Biomechanical investigation of the factors related to pedicle screw fixation strength

Mehmanparast Nodehi, Hedayeh (2015). Biomechanical investigation of the factors related to pedicle screw fixation strength. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Spinal pathologies or injuries can severely compromise the quality of life for the patients. The surgical intervention is often performed using internal fixation devices. Fixation with pedicle screws is a well-established method providing spinal stability and deformity correction. However, reported rates of fixation failure because of screw loosening have become a major concern, especially with the appearance of new and more powerful surgical techniques. Numerous experimental studies have been devoted to pedicle screw fixation strength evaluation. The evaluation methods are commonly including preoperative measurements of bone mineral density, screw insertional torque measurement and pullout tests. Bone mineral density measurement gives only to some extent an estimation of the pedicle screw fixation strength. Several studies indicated that the screw insertional torque measurement can provide predictive information on the fixation strength. However, the latter was not confirmed by other studies. This controversy illustrates the need for improving the understanding of factors related to pedicle screw fixation strength. In addition, there is a need for better understanding the mechanisms of pedicle screw loosening leading to failure and their effects on the fixation strength.

The main objective of this doctoral thesis was to improve the understanding on the mechanisms of pedicle screw loosening and the factors related to pedicle screw fixation strength. This objective is related to two hypotheses: 1) the indentation force measured while performing the pilot hole and the torque observed during screw insertion are related to the screw pullout force and stiffness; 2) cyclic bending load (toggling) on pedicle screw in craniocaudal (CC) and mediolateral (ML) directions loosens the screw and affects the pullout force and stiffness.

Three specific objectives were defined to verify the hypotheses using two experimental protocols. The first specific objective was to develop and validate tools measuring the indentation force while performing the pilot hole and the insertional torque during pedicle screw insertion. The second objective was to compare the screw loosening mechanisms through toggling in different modes and evaluate their effects on pedicle screw pullout force and stiffness. Finally, the third objective was to establish the relationships between the indentation force, the insertional torque and the screw pullout force and stiffness.

The first protocol was performed on synthetic bone surrogates mainly to explore the first specific objective. Furthermore, to account for the effect of various bone densities and toggling modes on pullout force and stiffness, pedicle screw were pulled out with and without toggling from synthetic bone surrogates of three different densities. With five repetitions, a total of 36 trials have been completed. Finally, potential relationships between the indentation force and the insertional torque with the pullout force and stiffness were explored. The second protocol was performed on porcine vertebrae to investigate the second and the third specific objectives. As the second specific objective, three toggling modes (CC, ML and no toggling (NT)) were performed on porcine lumbar vertebrae ranging from L1 to L3. The screws were then submitted to axial pullout test. A complete design of experiment with two factors and three levels (32 = 9 trials) was used to investigate on the main effect of toggling mode and vertebral level on screw pullout force and stiffness, as well as their quadratic interactions. With five repetitions, a total of 54 trials were performed on 27 isolated vertebrae, using both pedicles. Finally, potential relationships were investigated between the indentation force while performing a pilot hole, the insertional torque during screw insertion, and the pullout force and stiffness with and without toggling.

The results of the first protocol suggest that screw toggling significantly affects the pullout force (P = 0.01) and stiffness (P < 0.0001). A higher pullout force and stiffness was demonstrated for higher density without toggling. The effect of density was higher than the effect of toggling on pullout force. The indentation force while performing the pilot hole was significantly correlated to pullout force and stiffness (r = 0.99, P < 0.0001 and r = 0.92, P < 0.0001 respectively). Strong correlations were also shown between the insertional torque during screw insertion and the pedicle screw pullout force and stiffness (r = 0.98, P < 0.0001 and r = 0.91, P < 0.0001 respectively).

The study on porcine vertebrae showed that screw toggling significantly affects the pullout force (P = 0.0004) and stiffness (P < 0.0001). The lowest pullout force and stiffness were illustrated for CC toggling while the highest ones were shown without toggling (NT). The effect of vertebral level on pullout force was higher than the effect of toggling. Lower pullout force and higher stiffness were observed at anatomically lower vertebra level (L3). The effect of toggling was more important on the stiffness than the pullout force at all vertebral levels. Significant differences in pullout force were shown between CC toggling and no toggling (P = 0.03) and between CC and ML toggling (P = 0.02). For the stiffness, significant différences were shown between all toggling modes (CC and NT: P < 0.0001, ML and NT: P = 0.0002, CC and ML: P = 0.0003). The indentation force, the insertional torque and the BMD had the highest important correlations with pullout force with and without toggling (0.71 < r < 0.88). For the stiffness after CC toggling and with no toggling, the indentation force, the insertional torque and the BMD had the most important negative correlations (-0.60 < r < -0.85). Multiple regression analysis showed that BMD and insertional torque improve the estimation of pullout force after CC or ML toggling (R2 > 0.85, P < 0.0001). For pullout force without toggling BMD and pedicle area were the main contributing factors to the regression model. For the stiffness with and without toggling, the indentation force was the single best factor with highest contribution to the regression model.

