Avaliação do risco de dano da vértebra lombar após artroplastia

Abstract

A substituição do disco intervertebral lombar tem sido considerada uma alternativa cirúrgica ao tratamento da doença degenerativa do disco lombar. Comparada com a fusão lombar, a artroplastia discal preserva a mobilidade entre segmentos e decresce potencialmente os problemas nos discos adjacentes a termo. Nas avaliações de longo prazo, a vantagem teórica de redução de problemas nos discos adjacentes não tem sido completamente evidenciada. Diferente dos sistemas de artrodese de fusão, que trabalham durante um curto período de tempo como elementos de transferência de carga para as placas dorsal e ventral adjacentes até que ocorre a osteointegraçao, os implantes de disco intervertebral permanecem durante toda a vida do paciente como elementos de transferência de carga para as vértebras, o que pode potencializar complicações tais como a fratura da vértebra adjacente por sobrecarga, ou reabsorção óssea por efeito de stress-shielding. O implante Prodisc-L é um dos implantes com resultados clínicos bastante promissores. Contudo, estudos clínicos mais recentes reportaram fraturas nas vértebras adjacentes ao implante na artroplastia a um só nível e a dois níveis. Este tipo de implante é caracterizado por possuir quilhas verticais nas placas de apoio dorsal e ventral, sendo uma característica que o distingue da maioria dos implantes no mercado. Alguns estudos clínicos relacionam o risco de dano da vértebra, com este tipo de implante com a quilha, e com a pequena altura dos corpos vertebrais quando a artroplastia é realizada a mais que um nível. Este problema não se encontra neste momento totalmente explicado e compreendido sendo assim necessário a realização de novos trabalhos onde se insere a atual dissertação. O trabalho apresentado teve como objetivo avaliar o risco de dano da vértebra lombar L4 do segmento L3-L5 após artroplastia, aplicando o implante ProDisc-L. A avaliação consistiu na comparação entre o segmento na condição intacta e artroplástica realizada a um e a dois níveis, recorrendo-se a modelos de elementos finitos para a avaliação do comportamento estrutural do segmento L3-L5. Estes modelos foram desenvolvidos com recurso a imagens médicas de TAC de um paciente sem qualquer patologia. Estes modelos foram sujeitos a dois casos de carga representativos da coluna ereta e relaxada, e do levantamento de 20 kg com os joelhos fletidos e com o tronco ereto. Foram avaliadas as deformações no osso cortical e esponjoso das vértebras. Para complementar o estudo, foram construídos vários modelos experimentais do segmento L3-L5, em espuma rígida de poliuretano, com diferentes alturas da vértebra L4 que foram sujeitos a uma carga axial, o que permitiu avaliar a influência da altura da vértebra intermédia no seu risco de fratura. Os resultados obtidos nos estudos numéricos permitiram concluir que é no caso da artroplastia a dois níveis, para o caso da carga que representa o levantamento de 20Kg, que existe maior risco de ocorrência de danos, apresentando valores de deformação no osso esponjoso superiores aos referenciados para a iniciação de microdano no osso esponjoso. Para o caso da artroplastia a um nível também surgiram valores de deformação elevados, apontando um risco de dano a termo por efeito das cargas cíclicas. Para o caso do segmento intacto, os valores das deformações não apontam qualquer risco de dano nas vértebras, evidenciando a eficiência dos discos nativos na transferência de carga para os corpos vertebrais. No estudo experimental, para uma carga máxima bem superior às cargas fisiológicas, não ocorreu qualquer fratura da vértebra intermédia L4 para qualquer das três alturas da vértebra avaliadas e configuração do segmento. Pode-se concluir deste estudo que a realização da artroplastia com o implante Prodisc-L a dois níveis aumenta o risco de dano da vértebra intermédia relativamente a artroplastia de um só nível, sendo que este risco só estará presente para atividades bastante exigentes em termos de carga, e se estas forem cíclicas. Pode-se igualmente concluir que mesmo para cargas superiores às normais atividades fisiológicas, a altura da vértebra L4 não se correlaciona com o risco de fratura desta.

Total lumbar disc replacement has been considered an alternative surgery to the treatment of the degenerative lumbar disc disease. Disc arthroplasty compared with lumbar fusion, artificial disc replacement can preserve the mobility between segments and can reduce the problems in the adjacent discs. In the long term evaluation, the theoretical advantage of reducing of the problems of adjacent discs hasn’t been completely evidenced. Different from the spine fusion systems, that work during a short time as load transference elements to dorsal and ventral adjacent plates until osseointegration happens, intervertebral disc implants remain during the patient’s life as load transference elements to the vertebrae, which can cause complications like adjacent vertebral fractures by overload or bone resorption by stress-shielding effect. Prodisc-L is one of the implants with the most promising clinic results. However, recent clinical studies have reported vertebral body-splitting fractures at single- and multilevel arthroplasty. This implant is to have a vertical keel in the dorsal and ventral plates, this aspect allows for differentiation of the others implants in the market. Some clinical studies associate the risk of damage in the vertebrae with this kind of keel implant and with small height of the vertebral body when the arthroplasty is realized at more than one levels. This problem is not completely explained and understood, therefore there’s needed to do new studies like this current thesis. This dissertation aimed to evaluate the risk of lumbar vertebrae damage at the L3-L5 lumbar spine segment after arthroplasty with the ProDiscL prosthesis. The evaluation consisted in the comparison between intact segment and in single and multi-level arthroplasty, with resource the finite element models to evaluate structural behaviour of the L3-L5 segment. These models were developed with resource CAT seen images from a healthy patient. These models were subjected to load conditions which represented the situations of the relaxed standing body and the situation of lifting 20kg with knees bent and back straight. The results of the simulation were evaluate by the strains in the cortical and trabecular bone vertebrae. This study was complemented with experimental tests, in which the L3-L5 lumbar spine segment was built with solid rigid polyurethane foam, with diferent heights of the L4 vertebral which were submitted to a uniaxial load. The aim of the experimental tests was to evaluate the influence of height in the L4 vertebral body at its failure risk. The results obtained from the numerical simulations lead to the conclusion that the situation of multilevel disc replacement, for the representation of situation 20kg lift with knees bent and back straight, that represents the higher risk of damages occuring, with strain results in the cancellous bone higher than the reference results to the initiation of the microdamage in the cancellous bone. The case of the single level disc replacement also resulted in high values indicating risk of the damages by the cyclic loads. In the case native model, the strain values didn’t showed any risk of damage in the vertebral bodies, which showed the efficiency of the intervertebral disc in the load transference to the vertebral bodies. In the experimental study, the maximum load was higher that the physiological loads and don’t show failure to in the L4 vertebral body from any of the three heights and segment configuration. It can be concluded from this study that performing arthroplasty with Prodisc-L implant at two levels increases the damage risk to the intermediate vertebrae relative to the arthroplasty at on level and that this risk will only be present for very demanding activities in terms of load, and if they are cyclical. It can also be concluded that even for loads greater than the normal physiological activities, L4 vertebra height does not correlate to its risk of fracture .