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Abstract
La motivación principal de este proyecto es el estudio mediante técnicas ingenieriles de problemas asociados a la biomedicina, con el propósito de mejorar la calidad de vida de las personas que deben someterse a operaciones de implantes protésicos. Su finalidad fundamental es la determinación de la cirugía más adecuada a aplicar a un paciente aquejado de dolores lumbares. En primer lugar se ha modificado el modelo de elementos finitos de la columna lumbar desarrollada por Moramarco (1) validandolo con los datos existentes el la bibliografía (2). Este modelo supone una mejora significativa con respecto a los modelos computacionales que existentes ya que incorpora la geometría no sólo de vértebras y discos, sino de ligamentos y fibras en los tejidos, necesarios para la simulación correcta del movimiento. A continuación se ha simulado la degeneración del disco D45, variando sus propiedades y comparando los resultados con los efectos reales de la degeneración. Tras ver los problemas de las patologías lumbares se han realizado diferentes modelos en elementos finitos que permitan modelar las diferentes cirugías existentes, como son la artrodesis y los implantes intervertebrales con fijación posterior mediante tornillos. Una vez realizado el cálculo computacional de estos modelos se establece, por comparación con la columna lumbar sana, que disminuyen drásticamente el movimiento relativo en el segmento intervenido. Esta disminución de movimiento, conlleva un incremento de giro relativo en el resto de segmentos, lo cual provoca un aumento de tensiones. El incremento de tensiones en los discos adyacentes, puede provocar dolor y aumentar la probabilidad de propagación de la degeneración. Con el objetivo de conseguir una técnica quirúrgica que respete el movimiento natural de la columna, se ha simulado una cirugía en la que únicamente se introduzca el espaciador intervertebral, sin fijación posterior. Viendo los resultados de esta nueva técnica se concluye que aunque la fijación mediante tornillos consigue una perfecta estabilización de la columna, la mejor técnica desde el punto de vista biomecánico es el implante sin fijación posterior, que consigue estabilizar la columna sin modificar drásticamente el movimiento natural del paciente. Calvo Echenique, Andrea; Pérez del Palomar Aldea, Amaya
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Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es Proyecto Fin de Carrera Tomo I / II Estudio y simulación mediante software de elementos finitos de las diferentes cirugías de disco intervertebral Autor/es Andrea Calvo Echenique Director/es y/o ponente Amaya Pérez del Palomar Aldea EINA 2012/2013
Amimadre,
Agradecimientos Enprimerlugarmegustaríaagradeceramitutora,AmayaPérezdelPalomar,la oportunidaddetrabajarenesteproyecto,asícomosuinestimableayudaysus consejosalolargodetodoelproyecto.Sinsuconfianzaysuapoyonohabría descubiertoelmundodelainvestigación. TambiénquieroagradeceralosdoctoresVicenteCalatayudyLucianoBances porcompartirsusexperienciasmédicasenelcampodelasnuevascirugíasdelasque seocupaesteproyecto. Amiscompañerosdecarreradurantelosúltimoscincoaños,AitoryNacho,así comoaloscompañerosdeldepartamento,agradecerlessuinfinitapacienciaysus consejos. Porúltimo,querríaagradecerdemaneraespecialamifamiliatodoelapoyo quemehanprestadoenlosbuenosmomentosyenlosnotanbuenos.Elena,Pedroy Danimuchísimasgraciasporcreerenmí.
Estudioysimulaciónmediantesoftwaredeelementosfinitosdelas diferentescirugíasdediscointervertebral. RESUMEN Lamotivaciónprincipaldeesteproyectoeselestudiomediantetécnicas ingenierilesdeproblemasasociadosalabiomedicina,conelpropósitodemejorarla calidaddevidadelaspersonasquedebensometerseaoperacionesdeimplantes protésicos.Sufinalidadfundamentalesladeterminacióndelacirugíamásadecuadaa aplicaraunpacienteaquejadodedoloreslumbares. Enprimerlugarsehamodificadoelmodelodeelementosfinitosdelacolumna lumbardesarrolladaporMoramarco(1)validandoloconlosdatosexistentesella bibliografía(2).Estemodelosuponeunamejorasignificativaconrespectoalos modeloscomputacionalesqueexistentesyaqueincorporalageometríanosólode vértebrasydiscos,sinodeligamentosyfibrasenlostejidos,necesariosparala simulacióncorrectadelmovimiento. AcontinuaciónsehasimuladoladegeneracióndeldiscoD45,variandosus propiedadesycomparandolosresultadosconlosefectosrealesdeladegeneración. Trasverlosproblemasdelaspatologíaslumbaressehanrealizadodiferentes modelosenelementosfinitosquepermitanmodelarlasdiferentescirugíasexistentes, comosonlaartrodesisylosimplantesintervertebralesconfijaciónposteriormediante tornillos.Unavezrealizadoelcálculocomputacionaldeestosmodelosseestablece, porcomparaciónconlacolumnalumbarsana,quedisminuyendrásticamenteel movimientorelativoenelsegmentointervenido.Estadisminucióndemovimiento, conllevaunincrementodegirorelativoenelrestodesegmentos,locualprovocaun aumentodetensiones. Elincrementodetensionesenlosdiscosadyacentes,puedeprovocardolory aumentarlaprobabilidaddepropagacióndeladegeneración.Conelobjetivode conseguirunatécnicaquirúrgicaquerespeteelmovimientonaturaldelacolumna,se hasimuladounacirugíaenlaqueúnicamenteseintroduzcaelespaciador intervertebral,sinfijaciónposterior. Viendolosresultadosdeestanuevatécnicaseconcluyequeaunquelafijación mediantetornillosconsigueunaperfectaestabilizacióndelacolumna,lamejortécnica desdeelpuntodevistabiomecánicoeselimplantesinfijaciónposterior,queconsigue estabilizarlacolumnasinmodificardrásticamenteelmovimientonaturaldelpaciente.
Tabladecontenido CAPÍTULO1–INTRODUCCIÓN6 1.1. Motivación7 1.2. Estadodelarte8 1.3. Metodologíadetrabajo9 CAPÍTULO2‐BIOMECÁNICADELACOLUMNALUMBAR10 2.1.Anatomíadelacolumnalumbar11 2.2.Patologíasdelacolumnalumbar14 2.3.Cirugíaslumbares16 2.3.1.Artrodesis16 2.3.2.Artroplastia17 CAPÍTULO3–VALIDACIÓNDELMODELO.SIMULACIÓN COMPUTACIONALDELACOLUMNALUMBARSANA19 3.1.Materialymétodos.Descripcióndelmodeloutilizado20 3.1.1.Geometría20 3.1.2.Material26 3.1.3.Condicionesdecontorno30 3.2.Validacióndelmodelocondatosexperimentales33 CAPÍTULO4–SIMULACIÓNDELPROCESODEGENERATIVO36 4.1.Materialymétodos.Degeneracióndeldiscointervertebral37 4.2.Resultados.Comparaciónconelmodelosanoyevaluacióndehipótesismédicas39 CAPÍTULO5–ARTRODESIS42 5.1.Materialymétodos.Descripcióndelmodeloutilizado43 5.1.1.Geometría43 5.1.2.Material45 5.1.3.Condicionesdecontorno45 5.2.Resultados.Comparaciónconlabiomecánicadelacolumnasana46 5.2.1.Comparaciónconlabiomecánicadelacolumnalumbarsana46 5.2.2.Estudiodelosefectossobresegmentosadyacentes46
CAPÍTULO6–ARTROPLASTIACONFIJACIÓN49 6.1.Materialymétodos.Descripcióndelmodeloutilizado50 6.1.1.Geometría50 6.1.2.Material54 6.1.3.Condicionesdecontorno54 6.2.Resultados56 6.2.1.Comparaciónconlabiomecánicadelacolumnalumbarsana56 6.2.2.Estudiodelosefectossobresegmentosadyacentes57 CAPÍTULO7–IMPLANTEPROTÉSICOSINFIJACIÓN58 7.1.Materialymétodos.Descripcióndelmodeloutilizado59 7.2.Resultados60 7.2.1.Comparaciónconlabiomecánicadelacolumnalumbarsana60 7.2.2.Estudiodelosefectossobresegmentosadyacentes64 7.2.3.Posiblesmodificacionesdelabiomecánicalumbartraselpasodeltiempo66 CAPÍTULO8–CONCLUSIONES69 8.1.Comparacióndelafuerzanecesariaparaconseguirelgironatural70 8.2.Efectossobrelabiomecánicalumbarparacadacirugía72 8.3.Efectossobrelossegmentosadyacentesdebidosacadacirugía75 TRABAJOSFUTUROS78 ÍNDICEDETABLAS79 ÍNDICEDEFIGURAS80 BIBLIOGRAFÍA85
Capítulo1 Introducción Alolargodeestecapítulosedefinelamotivacióndelproyecto asícomoelalcanceyobjetivosdelmismo,dandounavisión generaldesudesarrolloyexposición.Sedetallalametodología empleadaalolargodelproyecto.
1.1. Motivación Elobjetivoprincipalquemotivaesteproyectoeselestudio,mediantetécnicas ingenieriles,deproblemasasociadosalabiomedicinaconelpropósitodemejorarla calidaddevidadelaspersonasquedebensometerseaoperacionesdeimplantes protésicosenlacolumnalumbar. ElproyectoseenglobadentrodelalíneadeinvestigacióndirigidaporAmaya PérezdelPalomarAldea,Diseñointegraldeprótesiseinstrumentalquirúrgicopara reemplazodediscosintervertebraleslumbares.Estudiodeladegeneracióny readaptaciónlumbar(NEWDISC). Sehaelegidoladegeneraciónlumbarcomopatologíaaestudiarpuestoquelos doloreslumbaressonunodelostrastornosmásfrecuentespadecidosporlapoblación demásde16años,segúndatosproporcionadosporunaencuestadelInstituto NacionaldeEstadísticaenelaño2009(3),dondeseapreciaqueel16,3%delos encuestadoslopadecen. Lacirugíaconlaquesetratabantradicionalmentelosproblemasdehernias lumbaresydegeneracióndediscosintervertebraleseralaartrodesis:unacirugía abiertaconsistenteenlafusióndeunoovariossegmentosvertebralesmediante barrasrígidasdemetal.Estetipodecirugíaacarreabadiversosproblemas:los derivadosdelapropiaoperación,quealserabiertarequeríadeunpostoperatorio largoydolorosocongrandesriesgos;ylosproblemasasociadosalamodificacióndel entornomecánicodelacolumna,comolapérdidadelibertaddemovimientoyla aparicióndemayorestensionesenlossegmentosadyacentes,acelerandosu degeneración. Hoyendíalastécnicasquirúrgicashanidoevolucionandohaciaunacirugía mínimamenteinvasiva,quepermitaunpostoperatoriomuchomenostraumáticopara elpaciente.Estastécnicastienenunresultadoigualdesatisfactorioqueelmétodo tradicionaldecirugíaabierta,ademásdepermitiracortarlaestanciaenelhospital, disminuirlacantidaddemedicacióndelpostoperatorioylasratiosdecomplicacionesy recuperarelmovimientoconmayorrapidez(4).Enlosúltimosañossehancomenzado aimplantardiferentestiposdeespaciadoresintervertebralesquepermitenunmayor gradodemovimiento,deloscuales‐debidoasunovedad‐nosetienenresultadosa largoplazo. Esteproyectopretendeestudiarlosdiferentestiposdecirugías,conelobjetivo deencontrarlospuntosdébilesdecadaunadeellasdesdeelpuntodevistadel movimientomecánicopara,posteriormente,proponerunnuevodiseñodeimplante protésicoqueaúnelasventajasdetodaslascirugíasanteriores. Parallevaracaboestetrabajo,sehacomenzadoatrabajarsobreelmodelode elementosfinitosdelsegmentolumbardesarrolladoporVincenzoMoramarco(1).
