Оцінка біомеханічної стабільності грудо-поперекового переходу при вибуховому переломі Th12 після хірургічної стабілізації під впливом ротаційного навантаження

Автор(и)

  • Олексій Сергійович Нехлопочин Інститут нейрохірургії ім. акад. А. П. Ромоданова Національної академії медичних наук України, Україна https://orcid.org/0000-0002-1180-6881
  • Вадим Віталійович Вербов Інститут нейрохірургії ім. акад. А.П. Ромоданова Національної академії медичних наук України, Україна https://orcid.org/0000-0002-3074-9915
  • Євген Валерійович Чешук Інститут нейрохірургії ім. акад. А.П. Ромоданова Національної академії медичних наук України, Україна https://orcid.org/0000-0002-8063-2141
  • Михайло Юрійович Карпінський Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М. І. Ситенка Національної академії медичних наук України, Україна https://orcid.org/0000-0002-3004-2610
  • Олександр Васильович Яресько Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка Національної академії медичних наук України, Україна https://orcid.org/0000-0002-2037-5964

DOI:

https://doi.org/10.15587/2519-4798.2024.306367

Ключові слова:

грудо-поперековий перехід, травматичне ушкодження, транспедикулярна фіксація, вибуховий перелом, ротаційне навантаження

Анотація

Зона грудо-поперекового переходу є найбільш вразливою щодо травматичних пошкоджень, понад 65 % травм грудо-поперекового відділу хребта припадає на цю ділянку.

Мета: Вивчити напружено-деформований стан моделі грудо-поперекового відділу хребта з вибуховим переломом хребця Th12 за різних варіантів транспедикулярної фіксації під впливом ротаційного навантаження.

Матеріали та методи: Було розроблено математичну скінченно-елементну модель грудо-поперекового відділу хребта людини, що включала вибуховий перелом тіла хребця Th12 та транспедикулярну систему стабілізації, яка містить 8 гвинтів, імплантованих у хребці Th10, Th11, L1 та L2. Моделювали 4 варіанти транспедикулярної фіксації за допомогою коротких і довгих гвинтів, що проходять крізь передню поверхню тіла хребця, а також з двома поперечними стяжками та без них.

Результати: Аналіз показав достатньо високі показники навантаження як для кісткових структур моделей, так і для елементів металоконструкції. Максимальний рівень напруження в тілі пошкодженого хребця склав 33,2, 26,7, 30,1 і 24,2 МПа відповідно для моделей з монокортикальними гвинтами без поперечних стяжок, з бікортикальними гвинтами без стяжок, з монокортикальними гвинтами та стяжками, і з бікортикальними гвинтами та стяжками. Високі значення також були отримані для тіл хребців, суміжних з пошкодженим: 13,0, 8,4, 10,9 і 7,1 МПа для тіла L1 і 10,2, 8,9, 7,1, і 6,2 МПа для тіла Th11 для розглянутих моделей відповідно. Напруження на опорних балках було зафіксовано на рівні 582,0, 512,5, 512,6 і 452,7 МПа відповідно.

Висновок: проведений аналіз продемонстрував, що при моделюванні ротаційного навантаження модель з монокортикальними гвинтами без поперечних стяжок демонструє максимальні пікові навантаження в контрольних точках, модель з бікортикальними гвинтами та поперечними стяжками – мінімальні. Водночас моделі з короткими гвинтами та стяжками та довгими гвинтами без стяжок характеризуються порівнянними результатами

Біографії авторів

Олексій Сергійович Нехлопочин, Інститут нейрохірургії ім. акад. А. П. Ромоданова Національної академії медичних наук України

PhD, старший науковий співробітник

Відділ спінальної нейрохірургії

Вадим Віталійович Вербов, Інститут нейрохірургії ім. акад. А.П. Ромоданова Національної академії медичних наук України

Кандидат медичних наук, нейрохірург

Відділення відновлювальної нейрохірургії

Євген Валерійович Чешук, Інститут нейрохірургії ім. акад. А.П. Ромоданова Національної академії медичних наук України

Доктор медичних наук, нейрохірург

Відділення відновлювальної нейрохірургії

Михайло Юрійович Карпінський, Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М. І. Ситенка Національної академії медичних наук України

Кандидат медичних наук, старший науковий співробітник

Лабораторія біомеханіки

Олександр Васильович Яресько, Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка Національної академії медичних наук України

