Efeito do alinhamento sagital após fusão da coluna lombossacral: uma análise com elementos finitos

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016Os tratamentos cirúrgicos da coluna vertebral são custosos e nem sempre realizados com sucesso. A artrodese, por exemplo, modifica a biomecânica da coluna vertebral e pode comprometer os segmentos adjacentes à fusão levando-os a degeneração seguida de patologias. O objetivo deste trabalho foi aprimorar e validar um modelo baseado em elementos finitos para prever o comportamento biomecânico da coluna lombossacral intacta e com fusão tanto com preservação da lordose quanto no caso hipolordótico (0°) no segmento L5-S1. Pretendeu-se compreender o efeito do alinhamento sagital, um dos principais responsáveis pela eficácia da artrodese e relacionado a aceleração da degeneração do segmento adjacente a fusão. A validação do modelo foi realizada através da calibração das propriedades dos ligamentos e das facetas articulares. Assim, foi possível manter os valores das rotações intervertebrais e das forças facetarias próximos dos valores encontrados em testes in vitro sob a aplicação de momento puro nos regimes de flexão-extensão e flexão lateral. Após a validação, a coluna foi testada sob a aplicação de forças fisiológicas através da inclusão da força gravitacional, uma carga seguidora representando os músculos locais e um sistema antagonista composto pelo reto abdominal e ereto espinhal. A coluna intacta foi testada em diversas angulações no plano sagital onde as forças destes dois músculos foram ajustadas visando manter rotações da vértebra L1 e sacro pré-definidas. Nos casos da coluna com implante, esse ajuste é feito com o objetivo de deslocar e manter o centro de gravidade na mesma posição encontrada na coluna intacta assim como a inclinação sacral (sacral slope). Em comparação com a coluna intacta os seguintes resultados foram obtidos para a coluna com fusão nas inclinações sacrais de 37° (posição neutra), 47° e 57° respectivamente: a) para o caso com preservação da lordose, as forças do eretor espinhal são 16%, 28% e 32% menores; ocorre uma redução de lordose e das forças facetárias em todos os segmentos não fundidos quando estas diferenças não são desprezíveis; b) para o caso hipolordótico as forças do eretor da espinha são 120%, 24% e 18% maiores; os segmentos superiores a vértebra L5 encontram-se mais estendidos; ocorre um aumento das forças facetárias além das máximas pressões presentes nos disco intervertebrais. Provavelmente, estes aumentos sejam os responsáveis em acelerar a degeneração das estruturas do segmento adjacente.Abstract: Surgical treatments of the spine involve high costs and their goals are not always successfully achieved. Arthrodesis, for example, changes the biomechanics of the spine and may compromise the adjacent segments, leading the patients to degenerative diseases and, eventually, serious medical conditions. The objective of this study was to improve and validate a finite element model to predict the biomechanical behavior of the lumbosacral spine. Tests involved the intact spine and the spine with fusion at the L5-S1 segment in two situations: preservation of lordosis and hypolordosis (0°). The aim was to study the effect of the sagittal alignment after fusion, one of the key factors of its efficacy, which is related to the accelerated degeneration of its adjacent segment. The validation of the model was achieved by calibrating the properties of the ligaments and facet joints. Thus, it was possible to keep the values of intervertebral rotations and forces at the facet joints close to the values found in in vitro tests under the application of pure moment in flexion-extension and lateral flexion. Additionally, the lumbosacral spine model was tested under physiological loading conditions. It includes the gravitational force, a follower load representing the local muscle, and an antagonist system composed of the rectus abdominis and erector spinae muscles. The intact spine was tested at different angles in the sagittal plane and the forces of these two muscles were adjusted to keep a pre-defined rotation of the L1 vertebra and sacrum. In the cases of the spine with implant, this adjustment serves to displace and keep the center of gravity at the same position found in the model of the intact spine and, the sacral slope as well. In comparison to the intact spine, the following results were obtained for the spine with fusion considering a sacral inclination of 37° (neutral position) 47° and 57° respectively: a) for the case of fusion with preservation of lordosis, the forces of the erector spinae are 16%, 28% and 32% lower; the lordosis and the facet forces are reduced in all unfused segments when these differences are not negligible; b) for the hypolordotic case, the forces of the erector spinae are 120%, 24% and 18% higher; the upper vertebra L5 segments are more extended; and the forces at the facet joints and the maximum pressure in the intervertebral discs are higher. Most likely, these increases are responsible for accelerating the degeneration of the adjacent segment structures