Studio ad elementi finiti di nuove tecniche di fissazione sacropelvica

The sacroiliac joint in physiological conditions have a small mobility, which can increase dangerously when there is a pathological condition of the same joint or after a thoracolumbar fixation used in select cases of complex spinal deformity correction. Several clinical investigations, in fact, have demonstrated that in the second case using sacropelvic fixation in combination with thoracolumbar instrumentation can bring several benefits, such as the increment of the stability of the construct. Despite this, using other implants with the thoracolumbar instrumentation, such as screws, for the sacropelvic fixation, determines very high stresses in the implants, which can bring to complications, such as of implant loosening and failure. In the last years several studies have been done, either using finite element models or in vitro, to find other configurations, with the sacropelvic fixation, in order to solve the problems related to the combination of these two fixations. This study is aimed at comparing new sacropelvic fixation techniques, in combination with lumbosacral instrumentation, in select cases of complex deformity correction. For this reason, the values that have been used like parameters of study are: “range of motion” between two consecutive vertebrae and of the sacroiliac joint within the model, stresses of the implants in the sacrum and of the rods and the force at the interface between the implants in the sacrum and the surrounding bone. After the selection of the virtual model of the pelvis and L5 vertebra of a female patient and of the model of the spinal column from the T10 to L4 vertebra of another patient among the models built previously by the researchers of the “Istituto Ortopedico Galeazzi” in Milan, to these models have been assigned the typical properties of the bone and intervertebral discs. Later, after meshing the two models using four-node tetrahedral linear elements, has been used software created by Ing. Galbusera to combine these two models obtaining the intact model without instrumentation, to which the main ligaments have been added. To validate the intact model, the boundary conditions have been, initially, added through the application of block to both acetabula and, after, several loading conditions have been applicated (follower load, flexion-extension, lateral bending and axial rotation). In this way, it has been possible to obtain the values of “range of motion” between two consecutive vertebrae and of the sacroiliac joint. These values, after, were compared with other studies to validate, entirely, the intact model. After the verification of the model without instrumentations, four models including different combination of instrumentations have been derived from the main model through software created by Ing. Galbusera. The several combinations of instrumentations that have been used in the finite element models are: pedicle screws in S1; pedicle screws in S1 and alar screws in S2; pedicle screws in S1, alar screws in S2 and posterolateral iFuse; pedicle screws in S1, alar screws in S2 and lateral iFuse. After preparing all finite element models with instrumentations, the material properties of the instrumentation have been assigned, and the implants have been discretized using four-node tetrahedral linear elements. Subsequently, after applying the same boundary conditions and the same load conditions of the intact model, not only the values of the “range of motion” have been obtained, but, also, the values of the max stress in the implants in the sacrum and in the rods and the force in the interface between the implants in the sacrum and the surrounding bone.

L’articolazione sacroiliaca in condizioni fisiologiche presenta un movimento di piccola entità, che può aumentare pericolosamente quando subentra una condizione patologica della stessa articolazione o in seguito a fissazione toracolombare per la correzione di severe deformità vertebrali. Diversi studi clinici, infatti, hanno dimostrato che nel secondo caso aggiungere alla fissazione toracolombare una fissazione sacropelvica può portare diversi benefici, come l’aumento della stabilità dell’intero costrutto. Nonostante questo, l’aggiunta di strumenti, come ad esempio di viti, usati per fissare l’articolazione sacroiliaca, porta negli stessi dei valori di sforzo molto alti, che possono causare la loro rottura o mobilizzazione. Negli ultimi anni sono stati fatti diversi studi, sia ad elementi finiti sia in vitro, allo scopo di trovare nuove configurazioni, che comprendessero la fissazione sacroiliaca, per superare i problemi associati alla combinazione delle due fissazioni. Questo lavoro di tesi ha l’obiettivo di studiare nuove tecniche di fissazione sacropelvica, in combinazione alla strumentazione toracolombare, per il trattamento di severe deformità spinali. A tale scopo, sono stati utilizzati come parametri di studio i valori di “range of motion” tra due vertebre adiacenti e dell’articolazione sacroiliaca nell’intero modello, i valori degli sforzi degli impianti presenti nel sacro e delle barre e i valori delle forze all’interfaccia tra gli impianti presenti nel sacro e l’osso circostante. Dopo aver selezionato il modello virtuale della pelvi e della vertebra L5 di una paziente e il modello della colonna vertebrale dalla vertebra T10 a quella L4 di un paziente diverso tra i modelli precedentemente realizzati dai ricercatori dell’Istituto Ortopedico Galeazzi di Milano, a questi modelli sono state assegnate le proprietà tipiche dell’osso e dei dischi intervertebrali. Successivamente, dopo aver fatto la mesh dei due modelli impiegando degli elementi tetraedrici lineari a quattro nodi, è stato utilizzato un programma creato dall’Ing. Galbusera per unire questi due modelli ottenendo il modello completo senza strumentazione, a cui sono stati anche aggiunti i legamenti rilevanti. Per validare il modello intatto sono state, dapprima, aggiunte le condizioni di vincolo che consistevano nell’applicazione di incastri ad entrambi gli acetaboli alla base del modello e, poi, applicate le diverse condizioni di carico (follower load, flesso-estensione, flessione laterale e rotazione assiale). Così facendo, è stato possibile ricavare i valori di “range of motion” tra due vertebre consecutive e dell’articolazione sacroiliaca. Questi valori, in seguito, sono stati confrontati con diversi studi per validare il modello intatto. Una volta che è stato verificato il modello senza strumentazione, ad esso sono stati aggiunti, dapprima la strumentazione toracolombare (le viti peduncolari dalla vertebra T10 a quella L5 e le barre), e poi le diverse viti o impianti iFuse, a seconda della tecnica scelta, tramite un programma creato dall’Ing. Galbusera. Le diverse combinazioni di strumenti utilizzati nei modelli ad elementi finiti creati sono: viti peduncolari in S1; viti peduncolari in S1 e viti alari in S2; viti peduncolari in S1, viti alari in S2 e iFuse posterolaterali; viti peduncolari in S1, viti alari in S2 e iFuse laterali. Una volta che sono stati creati tutti i modelli strumentati ad elementi finiti, sono state assegnate le proprietà ai nuovi strumenti utilizzati, e successivamente sono stati discretizzati sempre attraverso l’impiego di elementi tetraedrici lineari a quattro nodi. In seguito, dopo aver applicato le stesse condizioni di vincolo e le stesse condizioni di carico del modello intatto, sono stati ricavati oltre ai valori di “range of motion” anche i valori di sforzo massimo presente negli impianti presenti nel sacro e nelle barre e la forza all’interfaccia tra gli impianti presenti nel sacro e l’osso circostante.