Development of a novel dynamic spinal implant and finite element modeling of l3-l4 segment

Abstract

Kronik bel ağrısı tüm dünyada başta yaşlıları olmak üzere her yaş grubundaki insanları ilgilendiren önemli bir sağlık sorunudur. Kronik bel ağrısı tedavisinde dinamik sabitleme yöntemi füzyon cerrahisine alternatif olarak kullanılan daha fizyolojik bir tedavi yöntemidir. Bu çalışmada, hasta omurga segmentinde anormal hareketliliği kısıtlayan ve segment hareketliliğini normal fizyolojik sınırlar içinde kalmasını sağlayan dinamik sabitleme implantı geliştirildi. Tasarım parametrelerinin implant dayanıklığına ve esnekliğine etkileri incelenmiştir. Bu incelemeden sonra ilk implant tasarımı dayanıklılık ve esneklik arasında denge kuracak şekilde geliştirildi.Sağlıklı L3-L4 omurga segmentinin sonlu elemanlar modeli oluşturuldu. Yeni geliştirilen implantın değerlendirilmesinde iki temel kriter; yük paylaşımı özelliği ve implantın hareket kabiliyetidir. Yeni geliştirilen implantın lateral eğilme, fleksiyon, ekstansiyon ve eksenel dönme hareketleri için uygulanan segmentin hareketliliğine etkileri ve uygulanan segmentle implant arasındaki yük paylaşımı sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak incelendi. Bu çalışmada, sağlıklı L3-L4 omurga segmenti ve dört farklı vida implant sistemi incelendi. Bu vida implant sislemleri şunlardır: Rijit vida rijit implant sistemi, rijit vida dinamik implant sistemi, poliaksiyal vida rijit implant ve poliaksiyal vida dinamik implant sistemiPoliaksiyal vida dinamik implant sistemi yük paylaşımı özelliği ve implantın hareket kabiliyeti bakımından en iyi sonuçları göstermiştir. Poliaksiyal vida dinamik implant sistemi, uygulanan segmentte tüm sistemler arasında en az hareketlilik kaybına neden olmuştur. Bunun yanında, bu sistem disk ve fasetlere de yük aktarmıştır. Rijit vida rijit implant sistemi ise tüm hareket yönlerinde uygulanan segmentte büyük miktarda hareketlilik kaybına neden olmuştur. Diğer iki sabitleme sisteminin yük paylaşımı özelliği ve implantın hareket kabiliyeti bakımından performansları rijit vida rijit implant sistemi ile poliaksiyal vida dinamik implant sistemleri arasındadır.

Low back pain due to disc degeneration is a worldwide major health problem at any age, but especially at an elderly age. In the treatment of low back pain, dynamic stabilization may provide a more physiologic alternative to fusion. In this study, initial model of dynamic implant was developed that limit abnormal motion at the segment while preserves the motion within normal physiological limits. The effects of design parameters to strength and flexibility of the implant were investigated. Initial design was improved to final design that builds balance between flexibility and strength.Finite element model of an intact L3-L4 lumbar segment was developed. Load sharing characteristic of implant and effect of implant to segmental range of motion are two main criteria in evaluation of the newly developed implant. Finite element analysis were performed to investigate effects of newly developed implant to the segmental range of motion and load sharing characteristics in lateral bending, flexion, extension, and axial rotation. In this study, intact L3-L4 model and four types of screw-implant systems were investigated. These systems were rigid screw-rigid rod system, rigid screw-dynamic implant system, polyaxial screw-rigid rod system, and polyaxial screw dynamic implant system.The polyaxial screw-dynamic implant system exhibits the best results for range of motion and load sharing characteristics within four stabilization systems. The reduction of motion for the polyaxial screw-dynamic implant system in all loading is minimum within four stabilization systems. This stabilization system shares load with the intervertebral disc and the facet joints. The rigid screw-rigid implant system greatly reduces the motion in all loading. Performances of other two stabilization systems in range of motion and load sharing are lying between the polyaxial screw-dynamic implant system and the rigid screw-rigid implant system.