نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده مهندسی مکانیک

2 دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده مهندسی مکانیک مرکز تحقیقات علوم و تکنولوژی در پزشکی

3 مرکز تحقیقات علوم و تکنولوژی در پزشکی دانشگاه علوم پزشکی تهران، دانشکده پزشکی، بیمارستان سینا

10.22041/ijbme.2005.13527

چکیده

در این مطالعه، چندین مدل المان محدود خطی و غیر خطی از ستون مهره در حالت سالم و تثبیت شده مورد تحلیل قرار گرفته است. مدل سالم با استفاده از تصاویر سی تی اسکن توسعه یافته و پس از بررسی اعتبار آن، عمل تثبیت با استفاده از دو نوع ایمپلنت رایج شبیه سازی شده است. نتایج مدل ها، شامل رفتار بار- تغییر مکان و توزیع تنش در ساختارهای مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. هم چنین اثر تغییر در پارامترهای هندسی پدیکل، خطای جایگذاری و خصوصیات پیوند استخوانی بر نحوه توزیع تنش در ساختارها ستون مهره و اجزای ایمپلنت، با استفاده از یک مدل پارامتری بررسی شده است. نتایج حاصله بر مزیت ایمپلنت های تیتانیومی نسبت به ایمپلنت های فولادی، لزوم استفاده از یک پیوند استخوانی قدامی و افزایش احتمال شکست پیچ در اثر پوکی استخوان در مجموعه های تثبیت شده تاکید می کنند. هم چنین بر مبنای نتایج مطالعه، استفاده از پیچ هایی با قطر بزرگتر برای پدیکل هایی که دارای طول قدامی– خلفی هستند و پرهیز از خطاهای جایگذاری، به منظور کاهش احتمال شکست پیچ های پدیکل به جراحان توصیه شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Parameters Affecting The Stresses Within Pedicel Screw Systems In A Stabilized Lumbar Spine

نویسندگان [English]

  • Seyed Hamed Hosseini Nasab 1
  • Farzam Farahmand 2
  • Mohammad Hossein Karegar Novin 1
  • Mohsen Karami 3

1 Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology

2 Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology Research Centre for Science and Technology in Medicine

3 Research Centre for Science and Technology in Medicine Sina Hospital, Faculty of Medicine, Tehran University of Medical Sciences

چکیده [English]

Several linear and nonlinear finite element models of intact and fixed lumbar spine were analyzed. The intact model was developed based on CT images, and following verification, was employed to simulate the spinal fixation procedure using two different commercial pedicle screw systems. The results including the force-deformation behavior and the stress distribution within the structures were studied in detail. The effects of pedicle morphology, insertion errors and material properties of bone graft on the stress distribution pattern within the vertebrae and implant components were also studied. The results suggest superiority of titanium implants over steel implants, necessity of bone graft insertion, and a higher failure risk for screws due to osteoporosis. It has been recommended that surgeons use thicker screws when dealing with pedicels with larger anterior posterior length and avoid insertion errors to minimize the risk of screw fracture.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Lumbar Spine
  • Pedicle Screw
  • Stress analysis
  • finite element method
  • Bone Graft

[1]     Berquist TH; Imaging atlas of orthopaedic appliances; Raven Press, New York, 1995.

[2]     Yahiro MA; Comprehensive literature review; Pedicle screw fixation devices; Spine 1994; 19: S2297-2299.

[3]     Yuan HA, Garfin SR, Dickman CA, Mardjetko SM; A historical cohort study of pedicle screw fixation in thoracic lumbar and sacral spinal fusions; Spine 1994; 19: S2279-2296.

[4]     Benson DR, Burkus JK, Montesano PX, Sutherland TL, McLain RF; Unstable thoracolumbar and lumbar burst fractures with the AO fixator interne; Journal of Spinal Disease 1992; 5: 335-343.

[5]     Carl AL, Tromanhauser SG, Roger DJ; Pedicle screw instrumentation for thoracolumbar burst fractures and fracture dislocations; Spine 1992; 17: S317-S324.

[6]     Crutcher, JP, Anderson PA, King HA, Montesano PX; Indirect spinal canal decompression in patients with thoracolumbar burst fractures treated by posterior distraction rods; Journal of Spinal Disease 1991; 4: 39- 48.

[7]     Dickman CA, Fessler RG, MacMillan M, Hadid RW, Transpedicular screw-rod fixation of the lumbar spine, Operative technique and outcome in 104 cases; Journal of Neurosurgery 1992; 77: 860-870.