2.2. Patologíasdelacolumnalumbar Laspatologíasdiscalessondifícilmenteclasificables,yaqueenlamayoríadelos casosseproducenalavezounassonlascausantesdelasotras.Porejemplo,la degeneracióndeundiscopuedeprovocarunahernia,asícomounaherniaproducida poruntraumatismopuedecausarladegeneracióndeldisco. Laherniadiscalsedefinecomounarupturadelanillofibrosoquedejalibreel desplazamientodelnúcleopulposofueradelespaciointervertebral,comosepuede observarenlaFigura5.Lasherniassuelenproducirseporuntraumatismo,aunquesu apariciónpuedeestarpotenciadapordiferentesfactorescomolaedad,laobesidado unestilodevidasedentario(22). Figura5.Procesodeherniadiscal.Roturadelasfibrasdelanilloydesplazamientodelgel decolágenofueradelnúcleo. Ladegeneraciónesunprocesoporelcualeldiscointervertebralreducesu contenidodeproteoglicanosyagua,produciendounapérdidadealturadeldisco intervertebralyunaposibleinestabilidaddelacolumna.Setratadeuneventoen cascadaqueaceleraymagnificalosfallosestructuralesybiomecánicosrelacionados conlaedad. Laclasificacióndeladegeneraciónnoesunánime,puestoqueexistenenla literaturamúltiplesescalasquegradúanelprocesodegenerativo.Unadelasmás aceptadasesladefinidaporThompson(23)quegradúaladegeneraciónen5niveles (Figura6),describiendolosefectosencadaunodeloscomponentesdeldisco intervertebral(Tabla1)
Figura6.Resonanciasmagnéticasdelosdistintosgradosdedegeneracióndediscointervertebral segúnlagraduacióndeThompson. Tabla1.Descripcióndelosefectosdeladegeneraciónencadaunodelosestadiosgraduadospor Thompson. El dolor lumbar tiene múltiples causas. En los casos donde los tratamientos conservativos fallan son indicadas técnicas quirúrgicas como la artrodesis o la artroplastia. Grado NúcleoAnilloEndplate Cuerpovertebral I Gelhinchado Láminasdiscretasdefibras Cartilagohialinocon espesoruniforme Contornos redondeados II Tejidofibrosoenla periferia Materialmucosoentrelas láminas Espesorirregular Contornos punteados III Tejidofibroso consolidado Infiltracionesde mucosidad‐pérdidadela fronteranúcleo/anillo Defectospuntuales enelcartílago Condrocitosy osteofitosenel contorno IV Hendiduras horizontalesparalelas alendplate Rupturaspuntuales Extensióndefibras cargilaginosas Osteofitos menoresde2mm VHendidurasalolargo delnúcleoydelanillo Esclerosisdifusa Osteofitos mayoresde2mm
2.3. Cirugíaslumbares 2.3.1.Artrodesis Unadelasprimerastécnicasquirúrgicasenaparecerfuelaartrodesis.Esta técnicautilizaparacontrolareldolorasociadoaunmovimientoanormaloinestable entredosvértebrasadyacentes,oalcausadoporunprocesodedegeneración mecánicadediscointervertebral. Consisteenlacombinacióndeunsistemadeestabilizaciónmecánicadedoso mássegmentosvertebrales(Figura7)conunasustanciabiológicaquepromuevala osteogénesis,esdecir,elcrecimientodelhuesoentredoscuerposvertebrales,conel objetivodeconseguirlafusiónpermanenteentresegmentos(24). Unodelosaportesbiológicosmásutilizadosparaconseguirelcrecimientodel huesoeselautoinjerto,perosuobtención‐normalmenteporextraccióndelacresta iliaca‐ conllevariesgosdemorbilidadyprolongalaintervenciónquirúrgica.Además, parafusionesdemásdeunespaciointervertebralsueleserinsuficiente.Porestose estáninvestigandodistintassustanciasqueposeanlasmismascaracterísticas. Elsistemadeestabilizaciónmecánicaconsisteenunsoportemediantebarras rígidasunidasalasvértebrascontornillos.Enocasiones,lafijaciónposterior‐lateralse combinaconunafijaciónanterior.Estaintervenciónseconocecomounaartrodesisde 360ºyprecisadeunaintervenciónquirúrgicamuchomáscomplicada. Otrosautoreshansimuladoelcomportamientodeestacirugíamediante softwaredeelementosfinitos,llegandoalaconclusióndequelaartrodesisdisminuye lastensioneseneldiscointervertebraldeacuerdoalossiguientescriterios(17): - Eldiscodelsegmentointervenidosoportaun30%menosdecargaqueenuna columnasana,causandounincrementodel15al25%delascargasenelresto delacolumnadespuésdelaintervención.Lamayoríadelacargalasoportan losdiscosadyacentes,quequedansobrecargadostraslaoperación. - Traslafusióncompleta,eltrabajodeldiscointervertebraldisminuye drásticamente,salvoparaelcasodeextensión. - Lainsercióndelostornilloshacequelastensionesenlasvértebrasafectadas aumenten. - El80%delacargaesabsorbidaporlapartefusionadayelrestoporel implante.
Figura7.A)Geometríadelresultadodelaintervenciónartrodésica,fijacióncontornillos. B)Radiografíasposteriorylateraldeunacolumnalumbarhumanaintervenida Elobjetivodelafusiónintervertebralesformarunsólidocapazdesoportarlas cargasmanteniendolaalturadeldiscoylaalineaciónsagital.Elmantenimientodela alturadeldiscoesnecesarioparadescomprimirlostejidosneuronalesyparapreservar lasdimensiones. 2.3.2.Artroplastia Comoalternativaalaartrodesisvistaconanterioridadseutilizaactualmentela artroplastiaconprótesisPLIF(PosteriorLumbarInterbodyFusion). Consisteenlaimplantacióndeunaprótesiscomercialconosinfijación mediantetornillos(25).Paraelloseextraeelnúcleodeldiscointervertebralherniado odegeneradoyacontinuaciónseintroducelaprótesis(Figura8),cuyatallahasido determinadaenelpreoperatorioenfuncióndelaalturadeldiscoencadapaciente.En elcasodequeelimplanteestéformadopordospiezas,ambasdeberáncolocarse simultáneamenteparaasegurarelequilibriodesuposicionamiento.Estasprótesisse rellenanconunsustratoquepromueveelcrecimientodelhuesoatravésdeellas. Siloselementosposterioresdelacolumna‐porejemplolosligamentos‐están dañados,seránecesariaunafijaciónmediantetornillos.Sinembargo,algunosautores aconsejanfijarlossegmentosadyacentesdemanerarutinariaparaasegurareléxitode laintervención. Laventajadeestemétodoesquesereconstituyelarelaciónanatómicanormal entreelmovimientodelsegmentoylasestructurasnerviosas,alavezquepreviene herniasrecurrentes‐yaqueseextraeelnúcleodeldiscointervertebral. A B
Lascontraindicacionesmásdestacablesson: - Laposiblemigracióndelaprótesis,sobretodoenelcasodequenoteneruna fijaciónposterior. - Elllamado“síndromedetransicióndelafusión”,porelcualladegeneraciónse vaextendiendoalossegmentosadyacentescomosecuelaalargoplazo.Es muchomásfrecuenteencasosdondeseharealizadounafijaciónposterior. Pareceserconsecuenciadelaalteracióndelastensionestraslafusiónlumbar. Losresultadosdeestatécnicaaportanunéxitoclínicodel92%,conuna reincorporaciónaltrabajodeun93%delospacientes. Alolargodeesteproyectosepretendedemostrarqueelmovimientoes muchomásnaturalsinfijaciónposterior. Elprocedimientodefusiónlumbar(artrodesis)esunaefectivaypopulartécnica utilizadaparaeltratamientodeldolorlumbarderivadodelaenfermedaddegenerativa delosdiscos.Sinembargo,lafusióndevariossegmentostienecomoresultadouna fuerterestriccióndelmovimientoyunincrementoenlosnivelesdetensióndelos discosadyacentes.Esteincrementodetensiónpuedederivarenunadegeneraciónque tengaquesernuevamenteintervenida,extendiendoasíelsegmentoinmovilizado. Poreso,sehadesarrolladounatécnicabasadaendiscosartificialesque restauranelmovimientofisiológiconormalyqueintentadisminuireldeteriorodelos segmentosadyacentes. Aunasí,elreemplazototaldeldiscoaumentaelriesgodeinestabilidady promueveladegeneraciónmásrápidadelossegmentosadyacentesfrenteala artrodesis.Poresto,alolargodeesteproyectosevaaestudiarlatécnicadelos implantesprotésicosreemplazandoúnicamenteelnúcleoydejandoelanillofibroso comobarreranatural. Figura8.A)Geometríadelacolumnaintervenidaporunacirugíaartroplásticaconfijaciónposterior. B)Radiografíasanteriorylateraldeunacolumnalumbarhumanaintervenidaendossegmentos adyacentes.
