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  • Reimpresiones y Permisos

Resumen

Aquí, utilizamos un modelo de elementos finitos específico del paciente para analizar los cambios mecánicos en los segmentos adyacentes después de la cirugía de fusión espinal. Los resultados mostraron que la cirugía de fusión redujo el movimiento general de la columna lumbar, pero aumentó la carga y el estrés en los segmentos adyacentes, especialmente el segmento proximal.

Resumen

Este estudio tuvo como objetivo realizar un análisis mecánico de los segmentos adyacentes después de la cirugía de fusión espinal utilizando un modelo de elementos finitos geométricamente paramétrico específico del paciente para dilucidar el mecanismo de la degeneración del segmento adyacente (TEA), proporcionando así evidencia teórica para la prevención temprana de la enfermedad. Se extrajeron catorce parámetros basados en la geometría de la columna vertebral específica del paciente de la tomografía computarizada (TC) preoperatoria del paciente, y se determinaron las posiciones relativas de cada segmento de la columna vertebral utilizando el método de coincidencia de imágenes. A través del método anterior, se estableció un modelo preoperatorio de la columna vertebral específico para el paciente. El modelo postoperatorio después de la cirugía de fusión intersomática lumbar posterior (PLIF) L4-L5 se construyó utilizando el mismo método, excepto que se extirparon la lámina y el disco intervertebral, y se insertaron una jaula, 4 tornillos pediculares y 2 bielas. El rango de movimiento (ROM) y los cambios de estrés se determinaron comparando los valores de cada estructura anatómica entre los modelos preoperatorio y postoperatorio. El ROM general de la columna lumbar disminuyó después de la fusión, mientras que el ROM, el estrés en las articulaciones facetarias y el estrés en el disco intervertebral de los segmentos adyacentes aumentaron. Un análisis de la distribución del estrés en el anillo fibroso, el núcleo pulposo y las articulaciones facetarias también mostró que no solo se elevó el estrés máximo en estos tejidos, sino que también se expandieron las áreas de estrés moderado a alto. Durante la torsión, la tensión en las articulaciones facetarias y el anillo fibroso del segmento adyacente proximal (L3-L4) aumentó en mayor medida que en el segmento adyacente distal (L5-S1). Si bien la cirugía de fusión causa una restricción general del movimiento en la columna lumbar, también hace que los segmentos adyacentes compartan más la carga para compensar el segmento fusionado, lo que aumenta el riesgo de TEA. El segmento adyacente proximal es más propenso a la degeneración que el segmento adyacente distal después de la fusión espinal debido al aumento significativo del estrés.

Introducción

La cirugía de fusión intervertebral espinal es el procedimiento quirúrgico más utilizado para el tratamiento de las enfermedades degenerativas de la columna lumbar1. Un excelente resultado a corto plazo después de la cirugía puede lograrse en más del 90% de los pacientes2. Sin embargo, los resultados de un estudio de seguimiento a largo plazo revelaron que algunos pacientes desarrollaron degeneración de segmentos adyacentes al segmento fusionado3. La fusión intersomática lumbar acelera los cambios degenerativos en los segmentos adyacentes, lo que se conoce como degeneración del segmento adyacente (TEA). De acuerdo con la literatura, la incidencia de TEA diagnosticada a partir de exámenes de imagen médica oscila entre el 36% y el 84% cinco años después de la cirugía de fusión4, lo que podría provocar síntomas como dolor irradiado o claudicación intermitente y posiblemente incluso la necesidad de una cirugía de revisión. El mecanismo del TEA sigue siendo desconocido, pero la mayoría de los investigadores creen que los factores biomecánicos juegan un papel importante. Algunos han atribuido el TEA al aumento del rango de movimiento (ROM) de los segmentos adyacentes después de la cirugía 5,6, algunos lo han atribuido al aumento de la presión intradiscal en los segmentos adyacentes 7,8,9 y otros lo han atribuido al aumento de la tensión en las articulaciones facetarias de los segmentos adyacentes10.

