Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.


Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.

"Тrauma" Том 20, №2, 2019

Back to issue

Investigation of the design of posterior spondylodesis in the loss of support ability of the anterior complex of the thoracic and lumbar spine

Authors: Куценко В.О.(1), Тимченко І.Б.(1), Попов А.І.(1), Корж М.О.(1), Радченко В.О.(1), Гаращенко Я.М.(2), Лисак М.В.(2)
(1) — ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна
(2) — Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», м. Харків, Україна

Categories: Traumatology and orthopedics

Sections: Clinical researches

print version


Summary

Актуальність. Основними причинами нестабільності хребтового стовпа в пацієнтів із пухлинами хребта є патологічні переломи й міжтіловий дефект після резекції пухлини. При цьому хірургічна стабілізація рекомендується, якщо колапс хребта перевищує 50 % його висоти, при ураженні понад 50 % хребта, резорбції ніжки дуги або залученні всіх задніх елементів. Використання транспедикулярних пристроїв забезпечує стабільну фіксацію й стабільність сегментів хребта навіть при руйнуванні всіх трьох колон. Мета: на основі математичного моделювання визначити оптимальні варіанти заднього спондилодезу при втраті опороздатності переднього відділу хребта. Матеріали та методи. Математичне моделювання методом кінцевих елементів варіантів конструкції заднього спондилодезу при втраті опороздатності переднього комплексу додатково включає візуалізацію томограм, виділення тканин заданої щільності, створення тріангуляційної моделі з використанням програмного пакета 3D Slicer. Висвітлено задачі обробки хмари точок і отримання твердотільної моделі. Результати. Виконано розрахунок міцності для різних варіантів закріплення системи фіксації хребта при резекції хребців L1, L2, Th12, а також проведено аналіз результатів розрахунку. Розрахунки показали, що максимальне напруження в положенні нахилу назад виникає при повній резекції трьох хребців із закріпленням в одне суміжне тіло, воно становить 415 МПа, що значно перевищує міцність як кортикальної кістки, так і титану. Мінімальні значення внутрішніх напружень за критерієм Мізеса спостерігаються при повній резекції одного хребця й закріпленні в трьох суміжних хребцях. Напруження не перевищували 24 МПа, що дає понад 10-кратний запас міцності. Висновки. За результатами розрахунків визначено, що при резекції одного хребця достатньо проводити закріплення в одне тіло, при резекції двох хребців бажаною є фіксація в трьох тілах, але можливим є й закріплення у двох хребцях із трикратним запасом міцності. При вертебректомії трьох хребців можлива фіксація тільки в трьох або більше суміжних тілах. Фізичні моделі хребців людини дозволяють хірургу попередньо виготовляти конструкції під індивідуальну форму хребця пацієнта, планувати свої дії перед операцією, що значно скорочує час операції й втрати крові. Також це скорочує час на підготовку й навчання молодих хірургів, знижує ймовірність помилок під час операцій і, відповідно, зменшує кількість невдалих операцій. Це особливо важливо в унікальних випадках перебігу хвороби в пацієнта.

Актуальность. Основными причинами нестабильности позвоночного столба у пациентов с опухолями позвоночника являются патологические переломы и межтеловой дефект после резекции опухоли. При этом хирургическая стабилизация рекомендуется, если коллапс позвоночника превышает 50 % его высоты, при поражении более 50 % позвоночника, резорбции ножки дуги или вовлечении всех задних элементов. Использование транспедикулярных устройств обеспечивает стабильную фиксацию и стабильность сегментов позвоночника даже при разрушении всех трех колонн. Цель: на основе математического моделирования определить оптимальные варианты заднего спондилодеза при потере опороспособности переднего отдела позвоночника. Материалы и методы. Математическое моделирование методом конечных элементов вариантов конструкции заднего спондилодеза при потере опороспособности переднего комплекса дополнительно включает визуализацию томограмм, выделение тканей заданной плотности, создание триангуляционной модели с использованием программного пакета 3D Slicer. Освещены задачи обработки облака точек и получения твердотельной модели. Результаты. Выполнен расчет прочности для различных вариантов закрепления системы фиксации позвоночника при резекции позвонков L1, L2, Th12, а также проведен анализ результатов расчета. Расчеты показали, что максимальное напряжение в положении наклона назад возникает при полной резекции трех позвонков с закреплением в одно смежное тело и составляет 415 МПа, что значительно превышает прочность как кортикальной кости, так и титана. Минимальные значения внутренних напряжений по критерию Мизеса наблюдаются при полной резекции одного позвонка и закреплении в трех смежных позвонках. Напряжения не превышали 24 МПа, что дает более чем 10-кратный запас прочности. Выводы. По результатам расчетов определено, что при резекции одного позвонка достаточно проводить закрепление в одно тело, при резекции двух позвонков желательна фиксация в трех телах, но возможно и закрепление в двух позвонках с трехкратным запасом прочности. При вертебрэктомии трех позвонков возможна фиксация только в трех или более смежных телах. Физические модели позвонков человека позволяют хирургу предварительно изготавливать конструкции под индивидуальную форму позвонка пациента, планировать свои действия перед операцией, что значительно сокращает время операции и потери крови. Также это сокращает время на подготовку и обучение молодых хирургов, снижает вероятность ошибок во время операций и, соответственно, уменьшает количество неудачных операций. Это особенно важно в уникальных случаях протекания болезни у пациента.

