Estudo mecânico de implante para fixação do segmento lombossacro da coluna vertebral

Resumos

This work consists of a mechanical analysis of the resistance and critical points of a stainless steel device for lumbossacral spinal fixation. The device was fixed into a wooden model representing the spinal lumbossacral segment. The experiment comprised seven tests of flexo-compression, seven tests of axial rigidity, seven tests of radial rigidity, and one destructive test. The critical points are the intersection of the pedicular screws threads and the attrition rate between the vise and the rod. The results demonstrated the device to be efficient and safe when used in human beings.

Vertebral spine; spine fusion; Artificial implants; Articular instability

ARTIGO ORIGINAL

Estudo mecânico de implante para fixação do segmento lombossacro da coluna vertebral

Afrane Serdeira^I; Tarcísio Eloy Pessoa de BarroS Fº^II; Eduardo de Barros Puertas^III; José Laredo Filho^IV; Tomaz Puga Leivas^V

^IDoutor pela EPM e Assistente do Serviço de Ortopedia e Traumatologia do Hospital São Lucas da PUCRS

^IIProfessor Associado e Livre-docente do Instituto de Ortopedia e Traumatologia da FMUSP, Grupo de Coluna e Trauma Raquimedular do Hospital das Clínicas da USP

^IIIDoutor pela Escola Paulista de Medicina, Chefe do Grupo de coluna do Depto. de Ortopedia e Traumatologia da EPM

^IVProfessor Titular e Chefe do Depto. de Ortopedia e Traumatologia da EPM

^VEngenheiro Chefe do Latoratório de Biomecânica LIM-41 do IOT-HC-FMUSP

RESUMO

Foram estudados, do ponto de vista mecânico, a rigidez e os pontos críticos de um implante para fixação interna da coluna lombossacra.

Aplicou-se o implante sobre um modelo de madeira simulando o segmento lombossacro da coluna. Realizamos sete ensaios de flexo-compressão, sete de rigidez axial, sete de rigidez radial e um ensaio destrutivo. Os resultados demonstraram que o implante foi eficiente e seguro para uso em seres humanos.

Descritores: Coluna vertebral - artrodese; Fusão espinal; Implantes artificiais; Instabilidade articular.

INTRODUÇÃO

Desenvolvemos um implante constituído por uma haste em forma de "U", que funciona como barra de fixação de parafusos pediculares e que permite uma montagem tridimensional que denominamos de A-S1 (implante A Série 1).

O objetivo deste trabalho é, através de simulações biomecânicas em modelo estandardizado de coluna lombossacra submetida a esforços de flexocompressão, determinar a estabilidade axial e radial, os limites de elasticidade e de resistência, assim como os pontos críticos do implante proposto para fixação interna do segmento lombossacro.

MATERIAL E MÉTODOS

O dispositivo de fixação é composto das seguintes partes: (Fig. 1)

1. Haste formada por uma barra de aço inoxidável ASTM EF 138, com dureza de 38 HRC e secção de 6,4 mm (1/4 polegada) de diâmetro dobrada em "U", com 110 mm de comprimento.

2. Quatro parafusos pediculares com rosca óssea esponjosa (tipo dente deserra)

3. Quatro grampos defixação, compostos de duasgarras contrapostas, que são oselementos deligação entre a haste e o parafuso, formando uma montagem tridimensional

4. A barra ou ponte antitorção mantém o afastamento entre os "braços" da baste, transformando-a em um retângulo rígido.

O MODELO DE COLUNA (Fig. 2)

Com base no trabalho de TOLEDO (1989), usamos um modelo de coluna lombossacra, composto de dois segmentos em madeira de Ipê, suficientemente dura e homogênea, permitindo a colocação dos parafusos e suportando as cargas sem alterações.

MÉTODOS

O modelo experimental procurou avaliar o efeito de cargas de compressão excêntricas (não axiais) sobre corpos vertebrais lombossacros (L5-S1) estabilizados pelo fixador, respeitando a geometria da montagem (forma, ângulos e distâncias) e as características biomecânicas locais.