Capítulo3 Validacióndelmodelo.Simulacióncomputacionaldela columnalumbarsana. Enestecapítulosedefineelmodeloinicialdesarrolladopor VincenzoMoramarco(1)sobreelqueseapoyatodala investigaciónycálculosrealizados.Apartirdeestemodelose introduciránnuevascaracterísticasquehaganmásrealistala simulación.Elobjetivoperseguidoeseldecomprobarsu validez.Paraelloserealizalacomparacióndelosresultados biomecánicos,obtenidosmedianteelsoftwaredeelementos finitosAbaqus,conlosresultadosexperimentalespresentesen laliteratura.
3.1. Materialymétodos.Descripcióndelmodeloutilizado. Paraeldesarrollodeesteproyectosehatomadocomopuntodepartidael modelodecolumnalumbar(L1‐S1)desarrolladomedianteelsoftwaredeelementos finitosAbaqus,porVincenzoMoramarco(1).Dichomodelocomprendeloscinco cuerposvertebralesdelacolumnalumbarypartedelsacro,ademásdelos correspondientestejidosintervertebrales:discos,endplatesyligamentos. Sobreestemodelosehanrealizadotodaslasmodificacionesparacrearuno másrealista,introduciendoelcarácterdeformabledelasvértebrasatravésdel materialyelcomportamientoporosodelasmismas. 3.1.1. Geometría Enprimerlugar,partiendodelageometríadeloscuerposvertebrales obtenidosapartirdetomografíasreales,secreóunamallatriangularenlasuperficie (Figura9).Elconjuntodelamallasuperficialdetodaslasvértebrasestáformadopor untotalde73.016elementosy36.498nodos.Conestetamañodemallaseconsigue reproducirfielmentelageometríairregularpropiadelaanatomíahumana. Figura9.Geometríamalladaatravésdeelementostriangularesdetipo“Shell”decadaunodelos cuerposvertebralesdelmodelo Enelmodeloinicial,loscuerposvertebralesmalladossuperficialmenteeran consideradoscomosólidosrígidos,conlocualnoexistíamovimientorelativoentrelos distintospuntosdeunamismavértebra.
Enlarealidad‐aunquenoseandegranmagnitud‐ existendeformaciones internasdentrodeltejidoóseodebidoasuspropiedadesmecánicas. Poresemotivo,apartirdelamallasuperficialsehacreadounamallasólidade elementostetraédricosentodoelvolumen,quepermitenasignarunmaterialconlas propiedadesmecánicasdeltejidoóseo.Paraestepropósitosehautilizadoelsoftware I‐deas.Conlosmétodosnuméricosexistentesesposiblecalcularasílastensiones internasproducidasdentrodelasvértebrasacausadelosmovimientosnormalesdela columna. Elmodeloresultanteestáformadopor359.364elementostetraédricosy 68.132nodos,ademásdeloselementostriangularesdelassuperficiesdelas vértebras. Unavezobtenidalamallacompletadelasvértebrassehancreadolosgrupos deelementosynodosnecesariosparalaaplicacióndecontactosentrecuerposy condicionesdecontorno,asícomoparalaasignacióndematerial.Enelcasodelhueso, eltejidoestádividido‐comosehavistoanteriormente‐ endosmateriales diferenciados:unacapasuperficialalolargodetodalavértebraestáformadapor huesotrabecular,mientrasqueenelinteriordelamismaseencuentraelhueso esponjoso.Parapoderasignarlaspropiedadessehancreadodosgrupos(Figura10),el primerodeellosformadoporlaprimeracapadeelementostetraédricosdelamalla,y elsegundoporelresto.Enelcasodelasapófisis,sehanconsideradoúnicamente huesotrabeculardebidoalacomplicadageometríayalpapelpocoimportanteque jueganenlosensayosquesevanarealizar. Figura10.DetalledelcortelateraldelavértebraL2,dondeseobservanlosdosmaterialesquela componen.Elmásoscuroeselhuesocortical,mientrasqueelmásclaroeselesponjoso. Paraladefinicióndeloscontactos,secreandosgrupossuperficialesencada vértebra(Lx‐TOPyLx‐BOT),formadasporelementossuperficiales(triangulares)como sepuedeobservarenlaFigura11.
Lascondicionesdecontornoesnecesarioaplicarlasenunasuperficierígida, conelobjetivodeponerunacargadistribuidaentodalasuperficie.Paraellose definenL1‐TOPyS1‐BOTcomosuperficiesrígidas:enelcasodelaprimeraparapoder aplicarlacargayeneldelasegundaparaimponerelempotramientonecesarioque restrinjaelmovimientodelacolumna(Figura12). Enelespacioentredoscuerposvertebralesseencuentranlosdiscos intervertebrales,cuyageometríasehaconsideradoqueseadaptaperfectamenteal huecoexistente.Deestamanerasehanmalladomedianteelementoshexaédricoslos cincodiscosintervertebralesdelmodelo(Figura13). Elmodeloresultantedelosdiscosestáformadopor29.527elementos hexaédricosy35.707nodos. Figura11.Superficiessuperior (L2_TOP)einferior(L2_BOT)paraelcontactoconlosdiscos intervertebrales. Figura12.A)SuperficieparalaaplicacióndelacargasobreL1.B)Superficiepara aplicacióndelascondicionesdecontornoenS1. A B
Figura13.Mallahexaédricadeloscincodiscosintervertebralesincluidosenelmodelo.Diferencia entreloselementosqueformanpartedelanillofibrosoylosqueformanpartedelnúcleopulposo. Aligualqueenlasvértebras,enelcasodelosdiscostambiénexistendos materialesclaramentediferenciados:elanillofibrosoyelnúcleopulposo.Para definirlos,sehancreadodosgruposencadaunodeloselloscomosepuedeverenla Figura13. Enlainterfaseentrelosdiscosintervertebralesyelcuerpoóseoseencuentran losllamadosendplatesdematerialcartilaginoso.Paramodelarlos,sehacreadoenla primerayúltimacapadelosdiscosintervertebralesunafinamalladeelementos hexaédricos,cuyageometríaseadaptaperfectamentetantoalavértebracomoal disco(Figura14). Cadaunodeestosendplatescuentaconunasuperficiesuperioroinferiorque permiteelcontactoconlavértebra.
LigamentoE1[Mpa]E2ϵ12ElementosÁrea(mm2) ALL7,8200,12532,4 PLL120,1155,2 LF1,51,90,062384,2 ITL10590,1841,8 SSL350,2325,2 LigamentoSegmentoÁrea(mm2)Coef.PoissonElementosRigidez(N/mm) JCL1‐L243,80,4642,5±0,8 L2‐L333,9±19,2 L3‐L432,3±3,3 L4‐L530,6±1,5 L5‐S129,9±22,0 ISLL1‐L235,10,4610,0±5,2 L2‐L39,6±4,8 L3‐L418,1±15,9 L4‐L58,7±6,5 L5‐S116,3±15,0 Tabla6.Propiedadesdelosligamentos,elementosenlosquesedividenydimensionesdelosmismos. (31)(32)(33)(34) 3.1.3. Condicionesdecontorno Alolargodetodoelproyectosehanrealizadocuatrosimulacionesde movimientoparacadamodelo.Lassimulacioneshansidoestablecidasdeacuerdoa loscriteriosqueaparecenenlabibliografía,conelobjetodecrearunacomparativa quepermitavalidarlosresultados. Enprimerlugar,sehaimpuestounacondicióndeempotramientoenla superficieinferiordelaS1,restringiendolostresdesplazamientosylostresgiros.Esta condiciónsecumpleentodoslosensayosrealizados. LosejesglobalesdelmodelosepuedenobservarenlaFigura18.
Figura18.Ejesglobalescartesianos(X,Y,Z)enelmodelodelacolumna. Losdosprimerosensayossimulanelmovimientodeflexo‐extensióndeltronco. ParaelloseimponeunmomentopuroenlasuperficiesuperiordelavértebraL1enel ejeX(Figura19).Asuvezseharestringidoenestamismasuperficieelgiroenlosotros dosejes(YyZ),asícomoeldesplazamientoenelejeXdegiro.Estasrestricciones ayudanalaconvergenciadelcálculomediantelaimposicióndelimitacionesexistentes enlarealidad. Figura19.Vistalateraldelmovimientodeflexo–extensióndelacolumnalumbarhumanasimulada mediantemodelosdeelementosfinitos.A)Deformadaporflexión.B)Indeformada.C)Deformadapor extensión. Losotrosdosensayoscorrespondenalmovimientodeflexiónlateraldel tronco,aderechaeizquierda(Figura20).Pararealizarlosseaplicaelmomentosobre elejeY,alavezqueserestringeelgirodeL1enZylatraslaciónenY. A B C
Figura20.Vistafrontaldelmovimientodegirolateraldelacolumnalumbarhumana.A)Deformada porgiroaladerecha.B)Indeformada.C)Deformadaporgiroalaizquierda Porúltimo,entodoslosensayossehapuestoenelcontornodeloselementos porososlacondicióndepresiónosmóticaiguala0,parapermitirlaentradaosalidade fluidoenfuncióndelacargaqueseleimpongaalacolumna Conestacondiciónseconsiguesimulareldrenajedelosdiscosalolargodeun díacompleto.Primerosedejauntiempoequivalentede7horassincarga,dondese produceunligerohinchamientodelosdiscosporabsorcióndefluido,quepermite alcanzarelequilibrioylacondicióndetejidopretensado,acontinuaciónserealizaun ciclodecargacorrespondienteacadaensayo,enelquelapresióninternadeldiscova cambiando. A B C
3.2. Validacióndelmodelocondatosexperimentales. Sehanrealizadolosensayosdescritosanteriormenteaplicandounmomento de4Nmenflexión,‐4Nmenextensión.Conestasmagnitudesdecargasepueden compararlosresultadosnuméricosconlosdatosexperimentalesdisponiblesenla bibliografía(2). EnlasgráficasmostradasenlaFigura21seobservalacomparacióndelgiro relativodecadasegmentolumbarenfuncióndelacargaaplicadaconelestudiadopor Guanycolaboradores.Losresultadosnuméricosmostradoscorresponden,enlínea discontinua,alosdelmodelodevértebrasrígidasdesarrolladoporMoramarcoyen líneacontinuaalosresultadosdelasimulacióncomputacionaldelmodeloantes descrito. Figura21.Gráficascomparativasdelgirorelativoentresegmentosenelmovimientodeflexo‐ extensión.
