Development and calibration of a measuring system for a surgical instrument : numerical and experimental analysis

In the context of posterior spinal fusion surgery for the treatment of degenerative diseases of the cervical spine, the use of Cervical Interfacet Spacers (CISs) certainly represents an innovative and effective approach to relieve radicular pain and reduce functional limitations. The current standard involves the use of a common reusable surgical instrumentation (SI), which, unlike the disposable one, features several disadvantages, including a significant economic and environmental impact due to high sterilisation costs and manage of the SI in the hospital. In order to correctly redesign the SI from multi-use to single-use in terms of design and material, so as to reduce costs while guaranteeing quality and effectiveness, it is essential to know the boundary conditions, in terms of forces and torques, to which the SI is subjected during cervical surgery. The aim of the present work is to develop and calibrate an in-vivo measurement system for evaluating the loads acting on a specific surgical instrument during the implantation of a cervical cage. Three different custom-made measuring systems using strain gauges (SGs) as sensors will be developed and described, and will be analysed both by means of numerical models based on finite element analysis (FEA) and experimental tests, in order to accurately calibrate the measuring device through tests under controlled conditions.

Nell’ambito degli interventi chirurgici di fusione spinale posteriore per il trattamento di patologie degenerative del rachide cervicale, l’utilizzo di Cervical Interfacet Spacers (CISs) rappresenta sicuramente un approccio innovativo ed efficace per alleviare il dolore radicolare e ridurre le limitazioni funzionali. Lo standard attuale per l’impianto di una cage cervicale prevede l’utilizzo di un comune strumentario chirurgico (SI) riutilizzabile che, a differenza di quello monouso, presenta numerosi svantaggi, fra cui un notevole impatto a livello economico e ambientale, a causa degli elevati costi di sterilizzazione e della gestione dello SI in ospedale. Per riprogettare correttamente lo SI da multi-uso a monouso in termini di design e materiale, al fine di ridurre i costi garantendo qualità ed efficacia, è di fondamentale importanza conoscere le condizioni a contorno, in termini di forze e coppie agenti, a cui lo SI è soggetto durante l’intervento chirurgico cervicale. L’obbiettivo del presente lavoro si propone di sviluppare e calibrare un sistema di misurazione in-vivo per la valutazione dei carichi agenti su uno specifico strumento chirurgico, durante l’impianto di una cage cervicale. Verranno realizzati e descritti 3 diversi sistemi di misura custom che utilizzano strain gauges (SGs) come sensori, e saranno analizzati sia attraverso modelli numerici basati su analisi agli elementi finiti (FEA), sia mediante test sperimentali al fine di calibrare accuratamente il sistema di misura attraverso prove a condizioni controllate.