Implementazione e validazione di una strategia virtuale per la predizione degli effetti della piegatura sul comportamento meccanico di barre spinali

Spinal deformities are linked to functional impairment and pain and they are surgically treated through fixation and fusion procedures. Spinal fixators are used for this purpose, as they guarantee stability and maintain the correct spinal alignment which was obtained through surgical interventions. Spinal rods are primary in this framework. These devices are often produced in a straight configuration but need to be bent to fit the physiological curvature of the patient. Different approaches can be used with this aim. Among all, uniform contouring and French Bender are the most common. The former can be performed by manufacturers, whereas the latter is the intraoperative gold standard. Both procedures introduce plastic deformations in the materials. Residual stresses arise from this process and have an impact on fatigue life and breakage of the devices. However, a precise characterization of this phenomenon and its correlation to failure are still lacking. Numerical models can help to assess residual stresses caused by the contouring procedures. The present study provides a complete description of the phenomenon by simulating different conditions in terms of contouring method, materials and diameters of rods. However, numerical simulations are known to be computational demanding and can’t be quickly performed in the preoperative clinical planning. Therefore, a virtual modeling workflow through a response surface-based method is proposed to extend the validity of computationally collected data and to predict the effects of contouring on the mechanical behavior of spinal rods. This tool correlates rod parameters, i.e. material and diameter, to variables of main interest, i.e. residual stresses and rod curvature, depending on different contouring techniques. A final numerical simulation supplies validation through a comparison to experimental fatigue performances measured in vitro.

Le deformità del rachide, associate a una compromissione funzionale e a dolore, vengono trattate chirurgicamente tramite interventi come la fissazione e le procedure di fusione. I sistemi di fissazione spinale vengono utilizzati in questo contesto al fine di mantenere la corretta curvatura del rachide, ristabilita tramite procedure chirurgiche. Le barre spinali, che ricoprono un ruolo principale in questi interventi, vengono spesso prodotte in configurazione rettilinea, ma devono essere piegate in un secondo momento per adattarsi alle curvature fisiologiche e alle esigenze del paziente. I metodi di curvatura più utilizzati sono la piegatura uniforme e il French Bender. La prima viene impiegata in azienda dalle imprese produttrici di barre, mentre il secondo rappresenta il gold standard in contesto intraoperatorio. Entrambe le tecniche introducono deformazioni plastiche nei materiali che sono la causa dell’insorgenza nella struttura di sforzi residui, i quali vanno a intaccare le performance a fatica dei dispositivi influenzandone il loro fallimento. Nonostante la notevole importanza che gli sforzi residui ricoprono in questo contesto, non è presente ad oggi una loro completa caratterizzazione e correlazione con la rottura. A questo riguardo i modelli computazionali rappresentano un valido aiuto nella determinazione degli sforzi residui causati dai processi di piegatura. Il presente lavoro fornisce una descrizione del contesto di riferimento, simulando i due metodi di piegatura e barre spinali in diversi materiali e diametri. Questo approccio, però, necessita di lunghi tempi computazionali e pertanto non può essere utilizzato in contesto preoperatorio. Viene quindi implementata una strategia virtuale predittiva che estende la validità dei dati computazionali estratti, prevedendo gli effetti della piegatura sul comportamento meccanico dei dispositivi spinali. Grazie alla metodologia delle superfici di risposta si correlano i parametri delle barre, ovvero diametri e materiali, alle variabili di principale interesse nel seguente studio, ovvero sforzi residui e curvature, a seconda dei differenti metodi di piegatura. Per concludere viene fornita una validazione finale del metodo tramite una simulazione che consente di confrontare i risultati ottenuti con test in vitro.