Молодший науковий співробітник

Лабораторія біомеханіки

Посилання

  1. Fradet, L., Petit, Y., Wagnac, E., Aubin, C.-E., Arnoux, P.-J. (2013). Biomechanics of thoracolumbar junction vertebral fractures from various kinematic conditions. Medical & Biological Engineering & Computing, 52 (1), 87–94. https://doi.org/10.1007/s11517-013-1124-8
  2. Qiu, T.-X., Tan, K.-W., Lee, V.-S., Teo, E.-C. (2006). Investigation of thoracolumbar T12–L1 burst fracture mechanism using finite element method. Medical Engineering & Physics, 28 (7), 656–664. https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2005.10.011
  3. Wang, H., Zhang, Y., Xiang, Q., Wang, X., Li, C., Xiong, H., Zhou, Y. (2012). Epidemiology of traumatic spinal fractures: experience from medical university–affiliated hospitals in Chongqing, China, 2001–2010. Journal of Neurosurgery: Spine, 17 (5), 459–468. https://doi.org/10.3171/2012.8.spine111003
  4. Rajasekaran, S., Kanna, R. M., Shetty, A. P. (2015). Management of thoracolumbar spine trauma. Indian Journal of Orthopaedics, 49 (1), 72–82. https://doi.org/10.4103/0019-5413.143914
  5. Verlaan, J. J., Diekerhof, C. H., Buskens, E., van der Tweel, I., Verbout, A. J., Dhert, W. J. A., Oner, F. C. (2004). Surgical Treatment of Traumatic Fractures of the Thoracic and Lumbar Spine. Spine, 29 (7), 803–814. https://doi.org/10.1097/01.brs.0000116990.31984.a9
  6. Sasani, M., Özer, A. F. (2009). Single-Stage Posterior Corpectomy and Expandable Cage Placement for Treatment of Thoracic or Lumbar Burst Fractures. Spine, 34 (1), E33–E40. https://doi.org/10.1097/brs.0b013e318189fcfd
  7. Roy-Camille, R., Saillant, G., Mazel, C. (1986). Internal Fixation of the Lumbar Spine with Pedicle Screw Plating. Clinical Orthopaedics and Related Research, 203, 7–17. https://doi.org/10.1097/00003086-198602000-00003
  8. Harrington, P. R. (1973). The History and Development of Harrington Instrumentation. Clinical Orthopaedics and Related Research, 93, 110–112. https://doi.org/10.1097/00003086-197306000-00013
  9. Tanasansomboon, T., Kittipibul, T., Limthongkul, W., Yingsakmongkol, W., Kotheeranurak, V., Singhatanadgige, W. (2022). Thoracolumbar Burst Fracture without Neurological Deficit: Review of Controversies and Current Evidence of Treatment. World Neurosurgery, 162, 29–35. https://doi.org/10.1016/j.wneu.2022.03.061
  10. Chan, B. C. F., Craven, B. C., Furlan, J. C. (2018). A scoping review on health economics in neurosurgery for acute spine trauma. Neurosurg Focus, 44 (5), E15. http://doi.org/10.3171/2018.2.Focus17778
  11. Assaker, R. (2004). Minimal access spinal technologies: state-of-the-art, indications, and techniques. Joint Bone Spine, 71 (6), 459–469. https://doi.org/10.1016/j.jbspin.2004.08.006
  12. Walker, C. T., Xu, D. S., Godzik, J., Turner, J. D., Uribe, J. S., Smith, W. D. (2018). Minimally invasive surgery for thoracolumbar spinal trauma. Annals of Translational Medicine, 6 (6), 102–102. https://doi.org/10.21037/atm.2018.02.10
  13. Dong, S., Li, Z., Tang, Z., Zheng, Y., Yang, H., Zeng, Q. (2022). Predictors of adverse events after percutaneous pedicle screws fixation in patients with single-segment thoracolumbar burst fractures. BMC Musculoskeletal Disorders, 23 (1). https://doi.org/10.1186/s12891-022-05122-1
  14. Karami, K. J., Buckenmeyer, L. E., Kiapour, A. M., Kelkar, P. S., Goel, V. K., Demetropoulos, C. K., Soo, T. M. (2015). Biomechanical Evaluation of the Pedicle Screw Insertion Depth Effect on Screw Stability Under Cyclic Loading and Subsequent Pullout. Journal of Spinal Disorders & Techniques, 28 (3), E133–E139. https://doi.org/10.1097/bsd.0000000000000178
  15. Burkhard, M. D., Cornaz, F., Spirig, J. M., Wanivenhaus, F., Loucas, R., Fasser, M.-R., Widmer, J., Farshad, M. (2021). Posterior spinal instrumentation and decompression with or without cross-link? North American Spine Society Journal (NASSJ), 8, 100093. https://doi.org/10.1016/j.xnsj.2021.100093
  16. Nekhlopochyn, O. S., Verbov, V. V., Cheshuk, I. V., Vorodi, M. V., Karpinsky, M. Yu., Yaresko, O. V. (2023). The biomechanical state of the thoracolumbar junction with various options of transpedicular fixation under flexion load. Ukrainian Neurosurgical Journal, 29 (2), 49–56. https://doi.org/10.25305/unj.277152
