Біомеханічні аспекти транспедикулярної фіксації зони грудопоперекового переходу: вплив латерофлексії

Abstract

The paradigm shift in surgery of the injured spine during the last few decades is characterized by the active implementation of the principle of stabilization without fusion. This approach significantly expands the possibilities of surgical interventions in terms of the completeness of decompression and spinal axis restoration, but also it determines higher requirements for the reliability of the fixation systems and the uniformity of load distribution on both metal systems and bone structures. Objective. To determine the features of load distribution in the area of the thoracolumbar junction after resection of one vertebra, as well as the effect of the transpedicular screw length and cross-links of the stabilization system. Methods. Mathematical finite-element model of the thoracolumbar human spine was developed. The model simulated the state after surgical treatment of a traumatic injury to the thoracolumbar junction with significant damage to the body of the ThXII vertebra. We studied 4 variants of transpedicular fixation (using monocortical screws and long bicortical screws, as well as two cross-links and without them). Results. When analyzing the stress-stain state of the model, we found that the most loaded bone structures during lateroflexion are the vertebral bodies. For the LII vertebral body, the load values were 17.2, 16.2, 16.3, and 15.5 MPa, respectively, for models with monocortical screws without cross-links, bicortical screws without cross-links, monocortical screws and cross-links, and bicortical screws and cross-links. The peak loads on the transpedicular screws were recorded on those implanted in the body of the ThXI vertebra (24.8, 25.7, 22.8 and 24.3 MPa, respectively, for the considered models) and in the body of the LII vertebra (20.2, 24.6, 19, 7 and 23.7 MPa). Conclusions. The use of long transpedicular screws causes less stress on the bony elements than the short screws. At that time stresses on the screws themselves and the bone tissue around them increase. Сross-links help to reduce stress at all control points on models with both short and long transpedicular screws.

Зміна поглядів на хірургію травмованого хребта протягом останніх декількох десятиліть характеризується активним упровадженням принципу стабілізації без консолідації. Це значно розширює можливості втручань щодо повноти декомпресії та повноцінності відновлення осі хребта, але висуває підвищені вимоги до надійності фіксувальних систем і рівномірності розподілу навантаження на металоконструкцію і кісткові структури. Мета. Вивчити особливості розподілу навантаження на моделі грудопоперекового переходу в разі резекції одного хребця, а також залежно від довжини транспедикулярного гвинта і поперечних стяжок системи стабілізації. Методи. Розроблено математичну скінченно-елементну модель грудопоперекового відділу хребта людини, яка імітує стан після хірургічного лікування його травматичного ушкодження зі значним ураженням тіла хребця ТhХІІ. Дослідили 4 варіанти транспедикулярної фіксації (із використанням монокіркових фіксувальних і довгих біокіркових гвинтів, а також двох поперечних стяжок і без них). Результати. Аналіз напружено-деформованого стану моделі виявив, що найнавантаженішими кістковими структурами за латерофлексії є тіло хребця LІІ, де величина навантаження становила 17,2; 16,2; 16,3 та 15,5 МПа, відповідно для моделей із монокірковими гвинтами без поперечних стяжок, бікірковими гвинтами без стяжок, монокірковими гвинтами та стяжками, бікірковими гвинтами й стяжками. Пікові навантаження на транспедикулярних гвинтах зафіксовано на імплантованих у тіло хребця ThХІ (24,8; 25,7; 22,8 і 24,3 МПа, відповідно для розглянутих моделей) та в тіло хребця LІІ (20,2; 24,6; 19,7 і 23,7 МПа). Висновки. Використання довгих транспедикулярних гвинтів за нахилу вбік спричиняє менше напруження в кісткових елементах, ніж у моделі з короткими гвинтами, але на самих гвинтах і кістковій тканині навколо них напруження зростають. Поперечні стяжки сприяють зниженню напруження в усіх контрольних точках моделей як із короткими, так і з довгими фіксувальними гвинтами.