Autor(es):
Rodrigues, Diana Rebecca Esteves Cardoso Gavazzo 
Data: 2011
Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/10773/8366
Origem: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Assunto(s): Engenharia mecânica; Biomecânica; Artroplastia; Implantes ortopédicos; Coluna vertebral
Descrição
The main objective of this thesis was to study the biomechanical implications
related to different surgical procedures for decompressing the intervertebral
discs in the cervical spine.
The different surgical techniques were evaluated so as to assess how load
transfer to the adjacent vertebrae would be affected, thereby ascertaining the
potential risks of failure of these vertebrae when compared to the vertebrae
in the native (healthy) state. For this purpose an initial analysis of the
cervical spine was performed, specifically on the C4-C6 segment, from an
anatomical, biomechanical and pathological point of view. An analysis of
surgical reconstructive processes was also carried out, with particular focus
on the two procedures known as arthrodesis and arthroplasty.
Finite element models were then developed from CT images obtained from
a healthy male patient, with the purpose of comparing the surgical cases of
arthrodesis and arthroplasty to the native case. For these tests the selected
implants were the Fidji PEEK cage (Zimmer, Inc) for the arthrodesis case
and the ProDisc-C (Synthes, Inc.) for the arthroplasty case. The different
models generated from medical CT imaging were reconstructed with the
help of 3D modelling and finite element software and submitted to loading
conditions that simulated the weight of the human head in the anatomical
(upright) position.
The results obtained for each model enabled the evaluation, and therefore
the comparison, of the alterations in load transfer from one model too another.
These alterations were determined through the measurement of the
variations in the principal strain values in the cortical bone of vertebrae C5
and C6, adjacent to the implant, and in vertebra C4, which was positioned
directly above vertebra C5. Compressive strain values were also analysed in
the trabecular bone for all three vertebrae.
The principal strain values in the anterior vertebral body of vertebrae C5 and
C6, obtained from the numerical models developed, were compared with the
respective results obtained from the experimental models subsequently used
in this study.
In addition to the numerical models developed, experimental models of the
C5-C6 segment in rigid polyurethane foam were created. The different surgical
techniques (arthroplasty and arthrodesis) were performed in-vitro. The
purpose behind the development of these models was to ascertain the extent
to which the results obtained for the numerical models could be experimentally
replicated. Alterations in load transfer in these models was registered by
means of rosette strain gauges placed in the anterior region of the vertebrae,
allowing the evaluation of the principal strain values on the model’s surface.
These experimental models were submitted to the same loading conditions
as the numerical models.
A high correlation between the principal strain values was obtained when
comparing the numerical models with the experimental models, thus revealing
the ability of the numerical models to recreate the mechanical behaviour
of the experimental models.
The comparison made between the native numerical model (in which mechanical
bone properties had not been simplified) and the model where mechanical
properties were discretized, into cortical and trabecular bone properties,
revealed differences that should not be overlooked. When comparing
implanted models with the native model an increase in principal strain values
of cortical and trabecular bone, particularly in the lateral areas of the vertebral
body were revealed, relatively to the native model. On average these
increases were lower in the cortical bone for the arthroplasty case than in
the arthrodesis case, but higher in the trabecular bone.
Thus, it is concluded that both surgical techniques contribute to the increase
of mechanical strain on the vertebrae adjacent to the implants, and thus possibly increase the risk of failure of the bone structure due to fatigue. Procurou-se especificamente avaliar como cada uma das diferentes técnicas
cirúrgicas altera a transferência de carga as vértebras adjacentes, aferindo
assim potenciais riscos de falência destas quando comparadas com a situação
das vértebras no estado nativo (saudável). Para o efeito, numa primeira fase
procurou-se realizar uma naálise detalhada a coluna cervical, especificamente
ao segmento C4-C6, na sua vertente anatómica, biomecânica e patológica,
assim como dos processos cirúrgicos de reconstrução com especial enfoque
na artrodese e artroplastia cervical.
Numa fase posterior procedeu-se ao desenvolvimento de modelos numéricos
de elementos finitos a partir de imagens de TAC de um paciente saudável,
com o propósito de comparar as técnicas de artroplastia e artrodese com a
situação nativa. Para estas análises foram seleccionados os implantes Fidji
PEEK cage (Zimmer, Inc) para a técnica da artrodese, e ProDisc-C (Synthes,
Inc) para a técnica da artroplastia. Estes diferentes modelos, gerados a partir
das imagens médicas de TAC, foram reconstruídos com o auxílio de softwares
de modelação 3D e de elemento finitos, e submetidos a condiç oes de cargas
idênticas, correspondente ao peso da cabeça humana na postura anatómica.
Os resultados obtidos com estes modelos permitiram avaliar de forma comparativa
as alterações de transferência de carga através das deformações
principais no osso cortical das vértebras C5-C6 imediatamente adjacente aos
implantes, assim como na vértebra C4 do segmento anexo. Em complemento
destas deformações foram também analisadas as deformações de compressão
no osso esponjoso das mesmas vértebras.
As deformações principais no cortex anterior das vértebras C5-C6 dos modelos
experimentais desenvolvidos foram comparadas com os resultados obtidos
nos modelos numéricos correspondentes criados neste estudo.
Em complemento aos modelos numéricos anteriores, desenvolveram-se modelos
experimentais do segmento C5-C6, em espuma rígida de poliuretano,
onde as diferentes técnicas cirúrgicas (artrodese e artroplastia) foram implementadas
através de cirurgias “in-vitro”. O desenvolvimento destes modelos
pretendeu aferir até que ponto os resultados obtidos nos modelos numéicos
se reproduziam experimentalmente. As alterações de transferência de carga
nestes modelos foram realizadas com recurso a rosetas de extensómetros
colocadas na região anterior das vértebras, permitindo a avaliação das deformações
principais na sua superfície. Estes modelos foram submetidos ao
mesmo caso de carga dos modelos numéricos.
Um elevado valor de correlação entre as deformações principais foi obtido
na comparação dos modelos numéricos com os modelos experimentais, revelando
uma boa capacidade dos modelos numéricos replicarem o comportamento
mecânico dos modelos experimentais.
Os resultados obtidos na comparação do modelo numérico nativo com o
modelo em que as propriedades mecânicas foram discretizadas, em osso
cortical e esponjoso, revelaram diferenças não desprezáveis. Os resultados
obtidos entre os diferentes modelos implantados e o modelo nativo revelaram
aumentos das deformações no osso cortical e esponjoso, em particular nas
zonas laterais aos implantes, relativamente ao modelo nativo. Em média
estes aumentos foram inferiores na técnica da artroplastia relativamente a
artrodese no osso cortical e foram superiores no osso esponjoso.
Assim, conclui-se que as ambas as técnicas cirúrgicas contribuem para o
agravar da solicitação mecânica sobre as vértebras adjacentes aos implantes,
e desta forma possivelmente potenciar o risco de falência por efeito do processo
de fadiga. Mestrado em Engenharia Mecânica
