Mechanical analysis of spinal implants in patients with adolescent idiopathic scoliosis

Abstract

Spinal instruments have been employed to facilitate the fusion processes in spinal surgeries and correct the misalignment of the spine. In spinal fusion, the compressive biomechanical forces applied to the models also affect the adjacent segments of the model. Thus, the surgical adjustments of the spinal implants can lead to spinal disorders like adjacent segment disease. This study is focused on the investigation of the biomechanical effect of a fixed pedicle screw implant system on the lumbar spine models. First of all, the functional spinal unit model was reconstructed from computed tomography scan data of an adolescent idiopathic scoliosis patient. The second (L2) and third lumbar (L3) vertebra, two facet joints, an intervertebral disc, and the corresponding ligaments were all constructed in this study. A titanium screw fixation system was used to investigate the stress analysis on the L2-L3 lumbar model. 500 N compressive load and a moment of 8 Nm were applied to the L2-L3 models with and without the screw fixation systems. According to the results, it was concluded that the existence of the fixed implant system allowed for the transmission of the applied compressive loads to the screws and rods in the model in four directional movements including extension, lateral bending, axial rotation, and flexion. Also, by stabilizing the model, the von Mises stress values were decreased with the implanted system. The results showed that the top surface of the upper vertebra (L2) was the most affected region, especially in flexion and lateral bending under loading conditions. Additionally, the pedicles of the lumbar vertebrae indicated that these regions were the most affected parts in axial rotation and extension movements. Therefore, the results showed that the fixed implant system provided the maintenance of the model and decreases the stress distribution on the adjacent components, especially on the (L2-L3) intervertebral disc of the model. Secondly, the L2-L5 lumbar model was also constructed with all the relevant spinal components in this study. The CT scan data was the same as used for the previous model. The finite element model is constituted of four lumbar vertebrae, three intervertebral discs, six facet joints, and the spinal ligaments. The axial compression force was 800 N and the applied moment was kept at 10.6 Nm. The material properties of the spinal implants that were inserted into the L2-L5 model, were compared for titanium and polyether ether ketone (PEEK) materials. Under the loading conditions, the L2-L5 lumbar model showed the stress distributions especially on the intervertebral discs and pedicle screw implant systems both for the titanium and for the PEEK-based spinal implants. To understand the effects of the adjacent segment disease like the previous L2-L3 model, the intervertebral disc structures of the L2-L5 model were investigated. According to the comparison results of these two fixation systems, the von Mises stress distribution values were decreased to a certain value with the fixed-based implanted system. And also, the PEEK-based system led to lower total deformation and equivalent stress distribution. The lower stress values of this situation were recorded especially on the L3-L4 and L4-L5 intervertebral discs of the model.Omurga implantları, omurga cerrahisindeki füzyon işlemini kolaylaştırmak ve omurganın eğriliğini düzeltmek için kullanılmaktadır. Spinal füzyonda, uygulanan biyomekaniksel baskı kuvvetleri modeldeki komşu segmentleri de etkilemektedir. Bu nedenle omurga implantlarının cerrahi müdahalesi, komşu segment hastalığı gibi omurga rahatsızlıklarına neden olmaktadır. Bu çalışma, lomber omurga modelindeki sabit pedikül vida sisteminin biyomekanik etkilerini araştırmaya odaklanmıştır. Bu amaçla, fonksiyonel omurga ünitesi modeli, adolesan idiyopatik bir hastanın bilgisayarlı tomografi görüntüsünden elde edilmiştir. Fonksiyonel omurga modeli, omurganın ikinci (L2) ve üçüncü (L3) omurlarından, iki tane faset eklemden, bir tane omurlararası diskten ve bunlara karşılık gelen ligamentlerden oluşturulmuştur. L2-L3 lomber modeli üzerindeki gerilme analizini incelemek için bir titanyum vida sabitleme sistemi oluşturulmuştur. Pedikül sabitleme sistemlerinin olduğu ve olmadığı L2-L3 modellerine 500 N basma kuvveti ve 8 Nm moment uygulanmıştır. Sonlu elemanlar analizi sonuçlarına göre, sabit implant sisteminin varlığının uygulanan basma kuvvetlerinin ektansiyon, yanal bükülme, eksenel rotasyon ve fleksiyonu da içeren dört yönlü hareketlerde, vidalara ve çubuklara dağıtılmasına olanak sağladığı sonucuna varılmıştır. Ayrıca, modeli sabitleyerek, von Mises gerilme değerleri implantlı sistemde azaltılmıştır. Sonuçlar, üstteki omurun (L2) en üst yüzeyinin, yükleme koşulları altında özellikle fleksiyon ve yanal bükülmede en çok etkilendiği bölge olduğunu göstermektedir. Buna ek olarak, lomber omurganın pedikülleri bu bölgelerin aksiyal rotasyon ve ekstansiyon hareketlerinde en çok etkilenen parçalar olduğunu göstermektedir. Bu sebeple, sonuçlar sabit implant sisteminin, omurganın kararlılığını sağladığını ve gerilme dağılımlarının komşu segmentlerde, özellikle de omurlararası diskte (L2-L3) azaldığını göstermiştir. İkinci olarak, L2-L5 lomber omurga modeli de bütün gerekli omurga bileşenleri ile birlikte bu çalışmada oluşturulmuştur. CT tarama verisi bir önceki model için kullanılan ile aynıdır. Bu model dört tane lomber omurdan, üç tane omurlararası diskten, altı tane faset eklemden ve omurga ligamentlerinden oluşmaktadır. Aksiyal baskı kuvveti 800 N ve uygulanan moment 10.6 Nm'de tutulmuştur. L2-L5 modeline yerleştirilen omurga implantlarının malzeme özellikleri titanyum ve polyether ether ketone (PEEK) malzemeleri için karşılaştırılmıştır. Yükleme koşulları altında, L2-L5 lomber omurga modeli hem titanyum tabanlı, hem de PEEK tabanlı implant sistemlerinde, özellikle omurlararası disklerde ve pedikül vida sistemlerinde olacak şekilde, gerilme dağılımları göstermiştir. Komşu segment hastalığının etkilerini anlayabilmek adına, bir önceki L2-L3 modelinde olduğu gibi L2-L5 modelindeki omurlararası diskler araştırılmıştır. Bu iki sabitleme sisteminin sonuçları karşılaştırıldığında, von Mises gerilme dağılım değerleri sabit omurga implant ile belirli bir oranda düşmüştür. Buna ek olarak, PEEK tabanlı sistem, daha da düşük toplam deformasyona ve eş gerilme dağılımlarına yol açmıştır. Modeldeki düşük gerilme değerleri özellikle L3-L4 ve L4-L5 omurlararası disklerde kaydedilmiştir.