Εμβιομηχανική της σπονδυλόμενης σπονδυλικής στήλης
Authors: Χατζηστέργος Παναγιώτης 
Published: January 2014

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και κατανόηση της μηχανικής συμπεριφοράς μεταλλικών συστημάτων οπίσθιας σταθεροποίησης της σπονδυλικής στήλης με διαυχενικούς κοχλίες, καθώς και η διερεύνηση της επίδρασης διαφόρων παραγόντων στην εμβιομηχανική τους επάρκεια και αποτελεσματικότητα. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε προέβλεπε τον συνδυασμό πειράματος και αριθμητικής προσομοίωση. Οι δύο αυτές αλληλοσυμπληρούμενες ερευνητικές προσεγγίσεις αξιοποιήθηκαν ώστε από τη μια να ξεπεραστεί το πρόβλημα της έλλειψης δοκιμίων και από την άλλη να εξασφαλιστεί και να επικυρωθεί η ακρίβεια των αριθμητικών προσομοιώσεων. Επίσης όσον αφορά το σχεδιασμό της ερευνητικής διαδικασίας αποφασίστηκε η σταδιακή ενσωμάτωση στοιχείων πολυπλοκότητας, ώστε να διευκολυνθεί το σταδιακό χτίσιμο της κατανόησης της πολύπλοκης μηχανικής συμπεριφοράς της σπονδυλοδεμένης σπονδυλικής στήλης καθώς και η σταδιακή ανάπτυξη των απαραίτητων υποδομών , πειραματικών και αριθμητικών. Με βάση τα παραπάνω, η μελέτη αρχικά εστιάστηκε στις συνθήκες που επικρατούν στη διεπιφάνεια μεταξύ κοχλία και οστού, καθώς και στους παράγοντες που τις επηρεάζουν. Η διεπιφάνεια κοχλία-οστού είναι μια από τις πλέον νευραλγικές περιοχές της σπονδυλοδεμένης σπονδυλικής στήλης καθώς μια πιθανή απώλεια σταθερότητας στην περιοχή αυτή θέτει σε σοβαρό κίνδυνο της μονολιθικότητα άρα και την επιτυχία της σπονδυλοδεσίας. Η μελέτη των συνθηκών που επικρατούν στη διεπιφάνεια μεταξύ κοχλία και οστού υλοποιήθηκε μέσω της μελέτης του φαινομένου της εξόλκευσης. Η μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς του συστήματος κοχλίας-οστούν υπό φορτία καθαρής εξόλκευσης επιτρέπει στον ερευνητή να εστιάσει την προσοχή του στη σταθερότητα αγκύρωσης του κοχλία. Αυτό συμβαίνει λόγω της απλότητας του τρόπου φόρτισης, η σταθερότητα συγκράτησης αποσυμπλέκεται από τη μηχανική συμπεριφορά του κοχλία σε κάμψη. Συγκεκριμένα διερευνήθηκε η επίδραση που έχει στη σταθερότητα συγκράτηση κοχλιών οστεοσύνθεσης η τεχνική εφαρμογής του κοχλία από τον χειρουργό, τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του κοχλία, οι μηχανικές ιδιότητες του υλικού από το οποίο ο κοχλίας είναι κατασκευασμένος και τέλος διερευνήθηκε η επίδραση της σημασίας των μηχανικών ιδιοτήτων του οστίτη ιστού στον οποίο ο κοχλίας αγκυρώνεται. Σαν ένα πρώτο βήμα μελετήθηκε πειραματικά η μηχανική συμπεριφορά διαυχενικού κοχλία σε συνθετικό οστούν όταν στον κοχλία ασκούνται φορτία καθαρής εξόλκευσης. Η βασική ποσότητα που μετρήθηκε ήταν η δύναμη εξόλκευσης με την οποία, σύμφωνα με τη βιβλιογραφία και τα διεθνή πειραματικά πρότυπα, ποσοτικοποιείται η σταθερότητα συγκράτησης ενός κοχλία. Η πειραματική αυτή διαδικασία χρησιμοποιήθηκε για την παραμετρική διερεύνηση της επίδρασης της τεχνικής τοποθέτησης του κοχλία στη δύναμη εξόλκευσης. Μελετήθηκε ένα ευρύ φάσμα τεχνικών τοποθέτησης γνωστών από τη βιβλιογραφία και την κλινική εμπειρία και εκτιμήθηκε η βέλτιστη από αυτές, καθαρά από την σκοπιά της σταθερότητας συγκράτησης. Συγκεκριμένα με βάση τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής εξήχθη το