In conclusion, pedicle screw toggling significantly affects the pedicle screw pullout force and stiffness. Screw toggling, in particular CC toggling, should be considered in the biomechanical evaluation of pedicle screw fixation strength. Furthermore, the contribution of toggling was more important on the stiffness than the pullout force. The effect of vertebral level should be considered in determining the fixation strength. The developed instruments and methods for indentation force measurement during pilot hole creation and insertional torque measurement during screw insertion were reproducible, and provide valuable data to estimate pedicle screw pullout force and stiffness. The relationship between the pilot hole indentation force and screw insertional torque, and the screw pullout force and stiffness are a affected by the toggling mode. Indentation force and insertional torque measurements, together with BMD measurement, are recommended for a better estimation of pedicle screw fixation strength after CC toggling.

Résumé traduit

Les pathologies et les traumatismes de la colonne vertébrale peuvent compromettre gravement la qualité de vie des patients. L'intervention chirurgicale est souvent réalisée en utilisant des dispositifs de fixation internes. La fixation à l’aide de vis pédiculaires est une méthode bien établie qui assure une bonne stabilité du rachis post-instrumentation. Cependant, ce type de fixation est associé à des taux d'échec de complications qui peuvent représenter une préoccupation majeure, surtout avec l'avenue de nouvelles techniques chirurgicales plus agressives. De nombreuses études expérimentales ont été consacrées à l'évaluation de la résistance des fixations par vis pédiculaires. Les méthodes d'évaluation incluent la mesure de la densité minérale osseuse, des essais expérimentaux de mesure du couple d'insertion des vis et des essais de traction jusqu’à la rupture. La densité minérale de l’os a été utilisée pour estimer la force ultime d’extraction des vis pédiculaires. Plusieurs études ont aussi indiqué que le couple d'insertion de la vis peut prédire la solidité de fixation des vis pédiculaires alors que d’autres études ont trouvé le contraire. Cette controverse illustre la nécessité d'améliorer la compréhension des facteurs liés à la résistance des fixations par vis pédiculaires. De plus, les mécanismes de relâchement des vis pédiculaires affectant la rigidité de fixation et conduisant à l'échec demeurent mal compris.

L'objectif principal de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes de relâchement des vis pédiculaires et les facteurs biomécaniques liés à la solidité de fixation des vis pédiculaires. Cet objectif est relié à deux hypothèses, soient : 1) la force d’indentation appliquée lors du perçage du trou pilote dans l’os vertébral et le couple d'insertion des vis pédiculaire sont reliés à la force d’arrachement des vis et à la rigidité de fixation; 2) un chargement cyclique de flexion des vis pédiculaires dans les directions craniocaudale (CC) et médio-latérale (ML) provoquent un relâchement des vis pédiculaire affectant la force d’arrachement et la rigidité de fixation.

Trois objectifs spécifiques ont été définis pour vérifier ces hypothèses en utilisant deux protocoles expérimentaux. Le premier objectif spécifique est de développer et valider des outils de mesure de la force de pénétration lors du perçage du trou pilote et du couple d'insertion des vis pédiculaires. Le deuxième objectif est de comparer les mécanismes de relâchement des vis pédiculaires par flexion selon différents modes et d'évaluer leur effet sur la force d’arrachement et la rigidité de fixation des vis. Enfin, le troisième objectif est d'établir les relations entre la force d'indentation, le couple d'insertion, la force d’arrachement et la rigidité de fixation des vis pédiculaires.

Le premier protocole a été réalisé sur des échantillons d'os synthétique afin d’atteindre principalement le premier objectif spécifique. Dans ce protocole, des échantillons de trois densités différentes ont été utilisées pour faire des essais de traction des vis jusqu’à l’arrachement avec et sans chargement cyclique en flexion a priori. Cinq répétitions ont été réalisées pour chaque essai pour un total de 36 essais réalisés dans ce premier protocole. Les relations potentielles entre la force d'indentation et le couple d'insertion des vis avec la force d'arrachement et la rigidité ont été investigués. Le second protocole a été effectué sur des vertèbres porcines pour atteindre les deuxième et troisième objectifs spécifiques. Trois modes de chargement en flexion (CC, ML et aucun (NT)) ont été effectuées sur 27 vertèbres lombaires (L1 à L3) porcines. Les vis ont ensuite été soumises à un essai de traction axiale jusqu’à l'arrachement. Le résultat est un plan d'expérience complet à deux facteurs et trois niveaux (32 = 9 essais) permettant d’étudier l'effet du mode flexion cyclique et du niveau vertébral sur la force d’arrachement des vis et leur rigidité de fixation, ainsi que leurs interactions quadratiques. Avec cinq répétitions, un total de 54 essais ont été effectués en utilisant les deux pédicules de chaque vertèbre. Enfin, des régressions linéaires multiples ont été investiguées entre la force d'indentation du trou pilote, le couple d'insertion des vis, la force d'arrachement et la rigidité de fixation des vis avec et sans flexion a priori.