Neste trabalho adotamos, como parâmetro inicial para análise da rigidez axial e radial, 100 Kgfde carga máxima de flexo-extensão que corresponde a pacientes com 80 Kg de peso em posição ortostática

O implante foi montado paralelo na parte posterior do sistema, contraposto a uma articulação taça-esfera, mantendo 20 mmde espaçamento entre os discos.

Os parafusos pediculares foram colocados a uma distância entre si, como ocorre "in vivo", equivalente à distancia entre os pedículos do mesmo corpo vertebral .

ENSAIOS DE FLEXOCOMPRESSÃO

Os ensaios de flexocompressão foram realizados em máquina universal de ensaios mecânicos Kratos K5002. A velocidade de aplicação da carga compressiva foi de 20 mm/min para os ensaios de determinação de rigidez axial e radial (fuga lateral máxima) e de 10 mm/min para o destrutivo.

ENSAIOS PARA DETERMINAÇÃO DA RIGIDEZ AXIAL

Foram realizados sete ensaios de flexocompressão, aplicando carga contínua de zero a 100 Kgf ao modelo, obtendo os respectivos diagramas de força de compressão-deformação axial (pistonamento) (Fig. 4 e 5).

ENSAIO PARA DETERMINAÇÃO DA RIGIDEZ RADIAL (FUGA LATERAL MÁXIMA)

Foram realizados sete ensaios de flexocompressão, aplicando-se cargas seqüenciais progressivas de zero (posição inicial) a 100 Kgf, de 20 em 20 Kgf, a cada incremento de carga (fig.6). .Essas medidas foram anotadas em planilhas para posterior análise

ENSAIO DESTRUTIVO PARA DETERMINAÇÃO DOS LIMITES DE ELASTICIDADE E DE RESISTÊNCIA, E IDENTIFICAÇÃO DOS PONTOS CRÍTICOS

Os limites de elasticidade e resistência foram determinados em ensaio destrutivo de flexocompressão com carga contínua registrado graficamente, que permitiu a identificação dos pontos críticos. (Fig. 7). Após o ensaio o implante foi desmontado e inspecionado cuidadosamente (inspeção visual do implante desmontado) para confirmação das falhas (fig. 8).

ANÁLISE DOS DIAGRAMAS E PLANILHAS

Analisamos a rigidez axial do implante através da observação de diagramas carga-deformação obtidos nos ensaios de flexocompressão (Fig 5). No diagrama carga-deformação do ensaio destrutivo (Fig 9), determinou-se os seguintes pontos :

a - limite de elasticidade

b - limite de resistência à flexocompressão.

O limite de elasticidade corresponde ao fim da fase linear do diagrama e representa a carga e deformação, máximas, a qual o implante pode suportar sem apresentar qualquer dano,desligamento ou deformação permanente (residual) após a descompressão, segundo SOUZA (1982) E CHIAVERINI (1986). As medidas radiais foram realizadas por paquímetro digital Mitutoyo Digimatie Caliper 500- 21 5 (0,01 mm), com carregamento de zero, 20, 40, 60, 80 e 100 Kgf (flexocompressão).

Esses dados foram transferidos para planilhas computadorizadas que realizaram os cálculos do movimento espacial.

O máximo distanciamento entre os ponteiros (fuga lateral), foi observado após a aplicação seqüencial das cargas. A "fuga lateral máxima" representa o maior deslizamento radial entre os segmentos, responsável pela tendência de cisalhamento in vivo.

MÉTODO ESTATÍSTICOS

Os dados obtidos nos ensaios mecânicos foram analisados estatisticamente.