συμπέρασμα ότι σε περίπτωση οστεοπορωτικού οστού η τεχνική εφαρμογής ενός κοχλία οστεοσύνθεσης η οποία οδηγεί σε σταθερότερη συγκράτηση είναι η τοποθέτηση με under-tapping, δηλαδή διάνοιξη «θηλυκού» σπειρώματος στο εσωτερικό του οστού με διαστάσεις μικρότερες από αυτές του κοχλία. Στη συνέχεια τα αποτελέσματα της παραπάνω πειραματικής μελέτης αξιοποιήθηκαν για την σχεδίαση, βαθμονόμηση και επικύρωση ενόςπροσομοιώματος πεπερασμένων στοιχείων της πειραματικής διαδικασίας μέτρησης της δύναμης εξόλκευσης. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην όσο το δυνατόν ακριβέστερη προσομοίωση του τρόπου αστοχίας του οστού. Για το λόγο αυτό ενσωματώθηκε στο προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων η δυνατότητα του αποχωρισμού δύο γειτονικών στοιχείων (debonding) όταν η διατμητική τάση στη διεπιφάνειά τους γίνεται ίση με την τάση αστοχίας σε διάτμηση του συνθετικού οστού. Με την προσθήκη αυτή επιτεύχθηκε πολύ καλή ακρίβεια τόσο στην προσομοίωση των ποιοτικών χαρακτηριστικών της μηχανικής συμπεριφοράς του συστήματος κοχλίας-οστούν όσο και στον υπολογισμό της δύναμης εξόλκευσης. Το πειραματικά επικυρωμένο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων αξιοποιήθηκε για την παραμετρική διερεύνηση της επίδρασης που έχουν σειρά κατασκευαστικών χαρακτηριστικών ενός κοχλία οστεοσύνθεσης στη σταθερότητα συγκράτησης. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η επίδραση του υλικού από το οποίο έχει κατασκευαστεί ο κοχλίας και η σχετική ακαμψία κοχλία και οστού καθώς και η γεωμετρία του κοχλία. Οι γεωμετρικές παράμετροι που μελετήθηκαν περιλάμβαναν την εξωτερική ακτίνα, το βάθος, την κλίση το βήμα και το μήκος του κοχλία. Από τα αποτελέσματα της παραμετρικής μελέτης εξήχθη κατ’ αρχήν το συμπέρασμα ότι η σχετική ακαμψία κοχλία και υλικού στο οποίο έχει ο κοχλίας έχει τοποθετηθεί επηρεάζει σημαντικά τη μηχανική του συμπεριφορά, κάτι που πρακτικά διαφοροποιεί σημαντικά τους κοχλίες οστεοσύνθεσης από τους συμβατικούς κοχλίες μηχανολογικών εφαρμογών. Επίσης φάνηκε ότι υπάρχει βέλτιστος λόγος της σχετικής ακαμψίας και ως προς την τιμή της δύναμης εξόλκευσηςαλλά κυρίως ως προς την ομοιομορφία της κατανομής των τάσεων στο εσωτερικό του οστού. Το ευρύ φάσμα παραμετρικών σεναρίων που μελετήθηκε επέτρεψε την ανάδειξη της επίδρασης καθεμίας από τις παραμέτρους αυτές αλλά και του τρόπου που αυτές αλληλεπιδρούν. Συγκεκριμένα με βάση τα αποτελέσματα της αριθμητικής μελέτης κατέστη σαφές ότι οι πλέον καθοριστικές παράμετροι για τη σταθερότητα συγκράτησης του κοχλία είναι η εξωτερική του ακτίνα και το μήκος του. Το βάθος του σπειρώματος του κοχλία πρακτικά δεν επηρεάζει τη σταθερότητα συγκράτησης στην περίπτωση που είναι μεγαλύτερο από μια κρίσιμη τιμή (της τάξης του 20% της εξωτερικής ακτίνας). Ενδιαφέρον παρουσιάζει η παρατήρηση ότι κοχλίες με σχετικά «βαθύ» και «ρηχό» σπείρωμα διαφοροποιούνται ως προς την επίδραση των υπολοίπων γεωμετρικών χαρακτηριστικών. Συγκεκριμένα σε κοχλίες με σχετικά «βαθύ» σπείρωμα η σταθερότητα συγκράτησης δεν επηρεάζεται ούτε από την κλίση αλλά ούτε και από το βήμα του σπειρώματος. Αντίθετα σε κοχλίες με σχετικά «ρηχό» σπείρωμα η σταθερότητα συγκράτησης αυξάνει με αυξανόμενη τιμή της κλίσης και μειούμενη