Siguiendoelmismoprocedimientosehanrealizadoloscálculosparael movimientodeflexiónlateralaplicandounmomentode‐4NmenelejeYparaelgiroa derechasyde4Nmparaelgiroaizquierdas.Losresultadosobtenidossemuestranen laFigura22. ‐5,0 ‐4,0 ‐3,0 ‐2,0 ‐1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 ‐5,0 ‐3,0 ‐1,0 1,0 3,0 5,0 ROM(grados) Momento(Nm) L1‐L2Derecha‐ izquierda Guanet.al ResultadosEF ‐5,0 ‐4,0 ‐3,0 ‐2,0 ‐1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 ‐5,0 ‐3,0 ‐1,0 1,0 3,0 5,0 ROM(grados) Momento(Nm ) L2‐L3Derecha‐ izquierda Guanet.al ResultadosEF ‐6,0 ‐4,0 ‐2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 ‐5,0 ‐3,0 ‐1,0 1,0 3,0 5,0 ROM(grados) Momento(Nm ) L3‐L4Derecha‐ izquierda Guanet.al ResultadosEF ‐5,0 ‐4,0 ‐3,0 ‐2,0 ‐1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 ‐5,0 ‐3,0 ‐1,0 1,0 3,0 5,0 ROM(grados ) Momento(Nm) L4‐L5Derecha‐ izquierda Guanet.al ResultadosEF ‐6,0 ‐4,0 ‐2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 ‐5,0 ‐3,0 ‐1,0 1,0 3,0 5,0 ROM(grados) Momento(Nm) L5‐S1‐ Derecha‐ izquierda Guanet.al ResultadosEF Figura22.Gráficascomparativasdelosresultadosnuméricosobtenidosenelestudio computacionalrealizadoconelementosfinitosylosresultadospresentesenlabibliografía.
Alavistadelosresultadossepuedeconcluirqueelmodeloesválido,yaque reproducedemanerafielelmovimientodelacolumnarealy,encualquiercaso,se encuentradentrodeloslímitesdedispersióncalculadosporGuan.Lasmayores diferenciassepresentanenelsegmentoL4‐L5,enelcualelmovimientodeflexión produce0,9ºmenosdegirorelativoqueelreal,yeneldeextensión1,5ºmás. Encualquiercaso,laintroduccióndelcomportamientodeformabledelas vértebrassuponeunaligeramejorafrentealmodelorígidoanterior,yaqueseajusta mejoralacurvareal.Estamejoraseobservaespecialmenteenelcasodelos segmentosL2‐L3yL5‐S1. Unavezvalidado,elmodeloconstruidoseutilizarácomobaseparala simulacióndeladegeneracióneneldiscoD45ysuscirugíasasociadas. Alolargodetodoelestudiosehatenidoencuentaqueunapersonaconel discodegeneradooconunaintervenciónquirúrgicavaaintentarrealizarlamisma cantidaddemovimientoquecuandoeldiscoestabasano,comoponedemanifiesto Goeletal.ensutrabajo(35). Poresarazón,enadelantesetrataránlosdatosparaunmomentoque produzcaencadacasoelmismogiroabsolutodeL1queproduceelsanocon4Nm.
Capítulo4 Simulacióndelprocesodegenerativo Alolargodeestecapítulosesimulaelprocesodedegeneración dediscointervertebralenelsegmentolumbarL4‐L5para observarsudiferenciaconrespectoalmovimientodela columnalumbarsana.Conlosresultadosobtenidosse comparanlosefectoscualitativosqueindicalaliteratura.
4.1. Materialymétodos.Degeneracióndeldiscointervertebral. Comosehavistoanteriormenteenlosdiscosintervertebralessepuede producirunprocesodegenerativoporelcualpierdenpartedesuspropiedades, principalmentedrenadoras,provocandofuertesmolestiasenelpaciente. Conelobjetivodeverlasconsecuenciasbiomecánicasquecausasobreel segmentolumbarladegeneración,sehanmodificadolaspropiedadesdeunodelos discosintervertebrales.EldiscoelegidoparasimularladegeneraciónhasidoelD45, emplazadoenelsegmentolumbarL4‐L5.Estaelecciónsebasaenelestudiorealizado en2011porWilliamR.Sears(36),dondemuestra‐medianteunanálisisestadístico‐ cuáleslapoblaciónderiesgoyelsegmentomásintervenido. Enunestudiorealizadosobre1000pacientes,sepuedeobservarlasiguiente divisióndeacuerdoadiferentescriterios: - Rangosdeedad:130pacientesdeedadinferiora45años,199enedades comprendidasentre45y60,y671pacientesporencimadelos60años. - Númerodenivelesintervenidos:en593casoslafusiónserealizóenunúnico segmento,en219casosfuenecesarialafusióndedossegmentosvertebralesy en118fueprecisalafusióndetresomássegmentos. EnlaFigura23sepuedenverlossegmentosintervenidos,notándoseunagran superioridaddelaintervenciónsimpledelsegmentoL4‐L5,conunporcentajedel36% sobreeltotal. Figura23.Estadísticadenivelesintervenidosquirúrgicamentesobreunamuestrade1000pacientes. (36)
Parasimularladegeneracióndeldiscosehanmodificadotantossus propiedadesmecánicascomosuspropiedadesbifásicas,quedandorecogidasenla Tabla7.Ladegeneraciónquesehaprovocadopuedeserclasificada,segúnlaescalade Thompson(23),denivelIV. ParámetrosbifásicosdelmaterialAnilloNúcleo cF,0[meq/mm3]0,9x10‐42,4x10‐4 k0[m4/Ns]1,45x10‐151.52x10‐15 nf,00,70.71 e(voidratio)2,42.45 ParámetroselásticosdelmaterialAnilloNúcleo C10[MPa]0,450.16 C20[Mpa]2,5 D0,30636 K1[Mpa]1,8 K211 Tabla7.Propiedadesbifásicasyelásticasdelmaterialasociadoalanillofibrosoyalnúcleopulposodel discointervertebraldegenerado.(15)(29)(30)
4.2. Resultados.Comparaciónconelmodelosanoyevaluaciónde hipótesismédicas. Enlosensayosrealizadossobreestemodelohansidoaplicadoslosmismos movimientosycondicionesdecontornoqueenlosdescritosparaelmodelosano. Comoúnicadiferencia,cabedestacarelincrementodemomentoaplicadohasta conseguirelmismogiroabsolutoenL1queelqueseobteníacon4Nmenelmodelo sano.Estemomentoes:4,375Nmparaflexión,‐4,28Nmparaextensión,‐4,81Nmpara girolateralalaizquierday5,219Nmparagirolateralaladerecha. Todoslosresultadosestudiados,tantodegirorelativocomodetensiones,se tomarándeestenuevomomento,dadoqueseentiendequelapersonaintentará alcanzarelmismogradodemovimientoqueenelcasodecolumnasana. Losresultadosdegirorelativoentrevértebrasparalos4movimientos simuladospuedenobservarseenelAnexo1.1.Destacaeldecrementodemovimiento enelsegmentoL4‐L5paraextensión,alavezqueunligeroincrementodemovimiento enextensión(Figura24).Enlosmovimientoslateralesseproduceunareducción importantedelmovimiento,debidoalaumentoderigidezdeldiscoderivadadela pérdidadelaspropiedadespermeablesdelanilloydelnúcleo.Estoscambiosproducen enelsegmentoinferiorundecrementodemovimientoaflexión,asícomounligero incrementoenelmovimientodelrestodelossegmentos(Figura25). ‐4,0 ‐3,0 ‐2,0 ‐1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 ‐5‐3‐11 3 5 ROM(grados) Momento(Nm ) L4‐L5Flexión‐extensión Guanet.al Sano degenerado ‐5,0 ‐4,0 ‐3,0 ‐2,0 ‐1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 ‐5,0 ‐3,0 ‐1,0 1,0 3,0 5,0 ROM(grados) Momento(Nm) L4‐L5Derecha‐ izquierda Guanet.al Sano degenerado Figura24.GráficasdemovimientorelativoentreL4 yL5(segmentoafectado)enlosmovimientosde flexo‐extensiónygiroslaterales.Secomparanlosresultadosnuméricosdelacolumnasanaypatológica conlosresultadosdecolumnasanadelaliteratura.
5.2. Resultados.Comparaciónconlabiomecánicadelacolumna lumbarsana. 5.2.1. Comparaciónconlabiomecánicadelacolumnalumbarsana. Elobjetivoprincipaldelacirugíaartrodésicaesladescompresióndeldisco afectadoparaeliminareldoloryconseguirlaestabilizacióndelacolumna.Elcambio enladistribucióndetensionesenlosdiscossepuedeobservarenlaFigura31. SANO ARTRODESIS EXTENSIÓN FLEXIÓN SANO ARTRODESIS EXTENSIÓN FLEXIÓN Figura31.DistribucióndetensionesdetracciónycompresiónenlosdiscosD12,D23,D34,D45,D51 paralosmovimientosdeflexión‐extensión.Comparacióndeladistribuciónenelmodelosanofrente almodeloconfijaciónartrodésica.
SeobservaclaramentequeeldiscoD45haquedadosintensionar,en detrimentodelosdiscosadyacentes.Estoesdebidoaquetodaslastensionesson absorbidasporelimplantedetitanio(Figura32). Figura32.Distribucióndetensionesmáximasymínimasenlostornillosparaelmovimientodegiroa laderecha. Sinembargo,losefectosnegativosqueestetipodeintervencióntienesobrela biomecánicaesunadrásticareduccióndelmovimientoenelsegmentointervenido,en estecasoL4‐L5.Estareduccióndemovimientosetraduceenunmayormomento necesarioparaconseguirelmismogiroabsolutodeL1:‐5,31Nmenextensión, 5,313Nmenflexión,‐5.56engiroalaizquierday5.708engiroaladerecha. EnlaFigura33sepuedeobservarlareduccióncasitotaldemovimiento.Al estudiarlasimulaciónconungiroabsolutoigualqueenlacolumnasana,seobserva unincrementodegiroenelrestodesegmentosdistribuidoscomosemuestraenla Figura34. ‐4,0 ‐3,0 ‐2,0 ‐1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 ‐6,0 ‐1,0 4,0 ROM(grados) Momento(Nm) L4‐L5Flexión‐ extensión Guanet.al Sano degenerado artrodesis ‐5,0 ‐4,0 ‐3,0 ‐2,0 ‐1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 ‐6,0 ‐4,0 ‐2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 ROM(grados) Momento(Nm ) L4‐L5Derecha‐ izquierda Guanet.al Sano degenerado artrodesis Figura33.GráficadegirorelativoentreL4‐L5despuésderealizarlaartrodesis,frentealacolumnasana.