Entre los diversos métodos utilizados para estudiar la biomecánica de la columna vertebral, el modelado de elementos finitos (FE) es ampliamente utilizado porque no es invasivo, es barato y reproducible. Algunos investigadores 11,12,13 han establecido un modelo FE 3D de toda la columna lumbar (L1-L5) con datos extraídos de tomografías computarizadas (TC) preoperatorias, lo que permitió explorar diversos aspectos de la biomecánica de la columna, desde la respuesta de la columna vertebral a diferentes condiciones de carga 14,15 hasta los efectos de diferentes patologías16 y los efectos de las modalidades y técnicas de tratamiento relevantes17. Aunque el método de modelado anterior podría proporcionar resultados sobre la geometría de la columna vertebral específica del paciente con una interfaz compleja y una gran cantidad de información que de otro modo sería inalcanzable en experimentos in vivo, su uso clínico ha seguido siendo limitado debido a la naturaleza lenta del proceso, lo que hace que el método solo esté disponible para modelos basados en uno o unos pocos sujetos14. Para abordar este problema, Nikkhoo et al.18 establecieron un modelo lumbosacro L1-S1 simplificado en el que la geometría de la columna vertebral se controla mediante parámetros extraídos de los datos de imagen preoperatoria de los pacientes, lo que permite generar o actualizar automáticamente modelos específicos del paciente de acuerdo con los parámetros de entrada. Se ha demostrado que el modelo de FE basado en este método de modelización tiene una buena validez. Sin embargo, hubo diferencias significativas en la presión intradiscal, las tensiones medias en las articulaciones facetarias y las tensiones medias en el anillo fibroso en comparación con el modelo reconstruido previo basado en TC. Otro modelo simplificado de la columna vertebral se aplicó en un estudio de Ghezelbash et al.19, pero este modelo difería mucho de la geometría real de la columna lumbar debido a la forma cilíndrica de las vértebras y a la falta de estructura de los elementos posteriores.

Por lo tanto, en este estudio, desarrollamos un modelo de FE geométricamente paramétrico específico del paciente para lograr un proceso de modelado y análisis más eficiente y con buena validez. A continuación, realizamos un análisis mecánico de los segmentos adyacentes después de la cirugía de fusión para dilucidar el mecanismo y proporcionar evidencia teórica para la prevención temprana de los TEA.

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Protocolo

El protocolo se llevó a cabo de acuerdo con la Declaración de Helsinki, y el protocolo fue aprobado por la Junta de Revisión Institucional del Hospital de la Amistad China-Japón.

