Fattori biomeccanici di rischio della cifosi giunzionale prossimale

Spinal deformities such as scoliosis are a group of musculoskeletal disorders requiring surgical instrumentation in cases of severe pathological curvatures (e.g. Cobb angle > 40° for scoliosis) (Weinstein 2001; Morcuende e Weinstein 2003). Spinal instrumentation is a surgical procedure that stabilizes the spine and fuses vertebrae with implanted devices, such as metallic rods, screws and hooks. Although this treatment allows effective correction of pathological spinal curvatures (Weinstein 2001), the occurrence of postoperative complications can sometimes lead to a revision of the instrumentation. The first cause of revision surgery is the proximal junctional kyphosis (PJK) (Schairer, Carrer et al. 2013), having a prevalence between 20% and 43% (Yang e Chen 2003; Yagi, King et al. 2012). PJK appears as a hyperkyphosis of non‑instrumented proximal vertebrae. Several retrospective studies have been conducted to identify its causes. Risk factors related to PJK occurrence and progression include the proximal dissection of the posterior soft tissues, the joint capsule degeneration, the pre- and postoperative sagittal balance, the thoracoplasty, the bone quality, the obesity and the stiffness of the instrumentation (Glattes, Bridwell et al. 2005; Kim, Bridwell et al. 2005; DeWald e Stanley 2006; Kim, Lenke et al. 2007; Yagi, King et al. 2012). It is also reported that PJK could be associated to the number of instrumented vertebrae, the type of proximal implant or the construct configuration at upper instrumented vertebra. However, pathomechanisms of PJK are still controversial because findings reported in the literature are sometimes contradictory and not able to isolate the effect of a specific variable on PJK. In addition, no computational study has reported the impact of several surgical variables on biomechanical indices related to PJK. The objective of this Master project was therefore to develop a biomechanical model of spinal instrumentation in order to analyze and better understand the postoperative pathomechanisms of proximal junctional spinal segment. Six surgical variables potentially increasing the risk for PJK occurrence have been analyzed. In order to achieve this objective, a flexible multibody model was developed and validated to computationally simulate surgical instrumentations of six adult patients affected by PJK. For each case, the spinal tridimensional geometry was reconstructed using two calibrated preoperative radiographs (postero‑anterior and lateral). In these models, each vertebra was considered as a rigid body and was connected to the adjacent levels by intervertebral flexible joints whose stiffness was obtained from the literature and then customized for each patient. The stiffness of implant‑bone connection was modeled using data from an in vitro study. Regarding the boundary conditions of the model, proximal springs have been included in order to simulate the extensor muscles while the pelvis was fixed. Preoperative models developed in this manner were validated by comparing postoperative radiographic outcomes with postoperative outcomes simulated for each patient‑specific surgery. For each case, 384 additional simulations were then performed to investigate the influence of six biomechanical factors on PJK. We tested four different procedures of proximal resection and dissection, three types of implants at upper instrumented vertebra, four sagittal preoperative rod curvatures, two proximal rod diameters, two levels selected as upper instrumented vertebra and two postoperative sagittal balances. Four biomechanical response variables regarding the proximal junctional spinal segment were analyzed: the proximal junctional angle, the thoracic kyphosis T4‑T12, as well as the force and the bending moment resulting on the proximal junctional spinal segment. Simulation of bilateral complete facetectomy, posterior supraspinous and interspinous ligaments dissections and their combination increased the proximal junctional angle (by 8%, 23% and 42%, respectively), the thoracic kyphosis (3%, 8% and 15%) as well as the flexion force (6%, 15% and 28%) and moment (11%, 31% and 58%) acting on the proximal junctional spinal segment. Compared with screws, the use of transverse process hooks at upper instrumented vertebra decreased the thoracic kyphosis by 8% and the other three biomechanical indices by about 25%. The use of rods with proximal diameter reduced from 5.5 mm to 4 mm decreased the proximal junctional angles (5%), the flexion force (5%) and moment (6%), while it slightly increased thoracic kyphosis (1%). Increasing sagittal rod curvature from 10° to 20°, 30° and 40° increased the proximal junctional angle (by 5%, 10% and 16%), the thoracic kyphosis (9%, 18% and 27%) as well the flexion force (4%, 9% and 13%) and moment (7%, 14% and 21%). By instrumenting the proximal spine one level lower than that selected at surgery, it increased the proximal junctional angle (18%), the thoracic kyphosis (9%), the flexion force (16%) and moment (25%). Lastly, compared to the real postoperative sagittal balance, a posterior balance of 20 mm increased the proximal junctional angle (16%), the thoracic kyphosis (8%), as well as the flexion force (37%) and moment (22%). In conclusion, preserving posterior intervertebral elements above the instrumentation, the use of transverse process hooks at upper instrumented vertebra, reducing the sagittal preoperative rod curvature, the use of tapered transition rods, an anterior translation of the sagittal balance following surgery and the proximal extension of the instrumentation significantly decreased the four biomechanical indices related to the pathomechanisms of proximal junctional spinal segment (ANOVA p‑value < 0.05). Knowledge acquired by this research has therefore helped to better understand the biomechanical risk factors for PJK. In perspective, further refining of the biomechanical model would allow to assess the risks for other proximal junctional complications such as Proximal Junctional Failure.