Figura34.Incrementodelgirorelativoentrecuerposóseosnecesarioparaconseguirungiroabsoluto enlacolumnaartrodésicaidénticoaldelacolumnasana. Deestosresultadossedesprendelaconclusióndequeestetipodecirugía reduceenun90%elmovimientodelsegmentoafectadoenelmovimientodeflexo‐ extensión,yenun50%losgiroslaterales,incrementandoelgiroenelrestode segmentos. Pararealizarelmovimientocompletoserequiereunafuerzasuperiorala normalquelosmúsculosintervertebralesnosoncapacesdedesarrollar,poresose traduceenunadrásticapérdidademovimiento. ElgirorelativoentresegmentosseencuentradetalladoenelAnexo1.2. 5.2.2. Estudiodelosefectossobrelossegmentosadyacentes. Esteincrementodegirorelativoenelrestodesegmentosllevaasociadoun incrementodetensionesenlosanillosfibrososdelosdiscosintervertebrales.Para demostrarlosehanestudiadolastensionesenlosdiscos.Lastensionesproducidasen todoslosdiscos,asícomosudistribuciónpuedeobservarseenelAnexo2.2y3.3. Elmáximoincrementodetensióncompresivaseproduceenelmovimientode flexiónconun50.7%detensiónsobrelaqueteníaenlacolumnasana.Enelcasode lastensionesdetracción,elincrementomáximoesde61.12%yseproducetambién enelmovimientodeflexión.EnamboscasoseneldiscoD12(Figura35). Figura35.Cambioenladistribucióndetensionesmáximasymínimasdeldiscomás afectadoporlacirugíaD12.
Capítulo6 Artroplastiaconfijación Conlaaparicióndelasprótesis,secomenzóautilizarlos espaciadoresintervertebralescomodescompresoresde tensioneseneldiscoafectado,puestoquedebidoasumayor rigidezlasabsorbe.Sinembargo,haydiferenciasdeopinión,y actualmentehayprofesionalesqueprefierenfijar adicionalmentelasdosvértebrasmediantetornillosparaevitar lamigracióndelaprótesis.Alolargodeestecapítulose estudiarádesdeelpuntodevistaingenierillasventajasy desventajasqueestemétodoaportasobreelanterior.
6.1.Materialymétodos.Descripcióndelmodeloutilizado. Lafusiónmodificaelentornomecánicodelacolumna,produciendola degeneracióndelossegmentosvertebralesadyacentes.Enlosúltimosañossehan desarrolladonuevosimplantesquereemplazanelnúcleopulposo,absorbiendola cargayconservandolamovilidad.Estatécnicaserealizademaneramuysimilarala artrodesisvistaenelCapítulo5.Enestecaso,enlugardelautoinjertoextraídodel pacienteparalaosificacióndeldiscoseutilizaunespaciadorintervertebral. EstosespaciadoresintervertebralesestánfabricadosenPEEK,unpolímero biocompatible.Secolocanenelespacioquedejalibreelnúcleo,raspandounpocoel anillofibrosoporsuzonainternaparaconseguirlaadaptaciónalaprótesis.Deesta manera,elimplantequedarodeadocasiporcompletodeanillofibroso,evitandoen granpartesumigración. Ademásdelosespaciadores‐ydemaneraidénticaalaartrodesis‐secolocauna fijacióncontornillosdetitanioporlaparteposteriordelacolumnalumbar. 6.1.1. Geometría Paralainsercióndelimplanteprotésicohayquetenerencuentael procedimientomédico.Esteprocedimientoconsisteenlaextraccióndelnúcleo pulposodeldiscodañado,atravésdeunaincisiónenlaparteposterior.A continuaciónseadecúaelespaciointeriordelanillofibroso,medianteraspado,ala geometríadelaprótesis.Porúltimo,seinsertaelimplanteporlamismaincisiónporla queseextrajoelnúcleoysecolocaenlaposicióncorrectaconayudadelos marcadores. Enelmodeladodelacirugíasehaseguidoelmismoproceso,tomandocomo baseelmodelodecolumnacondegeneraciónenelsegmentoL4‐L5,vistoenel Capítulo5.Así,enprimerlugar,seeliminaelnúcleopulposodeD45.Acontinuación, conayudadeRhinoceros,seremodelaelinteriordelanillofibrosoparaadecuarloala geometríadecadaunadelasprótesis.Estenuevoanillofibrososevuelveamallarya colocarenlacolumna,reemplazandoalanillofibrososano.Elnuevoanillofibroso tendrátambiénlaconsideracióndedegeneradoyportantosuspropiedades coincidiránconesteestado.Porúltimo,seacomodalaprótesisenelespaciointerior destinadoaestepropósito. Alolargodeesteproyectosehanestudiadodostiposdeimplantes comerciales,unodeellosformadoporunasolapiezayelotroformadopordospiezas paralelas.Elobjetivoesversiexistendiferenciassignificativasentreellosy,encasode haberlas,distinguirelmásbeneficiosoparaelpaciente. LaprimeradelasprótesismodeladaseselimplantecomercialOLYS(38), formadoporunasolapieza,cuyageometríaserepresentaenlaFigura36.Las característicasprincipalesquedefinenestapiezason:
1) Diseñosuave,paraevitarconcentracionesdetensiónquedañenlapieza. 2) Cámaradeinjertoatravésdelacualsefavoreceelcrecimientodelhueso. 3) Ranurasparaevitarlaretropulsióndemaneraqueelimplantenosemueva unavezcolocado. 4) Agujerosparalavascularizacióndelinjerto. 5) Marcadoresdeoroquepermitenasegurarlacorrectacolocaciónmediante técnicasderayosX. 6) Ranurasnecesariasparalasujecióndelaprótesisdurantesucolocación. Figura36.GeometríadelaprótesiscomercialOLYS.(38) MedianteelsoftwaredediseñoRhinocerossehacreadounageometríasimilar aladelaprótesiscomercial.DichageometríasehaexportadoaIdeas,paraser malladaconelementostetraédricos(Figura37). Figura37.Vistasenalzado,plantayperfildelamalladelaprótesisreproducidaenIdeas. Renderizadodelapiezacompleta.
Laprótesis,malladayescaladaaltamañonecesariodelacolumnadelmodelo deelementosfinitos,seintroduceenelsegmentoL4L5,demodoquecontacteporla partesuperioreinferiorlomejorposibleconelhuesoparaevitarsudesplazamiento. Porúltimo,secolocatambiénlafijacióndetornillosqueunelasvértebrasL4y L5pormediodebarrasrígidasdetitanio.Elresultadodelacirugíapuedeobservarse enlaFigura38. Figura38.VistalateralyfrontaldelacolocacióndelimplanteprotésicoenelsegmentoL4–L5,así comolafijacióncontornillosrealizadaporlaparteposterior. LasegundaprótesismodeladaeselimplanteinterdiscalNEOLIF‐PLIF(39), formadopordospiezasidénticasquesecolocandeformaparaleladentrodelanillo, sustituyendoalnúcleopulposo.EnlaFigura39,semuestraunadelasdospiezasque formanelimplante. Figura39.GeometríadelaprótesiscomercialPLIF.(39) Lasprincipalescaracterísticasdeesteimplanteson: 1) Geometríasuave. 2) Cámaradeinjerto. 3) Ranurasparaevitarlaretropulsión. 4) Marcadores. 5) Ranurasparalasujecióndelaprótesisdurantesucolocación. 5 3 1 2 4
Comoenelanterior,sehamodeladolageometríaconRhinoceros,paraluego mallarlaconelementostetraédricosenIdeas(Figura40). Figura40.Alzado,plantayperfildelamallareproducidaenIdeasdelaprótesisPLIF.Vistaen perspectivadelapieza. Enestecasolaprótesisestáformadapordospiezasidénticas,portantosu colocacióndebesersimultáneaparaconseguirequilibrarlacolumna.Estasdospiezas seconsiderandemaneraindependiente,porloqueelcontactodecadaprótesisconel huesoseharáporseparado,permitiendounmovimientorelativoentrelasmismas.La geometríafinalpuedeobservarseenlaFigura41. Figura41.VistalateralyfrontaldelainsercióndelaspiezasqueconformanlaprótesisPLIF,juntocon lafijaciónposteriorportornillos.
Traselmalladodeestoselementos,elmodeloresultantedeelementosfinitos eselrecogidoenlaTabla10. GrupoNºnodosTipoelementoNºelementos OLYS16.413C3D488.090 D45‐OLYS2.726C3D8P1.872 PLIF27.046C3D4141.054 D45‐PLIF4.256C3D8P3.084 Tabla10.Modelodeelementosfinitosutilizadoparalarepresentacióndelasdiferentesprótesisylos anillosfibrososdelosdiscosafectados. 6.1.2. Material Laspropiedadesdelostejidosqueconformanelmodelosonlasmismasquese hanutilizadohastaahora.EldiscoafectadoD45semodelacomoanillofibroso degenerado. Losimplantesdefijaciónposteriorsondetitanio,comosehavistoenel capítulodeartrodesis,mientrasquelosespaciadoresintervertebralessondeun polímerobiocompatibledenominadoPEEK,cuyaspropiedadessecontemplanenla Tabla11. PEEK Móduloelástico(Mpa) 3.600 Coef.DePoisson 0,38 Tabla11.PropiedadesmecánicasdelPEEKutilizadoparafabricarlasprótesiscomerciales implementadas. 6.1.3. Condicionesdecontorno Paralasimulacióncomputacionalesnecesariodefinirloscontactosdelas prótesisinterdiscalesconsuentorno. EnelcasodelaprótesisOLYS,sehandefinidotressuperficiesdecontacto:las superficiessuperioreinferior,denominadasPrótesis_TOPyPrótesis_BOT,que entraránencontactoconlaparteinferiordelavértebraL4yconlasuperiordelaL5 respectivamente,yunasuperficielateralalolargodelperímetroparacrearel contactoconeldiscointervertebral. EnelcasodelimplantePLIF,alestarformadopordospiezasparalelasyconel objetivodequecadaunadelaspiezastengalibertadensumovimientorelativo respectodelaotra,sedefinensuscontactosporseparado.
Comoenelcasoanterior,cadaunadelasdospartesentraráencontactocon lasvértebrassuperioreinferior.Paraelcontactoenloslaterales,sehandefinido cuatrosuperficies,denominadasFondo,Frontal,Lateral_izq,Lateral_dch.Lasdos primerasestarándivididasendos,unaparacadaimplante,ylasdosúltimasestarán unaencadaimplante.Cadaunadeestascuatrosuperficiesentraráencontactoconla partecorrespondientedelanillofibrosoquerodeaalaprótesis,comoseobservaenla Figura42. Figura42.ContactoslateralesdelaspiezasqueconformanlaprótesisPLIFconelanillofibrosodel discointervertebralD45. Conloscontactosdefinidos,seimponenlasmismascondicionesdecontorno quehastaahorayserealizanloscuatroensayos(flexo‐extensiónygirolateral)que permitencompararlabiomecánicadelacolumnaintervenidaconlasana.