Les résultats du premier protocole suggèrent que le chargement cyclique en flexion des vis affecte significativement la force d’arrachement (P = 0,01) et la rigidité de fixation (P < 0,0001) des vis pédiculaires. De plus, une force de traction et une rigidité plus élevées ont été démontrées pour les échantillons de plus grande densité lorsqu’aucun chargement cyclique de flexion n’est appliqué. L'effet de la densité est plus élevé que l'effet du chargement en flexion sur la force d’arrachement des vis. La force de pénétration lors du perçage du trou pilote est significativement corrélée avec la force d'arrachement (r = 0,99, P < 0,0001) et la rigidité de fixation(r = 0,92, P < 0,0001). De fortes corrélations ont également été obtenues entre le couple d'insertion de la vis et la force d’arrachement (r = 0,98, P < 0,0001) et la rigidité de fixation (r = 0,91, P < 0,0001).

L'étude sur les vertèbres porcines a montré que le chargement en flexion cyclique de la vis pédiculaire affecte significativement la force d’arrachement (P = 0,0004) et la rigidité de fixation (P < 0,0001). La force d’arrachement et la rigidité la plus faible ont été illustrées pour la flexion cranio-caudale (CC) tandis que les plus élevés ont été observés sans flexion (NT). L'effet du niveau vertébral sur la force d’arrachement est plus élevé que l'effet du chargement en flexion de la vis. Une force de traction plus faible et une plus grande rigidité de fixation des vis ont été observées au niveau des vertèbres L3. L'effet du chargement en flexion est plus important sur la rigidité de fixation que tu sur la force d’arrachement pour chaque niveau vertébral. Des différences significatives ont été observées sur la force d’arrachement des vis pédiculaires entre les modes de flexion CC et NT (P = 0,03) et entre CC et ML (P = 0,02). Pour la rigidité de fixation des vis, des différences significatives ont été observées entre tous les modes de chargement en flexion (CC et NT: P < 0,0001, ML et NT: P = 0,0002, CC et ML: P = 0,0003). La force d'indentation, le couple d'insertion et de la densité osseuse présentent des corrélations importantes avec la force d’arrachement avec ou sans chargement en flexion des vis (0,71 < r < 0,88). La force d'indentation, le couple d'insertion et de la densité osseuse présentent d’importantes corrélations négatives (-0,60 < r < -0,85) avec la rigidité de fixation des vis pour les chargements en flexion CC et NT. Les analyses de régressions multiples ont montré que la densité osseuse et le couple d'insertion des vis permettent d'estimer la force de d’arrachement après flexion cyclée CC ou ML (R2 > 0,85, P < 0,0001). Pour la force d’arrachement sans chargement cyclique des vis, la densité osseuse et l’aire des pédicules sont les principaux facteurs qui contribuent au modèle de régression. La force d’indentation lors du perçage du trou pilote est le meilleur prédicteur de la rigidité de fixation des vis avec et sans chargement en flexion.

En conclusion, le chargement cyclique en flexion affecte significativement la force d’arrachement des vis pédiculaires et leur rigidité de fixation dans l’os. Le chargement cyclique en flexion, en particulier dans la direction cranio-caudale, devrait être considérée dans l'évaluation biomécanique de la fixation à l’aide de vis pédiculaires. De plus, la contribution du chargement en flexion est plus importante pour évaluer la rigidité de fixation que la force d’arrachement des vis pédiculaires. L'effet de niveau vertébral devrait aussi être considéré dans l’évaluation de la fixation par vis pédiculaires. Les outils et les méthodes développés dans ce projet pour mesurer la force d’indentation lors du perçage du trou pilote et le couple d'insertion des vis pédiculaires fournissent des données précieuses et reproductibles pour estimer la force d'arrachement et la rigidité de fixation des vis pédiculaires. La relation entre la force d’indentation, le couple d'insertion des vis, la force d’arrachement et la rigidité de fixation des vis est affectée par le mode de chargement en flexion des vis. Il est donc recommandé de mesurer la force d’indentation, le couple d'insertion des vis pédiculaires et la densité minérale osseuse pour évaluer la fixation vertébrale à l’aide de vis pédiculaires.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement [i.e. fulfillment] of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 141-154.
Mots-clés libres:	Vis (Ostéosynthèse) Essais. Vis (Ostéosynthèse) Propriétés mécaniques. Flexion (Mécanique) Colonne vertébrale Propriétés mécaniques. Biomécanique. Colonne vertébrale Lésions et blessures Traitement. Colonne vertébrale Malformations Traitement. Ostéosynthèse. vis pédiculaire, mécanismes de relâchement, chargement cyclique en flexion, rigidité de fixation, force d'indentation, couple de serrage à l'insertion, densité minérale osseuse
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Petit, Yvan
Codirecteur:	Codirecteur Mac-Thiong, Jean-Marc
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	27 nov. 2015 17:09
Dernière modification:	10 déc. 2016 16:56
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1566

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