Background. The main causes of instability of the spinal column in patients with spinal tumors are pathological fractures and intervertebral defects after tumor resection. In this case, surgical stabilization is recommended by the authors, if the spine collapse exceeds 50 % of its height, if more than 50 % of the spine is affected, if there is a resorption of the pedicle of vertebral arch or an involvement of all the rear elements. The use of transpedicular devices ensures stable fixation and stability of the spine segments even with the destruction of all three columns. The purpose of the study: based on the mathematical modeling, to determine the optimal variants of posterior spondylodesis in the loss of the support ability of the anterior spine. Materials and methods. Mathematical modeling using finite element method of the variants of posterior spondylodesis design in case of the loss of the support ability of the anterior spine additionally includes tomograms, allocation of tissues of given density, creation of a triangulation model using the software package 3D Slicer. The problem of processing point clouds and obtaining a solid state model are covered. Results. The calculation of strength for various variants of attaching the spine fixation system during resection of L1, L2, and Th12 vertebras has been made, and the analysis of the calculation results has been carried out. Calculations have shown that the maximum tension in the tilt back position occurs in the complete resection of the three vertebrae with attachment to one adjacent body and accounts for 415 MPa, which significantly exceeds the strength of both cortical bone and the titanium. Minimum values of internal stresses by von Mises are observed in complete resection of one vertebra and fixing in three adjacent vertebrae. The stress did not exceed 24 MPa, which provides more than 10-fold safety factor. Conclusions. Results of the calculations showed that during resection of one vertebrae it is enough to fix one body, if two vertebrae are resected, fixation in three bodies is desirable, but it is possible to fix in two vertebrae with a threefold safety factor. In vertebrectomy of three vertebrae it is possible to fix only in three or more adjacent bodies. Physical models of human vertebras allow a surgeon to pre-make structures under the individual form of the patient’s vertebra, to plan their actions before surgery, which greatly reduces the time of surgery and blood loss. It also reduces the time required for the training of young surgeons, decreases the likelihood of errors during operations, and, accordingly, reduces the number of unsuccessful surgeries. This is especially important in the unique cases of the disease.


Keywords

хребет; спондилодез; патологічний перелом; математичне моделювання

позвоночник; спондилодез; патологический перелом; математическое моделирование

spine; spondylodesis; pathological fracture; mathematical modeling


For the full article you need to subscribe to the magazine.


Bibliography

1. Lee C.S., Jung C.H. Metastatic spinal tumor // Asian Spine J. — 2012. — № 6.

2. Percutaneous vertebroplasty and interventional tumor removal for malignant vertebral compression fractures and/or spinal metastatic tumor with epidural involvement: a prospective pilot study / Yi-Feng Gu, Qing-Hua Tian, Yong-Dong Li, Chun-Gen Wu, Yan Su, Hong-Mei Song, Cheng-Jian He, Dong Chen // J. Pain Res. — 2017. — 10. — 211-218. Published online 2017 Jan 20. doi: 10.2147/JPR.S122211. PMCID: PMC5271398. PMID: 28176970.

3. Enneking W.F. A system of staging musculoskeletal neoplasm / W.F Enneking // CORR. — 1986. — Vol. 204. — P. 9-24.

4. Denis F. The three column spine and its significance in the classification of acute thoracolumbar spinal injоures / F. Denis // Spine. — 1983. — Vol. 8, № 8. — P. 817.

5. Stability of spinal bone metastases in breast cancer after radiotherapy: a retrospective analysis of 157 cases / Schlampp I., Rie–ken S., Habermehl D., Bruckner T., Förster R., Debus J., Rief H. // Strahlenther Onkol. — 2014 Sep. — 190(9). — 792-7. doi: 10.1007/s00066-014-0651-z. Epub 2014 Apr 1. PMID: 24687563.

6. Prognosis of Single Spinal Metastatic Tumors: Predictive Value of the Spinal Instability Neoplastic Score System for Spinal Adverse Events / Sam Yeol Chang, Jae Hong Ha, Sang Gyo Seo, Bong-Soon Chang, Choon-Ki Lee, Hyoungmin Kim // Asian Spine J. — 2018 Oct. — 12(5). — 919-926. Published online 2018 Sep 10. doi: 10.31616/asj.2018.12.5.919. PMID: 30213176.

7. Радченко В.А., Попсуйшапка К.А., Тесленко С.А. Аналіз функционального стану хребта за умов хірургічного лікування вибухових переломів грудного та поперекового відділів // Ортопедия, травматология и протезирование. — 2018. — № 2. — С. 5-12.


Back to issue