Biomecânica do tratamento cirúrugico da coluna lombar

Abstract

A presente dissertação teve como principal objetivo o estudo dos aspetos biomecânicos da artroplastia do segmento L4-L5 da coluna lombar, mais precisamente as alterações induzidas pela artroplastia, quando comparado com o segmento nativo. Numa primeira fase realizou-se uma análise detalhada dos aspetos anatómicos, biomecânicos, patológicos e respetivos tratamentos, com especial atenção à artroplastia lombar. Numa segunda fase procedeu-se ao desenvolvimento de modelos experimentais com recurso a vértebras em material compósito onde foram realizados ensaios de compressão axial, num modelo representativo da condição nativa e num modelo artroplástico com um implante comercial, para assim se aferir as alterações de transferência de carga no córtex das vértebras com recurso a extensómetros. Estes modelos foram também utilizados posteriormente para validar os modelos numéricos desenvolvidos na etapa seguinte. Estes modelos numéricos de elementos finitos foram desenvolvidos para se avaliar os parâmetros biomecânicos não passiveis de avaliação com os modelos experimentais, tais como os campos de deformação nas vértebras e os micromovimentos na interface entre o implante e as vértebras numa condição pós-cirúrgica e também de longo termo. Os resultados dos modelos numéricos foram comparados com os experimentais, obtendo-se uma boa correlação entre estes. Os resultados das deformações nas vértebras L4-L5 nos modelos experimentais e numéricos demonstraram uma clara alteração na transferência de carga entre o modelo nativo e o artroplástico. Observou-se um aumento das deformações nas vértebras na condição pós-cirúrgica e uma redução na condição de longo termo em particular na zona central dos corpos vertebrais. Estas alterações estão inicialmente associadas a um risco de falência do osso por sobrecarga localizada e posteriormente ao risco de reabsorção óssea por efeito de stress-shielding. Conclui-se assim que a artroplastia da coluna lombar altera de forma relevante o comportamento biomecânico das vértebras, aportando riscos de origens distintas que eventualmente podem ser minorados por um otimização da geometria e materiais do implante.

This thesis aimed to study the biomechanical aspects of arthroplasty of the L4-L5 lumbar spine segment, specifically the changes induced by the implantation of a commercial implant, when compared to a native and healthy segment. Initially was made a detailed analysis of the L4-L5 lumbar spine segment, making a survey of the anatomical, biomechanical, and pathological aspects and respective treatments, with particular attention to lumbar arthroplasty. In a second step was developed the experimental models using vertebrae in composite material. Load tests have been conducted either in native model and implanted model, thereby measuring changes in load transfer through the use of strain gauges placed in the cortex the vertebrae. These models were also used at a later stage in order to validate the numerical models. These finite element models were developed in the third phase to evaluate biomechanical parameters such as strain on cortical bone and micromotion between prosthesis and bone in tow conditions, representative of post-surgery and long term. These models were compared with the experimental models, resulting in a good correlation between them. The results obtained in the experimental and numerical models show a clear change in the load transfer between the native model and implanted model. They show an increasing strain on the cortical and cancellous bone in particular in the central area of the vertebral bodies. This presents risks of bone resorption and bone fatigue failure. It follows therefore that the prostheses of the column must be the subject to improvements in terms of design and materials in order to reduce the alterations produce in the structures in a biomechanical point of view.