[8]     McAfee PC, Weiland DJ; Survivorship analysis of pedicle screw instrumentation; Spine 1991; 16: S422- S427.

[9]     Lim TH, Kim JG, Fujiwara A, Yoon TT, Lee SC, Ha JW; Biomechanical evaluation of diagonal fixation in pedicle screw instrumentation; Spine 2001; 26: 2498- 2503.

[10] Chen CS, Cheng CK, Liu CL, A biomechanical comparison of posterolateral fusion and posterior fusion in the lumbar spine; J Spinal Disord Tech. 2002; 15: 53-63.

[11] Liu CL, Chen HH, Cheng CK, Kao HC, Lo WH, Biomechanical evaluation of a new anterior spinal implant; Clin Biomech 1998; 13: S40-S45.

[12] Rohlmann A, Bergmann G, Graichen F; Loads on an internal spinal fixation device during walking; J Biomech 1997; 30: 41 7.

[13] Rohlmann A, Bergmann G, Graichen F; Loads on internal spinal fixators measured in different body positions; Eur. Spine 1999; 8: 354-9.

[14] Yerby SA, Ehteshami McLain RF; Loading of pedicle screw within the vertebra; J. Biomech. 1997; 30: 951- 954.

[15] McKinley TO, McLain RF, Yerby SA, Sharkkey NA, Sarigul-Klijn N, Smith TS; The effect of surgical technique on intravertebral and intrapediclular bending moments; Spine 1999; 24: 18-24.

[16] McKinley TO, McLain RF, Yerby SA, Sarigul-Klijn N, Smith TS; The effect of pedicle morphology on pedicle screw loading; Spine 1997; 22: 246-252.

[17] McKinley TO, McLain RF, Yerby SA, Sharkey NA, Sarigul-Klijn N, Smith TS; Characteristics of pedicle screw loading; Effect of surgical technique on interavertebral and interapedicular bending moments; Spine 1999; 24: 18-24.

[18] Youssef JA, McKinley TO, Yerby SA, McLain RF; Characteristics of pedicle screw loading; Effect of sagittal insertion angle on interapedicular bending moments; Spine 1999; 24: 1077-1081.

[19] McLain RF, McKinley TO, Yerby SA, Sarigul-Klijn N, Smith TS; The effect of bone quality on pedicle screw loading in unstable burst fractures; A synthetic model; Spine 1997; 22: 1454-60.

[20] Goel V, Kim Y, Lim T, Weinstein J; An analytical investigation of spinal instrumentation; Spine 1988; 13: 1003-1010.

[21] Puttlitz CM, Goel VK, Traynelis VC, Clark CA; A finite element investigation of upper cervical instrumentation; Spine 2001; 26: 2449-2455.

[22] Gayet LE, Pries P, Hamcha H, Clarac JP; Biomechanical study and digital modeling of traction resistance in posterior thoracic implants; Spine 2002; 27: 707-714.

[23] Rohlmann A, Calisse J, Bergmann G; Internal spinal fixator Stiffness has only a minor influence on stresses in the adjacent discs; Spine 1999; 24: 1192-6.

[24] Zander T, Rohlmann A, Klockner C, Bergmann G; Effect of bone graft characteristics on the mechanical behavior of the lumbar spine; J Biomech 2002; 35: 491-7.

[25] Farahmand F, Hosseini Nasab H, Karegarnovin MH; A 3-D nonlinear finite element study on the L3-L5 lumbar unit subjected to physiological loads; Proceedings of Engineering Systems Design and Analysis Conference (ESDA 2002); Istanbul; Jul 2002.

[26] Farahmand F, Hosseini Nasab H, Karegarnovin MH; A Finite Element Study of the Effects of Nucleotomy, Proceedings of the BioMed 2002: 189-192, Kuala Lumpur; Jun 2002.

[27] حسینی‌نسب سیدحامد، فرهمند فرزام، کارگرنوین محمدحسین؛ بررسی نقش پارامترهای مکانیکی در ایجاد کمردرد با استفاده از مدلسازی المان محدود جزء حرکتی L3-L4 ستون مهره؛ دهمین کنفرانس سالانه مهندسی مکانیک ایران، 1381.

[28] Rohlmann A, Bergmann G, Graichen F; Placing a bone graft more posteriorly may reduce the risk of pedicle screw breakage; analysis of an unexpected case of pedicle screw breakage; J. Biomech. 1998; 3: 763-7.

[29] White AA, Panjabi MM; Clinical biomechanics of the spine; JB Lippincott; 1990.

[30] Nachemson AL; Disc pressure measurements; Spine 1981; 6: 93-102.