Analisi computazionale di tecniche innovative di fissazione sacropelvica

Connecting the sacrum to the iliac bone, the sacroiliac joint is responsible for transferring body weight from the trunk to the lower limbs, a task that forces it to be continually stressed despite its physiologically low mobility. To date, in cases of severe deformities of the fully formed thoracolumbar spine in which conservative treatments have been unsuccessful, spinal surgery represents the best choice available: recent studies have shown that the combination of sacropelvic fixation with traditional spinal constructs favors better mechanical stabilization of the anatomical region involved. The project that is the basis of this thesis is precisely among the studies focused on the identification of new techniques of sacropelvic fixation in combination with thoracolumbar instrumentation, for the treatment of severe adult spinal deformities (ASD). Specifically, we wanted to analyze the effect of combining the most clinically used implants, such as pedicle screws, iliac screws, and alar iliac screws, with innovative implants made by the American company SI-BONE (San Jose, CA), leader in medical equipment for the sacroiliac joint, with which we collaborated. The new implants studied are the iFuse Implant Systems, minimally invasive implants with triangular section, current application for the treatment of sacroiliitis, and the SAI-rod, screws with complex geometry designed to cross the sacroiliac joint. The studies at the base of the project, show that the co-use of the new implants could solve the most recurrent failures of traditional screws such as breakage, pull out and post-operative complications. Among the many study methods, a computational investigation by finite element method was chosen. The virtual model used for the investigation was realized starting from two distinct models, the first including the pelvis and the L5 vertebra, obtained by CT scanning of a patient, and the second characterized by the thoracolumbar tract (from T10 to L4) given by CT of a second patient, both guests of the Galeazzi Orthopaedic Institute. The instrumentation of the thoracolumbar tract, characterized by parallel pedicle screws joined by longitudinal bars (one on each side), was maintained unchanged for all simulations. The sacroiliac fixation implants were varied to achieve six configurations: thoracolumbar instrumentation + pedicle screws in S1 + iliac screws + SAI iFuse; thoracolumbar instrumentation + pedicle screws in S1 + 2 Oblique iFuse; thoracolumbar instrumentation + SAI-rod; thoracolumbar instrumentation + pedicle screws in S1 + alar iliac screws in S2 + Oblique iFuse; thoracolumbar instrumentation + alar iliac screws in S1 + SAI-rod; thoracolumbar instrumentation + alar iliac screws in S1 + 2 Lateral iFuse. Both the insertion of the implants in the intact anatomical model and the union of the two virtual models was carried out through the use of software realized by Dr. Galbusera, thanks to which the mesh with linear tetrahedral elements at four nodes for bones and implants was also realized. After creating the instrumented models, the typical properties of the bone, intervertebral discs and ligaments involved were assigned; ligaments were added later and discretized with two-node beam elements. All implants were considered in Titanium alloy. As constraint conditions, interlocks were imposed at the acetabula in order to block all rotations and translations; the load chosen and applied to the T10 vertebra consists of a pure moment of 7.5 Nm, applied along the main axes to simulate flexion-extension, lateral flexion and axial rotation. Simulations and post-processing were performed using the commercial software ABAQUS (Simulia, Providence, RI). Specifically, three biomechanical parameters were analyzed: the "range of motion" between consecutive vertebrae and the sacroiliac joint to evaluate the mobility of the tract; the maximum von Mises stresses for all involved implants and bars, to evaluate breaking strength; the interaction forces between implants and surrounding bone as a technique to evaluate pull out. For validation purposes, the results obtained were compared with those obtained from related configurations previously analyzed within the same study. Subsequently, the six models studied were compared in order to obtain useful information for their potential use at a clinical level.

