The effects of vertebral body tethering system on the biomechanics of the thoracolumbar spine: Die effekte des vertebral body tethering systems auf die biomechanik der thorakolumbalen wirbelsäule

Abstract

A amarração do corpo vertebral anterior (AVBT) é uma técnica inovadora de cirurgia sem fusão para tratamento de escoliose idiopática do adolescente, no qual âncoras e parafusos são inseridos nos corpos vertebrais do lado lateral convexo da coluna vertebral. Posteriormente, uma corda flexível sob tensão é conectada às cabeças dos parafusos de modo a corrigir a deformidade e interromper sua progressão, permitindo crescimento e mobilidade contínua. Para reduzir o risco de ruptura da corda, os cirurgiões introduziram novas configurações como o uso de uma corda adicional (dupla corda) ou uma haste rígida curta conectando algumas das vértebras amarradas (híbrida). O primeiro objetivo deste estudo é investigar experimentalmente a cinemática da coluna toracolombar humana (T10-L3) instrumentada com AVBT considerando a técnica com uma corda, dupla corda e híbrida inseridas no lado esquerdo. Em segundo lugar, pretende-se avaliar numericamente os efeitos da tensão aplicada a corda. Para esse fim, um modelo de Elementos Finitos da coluna vertebral foi desenvolvido. Algoritmos de identificação foram implementados para automatizar a complexa tarefa de calibração das propriedades dos materiais, reduzindo o erro entre as curvas momento-rotação numéricas e experimentais. Os resultados experimentais foram derivados de um estudo de ressecção anatômica com amostras de colunas vertebrais humanas (L1-L2) considerando cortes de cada ligamento e dos arcos vertebrais. As propriedades materiais de cada estrutura vertebral foram calibradas individualmente de forma sequencial. Os testes de flexibilidade foram realizados com máquinas construídas projetadas pelo grupo e capazes de aplicar momento puro nas amostras. Os resultados experimentais mostraram que as técnicas AVBT testadas preservaram a amplitude de movimento (ROM) global (T10-L3) da coluna nativa em flexão-extensão (> 90%) e rotação axial (> 87%), mas reduziram a aproximadamente 30% na flexão lateral esquerda e 43% na flexão lateral direita. Após a calibração, o modelo de Elemento Finitos foi capaz de reproduzir os resultados experimentais em todas as direções de carga e estágios de ressecção. As curvas tensão-deformação numéricas provenientes dos ensaios de tração de uma única camada do anel fibroso, ângulo das fibras, ROM da coluna vertebral sob carga combinada e forças nas facetas articulares também conferem com os dados experimentais. O modelo do segmento L1-L2 flexionou para o lado do implante 2,73°, 4,35° e 5,35° para forças de tensão na corda de 100 N, 200 N, e 300 N, respectivamente. Considerando a posição pós-operatória da coluna vertebral como posição de referência, o ROM do segmento L1-L2 sob 6 Nm em flexão lateral direita foi de 1,8°, 1,6°, e 1,4° para uma pré-tensão de 100 N, 200 N e 300 N, respectivamente, enquanto a coluna vertebral nativa apresentou um valor de 4,5°. As técnicas de corda simples, dupla corda e híbrida são técnicas de preservação de movimento para flexão-extensão e rotação axial. A corda rígida proporciona estabilidade primária à coluna vertebral e a pré-tensão aplicada a corda acrescenta rigidez à coluna vertebral para o movimento de flexão lateral.

Abstract: Anterior vertebral body tethering (AVBT) is an innovative fusionless surgery technique for the treatment of adolescent idiopathic scoliosis, where anchors and screws are inserted into the vertebral bodies at the lateral convex side of the spine. Subsequently, a flexible cord (tether) is connected to the screws heads while tension is applied to correct the spine deformity and stop its progression while allowing for continued spinal growth and mobility. To reduce the risk of tether breakage, surgeons introduced new configurations such as the use of an additional tether (double-tether) or a short rigid rod connecting some of the tethered vertebrae (hybrid). The first objective of this study is to experimentally investigate the kinematics of the human thoracolumbar spine (T10-L3) instrumented with AVBT considering single-tether, double-tether and hybrid technique inserted in the left side. Secondly, to numerically investigate the effects of cord tension within AVBT with single-tether. For that purpose, a Finite Element model the spine was developed. Identification algorithms were implemented to automate the complex task of calibration of the material properties while reducing the error between the numerical and the experimental moment-range of motion curves. The experimental results are derived from a stepwise resection study with human L1-L2 spinal specimens considering cuts of each ligament and the vertebral arches. The material properties of each spinal structure was calibrated individually in a stepwise manner. The flexibility tests were performed with custom-built machines capable of loading the spinal specimens in pure moment. The experimental results showed that the tested AVBT techniques preserved the global (T10-L3) range of motion (ROM) of the native spine in flexion?extension (> 90%) and axial rotation (> 87%) but reduced to approximately 30% in left lateral bending and 43% in right lateral bending. After calibration, the Finite Element model was capable of reproducing the experimental results in all loading directions and resection stages. The numerical stress-stretch ratio curves from tensile tests of single lamellae, angle of the fibers, ROM of the spine under combined loading and forces at facet joints also agreed with the experimental data. The L1-L2 model bended to the implant side 2.73°, 4.35°, and 5.35° for tether tension forces of 100 N, 200 N, and 300 N, respectively. Considering the postoperative position of the spine as the reference position, the ROM of the instrumented L1-L2 spine under 6 Nm in right lateral bending was 1.8°, 1.6°, and 1.4° for a cord pretension of 100 N, 200 N and 300 N, respectively, while the native spine was 4.5°. The single tether, double-tether and hybrid are motion preservation techniques for flexion-extension and axial rotation. The stiff tether provides primary stability to the spine and the cord pretension adds stiffness to the spine for lateral movement.