Lastensionesenelsegmentointervenidoserepartenentreelanillofibrosoyel implantesegúnunarelaciónaproximadade90/10entreimplanteyanillofibroso, comoseobservaenlaFigura52. Figura52.DistribucióndetensionesmáximasymínimasentreeldiscoD45intervenidoylaprótesis PLIFinsertada.Arribaelensayodeflexión,abajoeldeextensión. ‐2,5 ‐2 ‐1,5 ‐1 ‐0,5 0 0,5 1 1,5 ‐5,00 ‐3,00 ‐1,00 1,00 3,00 5,00 Tensión(MPa) ExtMomento(Nm)Flex Posterior‐D45 Sano Degenerado PLIF‐sinfijacion smax smin ‐0,8 ‐0,6 ‐0,4 ‐0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 ‐5,00 ‐3,00 ‐1,00 1,00 3,00 5,00 Tensión(MPa ) ExtMomento(Nm)Flex Anterior‐D45 Sano Degenerado PLIF‐sinfijacion smax smin ‐0,8 ‐0,6 ‐0,4 ‐0,2 0 0,2 0,4 0,6 ‐7,00 ‐2,00 3,00 Tensión(MPa) IzqMomento(Nm)Dcha Derecha‐D45 Sano Degenerado PLIF‐sinfijacion smax smin ‐0,6 ‐0,4 ‐0,2 0 0,2 0,4 0,6 ‐7,00 ‐2,00 3,00 Tensión(MPa) IzqMomento(Nm)Dcha Izquierda‐ D45 Sano Degenerado PLIF‐sinfijacion smax smin Figura51.Gráficasdelestadotensional deldiscoD45intervenidomediantelaprótesisPLIFparacada unodelosmovimientos.Comparaciónconelestadosanoydegenerado.
Elrepartodetensionescuantitativoentreelanillofibrosodeldiscodegenerado yelimplanteinsertadoencadacasosedetallaenlaTabla12. Tabla12.Repartocuantitativodetensionesentrelaprótesisyelanillofibrosodeldiscointervenido. Enestecasolafuerzaequivalenteaaplicarparaconseguirungiroabsolutode L1igualallogradocon4Nmenelmodelosanoes:4.65Nmaflexión,‐4.72Nma extensión,4.613Nmagirolateralhacialaderechay‐4.76agirolateralhaciala izquierda.SonvaloresligeramentesuperioresalosnecesariosparalaprótesisOLYS. EsteaumentoesdebidoaquelareduccióndelmovimientorelativoenL4L5que implicalacolocacióndeestaprótesisessuperioraldelaprótesisOLYS:44.62%en flexión,37.89%enextensión,38.44%engiroaladerechay37.01%engiroala izquierda.Estoprovocaunincrementoenelgirorelativodelrestodelossegmentosen tornoal10%.Losgirosdecadaunodelossegmentosseencuentrandetalladosenel Anexo1.5.LacomparativasepuedeobservarenlaFigura53: Figura53.Comparativadelincrementodegirorelativoentresegmentossobreelmovimientosano paracadatipodeprótesis. Alavistadelosresultadosbiomecánicos,sepodríaconcluirquelaprótesis OLYSconsiguereproducirdemaneramásfielelmovimientodelacolumnalumbar humanasana,aunqueesteestudionopermitediscernirlasventajaspuramente biológicascomosonelcrecimientodehuesoatravésdelasprótesisolasmolestias quecadaunaprovocaenelpaciente. OLYS‐flexión 3,82 86,1% 0,619 13,9% ‐3,71 90,7% ‐0,379 9,3% PLIF‐flexión 3,597 81,4% 0,821 18,6% ‐4,456 91,0% ‐0,4419 9,0% OLYS‐extensión 4,24 88,3% 0,56 11,7% ‐5,126 77,8% ‐1,461 22,2% PLIF‐extensión 5,392 86,6% 0,8317 13,4% ‐7,434 81,0% ‐1,746 19,0% OLYS‐derecha 5,398 92,4% 0,443 7,6% ‐4,035 87,6% ‐0,572 12,4% PLIF‐derecha 7,734 94,0% 0,4903 6,0% ‐7,153 90,6% ‐0,745 9,4% OLYS‐izquierda 5,762 92,6% 0,4583 7,4% ‐5,28 90,6% ‐0,545 9,4% PLIF‐izquierda 5,085 88,7% 0,648 11,3% ‐9,246 92,4% ‐0,759 7,6% Tensiónmáxima Tensiónmínima Prótesis Disco Prótesis Disco
7.2.2.Estudiodelosefectossobresegmentosadyacentes. Elincrementodegirorelativoqueexperimentaelrestodesegmentosacausa delareduccióndemovimientoenelsegmentoafectadoprovocaunincrementode tensiones,cuyadistribuciónpuedeobservarseenlaFigura54. Figura54.Distribucióndetensionesmáximasymínimasenlosdiscosintervertebralesparaelcasode cargaenextensión.Comparacióndeladistribuciónsanaconcadaunadelasprótesis. Comoseobserva,enelcasodelaprótesisOLYSeldiscoafectadoD45sequeda máscargadoqueinsertandoelimplantePLIF,aunqueconvaloresinferioresalosque sufríaelsano.Enelrestodesegmentossepuedeobservarunligeroincrementode carga,especialmenteenelsuperior(D34)einferior(D51).Lastensionesencadauno delosdiscosysusdistribucionessedetallanenelAnexo2.5,2.6,3.6y3.7.
ElmáximoincrementodetensionesproducidoparaelmodeloPLIF,en porcentajesobrelacargasoportadaporlosdiscosenelmodelosano,seencuentraen eldiscoD12encargaatracciónparaelmovimientodeflexión,conun24.29%másde carga.EnelcasodelaprótesisOLYSesteincrementoesde16.71%yseproduceenlas cargasdecompresióndelgirolateralhacialaderecha.Engeneral,todoslosdiscos experimentanunmayorincrementodecargaenelcasodeprótesisPLIF,comose observaenlaFigura55. ‐5 0 5 10 15 20 25 30 D12 D23 D34 D45 D51 Incrementodetensiones(%)‐ Flexión/Tracción PLIF‐sin fijacion OLYS‐sin fijacion ‐70 ‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 D12 D23 D34 D45 D51 Incrementodetensiones(%)‐ Flexión/Compresión PLIF‐sin fijacion OLYS‐sin fijacion ‐70 ‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 D12 D23 D34 D45 D51 Incrementodetensiones(%)‐ Extensión/Tracción PLIF‐sin fijacion OLYS‐sin fijacion ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 D12 D23 D34 D45 D51 Incrementodetensiones(%)‐ Extensión/Compresión PLIF‐sin fijacion OLYS‐sin fijacion ‐100 ‐80 ‐60 ‐40 ‐20 0 20 40 D12D23D34D45D51 Incrementodetensiones(%)‐ Giro izquierda/Tracción OLYS‐sin fijacion PLIF‐sin fijacion ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 D12 D23 D34 D45 D51 Incrementodetensiones(%)‐ Giro derecha/Tracción OLYS‐sin fijacion PLIF‐sin fijacion ‐120 ‐100 ‐80 ‐60 ‐40 ‐20 0 20 40 D12 D23 D34 D45 D51 Incrementodetensiones(%)‐ Giro izquierda/Compresión OLYS‐sin fijacion PLIF‐sin fijacion ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 D12 D23 D34 D45 D51 Incrementodetensiones(%)‐ Giro derecha/Compresión OLYS‐sin fijacion PLIF‐sin fijacion Figura55.Incrementodetensionesencadaunodelossegmentossegúnel movimientoaplicado.Comparaciónentreimplantes.
Seconcluyequeelmejorimplante,desdeelpuntodevistaingenieril,seríauna prótesisdeltipoOLYSqueabsorbelasobretensióndeldiscoafectadosinalterar demasiadoelestadodelrestodeelementos. 7.2.3.Posiblesmodificacionesdelabiomecánicalumbartraselpasodel tiempo. Elaumentodetensionesenlosdiscosintervertebralesadyacentesaun segmentooperadoprovocaunaaceleraciónenladegeneracióndelosmismos.Por estemotivoesinteresanteobservarelefectosobrelabiomecánicalumbarcausado porelpasodeltiempo. ParaellosehancambiadolaspropiedadesdelosdiscosD34yD51porlas propiedadesdediscodegenerado(Tabla7)encadaunodelosmodelosconprótesis sinfijaciónposterior.Lafuerzanecesariapararealizarunmovimientoequivalenteal delacolumnasana,enelmodeloconprótesisOLYS,esde‐4,81Nmparaextensión, 5,137Nmparaflexión,‐5,49Nmparagiroalaizquierday5,353Nmparagiroala derecha.EnelcasodelmodeloconprótesisPLIFlosvaloressonsuperiores‐5,2Nm paraextensión,5,3Nmparaflexión,‐5,62Nmparagirolateralalaizquierday5,67Nm paragirolateralaladerecha. Aunqueelaumentodefuerzasessignificativo,noalcanzaalasnecesariasen losmodelosdefijaciónposteriorylasconsecuenciassobreelgiroylastensionesenlos discossonmenores. Lasconsecuenciasdelpasodeltiemposobrelabiomecánicadelacolumnaes similarenlosdosmodelos.Enelsegmentointervenido,elgirorelativoaumenta ligeramenterespectodelmodeloconlosdiscosadyacentessanos,continuandopor debajodelgirosano(Figura56).LossegmentosadyacentesL3‐L4yL5‐S1disminuyen sugirorelativodebidoalaincrementoderigidezqueprovocaladegeneraciónenlos discos(Figura57).EstatendenciaesmásacentuadaenelcasodelsegmentoL3‐L4 debidoasumayormovilidad.Estedecrementodemovimientosevecompensadopor unincrementodegiroenlossegmentossuperioresqueenningúncasoalcanzanlos valoresdelosmodelosconfijaciónposterior,peroquetambiénproducenincremento detensionesypropicianladegeneración. EnelgráficodelaFigura58sepuedeobservarlarelacióndeincrementode girorelativodecadasegmentoenporcentajesobreelgirodelacolumnasanaparael casodelaintervenciónconespaciadorintervertebralyencasodedegeneración posterior.
