نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی پزشکی، گروه مهندسی بیومکانیک، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 دانشیار، مدیر گروه مهندسی بیومکانیک، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

3 دانشجوی کارشناسی مهندسی پزشکی، گروه مهندسی بیومکانیک، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

10.22041/ijbme.2020.114543.1525

چکیده

درد در ناحیه‌ی کمر یک مشکل رایج پزشکی بوده که تا کنون دلیل مشخصی برای آن یافته نشده است اما در اغلب موارد بی‌ثباتی ستون فقرات به عنوان مهم‌ترین دلیل بروز آن در نظر گرفته می‌شود. یکی از راه‌های درمان کمردرد، ثابت‌سازی ستون فقرات است که با عمل یا بدون عمل جراحی انجام می‌شود. یکی از روش‌های جراحی، استفاده از پیچ ارتوپدی است که در آن استحکام و پایداری پیچ اهمیت زیادی دارد. استحکام و پایداری پیچ در استخوان باعث کاهش زمان و هزینه‌ی درمان، کاهش مقدار خون‌ریزی و تسریع‌ درمان می‌شود. برای ارزیابی پایداری پیچ‌های ارتوپدی و ستون فقرات می‌توان از آزمون‌های پیچش پیچ، نیروی کشش پیچ، گشتاور ورود، بار خستگی و عکس‌های رادیولوژی استفاده کرد. در این پژوهش، بیشینه‌ی گشتاور ورود هنگام ورود پیچ به مهره‌ی ستون فقرات کمری گوسفند با گشتاورسنج دیجیتال اندازه‌گیری شده، سپس با چکش مخصوص ضربه، ضربه‌ای به پیچ وارد شده و صدای تولید شده با یک میکروفون دیجیتال ضبط شده است. با پردازش سیگنال حاصل با نرم‌افزار متلب و رسم نمودار تبدیل فوریه‌ی سریع، مود ارتعاشی پیچ به دست ‌آمده و نیروی کشش پیچ برای نمونه‌ها با دستگاه آزمون کشش تعیین شده است. نوآوری این مقاله استفاده از روش تحلیل مودال و تعیین رابطه‌ی آن با بیش‌ترین نیروی کشش پیچ و گشتاور ورود است. در این مطالعه 5 پیچ مورد آزمایش قرار گرفته که پارامترهای عمق پیچ، متغیر بودن تاج رزوه‌ی پیچ و خودکار بودن/نبودن پیچ در آن‌ها متفاوت است. بیش‌ترین گشتاور ورود، نیروی کشش و فرکانس طبیعی به ترتیب برابر با 182 N.cm، 992 N و 1916 Hz در پیچ با بدنه‌ی استوانه‌ای محاسبه شده است. با بررسی داده‌های به دست آمده مشاهده شده است که یک رابطه‌ی خطی بین بیش‌ترین نیروی کشش پیچ و گشتاور پیچ وجود دارد. با توجه به عدم وجود معناداری در داده‌های فرکانس طبیعی و نیروی کشش پیچ بین پیچ‌های دارای نوک خودکار و غیرخودکار (مقایسه‌ی پیچ‌های 3 و 4 و پیچ‌های 1 و 5)، استفاده از پیچ­های خودکار یک مزیت به شمار می‌رود. روند صعودی یا نزولی پارامترهای وابسته در هر سه روش بیش‌ترین گشتاور ورود، بیش‌ترین نیروی کشش پیچ و فرکانس طبیعی یک‌سان است که با توجه به غیرمخرب بودن روش آنالیز مودال می‌تواند یک مزیت برای استفاده در جراحی­های درون‌تنی باشد. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Evaluation of Primary Stability of Spinal Pedicle Screws using Modal Analysis, Conventional Pull-Out and Insertion Torque Test

نویسندگان [English]

  • Mohammad Javad Einafshar 1
  • Seyed Ataollah Hashemi 2
  • Pedram Mojgani 3

1 Ph.D. Student, Biomechanical Engineering Group, Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

2 Associate Professor, Biomechanical Engineering Group, Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

3 B.Sc. Student, Biomechanical Engineering Group, Department of Biomedical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

