Biomechanical testing of three newly developed transpedicular multisegmental fixation systems

Résumé

Une série de 216 essais biomécaniques ont été effectués sur 36 rachis de veau, afin d'évaluer la rigidité de trois nouveaux prototypes de systèmes de fixation pédiculaires (Spine Fix, Prototype 1 de l'AO/ASIF, Prototype 2 de l'AO/ASIF), par rapport à celle du systéme CD maintenant bien établi. Le système Spine Fix suit la même philosophie de fixation rachidienne que le système CD, alors que les deux prototypes du groupe AO/ASIF introduisent un nouveau concept dans la technique de réduction et de fixation, utilisant un système de fixation tridimensionnel. Ceci permet la correction et la fixation des segments vertébraux instrumentés dans toutes les positions. Durant les essais, le principal point d'intérêt a été de déterminer si les degrés de liberté nouvellement acquis par les prototypes de l'AO/ASIF étaient associés à une perte de rigidité du montage. De plus, cette étude a été réalisée afin d'établir si ces systèmes de fixation pédiculaires doivent être améliorés du point de vue technologique, ou si leur stabilité et leur rigidité sont principalement déterminées par la qualité de l'ancrage pédiculaire. Le déplacement produit par la mise en charge a été mesuré en utilisant pour modèle un rachis de veau porteur d'une lésion bien définie des trois colonnes. Chaque implant a été soumis à une charge allant jusqu'à 15 Nm en flexion, extension, inclinaison latérale et rotation axiale. Dans tous les essais, le montage s'est comporté sur un mode hautement linéaire (r ²>0.94). Par la mesure continue des forces et des moments à l'extrémité crâniale des spécimens rachidiens, l'évaluation des essais a pu bénéficier d'une haute précision (l'écart-type est de 1.74% sur l'axe des x, 1.35% sur l'axe des y, 1.21% sur celui des z). En général la rigidité a montré une valeur maximale lors de l'inclinaision latérale, cette valeur est un peu plus faible lors de la flexion/extension et de la rotation axiale. La rigidité maximale du Spine Fix est retrouvée lors de la flexion/extension, celle du Prototype 1 de l'AO/ASIF lors de l'inclinaison latérale, et celle du Prototype 2 lors de la rotation axiale. En comparant ces valeurs à celle du système CD (dont la rigidité serait arbitrairement estimée à 100%), les différences de rigidité lors de la flexion, s'étaient de 77.3% pour le Prototype 1, à 140.8% pour le Spine Fix. Lors de l'extension ces différences de rigidité s'étaient de 78.2% pour le Prototype 2b à 134.7% pour le Spine Fix; elles s'étaient de 108.1% pour le Prototype 2b, à 213.5% pour le Prototype 1 dans l'inclinaison latérale et de 80.3% pour le Prototype 1 à 110.6% pour le Prototype 2 en rotation axiale. Le Spine Fix tout comme le Prototype 2 ont montré des coefficient de rigidité égaux ou supérieurs à ceux du système CD. Le Prototype 1 est significativement plus flexible que le CD, sauf en inclinaison latérale. Du point de vue technique, les deux prototypes AO/ASIF permettent la correction et la fixation d'une vertèbre instrumentée dans n'importe quelle position. Le Prototype 2, malgré un dispositif de jonction supplémentaire entre les vis pédiculaires et les tiges, montre une rigidité comparable à celle du système CD.

Summary

A series of 216 biomechanical tests with 36 calf spines were performed to evaluate the rigidity of three newly developed prototypes of transpedicular fixation systems (Spine Fix, AO/ASIF prototype 1, AO/ASIF prototype 2) as compared to the already established Cotrel-Dubousset (CD) system. The Spine Fix system follows the same principle of spinal fixation as the CD system, while the two prototypes of the AO/ASIF group introduce a new concept of spinal reduction and fixation technique, using a three-dimensional adjustable fastening system of transpedicular screws to a longitudinal rod. This allows for correction and fixation of the instrumented vertebra segments in any position. During the tests the main point of interest was whether the newly gained degrees of freedom are associted with a loss of stiffness in the construct. Furthermore, the study evaluated whether transpedicular systems should be optimized from the technological point of view, or whether the stability and rigidity of these systems is determined mainly by the quality of pedicular anchorage. Load displacement was measured using a calf spine model with a precisely defined three-column lesion. Each implant was loaded up to 15 Nm in flexion, extension, lateral bending, and axial rotation. In all tests, the construct behaved in a highly linear fashion (r ²>0.94). By continously measuring the forces and moments at the cranial end of the spine specimen high accuracy of the tests was achieved (standard deviation: x-axis, 1.74%; y-axis, 1.36%; z-axis, 1.21%). In general, the stifness was found to be highest in lateral bending, follwed by flexion/extension and axial rotation. Spine Fix was the stiffest implant in flexion/extension, AO/ASIF prototype 1 in lateral bending, and AO/ASIF prototype 2 in rotation. In comparison to the CD system (stiffness of CD=100%), differences in stiffness ranged from 77.3% prototype 1 to 140.8% Spine Fix in flexion, from 78.2% prototype 2b to 134.7% Spine Fix in extension, from 108.1% prototype 2b to 213.5% prototype 1 in lateral bending, and from 80.3% prototype 1 to 110.6% prototype 2 in axial rotation. The Spine Fix and prototype 2 systems showed equal or higher stiffness coefficients compared to the CD system. Prototype 1 is significantly more flexible, except in lateral bending, than the CD. From the technical point of view, the two AO/ASIF prototypes allow the correction and fixation of an instrumented vertebra in any position. Prototype 2, despite the additional joint between transpedicular screws and longitudinal rods, shows stiffness comparable to that of the CD system.