‐4,0 ‐3,0 ‐2,0 ‐1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 ‐6,0 ‐4,0 ‐2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 ROM(grados) Momento(Nm) L4‐L5Flexión‐ extensión Guanet.al Sano PLIF‐sin fijacion PLIF‐ degenerado ‐4,0 ‐3,0 ‐2,0 ‐1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 ‐5,0 ‐3,0 ‐1,0 1,0 3,0 5,0 ROM(grados) Momento(Nm) L4‐L5Flexión‐ extensión Guanet.al Sano OLYS‐sin fijacion OLYS‐ degenerado Figura56.Comparacióndelmovimientorelativodelacolumnalumbarsanaconelmodelodecirugía sinfijaciónposteriorylosefectosdeladegeneraciónporelpasodeltiempo.Resultadospara prótesisPLIFyOLYS. ‐4,0 ‐3,0 ‐2,0 ‐1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 ‐6,0 ‐4,0 ‐2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 ROM(grados) Momento(Nm) L3‐L4Flexión‐ extensión Guanet.al Sano PLIF‐sin fijacion PLIF‐ degenerado ‐3,0 ‐2,0 ‐1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 ‐5,0 ‐3,0 ‐1,0 1,0 3,0 5,0 ROM(grados) Momento(Nm) L3‐L4Flexión‐ extensión Guanet.al Sano OLYS‐sin fijacion OLYS‐ degenerado ‐8,0 ‐6,0 ‐4,0 ‐2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 ‐6,0 ‐4,0 ‐2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 ROM(grados) Momento(Nm) L5‐S1Flexión‐ extensión Guanet.al Sano PLIF‐sin fijacion PLIF‐ degenerado ‐8,0 ‐6,0 ‐4,0 ‐2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 ‐5,0 ‐3,0 ‐1,0 1,0 3,0 5,0 ROM(grados) Momento(Nm) L5‐S1Flexión‐ extensión Guanet.al Sano OLYS‐sin fijacion OLYS‐ degenerado Figura57.Efectosobrelabiomecánicadelossegmentosadyacentesalintervenidodela degeneraciónprovocadaporelaumentodetensiones.ResultadosparaelmodeloconprótesisPLIFy OLYS.
Figura58.Incrementodetensionesenlosmodelosconprótesisyconexpansióndedegeneración. ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 L1‐L2 L2‐L3 L3‐L4 L4‐L5 L5‐S1 %incrementoROMenextensión PLIF PLIF‐ degenerado OLYS OLYS‐ degenerado ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 L1‐L2 L2‐L3 L3‐L4 L4‐L5 L5‐S1 %incrementoROMenflexión PLIF PLIF‐ degenerado OLYS OLYS‐ degenerado ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 L1‐L2 L2‐L3 L3‐L4 L4‐L5 L5‐S1 %incrementoROMengiroaderecha PLIF PLIF‐ degenerado OLYS OLYS‐ degenerado ‐70 ‐60 ‐50 ‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 L1‐L2 L2‐L3 L3‐L4 L4‐L5 L5‐S1 %incrementoROMengiroaizquierda PLIF PLIF‐ degenerado OLYS OLYS‐ degenerado
Capítulo8 Conclusiones Despuésdelestudiodeloscambiosbiomecánicosqueimplica cadaunadelascirugíasylosefectosqueestasllevanasociados, seharealizadounacomparativaentreellas.Elobjetivodeeste capítuloesextraerlasconclusiones,derivadasdela comparativa,quepermitandiscernircuáleslacirugíaquedesde elpuntodevistaingenierilpermitarecuperarunestadomás natural.
8.1.Comparacióndelafuerzanecesariaparaconseguirelgiro natural. AlolargodetodoelproyectosehahabladodelgiroabsolutodeL1que produceunmomentode±4Nmsobrelacolumnalumbarhumanasana.Sinembargo, estemismomomentoenlascolumnaspatológicasointervenidasquirúrgicamenteno produceelmismogiro(Figura59).ComoindicaGoeletal.ensutrabajo(35),enlavida real,lagentedoblasuscolumnasdemanerasimilarindependientementedesisu columnaestásanauoperada.Portanto,esrecomendableestudiardiferentes momentosqueprovoquenunmovimientosimilarparacolumnassanase intervenidas(16). Figura59.Gráficocomparativodel%degiroabsolutodeL1,sobreelgirodelsano,queseconsigueen cadaunodelosmodelosaplicandounacargade±4Nm. Alavistadeestosresultadossededucequelacirugíaquemenosafectaalgiro absolutoeselimplanteOLYSsinfijaciónposterior,seguidodecercaporelimplante PLIFsinfijación.Todoslosmodelosquirúrgicosqueimplicanunafijaciónmediante tornillosconllevanunabruscareduccióndelgiroentornoal20%. Portanto,paraconseguirungiroabsolutodeL1similarentodoslosmodeloses necesarioaplicarunmomentomayor,comosemuestraenlaFigura60.
Figura60.GráficasdecarganecesariaparaconseguirungiroabsolutodeL1igualaldelacolumna sana. 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 0123456 GiroabsolutoL1(º) Cargadeflexión(Nm) Cargadeflexión Sano degenerado Artrodesis PLIF‐confijacion OLYS‐confijacion PLIF‐sinfijacion OLYS‐sinfijacion ‐14,00 ‐12,00 ‐10,00 ‐8,00 ‐6,00 ‐4,00 ‐2,00 0,00 ‐6,00 ‐5,00 ‐4,00 ‐3,00 ‐2,00 ‐1,00 0,00 GiroabsolutoL1(º) Cargadeextensión(Nm ) Cargadeextensión Sano Degenerado Artrodesis PLIF‐confijacion OLYS‐confijacion PLIF‐sinfijacion OLYS‐sinfijacion 0 2 4 6 8 10 12 0123456 GiroabsolutoL1(º) Cargadegirolateralderecha(Nm ) Cargadegirolateralaladerecha Sano Degenerado Artrodesis PLIF‐confijacion OLYS‐confijacion PLIF‐sinfijacion OLYS‐sinfijacion ‐12 ‐10 ‐8 ‐6 ‐4 ‐2 0 ‐6‐5‐4‐3‐2‐10 GiroabsolutoL1(º) Cargadegirolateralizquierda(Nm ) Cargadegirolateralalaizquierda Sano Degenerado Artrodesis PLIF‐confijacion OLYS‐confijacion PLIF‐sinfijacion OLYS‐sinfijacion
Trabajosfuturos Continuandoenestalíneadeinvestigación,seconsiderainteresantelaideade desarrollar,deacuerdoalosdatosobtenidos,unnuevodiseñodeprótesis.Trataríade modificartantolageometríacomoelmaterialdelimplante,paraconseguiruna reproducciónfieldelabiomecánicalumbarsana. Alavez,sepodríaestudiarelcrecimientodelhuesoatravésdelaprótesiscon elobjetivodeobservarsiafectaonoalosresultadosobtenidos. Porúltimo,desdeunpuntodevistapreventivo,sepodríaverlarelaciónde ciertostrabajosrepetitivosconcargassobrelacolumnaconlaaparicióndehernias lumbares,medianteelestudiodeensayoscíclicos.
Índicedetablas Tabla1.Descripcióndelosefectosdeladegeneraciónencadaunodelosestadios graduadosporThompson(23)……………………………………………………………………………………15 Tabla2.Modelodeelementosfinitosdelacolumnalumbarsanautilizadaalolargo delproyectoparaelcálculocomputacionaldesubiomecánica…………………………………25 Tabla3.Propiedadesbifásicasyelásticasdelhuesocorticalyesponjoso(26)(27)…….26 Tabla4.Propiedadesbifásicasymecánicasdelanillofibrosoydelnúcleopulposo(15) (28)(29)(30)………………………………………………………………………………………………………………28 Tabla5.Propiedadesporo‐elásticasdelosendplates(26)…………………………………………29 Tabla6.Propiedadesdelosligamentos,elementosenlosquesedividenydimensiones delosmismos(31)(32)(33)(34)………………………………………………………………………………..30 Tabla7.Propiedadesbifásicasyelásticasdelmaterialasociadoalanillofibrosoyal núcleopulposodeldiscointervertebraldegenerado(15)(29)(30)…………………………….38 Tabla8.Modelodeloselementosfinitosutilizadoparamodelarlafijacióndetornillos detitanio……………………………………………………………………………………………………………………44 Tabla9.Propiedadesmecánicasdeltitanioutilizadoenlafabricacióndeimplantes quirúrgicos(37)………………………………………………………………………………………………………….45 Tabla10.Modelodeelementosfinitosutilizadoparalarepresentacióndelas diferentesprótesisylosanillosfibrososdelosdiscosafectados………………………………..54 Tabla11.PropiedadesmecánicasdelPEEKutilizadoparafabricaslasprótesis comercialesimplementadas……………………………………………………………………………………….54 Tabla12.Repartocuantitativodetensionesentrelaprótesisyelanillofibrosodel discointervenido………………………………………………………………………………………….……………63
Índicedefiguras Figura1.Anatomíadelacolumnavertebral.Relacióndesegmentosqueformanla estructuravertebral……………………………………………………………………………………………………11 Figura2.Cortelongitudinaldeunavértebraquepermiteobservarlosdistintos materialesquecomponenelcuerpoóseo………………………………………………………………….12 Figura3.Detalledelaconstitucióndeldiscointervertebral.Cortesenplanosradialesy axialesparaobservarladistribuciónlaminarylaorientacióndelasfibras……………….12 Figura4.Ligamentosdeuniónentredoscuerposvertebrales……………………………………13 Figura5.Procesodeherniadiscal.Roturadelasfibrasdelanilloydesplazamientodel geldecolágenofueradelnúcleo………………………………………………………………………………..14 Figura6.Resonanciasmagnéticasdelosdistintosgradosdedegeneracióndedisco intervertebralsegúnlagraduacióndeThompson(23)……………………………………………….15 Figura7.A)Geometríadelresultadodelaintervenciónartrodésica,fijacióncon tornillos.B)Radiografíasposteriorylateraldeunacolumnalumbarhumana intervenida…………………………………………………………………………………………………………………17 Figura8.A)Geometríadelacolumnaintervenidaporunacirugíaartroplásticacon fijaciónposterior.B)Radiografíasanteriorylateraldeunacolumnalumbarhumana intervenidaendossegmentosadyacentes…………………………………………………………………18 Figura9.Geometríamalladaatravésdesegmentostriangularesdetipo‘Shell’decada unodeloscuerposvertebralesdelmodelo………………………………………………………………..20 Figura10.DetalledelcortelateraldelavértebraL2,dondeseobservanlosdos materialesquelocomponen.Elmásoscuroeselhuesocortical,mientrasqueelmás claroeselesponjoso………………………………………………………………………………………………….21 Figura11.Superficiesuperior(L2_TOP)einferior(L2_BOT)paraelcontactoconlos discosintervertebrales……………………………………………………………………………………………….22 Figura12.A)SuperficieparalaaplicacióndelacargasobreL1.B)Superficiepara aplicacióndelascondicionesdecontornoenS1.………………………………………………………22 Figura13.Mallahexaédricadeloscincodiscosintervertebralesincluidosenelmodelo. Diferenciaentreloselementosqueformanpartedelanillofibrosoylosqueforman partedelnúcleopulposo……………………………………………………………………………………………23 Figura14.Endplatessuperioreinferiordelosdiscosintervertebralescreadossobreel propiodisco……………………………………………………………………………………………………………….24
