Treatment of Spinal Disorders using Flexible Constructions

Abstract

Abstract The mechanism and surgical treatment of lumbar spine pain remain controversial. As the name implies, flexible stabilization is based on the concept of instability as a cause of activity-related. Unfortunately, spinal instability is not well defined and is poorly understood. Spinal fusion has been the cornerstone of surgical treatment for back pain, this procedure has been practiced for almost a century, and generally results in successful clinical outcomes. Although fusion works in the majority of patients, in many cases persistent back pain. Furthermore, accelerated degeneration of the adjacent segment after initial clinical success with fusion surgery is fairly common. The concept of flexible stabilization was developed as a result of fusion’s failure to deliver the wanted clinical result. The purpose of this thesis is to investigate the treatment of spinal disorders using flexible stabilization constructs. This work aims to find the best stabilization that restores the kinematics of spinal segments of normal movement without overloading the structural elements that govern specific movement using a parametric finite element FE modeling, consequently the basic key in the process of the thesis is the validation work which was carried out by development of computational analogues of the spinal morphologies based on the reconstruction computer tomography CT scan imaging by the creation of detailed Three-dimensional FE model of an intact Lumbosacral segments that mimics the real biomechanical behavior of the human spine. Flexible rods have been introduced for use with anterior interbody cages to achieve a more successful fusion. The hybrid dynamic stabilization to fusion was introduced to provide special protection against fusion-induced adjacent segment disease including adjacent segment degeneration and adverse effects. The description of the mechanical behavior of the healthy and degenerative conditions of the intervertebral disc were quantified by developing the mechanical properties annulus fibrosus tissue using an anisotropic constitutive continuum model of Holzapfel as well as developing a realistic description of the nucleus geometry with optimization determination of the requisite material coefficients. Resumé Le mécanisme et le traitement chirurgical des douleurs rachidiennes restent controversés. Comme son nom l'indique, la stabilisation flexible est basée sur le concept d'instabilité durant l'activité. Malheureusement, l'instabilité vertébrale n'est pas bien définie et est mal comprise. La fusion spinale reste la pierre angulaire du traitement chirurgical des douleurs dorsales. Cette procédure est pratiquée depuis près d'un siècle et aboutit généralement des résultats cliniques positifs. L’accélération de la dégénérescence du segment adjacent après le succès clinique initial de la fusion est assez commune. Le concept de stabilisation flexible a été développé à la suite de l'échec de la fusion pour fournir des résultats cliniques voulus. Le but de cette thèse est d'étudier le traitement des troubles spinaux en utilisant des constructions de stabilisation flexibles. Ce travail vise à trouver la meilleure stabilisation qui restaure la cinématique des segments vertébraux du mouvement normal sans surcharger les éléments structuraux qui gouvernent le mouvement spécifique en utilisant une modélisation paramétrique par éléments finis EF, par conséquent la clé de base dans le processus de la thèse est le travail de validation, qui a été réalisée par le développement des analogues informatiques de la morphologie de la colonne vertébrale basée sur la reconstruction d’imagerie médicale tomodensitométrique et la création d'un modèle EF tridimensionnel détaillé du segment lombo-sacré intact pour imiter le comportement biomécanique réel du rachis humaine. Des tiges flexibles ont été introduites pour une utilisation avec des cages intersomatiques antérieures pour obtenir une fusion plus réussie. La stabilisation dynamique hybride à la fusion a été introduite pour fournir une protection spéciale contre la maladie du segment adjacent induite par la fusion, y compris la dégénérescence du segment adjacent et les effets indésirables. La description du comportement mécanique des conditions saines et dégénératives du disque intervertébral a été quantifiée en développant les propriétés mécaniques de la tissue annulaire fibrose en utilisant un modèle continuum anisotrope constitutif de Holzapfel et en développant une description réaliste de la géométrie du noyau avec la détermination de l'optimisation des coefficients matériels requis.

ملخص آلية العالج الجراحي آلالم العمود الفقري القطني ال تزال مثيرة للجدل. وكما يوحي االسم، فإن االستقرار المرن يقوم على مفهوم عدم االستقرار بوصفه سببا من أسباب النشاط . لسوء الحظ ، عدم االستقرار في العمود الفقري غير محدد وغير مفهوم جيدا ، حيث أن االنصهار الشوكي ال يزال حجر الزاوية في العالج الجراحي آلالم الظهر، وقد مورس هذا اإلجراء منذ ما يقرب من قرن، ويؤدي عموما إلى نتائج استشفائية ناجحة. على الرغم من أن االنصهار ناجع في غالبية المرضى، في كثير من الحاالت لوحظ استمرار آالم الظهر. وعالوة على ذلك، اإلنحطاط المعجل من الجزء المجاور رغم النجاح السريري األولي بعد جراحة االنصهار شائع إلى حد ما. وقد تم تطوير مفهوم االستقرار المرن نتيجة فشل االنصهار في تقديم النتائج االستشفائية المطلوبة. والغرض من هذه األطروحة هو التحقيق في عالج اضطرابات العمود الفقري باستخدام بناءات استقرار مرنة. يهدف هذا العمل إلى إيجاد أفضل إستقرار يعيد حركيات شرائح العمود الفقري للحركة العادية دون إثقال العناصر الهيكلية التي تحكمها حركة معينة باستخدام نظرية العناصر المنتهية في النمذجة، وبالتالي فإن المفتاح األساسي في هذه األطروحة هو التحقق من صحة النموذج من خالل تطوير نظائرها الحاسوبية من مورفولوجيا العمود الفقري على أساس إعادة التشكيل الحاسوبي باستخدام صور التصوير المقطعي عن طريق إنشاء مفصل لنموذج ثالثي األبعاد لقطاعات قطنية عجزية سليمة التي تحاكي السلوك الحيوي الحقيقي للعمود الفقري البشري. وقد أدخلت قضبان مرنة لالستخدام مع أقفاص أمامية لتحقيق انصهار أكثر نجاحا. الهدف من إدخال االستقرار الديناميكي الهجين إلى االنصهار هو توفير حماية خاصة ضد المرض الناجم عن االنصهار الناجم عن اضطراب الجزء المجاور واآلثار السلبية . وصف السلوك الميكانيكي للظروف الصحية والتنكسية لألقراص الفقرية تم تحديدها من خالل تطوير الخواص الميكانيكية للنسيج الليفي للحلقة باستخدام نموذج تأسيسي متواصل من هولزافيل (Holzapfel (فضال عن وضع وصف واقعي لهندسة النواة مع تحديد أمثل لمعامالت المواد المطلوبة.