RESULTADOS

Os resultados obtidos nos ensaios se encontram expressos nas tabelas de 1 a 6. O formulário para coleta de dados usado nos ensaios e os valores foram transferidos para as planilhas computadorizadas, com as quais foram realizados os cálculos. O deslocamento axial médio (pistonamento) observado após a aplicação de 100 Kgf. em flexocompressão foi de 3,52 mm (Tab. 1 e 2), o que corresponde a 7% de encunhamento da altura do corpo vertebral (50 mm) do modelo adotado. Encurtamentos de 7% estão dentro de limites toleráveis que não provocam danos à cauda equina nem aos ligamentos posteriores da coluna responsáveis pela estabilização do segmento.

A Tabela 3 mostra as cargas necessárias para obtermos 1 mm de deformação axial, e nos permite avaliar a movimentação máxima que pode ocorrer em pacientes, conhecendo seu peso corpóreo.

Na Tabela 4 observamos uma fuga lateral (cisalhamento) de 2,68 mm sob uma carga de flexocompressão de 100 kgf., na prática utilizam-se valores em torno de 1 mm como ideais para sistemas de fixação interna. Os valores obtidos são superiores mas não suficientes para comprometer mecanicamente a sua aplicação.

Nos resultados do ensaio destrutivo observamos uma falha de fixação, com escorregamento entre a haste e grampo com 185 Kgf no limite da elasticidade (tabela 5).

Aos 260 Kgf, limite da resistência, ocorreu a deformação dos parafusos pediculares na transição entre as roscas (tabela 6).

DISCUSSÃO

Com melhores conhecimentos da biomecânica da coluna e de materiais adequados houve incessante desenvolvimento dos implantes de fixação interna para coluna lombossacra (HANLEY, PHILLIPS, KOSTUYK, 1991)⁸. O instrumental de HARRINGTON (1962)⁹ tem uso limitado nas patologias degenerativas, pois existem dificuldades para implantar o grampo distal no sacro. Outro problema que ocorre com as hastes de distensão é a retificação da lordose lombar (distensão posterior). A haste de Luque tem seu uso mais amplo, principalmente nas escolioses, cifoses, fraturas, tumores e em espondilolisteses degenerativas. Entretanto são ineficientes para opor-se às forças de compressão, extensão e rotação. BARROS Fº ( 1987 )¹, aplicando a técnica de Harrington-Luque, baseado em trabalho anterior( BASILE, 1985 )² , verificou tratar-se de um método eficiente quando associado à fixação segmentar com amarrilhos sublaminares de Luque.

Foi ROY-CAMILLE (1986)¹⁶ quem desenvolveu o primeiro método prático de fixação com parafuso pedicular e uma placa. Neste método, se houver reabsorção óssea ou compressão sob a placa, vão ocorrer movimentos entre os orifícios da placa e os parafusos, ocasionando a fadiga do material seguida de ruptura destes. STEFEE et al. (1986)¹⁸ para solucionar o problema colocaram os parafusos perpendicularmente à placa, porém como esta é rígida, nem sempre conseguiram que os parafusos penetrassem perpendicularmente, o que provocava uma força de flexão no parafuso, que então se rompia. KRAG (1991)¹¹ estudou vários sistemas de fixação interna ( Wiltse, Zielke, - Cotrell-Dubousse, Puno e outros modelos ) que empregam uma peça intermediária entre o parafuso e a barra ou fixam o parafuso diretamente à barra longitudinal, nenhum deles, leva em consideração o desalinhamento do eixo longitudinal entre os parafusos , e da inclinação deles em relação à barra. Uma análise biomecânica entre os sistemas pediculares e as técnicas de Galveston e Luque foram apresentadas por PUNO et al.(1991)¹⁵. Os ensaios mecânicos mostraram que a rigidez da fixação pedicular era intermediária entre as técnicas referidas. BLUMENTHAL & GILL (1993)³ avaliaram um grupo de 470 pacientes que foram submetidos a artrodese lombar e instrumentação com implante de Wiltse. Usaram múltiplas configurações do sistema de Wiltse em 95% das cirurgias, aplicaram o parafuso pedicular preso à haste com um grampo intermediário. Ocorreram complicações em 29 pacientes (6,17%). Podemos deduzir a partir destes dados, que, com as montagens tridimensionais que usam grampo intermediário, o número de complicações com implante é muito pequeno. A comparação deste implante em relação aos que foram pesquisados pode ser resumida como: rigidez suficiente para suportar as solicitações mecânicas da coluna vertebral, tanto quanto nos sistemas de LUQUE et al (1982)¹²., de HARRINGTON com amarrilhos sublaminares (BARROS FILHO, 1987)¹ de ROY-CAMILLE et al. (1986)¹⁶ , de STEFEE et al. (1986)¹⁸, de WILTSE (1991)²¹ e de PUNO et al. (1991)¹⁵. Não encontramos nenhum trabalho com as mesmas características para a realização de um estudo comparativo. O deslocamento axial médio (pistonamento) observado após a aplicação de 100 Kgf. em flexocompressão foi de 3,52 mm. (Tab. 2), o que corresponde a 7% de encunhamento da altura (50 mm.) do corpo vertebral do modelo que adotamos. É uma situação que simula a coluna vertebral estabilizada apenas pelo implante, sem a participação das estruturas biológicas (contato ósseo, tensão de partes moles , etc.), que em um modelo reflete situações mais extremas do que normalmente ocorrem na realidade. Encurtamentos de 7% estão dentro de limites toleráveis que não provocam danos à cauda eqüina nem aos ligamentos posteriores da coluna responsáveis pela estabilização do segmento.