Figura15.Membranasligamentosasmodeladasporelementosbarraparalelos.Vista lateralyfrontaldelacolumnalumbarconlaunióndeligamentos……………………………24 Figura16.ModelocompletodecolumnalumbarL1‐S1.Vistaslateral,frontaly perspectiva…………………………………………………………………………………………………………………25 Figura17.Distribucióndefibrasa±30ºenloselementosdelanillofibroso……………..26 Figura18.Ejesglobalescartesianos(X,Y,Z)enelmodelodelacolumna…………………….31 Figura19.Vistalateraldelmovimientodeflexo–extensióndelacolumnalumbar humanasimuladamediantemodelosdeelementosfinitos.A)Deformadaporflexión. B)Indeformada.C)Deformadaporextensión…………………………………………………………….31 Figura20.Vistafrontaldelmovimientodegirolateraldelacolumnalumbarhumana. A)Deformadaporgiroaladerecha.B)Indeformada.C)Deformadaporgiroala izquierda…………………………………………………………………………………………………………………….32 Figura21.Gráficascomparativasdelgirorelativoentresegmentosenelmovimiento deflexo–extensión……………………………………………………………………………………………………33 Figura22.Gráficascomparativasdelosresultadosnuméricosobtenidosenelestudio computacionalrealizadoconelementosfinitosylosresultadospresentesenla bibliografía…………………………………………………………………………………………………………………34 Figura23.Estadísticadenivelesintervenidosquirúrgicamentesobreunamuestrade milpacientes(36)……………………………………………………………………………………………………….37 Figura24.GráficasdemovimientorelativoentreL4yL5(segmentoafectado)enlos movimientosdeflexo–extensiónygiroslaterales.Secomparanlosresultados numéricosdelacolumnasanaypatológicaconlosresultadosdecolumnassanasdela literatura……………………………………………………………………………………………………………………39 Figura25.Gráficodebarrasquemuestraelaumentodegirorelativoentresegmentos paralacolumnaconD45degenerado,sobrelosgirosdelacolumnalumbarsana,para conseguirelmismogiroabsoluto……………………………………………………………………………….40 Figura26.Gráficosdetensionesmáximasymínimasencadapartedeldiscosegúnel movimientosimulado.Comparaciónentrelastensionesproducidasenlacolumnasana yenladegenerada…………………………………………………………………………………………………….40 Figura27.CambioenladistribucióndetensioneseneldiscodegeneradoD45causado porelmovimientodeflexión–extensión.Arribaeldiscosano,abajoeldegenerado..41 Figura28.GeometríadelosagujerospracticadosenlasvértebrasL4yL5parala insercióndelafijaciónportornillos……………………………………………………………………………43
Figura29.Geometríaymalladelimplantedetitanioqueconformalafijaciónpor tornillosutilizadaparasimularlacirugíaartrodésica………………………………………………….44 Figura30.UnióndelsegmentosL4‐L5medianteelimplantedetitanio.Vistalateralde lacolumnacompletaydetalledelavistaposteriordelsegmentointervenido…………..44 Figura31.DistribucióndetensionesdetracciónycompresiónenlosdiscosD12,D23, D34,D45yD51paralosmovimientosdeflexión–extensión.Comparacióndela distribuciónenelmodelosanofrentealmodeloconfijaciónartrodésica………………….46 Figura32.Distribucióndetensionesmáximasymínimasenlostornillosparael movimientodegiroaladerecha…………………………………………………………………………..……47 Figura33.GráficadegirorelativoentreL4‐L5despuésderealizarlaartrodesis,frentea lacolumnasana………………………………………………………………………………………………………….47 Figura34.Incrementodelgirorelativoentrecuerposóseosnecesarioparaconseguir ungiroabsolutoenlacolumnaartrodésicaidénticoaldelacolumnasana……………….48 Figura35.Cambioenladistribucióndetensionesmáximasymínimasdeldiscomás afectadoporlacirugíaD12…………………………………………………………………………………………48 Figura36.GeometríadelaprótesiscomercialOLYS.(38)…………………………………………..51 Figura37.Vistasenalzado,plantayperfildelamalladelaprótesisreproducidaen Ideas.Renderizadodelapiezacompleta……………………………………………………………………51 Figura38.Vistalateralyfrontaldelacolocacióndelimplanteprotésicoenelsegmento L4‐L5,asícomolafijacióncontornillosrealizadaporlaparteposterior……………………52 Figura39.GeometríadelaprótesiscomercialPLIF(39)…………………………………………….52 Figura40.Alzado,plantayperfildelamallareproducidaenIdeasdelaprótesisPLIF. Vistaenperspectivadelapieza………………………………………………………………………..……….53 Figura41.Vistalateralyfrontaldelainsercióndelaspiezasqueconformanlaprótesis PLIF,juntoconlafijaciónposteriorportornillos………………………………………………………..53 Figura42.ContactoslateralesdelaspiezasqueconformanlaprótesisPLIFconelanillo fibrosodeldiscointervertebralD45……………………………………………………………………………55 Figura43.Distribucióndetensionesmáximasymínimasenelconjuntodelos implantesyelanillofibrosodeldiscoafectado,paraelestadodeflexiónconlaprótesis OLYS…………………………………………………………………………………………………………………………..56
Figura44.Distribucióndetensionesmáximasymínimasenelconjuntodelos implantesyelanillofibrosodeldiscoafectado,paraelestadodeflexiónconlaprótesis PLIF…………………………………………………………………………………………………………………………….56 Figura45.Comparacióndelincrementodelgirosobreelproducidoenlacolumnasana paralasdosprótesissimuladas………………………………………………………………………………….57 Figura46.A)CortelateraldelacolumnalumbarconlaprótesisOLYSintervertebral.B) VistaenplantadelacolocacióndelaprótesissobrelavértebraL5…………………………..59 Figura47.A)CortelateraldelacolumnalumbarconlaprótesisPLIFintervertebral.B) VistaenplantadelacolocacióndelaprótesissobrelavértebraL5…………………………..59 Figura48.Gráficasdetensionesmáximasymínimasencadapartedeldiscoenfunción delmovimientoimpuestoalacolumna.Resultadosobtenidosparaelmodeloconel implanteOLYS……………………………………………………………………………………………………………60 Figura49.DistribucióndetensionesmáximasymínimasentreeldiscoD45intervenido ylaprótesisOLYSinsertada.Arribaelensayodeflexión,abajoenensayode extensión……………………………………………………………………………………………………………………61 Figura50.ComparacióndelgirorelativoentrelasvértebrasL4yL5enlosmovimientos sobreelmodeloconelimplanteOLYSsinfijaciónposterior,conelmodelosanoy degenerado………………………………………………………………………………………………………………..61 Figura51.GráficasdelestadotensionaldeldiscoD45intervenidomediantelaprótesis PLIFparacadaunodelosmovimientos.Comparaciónconelestadosanoy degenerado………………………………………………………………………………………………………..………62 Figura52.DistribucióndetensionesmáximasymínimasentreeldiscoD45intervenido ylaprótesisPLIFinsertada.Arribaelensayodeflexión,abajoeldeextensión………….62 Figura53.Comparativadelincrementodegirorelativoentresegmentossobreel movimientosanoparacadatipodeprótesis………………………………………………………………63 Figura54.Distribucióndetensionesmáximasymínimasenlosdiscosintervertebrales paraelcasodecargaenextensión.Comparacióndeladistribuciónsanaconcadauna delasprótesis…………………………………………………………………………………………………………….64 Figura55.Incrementodetensionesencadaunodelossegmentossegúnel movimientoaplicado.Comparaciónentreimplantes…………………………………………………65 Figura56.Comparacióndelmovimientorelativodelacolumnalumbarsanaconel modelodecirugíasinfijaciónposteriorylosefectosdeladegeneraciónporelpasodel tiempo.ResultadosparaprótesisPLIFyOLYS…………………………………………………………….67
Figura57.Efectossobrelabiomecánicadelossegmentosadyacentesalintervenidode ladegeneraciónprovocadaporelaumentodetensiones.Resultadosparaelmodelo conprótesisPLIFyOLYS………………………………………………………………………….…………………67 Figura58.Incrementodetensionesenlosmodelosconprótesisyconexpansiónde degeneración………………………………………………………………………………………..……………………68 Figura59.GráficocomparativodelporcentajedegiroabsolutodeL1,sobreelgirodel sanoqueseconsigueencadaunodelosmodelosaplicandounacargade±4Nm……70 Figura60.GráficasdecarganecesariaparaconseguirungiroabsolutodeL1igualalde lacolumnasana………………………………………………………………………………………………………….71 Figura61.Estadísticasexperimentalesdelrangodemovimientoparadiferentes configuraciones.Intact(sano),cage(soloconprótesisintervertebral),cagew/PI (prótesismásfijaciónposterior).A)Flexión.B)Extensión.C)Girolateral.(40)…………..72 Figura62.Variacióndemovimientoencadasegmentosegúnlacirugíarealizada……73 Figura63.Incrementodetensionesmáximasymínimasencadaunodelosdiscos intervertebralessobrelastensionesenlacolumnalumbarsanaparacadaunadelas cirugíasestudiadas.Movimientodeflexo–extensión……………………………………………….75 Figura64.Incrementodetensionesmáximasymínimasencadaunodelosdiscos intervertebralessobrelastensionesenlacolumnalumbarsanaparacadaunadelas cirugíasestudiadas.Movimientodegirolateral…………………………………………………………76
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