1. Modelado paramétrico de la geometría de la columna lumbar

  1. Extraiga los datos iniciales (formato DICOM 3.0 con un tamaño de píxel de 0,33 mm y un espaciado de capas de 1 mm) para modelar a partir de un conjunto de datos de tomografía computarizada de un varón adulto sano sin antecedentes de traumatismo, deformidad o tumor de la columna vertebral (altura 180 cm, peso 68 kg).
  2. Seleccionar 14 parámetros característicos para lograr la generación del contorno de la columna, considerando los rasgos morfológicos de la columna lumbar que más preocupan en la práctica clínica y en la literatura más reciente18,20.
    1. Mida estos 14 parámetros directamente en imágenes de TC utilizando un software de procesamiento de imágenes 3D, como se muestra en la Figura 1A.
    2. En la ventana Vista axial , emplee la herramienta Elipse para medir con precisión los parámetros de la placa final vertebral.
    3. Para cada segmento de la columna vertebral y vértebra, inicialmente, examine las imágenes de TC en la dirección axial de arriba a abajo. Identifique la imagen que muestra el área más completa y más grande del límite vertebral para la posterior medición de datos.
    4. Utilice la herramienta Elipse dentro del módulo de medición para ajustarse a la placa terminal inferior de la vértebra, como se muestra en la Figura 1A.
    5. Después de realizar varias mediciones, calcule el valor promedio para asegurarse de que la varianza entre el área de la elipse y el área vertebral se mantenga dentro del 10%.
    6. Mida la longitud de los ejes largo y corto de la elipse ajustada, denotándolos como parámetros A1 y A2.
    7. Además, mida la sección transversal en la parte más estrecha de la sección central y la placa final superior, designándolos como parámetros B1, B2, C1 y C2.
    8. En la ventana Vista coronal , utilice la herramienta de medición de distancia para determinar la altura vertebral, representada por el parámetro H.
  3. Utilice la herramienta de medición de ángulos para cuantificar los ángulos de inclinación posteriores de las facetas superior e inferior en la vista sagital, identificados como parámetros α y β.
    1. En la ventana Vista axial de TC, utilice la herramienta de medición de distancia para medir la distancia vertical desde la sección media de la vértebra hasta la lámina como parámetro de control de longitud del pedículo L1.
    2. De manera similar, utilice la Herramienta de medición de ángulo y la Herramienta de medición de distancia para medir los parámetros L2, γ, L3 y θ en la ventana de vista axial de TC, respectivamente, como parámetros de control para el proceso transversal y el proceso espinoso.
    3. Para controlar la variabilidad interobservador e intraobservador, permita que dos médicos con más de 5 años de formación en cirugía de columna midan cada uno de los parámetros 3 veces para confirmar la fiabilidad de los datos.
  4. Aplique software de modelado para construir el modelo utilizando la función de liberación de sólidos de acuerdo con el esquema de diseño de modelo simplificado en la Figura 1A para todos los segmentos de la columna vertebral excepto el sacro.
    1. Establezca tres planos de referencia y ajuste la distancia entre los planos superior e inferior para que coincida con la altura vertebral. En cada plano, dibuje tres elipses concéntricas, alineando sus dimensiones con las mediciones de los datos de TC.
    2. Utilice estas elipses esbozadas como contornos de restricción para la función de liberación de sólidos , lo que da como resultado la creación de un modelo vertebral simplificado.
  5. Para recrear el contacto de la superficie del arco en la unión de facetas, emplee superficies cilíndricas para imitar las superficies de las facetas.
    1. Asegúrese de que la faceta superior tome la forma de una superficie de arco cilíndrico cóncava de 1/4, mientras que la faceta inferior tome la forma de una superficie de arco cilíndrico convexa de 1/4. Para mitigar la concentración de tensiones durante la alineación de facetas, redondee adecuadamente los bordes de las facetas superior e inferior.
  6. Genere una entidad extruida entre la faceta y la vértebra para emular el pedículo. Dado que la forma de la apófisis transversal o espinosa afecta mínimamente a las adiciones posteriores de elementos del ligamento, utilice un paralelepípedo regular para replicar el contorno geométrico de estas apófisis.
    1. Redondea algunas de las esquinas para una representación refinada. Modifique los valores de los 14 parámetros de características en el software de modelado para generar una geometría de la columna vertebral específica del paciente.
  7. Mida solo los parámetros C1 y C2 de la placa terminal superior del sacro en la ventana de la sección transversal del TC y el parámetro del ángulo de inclinación de la faceta superior α en la ventana sagital con un método de medición similar al descrito en el paso 1.1, teniendo en cuenta que el cálculo del modelo FE se centra principalmente en la tensión de la faceta y la placa final superior.
    1. Genere una estructura de cono con una parte superior ancha y una parte inferior estrecha como un modelo simplificado del sacro, con una estructura en forma de columna que se extiende desde ambos lados para imitar las alas sacras y proporcionar puntos de unión de ligamentos en el software de modelado. Utilice los tres parámetros anteriores para controlar la geometría S1. Véase la Figura 1B para el modelo sacro simplificado.
  8. Aplique el método de coincidencia de imágenes para determinar las posiciones relativas de cada segmento de la columna vertebral.
    1. Importe todos los modelos vertebrales y sacros en la interfaz de montaje del software de modelado, donde se carga una vista sagital media de la imagen de TC como fondo de referencia.
    2. Gire, mueva y escale cada segmento vertebral para que coincida con la parte correspondiente de la imagen de referencia (Figura 1B).
  9. Extraiga los contornos de la placa terminal vertebral adyacente para una liberación sólida.
    1. Seleccione las placas vertebrales adyacentes e insértelas en el boceto para obtener el disco intervertebral.
    2. Utilice el comando Convertir referencia de entidad para extraer los contornos de la placa final vertebral como líneas elípticas en el boceto y realice la liberación del boceto para generar un modelo de matriz de disco simplificado.
    3. Cree el núcleo pulposo de manera similar a la matriz del disco, además de reducir el boceto de la elipse al 40% del área original y moverlo ligeramente hacia atrás en el boceto.
    4. Además, amplíe el modelo de núcleo pulposo en un 10% para facilitar la segmentación de la placa final al engranar. Consulte la Figura 1B para ver el modelo final de disco simplificado.

