Use of finite element analysis in the biomechanical analysis of screws used for spine fixation system.

O parafuso como elemento de ancoragem de sistemas de fixação vertebral já é há muito utilizado. Porém a forma de distribuição da tensão gerada por ele na região de ancoragem não está ainda bem clara. O método de elementos finitos (MEF) é um método matemático desenvolvido no século passado e permite, quando em um estudo estático, avaliar reações internas de estruturas ao se aplicar uma força. Este estudo teve por objetivo analisar as tensões e deformações internas geradas por parafusos do sistema de fixação vertebral por meio do MEF. Os Parafusos USS1 de 5, 6 e 7 mm de diâmetro e 45 mm de comprimento (Grupo 1 G1, Grupo 2 G2 e Grupo 3 - G3) e os parafusos USS2 anterior, USS2 posterior de 6,2mm de diâmetro e USS1 de 6 mm de diâmetro e 30 mm de comprimento (Grupo 4 G4, Grupo 5 G5 e Grupo 6 - G6) foram utilizados neste estudo. Para validação dos modelos foram utilizados: ensaio mecânico de arrancamento do parafuso em corpos de prova de poliuretana com densidade de 0,16 g/cm3 e resultados de ensaios de arrancamento encontrados na literatura. Foi confeccionado um modelo tridimensional para cada conjunto parafuso e poliuretana estudado no programa SolidWorks®2006. Foram confeccionados 30 corpos de prova em poliuretana para validação de G1, G2 e G3, sendo 10 corpos de prova para cada grupo. O orifício piloto foi realizado por broca de 3,8 mm para G1 e 4,8 mm para G2 e G3. Os modelos dos grupos G4, G5 e G6 foram validados por resultados encontrados na literatura de ensaios em poliuretana de mesma densidade e orifício piloto realizados por sonda de 3,8 mm para G4 e G5 e 4,8mm para G6. A análise pelo método de elementos finitos, foi realizada no programa ANSYS®Workbench 10.0. A validação foi obtida pela comparação da rigidez relativa obtida no ensaio mecânico e o resultado da simulação pelo MEF. Foram encontradas divergências de 8,3% para G1, 3,1% para G2, 0,5% para G3, 14,4% para G4, 9,5% para G5 e 10,3% para G6, sendo todas consideradas aceitáveis. Validados os modelos, os grupos G4 e G6, utilizados na fixação anterior, foram submetidos à força de compressão, tração e dobramento lateral. Os grupos G5 e G6, empregados na fixação posterior, foram submetidos à força de compressão, tração, flexão e extensão. Na fixação anterior as menores tensões foram encontradas para G4 e as maiores para G6 para todas as forças aplicadas. Na fixação posterior as menores tensões foram encontradas para G5 e as maiores para G6 para todas as forças aplicadas. As maiores tensões foram geradas ao se realizar o dobramento lateral na fixação anterior e a extensão na fixação posterior.Screws have been used to stabilize spine fixation systems. However, stress distribution around them is not clear yet. The finite element method (FEM) is a mathematic model developed in the last century and allows evaluating internal reactions of the structure submitted to a load in a static analysis. The present study aimed to evaluate stress and internal deformation caused by screws of the spine fixation system using FEM. USS1 screws measuring 5, 6 and 7 mm in diameter and 45 mm in length (Group 1 G1, Group 2 G2 and Group 3 G3) and the screws USS2 anterior, USS2 posterior measuring 6.2 mm in diameter and USS1 measuring 6 mm in diameter and 30 mm in length (Group 4 G4, Group 5 G5 and Group 6 G6) were used in the present study. For validation models, mechanical tests evaluating pull-out strength in polyurethane samples presenting density of 0.16 g/cm3, and results of pull-out tests related in the literature were used. Threedimensional (3D) models were built for each screw-polyurethane sample set using SolidWorks® 2006 software. Thirty polyurethane samples were made for G1, G2 and G3 validation, 10 for each group. The pilot hole was made using a 3.8 mm drew for G1, and 4.8 mm for G2 and G3. The G4, G5 and G6 models were validated based on literature results that used polyurethane of same density and pilot hole made using 3.8 mm probe for G4 and G5, and 4.8 mm for G6. The FEM analysis was performed using ANSYS®Workbench 10.0 software. Validation was reached by comparing relative stiffness obtained in mechanical tests and results of FEM simulation. Differences of 8.3% for G1, 3.1% for G2, 0.5% for G3, 14.4% for G4, 9.5% for G5, and 10.3% for G6 were found, but all values were considered acceptable. Validated the models, G4 and G6 groups, used for anterior fixation, were submitted to compression, traction and lateral bending load. The G5 and G6 groups, used for posterior fixation, were submitted to compression, traction, flexion and extension force. In the anterior fixation, lower stress were found for G4, and greater for G6 at all applied forces. In the posterior fixation, lower stress were found for G5 and greater for G6 at all applied forces. Greater stress were caused simulating lateral bending in the anterior fixation, and extension in the posterior fixation