τιμή του βήματος. Η παραπάνω αριθμητική μελέτη υλοποιήθηκε θεωρώντας ότι το συνθετικό οστούν είναι ελεύθερο τάσεων κατά την έναρξη της διαδικασίας εξόλκευσης, ότι δηλαδή δεν υπάρχει κάποιας μορφής προένταση στο εσωτερικό του. Η θεώρηση αυτή είναι αληθής μόνο στην περίπτωση όπου η τοποθέτηση του κοχλία έχει γίνει σε οπή με σπείρωμα ίδιας γεωμετρίας και μεγέθους με αυτόν. Για την επέκταση της αριθμητικής μελέτης και σε περιπτώσεις όπου στο εσωτερικό του οστού υπάρχει προένταση, το προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων που παρουσιάστηκε παραπάνω τροποποιήθηκε καταλλήλως. Θεωρώντας ότι ο πυρήνας του κοχλία έχει τη δυνατότητα της ακτινικής διόγκωσης προσομοιώθηκε με σημαντική ακρίβεια η περίπτωση όπου ο κοχλίας βιδώνεται «σφιχτά» σε οπή με σπείρωμα μικρότερο από αυτόν (under-tapping). Η αξιολόγηση της αξιοπιστίας του αριθμητικού προσομοιώματος έγινε χρησιμοποιώντας τα αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα. Τελικά το προσομοίωμα αξιοποιήθηκε για την διερεύνηση της επίδρασης που έχει η κωνικότητα του πυρήνα του κοχλία στη σταθερότητα συγκράτησης. Από τα αποτελέσματα της παραμετρικής μελέτης φάνηκε ότι η κωνικότητα του πυρήνα είναι δυνατόν να βελτιώσει τη σταθερότητα συγκράτησης ενός κοχλία οστεοσύνθεσης ενώ υπάρχει και βέλτιστη τιμή της γωνίας κωνικότητας. Στη συνέχεια προκειμένου να διερευνηθεί η επίδρασης της εσωτερικής δομής του σπονδύλου και του σχετικού μεγέθους του ως προς αυτό του κοχλία σχεδιάστηκε τρισδιάστατο προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων τυπικού οσφυϊκού σπονδύλου και διαυχενικού κοχλία. Στη σχεδίαση του προσομοιώματος του σπονδύλου θεωρήθηκε ότι αυτός αποτελείται από τρία διαφορετικά υλικά ενώ η ακριβής κατανομή τους, καθώς και οι μηχανικές τους ιδιότητες, υπολογίσθηκαν με βάση μετρήσεις οστικής πυκνότητας από τη βιβλιογραφία. Από την αριθμητική μελέτη του κεφαλαίου αυτού εξήχθησαν συμπεράσματα για την επίδραση που έχει η πολύπλοκη εσωτερική δομή του σπονδύλου στη μηχανική συμπεριφορά ενός διαυχενικού κοχλία καθώς και για το βέλτιστο μήκος και βέλτιστη εξωτερική ακτίνα του κοχλία. Στην τελευταία φάση της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε η μηχανική συμπεριφορά ολοκληρωμένου συστήματος σπονδυλοδεσίας με διαυχενικούς κοχλίες υπό σύνθετες φορτίσεις. Η μελέτη βασίστηκε στο πειραματικό πρότυπο της σωματεκτομής, το οποίο ακολουθήθηκε για τη μέτρηση της στιβαρότητας συστήματος σπονδυλοδεσίας, αποτελούμενου από τέσσερις κοχλίες και δύο ράβδους, σε πρόσθια κάμψη οπίσθια έκταση και σε στροφή. Στη συνέχεια σχεδιάστηκε προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων το οποίο προσομοιώνει την πειραματική αυτή διαδικασία. Η ακρίβεια του προσομοιώματος επικυρώθηκε με βάση τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα. Το προσομοίωμα πεπερασμένων στοιχείων αξιοποιήθηκε για τη μελέτη σε βάθος της μηχανικής συμπεριφοράς του συστήματος σπονδυλοδεσίας καθώς και του τρόπου που ο κοχλίας καταπονείται. Από τις κατανομές των τάσεων στον κοχλία κατέστη σαφές ότι η μεταβατική περιοχή ανάμεσα στο σώμα και τη κεφαλή του είναι η πλέον επιρρεπής σε πιθανή αστοχία λόγω κόπωσης καθώς στην περιοχή αυτή αναπτύσσονται οι ισχυρότερες συγκεντρώσεις τάσεων.