Finite element analysis of differrent configurations for the instrumentation of pedicle subtraction osteotomy

The spine, or vertebral column, is a mechanical structure of paramount importance composed by vertebrae, intervertebral discs, ligaments and muscles. It fulfills the biomechanical functions of load bearing and transferring, spinal cord protection and enabling movements. Several pathologies may lead to loss of lumbar lordosis with consequent sagittal imbalance. The latter is associated to severe changes in spino-pelvic parameters and is an increasingly recognized cause of pain and disability and therefore non-surgical or surgical treatments are needed. Pedicle subtraction osteotomy (PSO) is a closing wedge osteotomy procedure performed throughout all three columns to restore sagittal balance in cases of severe fixed sagittal spinal deformities. Despite the achievable major correction of approximately 35° with a single treated level, the procedure is technically demanding and is associated to frequent intraoperative and perioperative complications. Moreover, pseudarthrosis and implant rod breakage are recognized in the clinical practice as commonly occurring late-onset complications with consequent need for revision surgery. Despite the relevant impact that rod breakage has on the patients, a clear indication of the posterior spinal instrumentation configuration lacks. In the present dissertation, a non-linear finite element model of the lumbosacral spine (L1-S1) with a PSO performed at L4 was exploited. The posterior instrumentation configurations investigated were: baseline 2-rod construct, 3-rod construct with satellite rod, 4-rod construct with bilateral accessory rods and the previous construct augmented with intervertebral cages adjacent to the PSO level. The model was validated in terms of range of motion (ROM) and strain values with the results of an experimental cadaveric study under the same loading conditions: pure moment of 7.5 Nm in flexion, extension, left and right bending and left and right rotation. The model was then modified in order to account for more realistic loading conditions: follower load with superimposed pure moments. Maximum (tensile) Von Mises stresses and force components acting on the anterior fracture of L4 were accounted for the analysis. ROM and strain values fulfilled the validation purposes. Both validation and realistic loading condition pointed out that 2 accessory rods are more effective than the satellite rod in primary rod stress reduction and that adjacent cages play a big role in stress reduction, especially in flexion. The analysis of anterior forces did not provide a trustworthy correlation between the configuration of the instrumentation and the risk of pseudarthrosis. Stress results were not enough to explain the high rate of rod breakage and therefore further studies should take into account the effect of intraoperative rod contouring. Despite the aforementioned limitations, this dissertation provides a reliable comparative analysis of some instrumentation solutions currently employed in the clinical practice.

La colonna vertebrale è una struttura meccanica di grande importanza composta da vertebre, dischi intervertebrali, legamenti e muscoli. Svolge le funzioni biomeccaniche di trasferire e sorreggere le forze, proteggere il midollo spinale e consentire il movimento del tronco. Svariate patologie possono condurre a una perdita di lordosi lombare con conseguente sbilanciamento sagittale. Quest'ultimo è associato a severi cambiamenti dei parametri spino-pelvici ed è una causa riconosciuta di dolore e disabilità che richiede trattamenti chirurgici o non chirurgici. L'osteotomia di sottrazione peduncolare (PSO) è una procedura di chiusura della resezione cuneiforme su tutte e tre le colonne per ristabilire il bilanciamento sagittale in caso di gravi deformità sagittali rigide. Nonostante l'importante correzione di circa 35° ottenibile per un singolo livello trattato, la procedura è tecnicamente complessa e associata a frequenti complicazioni intra- e peri-operative. Inoltre, pseudoartrosi e rottura delle barre sono riconosciute in clinica come frequenti complicazioni nel tardo periodo postoperatorio con conseguente necessità di chirurgia di revisione. Nonostante l'impatto rilevante che la rottura delle barre ha sui pazienti, manca una chiara indicazione di quale sia la migliore configurazione della strumentazione spinale. In questo lavoro di tesi, è stato utilizzato un modello non-lineare ad elementi finiti della colonna lombosacrale (L1-S1) con una PSO eseguita in L4. Le configurazioni della strumentazione posteriore studiate sono state: costrutto di riferimento a due barre, costrutto a 3 barre con barra satellite, costrutto a 4 barre con barre accessorie bilaterali e i precedenti costrutti dotati di cages intervertebrali adiacenti al livello della PSO. Il modello è stato validato in termini di range of motion (ROM) e deformazioni con i risultati di uno studio cadaverico sotto le stesse condizioni di carico: un momento puro di 7.5 Nm in flessione, estensione, bending sinistro e destro e rotazione assiale sinistra e destra. Il modello è stato poi modificato in modo da considerare condizioni di carico più realistiche: un follower load con l'aggiunta di momenti puri. Per l'analisi sono stati considerati lo sforzo di Von Mises massimo a trazione e le componenti di forza agenti sulla frattura della colonna anteriore in L4. I valori di ROM e di deformazioni hanno soddisfatto gli scopi della validazione. Sia la fase di validazione che quella di carichi realistici hanno evidenziato che le due barre accessorie sono più efficaci di quella satellite nella riduzione degli sforzi sulle barre primarie e le cages adiacenti hanno un grande ruolo nella riduzione degli sforzi, soprattutto in flessione. L'analisi delle forze anteriori non ha fornito un legame attendibile tra la configurazione della strumentazione e il rischio di sviluppo di pseudoartrosi. I valori di sforzo non sono risultati sufficientemente elevati da spiegare l'elevata incidenza di rottura delle barre e perciò sono necessari ulteriori studi che tengano in considerazione l'effetto della curvatura intraoperativa delle barre. Nonostante le suddette limitazioni, la presente dissertazione ha fornito un'attendibile analisi comparativa di alcune delle configurazioni della strumentazione spinale correntemente utilizzate nella pratica clinica.