Estudo comparativo do comportamento mecânico da vértebra após vertebroplastia

Abstract

As fraturas de compressão vertebral (VCFs) causam reduções do corpo vertebral e são mais incidentes na zona torácico-lombar. As VCFs são causadas maioritariamente por hiperflexão e são a consequência mais comum da osteoporose. Na Europa a taxa de incidência anual das VCFs é de 1.1% nas mulheres e 0.6% nos homens na faixa etária entre os 50 e os 79 anos. A vertebroplastia percutânea é uma cirurgia minimamente invasiva cujo objetivo é o alívio da dor causada por estas fraturas e a estabilização das mesmas. Para tal é injetado um cimento ósseo no local da fratura. Duas das complicações desta cirurgia são o extravasamento do cimento ósseo e a ocorrência de fraturas adjacentes. Os cimentos ósseos têm propriedades mecânicas diferentes do osso e, portanto, existe alteração da biomecânica da vértebra. O trabalho tem como objetivo fazer um estudo comparativo do comportamento mecânico da vértebra após a vertebroplastia. Para tal foi desenvolvido um modelo numérico de uma vértebra L4 de ovelha Merino a partir de TACs. Através de um modelo de elementos finitos foram aplicadas cargas axiais e condições fronteira de modo a repercutir as condições de um estudo experimental prévio e comparados os resultados numéricos e experimentais. Foram também comparadas as deformações e tensões principais e deslocamentos do osso esponjoso, do osso cortical e do cimento ósseo, para os casos da vértebra intacta, com defeito e cimentada para uma condição de carga fisiológica. Adicionalmente, foi feita uma simulação com um cimento acrílico standard (ABC) de forma a estabelecer uma comparação com o cimento de sulfato de cálcio (CSC) usado nos ensaios experimentais. O modelo de elementos finito foi validado. Os resultados permitiram concluir que a rigidez da vértebra é um parâmetro muito dependente das características mecânicas do cimento. O cimento com menor módulo de elasticidade apresentou uma menor alteração na rigidez em relação à vértebra intacta. Foi também possível observar algum efeito de stress shielding.

Compression vertebral fractures (VCFs) cause vertebral body reduction and mostly occur in toracic-lumbar region. VCFs are caused by hyperflexion and they are the most common consequence of osteoporosis disease. In Europe, the annual incidence rate of these fractures is 1.1% in women and 0.6% in men between 50 and 79 year old. Percutaneous Vertebroplasty is minimal invasive surgery that aims to reduce back pain and stabilize the fracture. To fulfill that purpose, a bone cement is injected in the fractured local. The leakage of the cement and adjacent vertebrae failure are two of percutaneous vertebroplasty complications. Bone cements have different mechanical properties from bones and it causes changes in vertebrae biomechanics. In some studies its said that adjacent vertebrae failure is not clear, but it’s possible that the increase of vertebrae stiffness changes the load transfer in the adjacent vertebrae causing its failure. However, this fractures occur also in patients who didn’t underwent VP witch suggests that the fracture's origin is the low density bone. The aim of this study is to make a comparative analysis of the mechanical behavior study of vertebrae after vertebroplasty. A numeric model of a lumbar Merino sheep vertebra (L4) was developed using CT scan images. An axial load and border conditions was applied in a finite element model to simulate previous experimental conditions. numerical and experimental results were compared to conclude about the numeric model validation. Principal deformations and stresses in cancellous and cortical bone and in the bone cement were compared for intact, deformed and cemented models witch underwent a physiological load. Additionally, a simulation was made using a PMMA standard (ABC) to compare the results with calcium sulfate cement (CSC), the cement used experimentally. The finite element model was validated. The results allowed to conclude that the vertebrae stiffness is a parameter highly dependable on the cement mechanical properties. The cement with lower elastic modulus showed less stiffness variation comparing to the healthy vertebrae. A stress shielding effect was observed.