A Tabela 3 mostra as cargas necessárias para obtermos 1 mm. de deformação axial, e nos permite avaliar a movimentação máxima que pode ocorrer em pacientes , conhecendo seu peso corpóreo.

A rigidez radial é avaliada através da fuga lateral máxima observada entre os discos do modelo. Ela representa o risco de cisalhamento entre os corpos vertebrais.

Na Tabela 4 observamos uma fuga lateral de 2,68 mm. sob uma carga de flexocompressão de 100kgf.

A deformação axial e a radial se devem à flexão dos parafusos pediculares principalmente na região de transição entre a rosca convencional e esponjosa .

Nas Tabelas 5 e 6 observamos os resultados do ensaio destrutivo que detectou uma falha de fixação, observando-se escorregamento entre a haste e o grampo com 185 Kgf. no limite da elasticidade. Aos 260 Kgf., no limite da resistência, ocorreu a deformação dos parafusos pediculares na transição entre as roscas dos mesmos. Os resultados obtidos nos ensaios com a colocação do implante, são suficientes para permitir a deambulação do paciente sem utilizar órtese, desde que não ocorram sobrecargas externas adicionais (levantar pesos, quedas, saltos, flexões forçadas etc.).

Como vantagens, temos a simplicidade da forma dos quatro componentes do implante que podem ser aplicados com instrumentos convencionais, permitindo várias alternativas de uso, podendo ser fabricados no Brasil com baixo custo, com isto não necessitando importação de similares.

CONCLUSÕES

1. O implante deve ser versátil, fácil de colocar e com rigidez de montagem suficiente para suportar as solicitações mecânicas da coluna lombossacra., devendo resistir a cargas de no mínimo 185 kgf após a montagem.

2. O fixador interno é um complemento importante na técnica de artrodese da coluna, mas não substitui e não dispensa o uso de enxerto ósseo, conforme o procedimento habitual.

3.A finalidade do implante é a fixação firme da coluna lombossacra, para mobilizar a paciente precocemente sem o uso de gesso ou órtese.

Dissertação de Mestrado (resumo) apresentada à Escola Paulista de Medicina na área de Ortopedia e Traumatologia e no LIM-41 do Inst. de Ortop. e Traumatol. do Hosp. das Clínicas da Fac. de Med. da Univ. de São Paulo.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  07 Maio 2007
• Data do Fascículo
  Set 2000