Valutazione computazionale multibody dell’impatto biomeccanico della fissazione spinale sui carichi intervertebrali e sulle forze muscolari = Computational multibody analysis of the biomechanical effects of spinal fixation on intervertebral loads and muscle forces

Contesto: La colonna vertebrale è una struttura fondamentale del corpo umano, in quanto fornisce sostegno, mobilità e protezione al midollo spinale. In presenza di patologie quali fratture vertebrali, discopatie degenerative o decompressioni spinali, il trattamento più diffuso è la fissazione spinale. Questa tecnica chirurgica consiste nell’inserimento di viti peduncolari all’interno delle vertebre, collegate tramite delle barre, in modo da creare una struttura rigida, capace di favorire la stabilizzazione della colonna vertebrale. Obiettivo: L’obiettivo di questo studio è utilizzare un modello multibody che permetta di analizzare l’effetto di una fissazione spinale lunga sui carichi intervertebrali e sulle forze muscolari, in diverse condizioni di movimento. Materiali e Metodi: Ipotizzando la presenza di una patologia in corrispondenza di L3, l'impianto di fissazione lunga agente sulle vertebre L1, L2, L4, L5 è stato progettato in ambiente CAD (SolidWorks) e successivamente integrato all'interno di un modello multibody esistente, comprensivo di vertebre T12-S1, pelvi, elementi passivi (dischi intervertebrali, legamenti e faccette articolari) e elementi attivi (muscoli), la cui attivazione è regolata da controllori PID (Proportional-Integral-Derivative). Per considerare la deformabilità del costrutto, le barre sono state rappresentate tramite corpi flessibili e la rigidità delle viti peduncolari è stata ricavata attraverso la teoria della trave cantilever. Il workflow di simulazione seguito in MSC Adams comprende due fasi: cinematica inversa e successiva dinamica diretta. Nella prima fase si è imposto il moto desiderato della vertebra craniale rispetto al sacro fissato, e si sono registrate le lunghezze dei muscoli riferiti a tutti i livelli vertebrali; nella dinamica diretta il moto è stato replicato attivando le forze muscolari, utilizzando come condizioni al contorno la forza peso e i follower load. Si sono simulati la postura eretta e la flessione laterale destra di 8°, valutando le forze di reazione agenti sulle viti e sui dischi intervertebrali e le forze muscolari. Risultati: Durante la postura eretta, la presenza di una fissazione lunga causa, in corrispondenza dei livelli vertebrali inferiori, una riduzione dei carichi di compressione e di taglio fino al 20% e all’80%, rispettivamente. Le forze di pull-out si concentrano in L5 e le forze di taglio sulle viti risultano maggiori alle estremità dell'impianto, rimanendo inferiori a 150N. Durante la flessione laterale, a causa della fissazione lunga, le forze di compressione in corrispondenza di T12-S1 aumentano dell’8%, mentre sugli altri livelli vertebrali presentano diminuzioni percentuali comprese tra l’1% e l’8%. Le forze di taglio in presenza di fissazione diminuiscono fino al 90% in corrispondenza di L1-L2, L3-L4 e L4-L5, mentre aumentano alle estremità dell’impianto. Le forze di pull-out si concentrano sul lato sinistro, mentre quelle di taglio risultano maggiori alle estremità del costrutto. Infine, in entrambi i moti, la presenza della fissazione causa un’attivazione maggiore dei muscoli agenti sui livelli vertebrali craniali rispetto alla vertebra patologica. Conclusioni: I risultati ottenuti hanno evidenziato come la presenza dell’impianto di fissazione lunga causi una diminuzione dei carichi di reazione sui dischi intervertebrali sia in postura eretta che durante il moto di flessione laterale. Inoltre, il pattern di attivazione muscolare risulta alterato dalla presenza dell’impianto di fissazione.