2. Construcción del modelo de fusión intersomática lumbar posterior (PLIF) con geometría específica del paciente

  1. Vuelva a cargar el modelo simplificado en el software de modelado. Seleccione el segmento de disco intervertebral L4-L5 para la fusión.
  2. Extirpar la lámina y la apófisis espinosa de la vértebra L4 de forma manual basándose en el modelo paramétrico individualizado de la columna lumbar. Retire el disco intervertebral L4-L5.
  3. Coloque una jaula en el espacio intervertebral para la fusión ósea y llene el espacio intervertebral restante alrededor de la jaula de fusión con estructura ósea.
  4. Aplique el método de fusión intervertebral lumbar posterior (PLIF) insertando tornillos pediculares en el pedículo bilateralmente.
    1. De acuerdo con la literatura21, utilizar tornillos de 5,5 mm de diámetro y 45 mm de longitud, varillas de fijación de 6 mm de diámetro y 60 mm de longitud, y una jaula de injerto de 22 mm de longitud y 8 mm de ancho.
    2. Ajuste la posición de los tornillos pediculares de modo que el punto de entrada esté aproximadamente en el centro del pedículo.
    3. Emplee el método de operación booleana en el software de modelado, utilizando el comando de combinación dentro de las opciones de características.
    4. Establezca el tipo de operación en restar, utilizando las vértebras L4 y L5 como entidades primarias y los tornillos pediculares como entidades sustractivas para realizar el modelado de las trayectorias de los tornillos pediculares L4 y L5.
    5. Emplee el mismo procedimiento, configurando el tipo de operación que se va a agregar, para consolidar los modelos de tornillo y varilla de fijación en un todo unificado. Consulte la Figura 1B para ver el modelo PLIF específico del paciente construido.