Le patologie spinali come la scoliosi sono dei disturbi del sistema muscolo‑scheletrico che richiedono un trattamento chirurgico mediante strumentazione vertebrale nei casi di curvature patologiche severe (angolo di Cobb > 40° per la scoliosi) (Weinstein 2001; Morcuende e Weinstein 2003). L’intervento chirurgico mediante strumentazione consiste nella fissazione di barre metalliche lungo la colonna vertebrale grazie all’uso di specifici impianti adeguatamente fissati sulle vertebre: in questo modo si realizza la fusione permanente del rachide allo scopo di ripristinarne la morfologia fisiologica. Sebbene questo tipo di trattamento garantisca una correzione efficace delle curvature spinali patologiche (Weinstein 2001), l’apparizione sintomatica di complicazioni postoperatorie può talvolta richiedere una revisione chirurgica della strumentazione. La prima causa di revisione è la cifosi giunzionale prossimale (CGP) (Schairer, Carrer et al. 2013) la quale ha una prevalenza compresa tra il 20% e il 43% (Yang e Chen 2003; Yagi, King et al. 2012). La CGP si manifesta come un’ipercifosi delle vertebre prossimalmente adiacenti alla strumentazione. Diversi studi sono stati condotti per identificare le cause di questa complicazione chirurgica. I fattori di rischio della CGP includono la dissezione prossimale dei tessuti molli posteriori, la degenerazione della capsula articolare, l’equilibrio sagittale pre- e postoperatorio, la toracoplastica, la qualità del tessuto osseo, l’obesità e la rigidezza della strumentazione (Glattes, Bridwell et al. 2005; Kim, Bridwell et al. 2005; DeWald e Stanley 2006; Kim, Lenke et al. 2007; Yagi, King et al. 2012). Inoltre, è stato constatato che la CGP potrebbe essere associata anche al numero di vertebre strumentate, al tipo di impianto prossimale o più in generale alla configurazione della strumentazione in corrispondenza dell’ultima vertebra strumentata. I patomeccanismi della CGP restano tuttavia controversi. Infatti, le conclusioni presenti in letteratura sono talvolta contraddittorie e non riescono a isolare l’effetto specifico di una data variabile chirurgica rispetto alla CGP. Inoltre, nessun studio biomeccanico ha mai esaminato l’impatto biomeccanico di diverse variabili chirurgiche spinali rispetto agli indici geometrico‑meccanici legati alla CGP. L’obiettivo di questo progetto di ricerca è stato dunque di sviluppare un modello biomeccanico della chirurgia di strumentazione spinale al fine d’analizzare e comprendere i patomeccanismi postoperatori del segmento giunzionale prossimale del rachide. Sei variabili chirurgiche potenzialmente associate all’aumento del rischio d’apparizione della CGP sono state quindi analizzate. Per raggiungere questo obiettivo è stato sviluppato un modello multicorpo che simula numericamente le strumentazioni chirurgiche di sei pazienti adulti affetti da CGP. Per ognuno di questi sei casi, la geometria tridimensionale del rachide è stata ricostruita a partire da due radiografie preoperatorie biplanari e calibrate. In questi modelli ogni vertebra è considerata come un corpo rigido connesso ai livelli adiacenti mediante dei giunti elastici intervertebrali i cui valori di rigidezza sono stati inizialmente ottenuti dalla letteratura e in seguito personalizzati per ogni paziente. La rigidezza della connessione tra gli impianti e l’osso è stata invece modellizzata utilizzando dei dati ottenuti in vitro. Rispetto alle condizioni al contorno del modello, sono state aggiunti prossimalmente degli elementi elastici che modellizzano