Back pain is a common medical problem. There is no clear cause for the back pain problem so far, but in most cases, spinal instability can be noted. Lumbar spine fixation is performed to treat the problems of low back pain. Spinal fixation can be done with or without surgery. One of the surgical methods is the use of spinal screws in which the strength and stability of the screw are of great importance. The strength and stability of the screw in the bone reduces the time and cost of treatment, reduces the amount of bleeding and accelerates the patient's treatment. In this study, screws were inserted using a digital torque meter. An impact was applied using an impact hammer and resonated sound was recorded using a microphone. The vibration mode of the screw was obtained by processing the signal generated by MATLAB R2017 software and plotting the fast Fourier transform. Finally, tensile test was performed to obtain the ultimate pull-out force. The innovation of this study was to use modal analysis method and to correlate its results with that of the ultimate pull-out force and peak insertion torque. In this study, five screws with different screw depth, and screw thread crest thickness were examined. Also, the effect of self-tapping was investigated. The peak insertion torque, ultimate pull-out strength and natural frequency occurred at 182 Nm, 992 N and 1916 Hz, respectively, for the cylindrical pedicle screw. By comparing the obtained data, results showed a linear relationship between insertion torque and pull-out force of the screws. Due to the lack of significant difference between natural frequency and pull-out force of the self-drilling and non-self-drilling tip screws (comparing between screws number 3 and 4 and between 1 and 5), the use of self-tapping screws can be advantageous. The trend of the dependent parameters in all three methods i.e. insertion torque, pull-out force and natural frequency are the same, indicating the non-destructive advantage of modal analysis in in-vivo surgical application.

کلیدواژه‌ها [English]