Collegando l’osso sacro all’osso iliaco, l’articolazione sacroiliaca si occupa di trasferire il peso corporeo dal tronco agli arti inferiori, compito che la costringe ad essere continuamente sollecitata nonostante la poca mobilità di cui è dotata fisiologicamente. Ad oggi, in caso di deformità severe del rachide toracolombare completamente formato in cui i trattamenti conservativi non hanno avuto successo, la chirurgica vertebrale rappresenta la migliore scelta adottabile: studi recenti hanno dimostrato che l’affiancamento della fissazione sacropelvica ai tradizionali costrutti spinali, favorisce una migliore stabilizzazione meccanica della regione anatomica coinvolta. Il progetto che sta alla base di questa tesi si colloca proprio tra gli studi incentrati sull’individuazione di nuove tecniche di fissazione sacropelvica in combinazione alla strumentazione toracolombare, per il trattamento di severe deformità spinali dell’adulto (ASD). Nello specifico, si è voluto analizzare l’effetto della combinazione degli impianti maggiormente utilizzati a livello clinico, come viti peduncolari, viti iliache e viti alari iliache, con impianti innovativi realizzati dall’azienda americana SI-BONE (San Jose, CA), leader nell’apparecchiatura medica per l’articolazione sacroiliaca, con la quale abbiamo collaborato. I nuovi impianti studiati sono gli iFuse Implant Systems, impianti mininvasivi a sezione triangolare, attuale applicazione in commercio per la cura della sacroileite, e i SAI-rod, viti dalla geometria complessa pensate per attraversare l’articolazione sacroiliaca. Gli studi alla base del progetto, dimostrano che il co-utilizzo dei nuovi impianti potrebbe risolvere i fallimenti più ricorrenti delle viti tradizionali quali rottura, pull out e le complicazioni post operatorie. Tra i numerosi metodi di studio, si è scelto di compiere un’indagine computazionale mediante metodo agli elementi finiti. Il modello virtuale utilizzato per l’indagine è stato realizzato a partire da due modelli distinti, il primo comprendente la pelvi e la vertebra L5, ottenuto dalla scansione mediante CT di un paziente, e il secondo caratterizzato dal tratto toracolombare (da T10 a L4) dato da CT di un secondo paziente, entrambi ospiti dell’Istituto Ortopedico Galeazzi. La strumentazione del tratto toracolombare, caratterizzata da viti peduncolari parallele e unite mediante barre longitudinali (una per lato), è stata mantenuta inalterata per tutte le simulazioni. Gli impianti di fissazione sacroiliaca sono stati variati per realizzare sei configurazioni: strumentazione toracolombare + viti peduncolari in S1 + viti iliache + SAI iFuse; strumentazione toracolombare + viti peduncolari in S1 + 2 Oblique iFuse; strumentazione toracolombare + SAI-rod; strumentazione toracolombare + viti peduncolari in S1 + viti alari iliache in S2 + Oblique iFuse; strumentazione toracolombare + viti alari iliache in S1 + SAI-rod; strumentazione toracolombare + viti alari iliache in S1 + 2 Lateral iFuse. Sia l’inserimento degli impianti nel modello anatomico intatto che l’unione dei due modelli virtuali è stato svolto mediante l’utilizzo di software realizzati dall’Ing. Galbusera, grazie ai quali è stata realizzata anche la mesh con elementi tetraedrici lineari a quattro nodi per ossa e impianti. Dopo aver creato i modelli strumentati, sono state assegnate le proprietà tipiche dell’osso, dei dischi intervertebrali e dei legamenti coinvolti, aggiunti in seguito e discretizzati con elementi beam a due nodi. Tutti gli impianti sono stati considerati in lega di Titanio. Come condizioni di vincolo sono stati imposti degli incastri in corrispondenza degli acetaboli, in modo da bloccare tutte le rotazioni e le traslazioni; il carico scelto ed applicato alla vertebra T10 consiste in un momento puro di 7.5 Nm, applicato lungo gli assi principali per simulare la flesso-estensione, la flessione laterale e la rotazione assiale. Le simulazioni e il post-processing sono state svolte mediante il software commerciale ABAQUS (Simulia, Providence, RI). Nello specifico sono stati analizzati tre parametri biomeccanici: il “range of motion” tra vertebre consecutive e dell’articolazione sacroiliaca per valutare la mobilità del tratto; gli sforzi massimi di von Mises per tutti gli impianti coinvolti e le barre, per valutare la resistenza a rottura; le forze di interazione tra impianti ed osso circostante come tecnica di valutazione del pull out. A scopo di validazione, i risultati ottenuti sono stati confrontati con i medesimi ottenuti da configurazioni affini analizzate precedentemente all’interno dello stesso studio. Successivamente sono stati confrontati i sei modelli studiati per ricavarne informazioni utili ai fini di un loro potenziale utilizzo a livello clinico.