3. Establecimiento de modelos de FE paramétricos, específicos del paciente, preoperatorios y postoperatorios

  1. Generación de mallas
    1. Emplee el software de malla22 para mallar los modelos preoperatorios y postoperatorios después del procesamiento geométrico. Importe el modelo stp y utilice el módulo 2D Meshing Auto Mesh para establecer los tamaños de malla de superficie y los tipos de elementos. Genere la malla de superficie de los modelos.
    2. Utilice el módulo Mapa de sólidos de malla 3D para establecer los tipos de elementos de malla de entidad y generar automáticamente la malla sólida. Emplee elementos cuadriláteros de 1 mm de tamaño para el engrane de la superficie de los tornillos pediculares y las varillas de fijación y genere automáticamente una malla sólida con una mezcla de elementos C3D4 y C3D8R.
    3. Para el dispositivo de fusión intervertebral, emplee elementos triangulares de 1 mm de tamaño para el engrane de la superficie y utilice elementos tetraédricos C3D4 para el mallado sólido.
    4. Debido a la forma irregular del modelo de disco intervertebral residual para el segmento L4-L5, utilice elementos triangulares de 1,5 mm de tamaño para el engrane de superficies en las caras de los extremos. Genere la malla sólida a través de la extrusión, utilizando una combinación de elementos C3D8R y C3D4.
    5. Mallar las partes restantes del modelo post-PLIF con el mismo método que el modelo preoperatorio, lo que da como resultado la creación de 617.231 células y 151.078 ganglios en el modelo post-PLIF.
  2. Propiedades del material y configuración de interacción
    1. Importe los modelos preoperatorios y postoperatorios de malla en el software FE para su preprocesamiento.
      1. En el panel Administrador de materiales , defina el comportamiento del material de los tornillos pediculares, las varillas de fijación y los dispositivos de fusión intervertebral como materiales elásticos lineales isotrópicos.
      2. En la pestaña Datos , especifique el módulo de Young y la relación de Poisson de los materiales.
      3. Para los tornillos y varillas, use aleación de titanio, y para el dispositivo de fusión, use policeteretercetona. Consulte la Tabla 2 para conocer los parámetros específicos de las propiedades del material de estos dos materiales.
      4. Dado que la malla del disco intervertebral residual en L4-L5 no es hexaédrica y no puede definirse como un material hiperelástico, consulte la literatura pertinente23 y establézcalo como un material elástico lineal isótropo en el Administrador de materiales; especifique su módulo de Young como 4 MPa y la relación de Poisson como 0,45.
    2. Navegue hasta el módulo de Interacción , abra el Administrador de restricciones, haga clic en el botón Crear para abrir la ventana Crear restricción .
      1. Establezca el tipo como Enlace. En la ventana de visualización del modelo , seleccione las caras de los extremos vertebrales superior e inferior, así como los nódulos unidos del dispositivo de fusión.
      2. Después de confirmar, abra la ventana Editar restricción , establezca el Método de discretización en el valor predeterminado del análisis y especifique que no se excluya el grosor del elemento de vaciado.
      3. Establezca los ajustes de interacción de acuerdo con las condiciones biomecánicas después de una fusión intervertebral ideal. Ignore el posible deslizamiento entre el hueso y los tornillos o la jaula.
      4. Fije las relaciones de contacto entre los tornillos y el hueso esponjoso y entre la jaula y las superficies terminales de los cuerpos vertebrales superior e inferior como unión.
      5. Establezca la propiedad de interacción de contacto entre las superficies de contacto de la junta como fricción de deslizamiento controlada por la función Penalty , con un coeficiente de fricción de 0,01 en la dirección tangencial y contacto duro en la dirección normal donde se permite la separación después del contacto.
    3. Establezca las condiciones de contorno de acuerdo con las reglas del movimiento lumbosacro humano, donde todos los segmentos vertebrales pueden moverse, mientras que el sacro proporciona principalmente soporte y fijación.
      1. Acceda al módulo de carga en el software FE, abra el Administrador de condiciones de contorno y haga clic en el botón Crear para abrir la ventana Crear condición de contorno.
      2. Establezca la Categoría como Mecánico y elija el tipo aplicable al paso de análisis seleccionado como Simetría/Antisimetría/Fijeza completa.
      3. Haga clic en Continuar y, en la interfaz de visualización del modelo, seleccione los nodos de superficie del sacro.
      4. Al finalizar, en la ventana Editar condición de contorno que aparece, elija la opción Totalmente fijo (U1 = U2 = U3 = UR1 = UR2 = UR3 = 0).
    4. Consulte la Tabla 1 y la Tabla 2 24,25,26 para conocer todas las configuraciones de propiedades del material. Utilice la misma propiedad del material, la relación de interacción y la misma configuración de condición de contorno para otros tejidos y estructuras en modelos preoperatorios y postoperatorios.
  3. Validación del modelo de FE individualizado
    1. Establezca un punto de carga justo después del centro de la placa terminal superior de la vértebra L3 antes de aplicar cualquier carga. Acople todos los nodos de la placa final superior L3 con este punto de carga a través de relaciones de restricción.
    2. Aplique diferentes direcciones de momentos de flexión puros de 3,5 N∙m en el punto de carga del modelo para simular los movimientos de la columna lumbar durante la flexión, la extensión y la flexión lateral. Mida el ROM de cada segmento y compárelo con los datos experimentales reportados por Guan et al.27.
    3. Aplique una carga vertical de 150 N en el punto de carga e imponga diferentes cargas direccionales de 2,5 N∙m, 5 N∙m y 7,5 N∙m para simular el movimiento de la columna lumbar en varias direcciones. Mida el ROM para cada segmento y compárelo con los datos experimentales reportados por Panjabi et al.28.
    4. Utilice el método del eje instantáneo de rotación para medir y calcular el ROM para cada segmento lumbar.
      1. En el módulo de posprocesamiento del software FE, fije la vista, capture imágenes de desplazamiento antes y después del modelo en la misma vista e impórtelas en el software de procesamiento de imágenes.
      2. Determine el centro instantáneo y el movimiento de la columna vertebral de cada segmento de acuerdo con los métodos descritos en la literatura.
      3. Para cada segmento, tome medidas tres veces y utilice el promedio para minimizar los errores de los diferentes planos de medición.
    5. Aplique una carga vertical de 500 N y un momento de 7,5 N∙m en el punto de carga para simular movimientos de flexión, extensión y flexión lateral.
    6. En el posprocesamiento, extraer la tensión interna máxima en el núcleo pulposo en los discos intervertebrales de cada segmento y comparar los datos con los resultados reportados por Dreischarf y Wike14,29.