  • modal analysis
  • natural frequency
  • Pull-Out Strength
  • insertion torque
  • Self-Tapping Pedicle Screws
[1]   Panjabi MM. Clinical spinal instability and low back pain. J Electromyogr Kinesiol. 2003;13(4):371–9.
[2]   Varghese V, Kumar GS, Krishnan V. Effect of various factors on pull out strength of pedicle screw in normal and osteoporotic cancellous bone models. Med Eng Phys. 2017;40:28–38.
[3]   Gibson JNA, Waddell G. Surgery for degenerative lumbar spondylosis: updated Cochrane Review. Spine (Phila Pa 1976). 2005;30(20):2312–20.
[4]   Zarghooni K, Beyer F, Siewe J, Eysel P. The orthotic treatment of acute and chronic disease of the cervical and lumbar spine. Dtsch Arztebl Int. 2013;110(44):737.
[5]   Kruger GO. Textbook of oral and maxillofacial surgery. Mosby St. Louis; 1984.
[6]   Roy-Camille R, Saillant G, Mazel C. Internal fixation of the lumbar spine with pedicle screw plating. Clin Orthop Relat Res. 1986;(203):7–17.
[7]   Boucher HH. A method of spinal fusion. J Bone Joint Surg Br. 1959;41(2):248–59.
[8]   Duffy MF, Zigler JE. Lumbar Degenerative Disk Disease: Fusion Versus Artificial Disk. Best Evid Spine Surg 20 Cardinal Cases. 2012;70.
[9]   Javed F, Ahmed HB, Crespi R, Romanos GE. Role of primary stability for successful osseointegration of dental implants: Factors of influence and evaluation. Interv Med Appl Sci. 2013;5(4):162–7.
[10]Atsumi M, Park S-H, Wang H-L. Methods used to assess implant stability: current status. Int J Oral Maxillofac Implants. 2007;22(5).
[11]Rouhi G, Amani Hamedani M. A BRIEF INTRODUCTION INTO ORTHOPAEDIC IMPLANTS: SCREWS, PLATES, AND NAILS. In 2012.
[12]Hashemi A, Bednar D, Ziada S. Pullout strength of pedicle screws augmented with particulate calcium phosphate: an experimental study. spine J. 2009;9(5):404–10.
[13]Thompson JD, Benjamin JB, Szivek JA. Pullout strengths of cannulated and noncannulated cancellous bone screws. Clin Orthop Relat Res. 1997;341:241–9.
[14]Abshire BB, McLain RF, Valdevit A, Kambic HE. Characteristics of pullout failure in conical and cylindrical pedicle screws after full insertion and back-out. Spine J. 2001;1(6):408–14.
[15]Vishnubhotla S, McGarry WB, Mahar AT, Gelb DE. A titanium expandable pedicle screw improves initial pullout strength as compared with standard pedicle screws. Spine J. 2011;11(8):777–81.
[16]Ninomiya K, Iwatsuki K, Ohnishi Y-I, Yoshimine T. Radiological evaluation of the initial fixation between cortical bone trajectory and conventional pedicle screw technique for lumbar degenerative spondylolisthesis. Asian Spine J. 2016;10(2):251.
[17]Brasiliense LBC, Lazaro BCR, Reyes PM, Newcomb AGUS, Turner JL, Crandall DG, et al. Characteristics of immediate and fatigue strength of a dual-threaded pedicle screw in cadaveric spines. Spine J. 2013;13(8):947–56.
[18]Ricci WM, Tornetta III P, Petteys T, Gerlach D, Cartner J, Walker Z, et al. A comparison of screw insertion torque and pullout strength. J Orthop Trauma. 2010;24(6):374–8.
[19]ASTM F543-07. Standard Specification and Test Methods for Metallic Medical Bone Screws. Annu B [Internet]. 2012;i(C):1–20. Available from: http://scholar.google.com/scholar?hl=en&btnG=Search&q=intitle:Standard+Specification+and+Test+Methods+for+Metallic+Medical+Bone+Screws#0
[20]F543-07e1 A. Standard specification and test methods for metallic medical bone screws. ASTM International West Conshohocken, PA; 2007.
[21]Westover L, Faulkner G, Hodgetts W, Raboud D. Advanced system for implant stability testing (ASIST). J Biomech. 2016;49(15):3651–9.
[22]Gehrke SA, Marin GW. Biomechanical evaluation of dental implants with three different designs: Removal torque and resonance frequency analysis in rabbits. Ann Anatomy-Anatomischer Anzeiger. 2015;199:30–5.
[23]Rokn AR, Ghahroudi AARR, Mesgarzadeh A, Miremadi AA, Yaghoobi S. Evaluation of stability changes in tapered and parallel wall implants: a human clinical trial. J Dent (Tehran). 2011;8(4):186.
[24]Quesada-García MP, Prados-Sánchez E, Olmedo-Gaya MV, Muñoz-Soto E, González-Rodríguez MP, Valllecillo-Capilla M. Measurement of dental implant stability by resonance frequency analysis: a review of the literature. Med Oral Patol Oral Cir Bucal. 2009;14(10):e538-46.
[25]Harirforoush R. Dental implant stability analysis by using resonance frequency method. Applied Science: School of Engineering Science; 2012.
[26]Bediz B, Özgüven HN, Korkusuz F. Measuring Structural Dynamic Properties of Human Tibia by Modal Testing. Biomech Clin. 2010;25(4):159–65.
[27]Mageed M, Berner D, Jülke H, Hohaus C, Brehm W, Gerlach K. Is sheep lumbar spine a suitable alternative model for human spinal researches? Morphometrical comparison study. Lab Anim Res. 2013;29(4):183–9.
[28]Cotrel Y, Dubousset J, Guillaumat M. New universal instrumentation in spinal surgery. Clin Orthop Relat Res. 1988;227:10–23.
[29]Lill CA, Schneider E, Goldhahn J, Haslemann A, Zeifang F. Mechanical performance of cylindrical and dual core pedicle screws in calf and human vertebrae. Arch Orthop Trauma Surg. 2006;126(10):686–94.
[30]Javed F, Romanos GE. The role of primary stability for successful immediate loading of dental implants. A literature review. J Dent. 2010;38(8):612–20.
[31]Inceoglu S, Ferrara L, McLain RF. Pedicle screw fixation strength: pullout versus insertional torque. spine J. 2004;4(5):513–8.
[32]Krag MH. Biomechanics of thoracolumbar spinal fixation. A review. Spine (Phila Pa 1976). 1991;16(3 Suppl):S84-99.
[33]Huang H-M, Pan L-C, Lee S-Y, Chiu C-L, Fan K-H, Ho K-N. Assessing the implant/bone interface by using natural frequency analysis. Oral Surgery, Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endodontology. 2000;90(3):285–91.
[34]Jarvand M, Hashemi A. The effect of particulate calcium phosphate and crushed bone augmentations on pullout strength of pedicle screws. J Biomater Tissue Eng. 2015;5(1):45–9.
[35]Mehta H, Santos E, Ledonio C, Sembrano J, Ellingson A, Pare P, et al. Biomechanical analysis of pedicle screw thread differential design in an osteoporotic cadaver model. Clin Biomech. 2012;27(3):234–40.
[36]Hitchon PW, Brenton MD, Coppes JK, From AM, Torner JC. Factors affecting the pullout strength of self-drilling and self-tapping anterior cervical screws. Spine (Phila Pa 1976). 2003;28(1):9–13.
[37]Bickley MBT, Hanel DP. Self-tapping versus standard tapped titanium screw fixation in the upper extremity. J Hand Surg Am. 1998;23(2):308–11.
[38]Sim CPC, Lang NP. Factors influencing resonance frequency analysis assessed by OsstellTM mentor during implant tissue integration: I. Instrument positioning, bone structure, implant length. Clin Oral Implants Res. 2010;21(6):598–604.
[39]Sandén B, Olerud C, Larsson S, Robinson Y. Insertion torque is not a good predictor of pedicle screw loosening after spinal instrumentation: a prospective study in 8 patients. Patient Saf Surg. 2010;4(1):14.