Évaluation numérique de la fusion lombaire utilisant des cages solides et poreuses

Tran, