Valutazione degli effetti della chiusura del meccanismo di interconnessione in un sistema di fissazione spinale : analisi numerica e sperimentale

The spine is one of the fundamental part of the human body as it allows its support and locomotion as well as providing protection for spinal cord. This is often affected by pathologies that can injure nerves, ligaments and vertebrae, and surgical intervention is therefore necessary to restore the person to an healty life. Spinal fixation is a gold standard for most spinal pathologies. It has a complex structure that has several components that come in contact with each other ensuring stability of the system. Specifically the stability of the construct is ensured by the grain closure on the bar within the interconnection mechanism. Despite this, in the literature it is simplified as a single block with no contact between the different components, and thus simplifying the stresses given by tightening the interconnection mechanism. The first objective of this thesis is to evaluate the spinal rods in their entirety by creating on Abaqus Standard a model with complete interconnection mechanism whose computational cost of clamping is acceptable. For this part we specifically considered the time step, the viscous pressure, the possibility of creating components that are undeformable and the creation of a less dense mesh; the best results were shown by the modification of the time step leading to simulations with a quarter of the computational initial cost. Then we moved on to a profilometry study that was first experimental and then computational with the aim of evaluating whether the rod and nut profiles, after the contact given by clamping, showed the same deformations or not. Profiles showed two different trends: while in the experimental case it was the nut that underwent all the deformation, in the computational case this was equally divided between the parts. Certainly, further study will be needed regarding the latter analysis, followed by (i) further static validation of the spinal construct and (ii) fatigue prediction evaluation. Specifically, using ASTM F-1798 regarding axial gripping and four-point bending, respectively. As for the four point bending, a comparison was made between the Sines stresses present on the blank rod and the rod with interconnection mechanism. Haigh’s diagram were created for all cases and a comparison was done between them. A possible development could be to reply this kind of study in the case of bent rods, since the spine is not linear but has kyphotic and lordotic curves.

Il rachide è una delle parti fondamentali del corpo umano in quanto ne permette il supporto e la locomozione oltre ad assicurare protezione per il midollo spinale. Spesso questo è colpito da patologie che possono lesionare nervi, legamenti e vertebre ed è quindi necessario intervenire in sede chirurgica per riportare l’individuo ad una vita sana. La fissazione spinale è un gold standard per la maggior parte delle patologie della colonna vertebrale. Esso ha una struttura complessa in quanto presenta diverse componenti che vanno a contatto tra loro garantendo stabilità al sistema. In particolare la stabilità del costrutto è garantita dalla chiusura del grano sulla barra all’interno del meccanismo di interconnessione. Nonostante ciò, in letteratura viene semplificato come un unico blocco senza contatto tra i diversi componenti, e quindi semplificando gli sforzi dati dal serraggio del meccanismo di interconnessione. Il primo obiettivo di questa tesi è valutare le barre spinali nella loro interezza andando a creare su Abaqus Standard un modello con meccanismo di interconnessione completo il cui costo computazionale di serraggio sia accettabile. Per questa parte sono stati considerati nello specifico il time step, la pressione viscosa, la possibilità di creare componenti indeformabili e la creazione di una mesh meno fitta; i risultati migliori li ha mostrati la modifica del time step portando a simulazioni con un quarto del costo computazionale iniziale. Quindi si è passati ad uno studio di profilometria prima sperimentale e poi computazionale con lo scopo di valutare se i profili di barra e grano, dopo il contatto dato dal serraggio, mostrassero o meno le stesse deformazioni. I profili hanno presentato due diversi andamenti: mentre nel caso sperimentale era il grano a subire tutta la deformazione, nel caso computazionale questa si ripartiva in egual modo tra le parti. Sicuramente sarà necessario un approfondimento per quanto riguarda quest’ultima analisi, seguita da: (i) ulteriore validazione statica del costrutto spinale e (ii) valutazione di previsione a fatica. In particolare, utilizzando la norma ASTM F-1798 riguardante l’axial gripping e la flessione a quattro punti rispettivamente. Per quel che riguarda la flessione a quattro punti è stato fatto un confronto tra gli sforzi di Sines presenti sulla barra vergine e sulla barra con meccanismo di interconnessione. Per tutti i casi sono stati creati i grafici di Haigh ed è stato fatto un confronto tra di essi. Per il futuro sarebbe interessante replicare questo tipo di studio nel caso di barre piegate in quanto, non essendo il rachide lineare ma presentando delle curve cifotiche e lordotiche, ci si avvicinerebbe maggiormente alla realtà.