Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi

Yıl 2023, Cilt: 38 Sayı: 3, 1945 - 1952, 06.01.2023

Paniz Taherzadeh , Kübra Kelleci , Sevil Özer

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1117009

Öz

Bu çalışmada omurganın normal şekilde stabilize edilmesine yardımcı olabilecek yeni bir pedikül- vida tabanlı posterior dinamik stabilizasyon implantı, sonlu elemanlar metotu kullanılarak tasarlanmış ve sonlu elemanlar metotu ile biyomekanik etkileri tespit edilerek karşılaştırılmıştır.
Standart sınırlarda hareket aralığını koruyan iki farklı implant ve cihaz bileşenleri SOLİDWORKS programıyla oluşturulup, hareket aralığını hesaplamak için ABAQUS CAD simülasyon programı ve MATLAB programı birlikte kullanılmıştır. Tüm cihazlarda, L4-L5 omurlarını birbirine bağlayan çubuk, vida, pim ve somun bileşenler yüksek spesifik dayanım, kırılma tokluğu, gibi avantajlı özellikleri nedeniyle titanium malzemesi seçilerek tasarlanmıştır. Lomber omurganın sağlam ve farklı implantlarla tedavi edilen modelleri, Bilgisayarlı tomografi (BT) verilerine göre fizyolojik yükleme koşulları altında simüle edilmiştir. Tasarlanan tüm cihazlar altı farklı yönde (sağ-sol eksenel dönüş, sağ-sol yanal bükme ve fleksiyon-uzama) hareket aralığı, bitişik seviye etkisi ve restorasyon yüzdeleri hesaplanmıştır. İmplant parçalarının tasarımında omurganın implant ile birlikte hareketinde kabul edilebilir değer olan %70 restorasyon yüzdesine, her yönde ulaşılmaya çalışılmıştır.
Optimum verilerin elde edildiği cihaz ile Z ve Y yönünde daha fazla restorasyon sağladığı tespit edilmiştir. Restorasyon değerleri uzama için %33, fleksiyon için %53, yanal bükülme ve eksenel rotasyonlarda ise sırasıyla %68 ve %55 'dir. Bu simülasyon çalışması ile tasarlanan pedikül-vida implantların deneysel doğrulama ve klinik denemelerden sonra uygulanabilir olacağı söylenebilir.

Anahtar Kelimeler

Posterior dinamik stabilizasyon, Lomber omurga, Hareket aralığı, restorasyon, sonlu elemanlar methodu

Kaynakça

• 1. Jain, P., Rana, M., Biswas, J. K., & Khan, M. R. (2020). Biomechanics of spinal implants—a review. Biomedical Physics & Engineering Express, 6(4), 042002.
• 2. Reisener, M. J., Pumberger, M., Shue, J., Girardi, F. P., & Hughes, A. P. (2020). Trends in lumbar spinal fusion—a literature review. Journal of Spine Surgery, 6(4), 752.
• 3. Akyoldas, G., Cevik, O. M., Suzer, T., Sasani, M., Oktenoglu, T., & Ozer, A. F. (2020). Dynamic stabilization of the lumbar spine using the Dynesys® system. Turkish neurosurgery, 30(2), 190-193.
• 4. Khalifa, A. H., Stübig, T., Meier, O., & Müller, C. W. (2018). Dynamic stabilization for degenerative diseases in the lumbar spine: 2 years results. Orthopedic Reviews, 10(1).
• 5. Reyes-Sánchez, A., Zárate-Kalfópulos, B., Ramírez-Mora, I., Rosales-Olivarez, L. M., Alpizar-Aguirre, A., & Sánchez-Bringas, G. (2010). Posterior dynamic stabilization of the lumbar spine with the Accuflex rod system as a stand-alone device: experience in 20 patients with 2-year follow-up. European Spine Journal, 19(12), 2164-2170.
• 6. Li, Y. C., Feng, X. F., Pang, X. D., Tan, J., & Peng, B. G. (2020). Lumbar disc rehydration in the bridged segment using the BioFlex dynamic stabilization system: A case report and literature review. World Journal of Clinical Cases, 8(10), 1958.
• 7. Wilke, H. J., Heuer, F., & Schmidt, H. (2009). Prospective design delineation and subsequent in vitro evaluation of a new posterior dynamic stabilization system. Spine, 34(3), 255-261.
• 8. Stoffel, M., Behr, M., Reinke, A., Stüer, C., Ringel, F., & Meyer, B. (2010). Pedicle screw-based dynamic stabilization of the thoracolumbar spine with the Cosmic®-system: a prospective observation. Acta neurochirurgica, 152(5), 835-843.
• 9. Schmoelz W, Huber J.F.,.Nydegger, Dipl-Ing,L.Claes,and H. J.Wilke, “Dynamic stabilization of the lumbar spine and its effects on adjacent segments: an in vitro experiment,” Journal of Spinal Disorders and Techniques, vol. 16, no. 4, pp. 418–423, 2003.
• 10. Hoh, D. J., Hoh, B. L., Amar, A. P., & Wang, M. Y. (2009). Shape memory alloys: metallurgy, biocompatibility, and biomechanics for neurosurgical applications. Operative Neurosurgery, 64(suppl_5), ons199-ons214.
• 11. Jain, P., & Khan, M. R. (2020). Biomechanical study of lumbar spine (L2-L4) using hybrid stabilization device-a finite element analysis. International Journal of Manufacturing, Materials, and Mechanical Engineering (IJMMME), 10(1), 20-32.
• 12. Oktenoglu, T., Erbulut, D. U., Kiapour, A., Ozer, A. F., Lazoglu, I., Kaner, T., ... & Goel, V. K. (2015). Pedicle screw-based posterior dynamic stabilisation of the lumbar spine: in vitro cadaver investigation and a finite element study. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 18(11), 1252-1261.
• 13. DeVries, N. A., Shivanna, K. H., Tadepalli, S. C., Magnotta, V. A., & Grosland, N. M. (2009). IA-FEMESH: anatomic FE models—a check of mesh accuracy and validity. The Iowa orthopaedic journal, 29, 48.
• 14. Jayanta Kr. Biswas, Masud Rana, Sandipan Roy, Santanu Majumder , Santanu Kr. Karmakar , Amit Roychowdhury,’’ Effect of range of motion (ROM) for pedicle-screw fixation on lumbar spine with rigid and semi-rigid rod materials’’, IOP Conf, 2018
• 15. Moumene, M., & Harms, J. (2010). Is Posterior Dynamic Stabilization an Option to Avoid Adjacent Segment Decompensation?. In Surgery for low back pain (pp. 207-211). Springer, Berlin, Heidelberg.
• 16. Galbusera, F., Bellini, C. M., Anasetti, F., Ciavarro, C., Lovi, A., & Brayda-Bruno, M. (2011). Rigid and flexible spinal stabilization devices: a biomechanical comparison. Medical engineering & physics, 33(4), 490-496.
• 17. Kang KT, Koh YG, Son J, et al. Biomechanical evaluation of pedicle screw fixation system in spinal adjacent levels using polyetheretherketone, carbon-fiberreinforced polyetheretherketone, and traditional titanium as rod materials. Compos Part B-Eng 2017; 130: 248–256.
• 18. Alapan Y, Sezer S, Demir C, et al. Load sharing in lumbar spinal segment as a function of location of center of rotation. J Neurosurg Spine 2014; 20(5): 542–549.