  17. Nekhlopochyn, O. S., Verbov, V. V., Karpinsky, M. Yu., Yaresko, O. V. (2021). Biomechanical evaluation of the pedicle screw insertion depth and role of cross-link in thoracolumbar junction fracture surgery: a finite element study under compressive loads. Ukrainian Neurosurgical Journal, 27 (3), 25–32. https://doi.org/10.25305/unj.230621
  18. Boccaccio, A., Pappalettere, C.; Klika, V. (Ed.) (2011). Mechanobiology of Fracture Healing: Basic Principles and Applications in Orthodontics and Orthopaedics. Theoretical Biomechanics. Croatia: InTech, 21–48. https://doi.org/10.5772/19420
  19. Cowin, S. C. (2001). Bone Mechanics Handbook. Boca Raton: CRC Press, 980.
  20. International Organization for Standardization (2021). ISO 5832-3:2021: Implants for Surgery: Metallic Materials. Wrought titanium 6-aluminium 4-vanadium alloy. Part 3. Geneva: ISO, 17
  21. Rao, S. S. (2005) The Finite Element Method in Engineering. Elsevier Science, 663.
  22. Kurowski, P. M. (2007). Engineering Analysis with COSMOSWorks 2007. SDC Publications, 263
  23. Nekhlopochyn, O. S., Verbov, V. V., Cheshuk, I. V., Karpinsky, M. Yu., Yaresko, O. V. (2023). Biomechanical characteristics of thoracolumbar junction under rotational loading after decompression-stabilization surgery. Bulletin of Problems Biology and Medicine, 1 (3), 233–244. https://doi.org/10.29254/2077-4214-2023-3-170-233-244
  24. Panjabi, M. M., Oxland, T. R., Lin, R. M., McGowen, T. W. (1994). Thoracolumbar burst fracture. A biomechanical investigation of its multidirectional flexibility. Spine, 19 (5), 578–585. https://doi.org/10.1097/00007632-199403000-00014
  25. Niinomi, M. (2008). Mechanical biocompatibilities of titanium alloys for biomedical applications. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 1 (1), 30–42. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2007.07.001
  26. Mohi Eldin, M. M., Ali, A. M. A. (2014). Lumbar Transpedicular Implant Failure: A Clinical and Surgical Challenge and Its Radiological Assessment. Asian Spine Journal, 8 (3), 281–279. https://doi.org/10.4184/asj.2014.8.3.281
  27. Galbusera, F., Volkheimer, D., Reitmaier, S., Berger-Roscher, N., Kienle, A., Wilke, H.-J. (2015). Pedicle screw loosening: a clinically relevant complication? European Spine Journal, 24 (5), 1005–1016. https://doi.org/10.1007/s00586-015-3768-6
  28. Chen, C.-S., Chen, W.-J., Cheng, C.-K., Jao, S.-H. E., Chueh, S.-C., Wang, C.-C. (2005). Failure analysis of broken pedicle screws on spinal instrumentation. Medical Engineering & Physics, 27 (6), 487–496. https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2004.12.007
  29. Alkosha, H. M., Omar, S. A., Albayar, A., Awad, B. I. (2019). Candidates for Percutaneous Screw Fixation Without Fusion in Thoracolumbar Fractures: A Retrospective Matched Cohort Study. Global Spine Journal, 10 (8), 982–991. https://doi.org/10.1177/2192568219886320
  30. Vaccaro, A. R., Lehman, R. A., Hurlbert, R. J., Anderson, P. A., Harris, M., Hedlund, R. et al. (2005). A New Classification of Thoracolumbar Injuries. Spine, 30 (20), 2325–2333. https://doi.org/10.1097/01.brs.0000182986.43345.cb
  31. Moon, M.-S., Yu, C. G., Jeon, J. M., Wi, S. M. (2023). Usefulness of Percutaneous Pedicle Screw Fixation for Treatment of Lower Lumbar Burst (A3-A4) Fractures: Comparative Study with Thoracolumbar Junction Fractures. Indian Journal of Orthopaedics, 57 (9), 1415–1422. https://doi.org/10.1007/s43465-023-00911-9
  32. Krag, M. H., Beynnon, B. D., Pope, M. H., DeCoster, T. A. (1988). Depth of Insertion of Transpedicular Vertebral Screws into Human Vertebrae. Journal of Spinal Disorders, 1 (4), 287–294. https://doi.org/10.1097/00002517-198800140-00002

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-07-16

Як цитувати

Нехлопочин, О. С., Вербов, В. В., Чешук, Є. В., Карпінський, М. Ю., & Яресько, О. В. (2024). Оцінка біомеханічної стабільності грудо-поперекового переходу при вибуховому переломі Th12 після хірургічної стабілізації під впливом ротаційного навантаження. ScienceRise: Medical Science, (2(59), 36–43. https://doi.org/10.15587/2519-4798.2024.306367

Номер

№ 2(59) (2024)

Розділ

Медичні науки

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Oleksii Nekhlopochyn, Vadim Verbov, Ievgen Cheshuk, Mykhailo Karpinsky, Olexander Yaresko

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Наше видання використовує положення про авторські права Creative Commons CC BY для журналів відкритого доступу. 

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.

2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.