС моделі довжини транспедикулярних гвинтів і поперечних стяжок.Результати. Застосування бікортикальних гвинтів дозволило знизити рівень напружень у кісткових елементах моделі порівняно з короткими, за винятком зон навколо гвинтів у хребцяхпоперекового відділу. Установлення поперечних стяжок, порівняно з моделями без них, зменшило рівень напружень на всіх контрольних точках. Зокрема, за наявності стяжок показникиНДС на рівні входу короткого гвинта в тіла хребців ТhХ, ТhХІ, LІ та LІІ становили 2,3; 1,8; 1,2; 5,0 МПа відповідно проти 2,7; 2,0; 1,5; 6,1 МПа в моделі без стяжок. У разі введення бікортикальних гвинтів без стяжок у ділянках входу гвинта в ніжкудуги відповідних хребців напруження дорівнювали 2,9; 1,5; 8,2; 11,2 МПа проти 2,7; 1,5; 7,5; 10,2 МПа в моделі зі стяжками. Висновки. За умов нахилу тулуба назад використання поперечних стяжок дозволяє знизити рівень напружень у всіх контрольних точках моделей незалежно від довжини використанихгвинтів. Застосування бікортикальних транспедикулярних гвинтів призводить до підвищення рівня напружень на них танавколо в тілах хребців поперекового відділу хребта.