l’azione dei muscoli estensori; il bacino è stato invece incastrato. I modelli preoperatori così sviluppati sono stati validati comparando i risultati chirurgici reali con quelli ottenuti simulando le stesse procedure chirurgiche effettivamente eseguite per ogni paziente. Per ogni caso della coorte, 384 simulazioni supplementari sono state in seguito eseguite con lo scopo di studiare l’influenza di sei fattori biomeccanici sulla CGP. Sono stati testati quattro differenti procedure di dissezione prossimale, tre tipi d’impianti utilizzati sull’ultima vertebra strumentata, quattro curvature sagittali preparatorie della barre, due diametri prossimali delle barre, due livelli scelti quali ultima vertebra strumentata così come due equilibri sagittali postoperatori. Quattro variabili di risposta riguardanti il segmento giunzionale prossimale del rachide sono stati analizzati. Essi sono l’angolo giunzionale prossimale, la cifosi toracica T4‑T12 così come la forza e il momento flettenti risultanti sul segmento giunzionale prossimale. La simulazione della faccettectomia bilaterale completa, della dissezione dei legamenti sovra- e interspinoso e della loro combinazione ha aumentato l’angolo giunzionale prossimale (rispettivamente dell’8%, 23% e 42%), la cifosi toracica (3%, 8% e 15%) così come la forza (6%, 15% e 28%) e il momento di flessione (11%, 31% e 58%). Rispetto alle viti peduncolari, l’uso degli uncini trasversi sull’ultima vertebra strumentata ha diminuito la cifosi toracica dell’8% e gli altri tre indici geometrico‑meccanici di circa il 25%. L’utilizzo di barre con un diametro prossimale ridotto da 5.5 mm a 4 mm ha diminuito l’angolo giunzionale prossimale (5%), la forza (5%) e il momento di flessione prossimale (6%) mentre ha aumentato leggermente la cifosi toracica (1%). L’aumento della curvatura sagittale preoperatoria delle barre da 10° a 20°, 30° e 40° ha incrementato l’angolo giunzionale prossimale (del 5%, 10% e 16%), la cifosi toracica (9%, 18% e 27%) così come la forza (4%, 9% e 13%) e il momento di flessione prossimali (7%, 14% e 21%). La strumentazione prossimale del rachide fino al livello inferiore rispetto a quello effettivamente scelto per la chirurgia reale ha aumentato l’angolo giunzionale prossimale (18%), la cifosi toracica (9%), la forza (16%) e il momento di flessione prossimali (25%). Infine, rispetto all’equilibrio sagittale postoperatorio reale, la traslazione dorsale di 20 mm di T1 ha incrementato l’angolo giunzionale prossimale (16%), la cifosi toracica (8%), la forza (37%) e il momento di flessione prossimali (22%). Si può dunque concludere che la conservazione degli elementi osteo‑legamentosi superiori alla strumentazione, l’utilizzo di uncini trasversi sull’ultima vertebra strumentata, la riduzione della curvatura sagittale preoperatoria delle barre, la riduzione del diametro prossimale delle barre, lo spostamento in avanti dell’equilibrio sagittale postoperatorio e l’estensione prossimale della strumentazione hanno diminuito significativamente i quattro indici biomeccanici legati ai patomeccanismi del segmento giunzionale prossimale (p‑value < 0.05 nel test ANOVA). Le conclusioni derivanti da questa ricerca hanno quindi permesso di comprendere in maniera più dettagliata i fattori biomeccanici di rischio della CGP. In prospettiva, un ulteriore affinamento del modello biomeccanico permetterebbe di valutare il rischio associato a differenti strategie chirurgiche rispetto ad altri problemi di cedimento giunzionale prossimale (Proximal Junctional Failure).