4. Carga del modelo FE

  1. Aplique los mismos procesos y valores de carga a los modelos preoperatorios y post-PLIF para facilitar el análisis de los cambios mecánicos después de la cirugía PRIF.
  2. Aplique una carga vertical descendente de 400 N en el punto de carga por encima de la vértebra L3 y una carga de momento de 7,5 N∙m en cada dirección en el punto de carga para simular la flexión humana hacia adelante, la extensión hacia atrás, la flexión lateral y el movimiento de torsión.
    NOTA: Solo es necesario simular el movimiento en la dirección unilateral durante la flexión y torsión lateral, ya que el modelo lumbosacro paramétrico es simétrico con respecto al plano sagital.
  3. Consulte la Figura 1B para ver el modelo final de FE post-PLIF específico del paciente.

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Resultados

Resultados de simulación del modelo específico del paciente en comparación con los resultados de la literatura previa
ROM del disco intervertebral
De acuerdo con las condiciones de carga experimental de Guan et al.27, se aplicó una carga de momento de flexión pura de 3,5 N∙m en diferentes direcciones en el punto de carga del modelo para simular el movimiento de la columna lumbar en flexión, extensión y flexión lat...

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Discusión

En este estudio, se estableció un modelo de FE geométricamente paramétrico específico del paciente para analizar las características biomecánicas de la columna lumbar después de la cirugía de PLIF. Los resultados mostraron que la tensión en las articulaciones facetarias y el disco del segmento fusionado disminuyó significativamente después de la cirugía de PLIF, lo que indica que PLIF podría fortalecer eficazmente la estabilidad del segmento descomprimido y retrasar un mayor...

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Divulgaciones

Los autores declaran que no tienen intereses contrapuestos u otros intereses que puedan percibirse como influyentes en los resultados y/o la discusión reportada en este artículo.

Agradecimientos

Esta investigación no recibió ninguna subvención específica de agencias de financiamiento en los sectores público, comercial o sin fines de lucro.

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Materiales

NameCompanyCatalog NumberComments
AbaqusDassaulthttps://www.3ds.com/products/simulia/abaqusFinite element analysis
AutoCADAutodeskhttps://www.autodesk.com/products/autocad/An Engineering Computer Aided Design software used to measure the ROM of different vertebral segment 
CT scan dataset China Japan Friendship HospitalDataset of an adult healthy male with no history of trauma, deformity or tumor of the spine (height 180 cm, weight 68 kg).The raw data were stored in Dicom 3.0 format with a pixel size of 0.33 mm and a layer spacing of 1 mm.
Hypermesh 2019Altairhttps://altair.com/hypermesh/ Mesh generation
Mimics Research 21.0Materialisehttps://www.materialise.com/en/healthcare/mimics-innovation-suite/mimicsModel construction

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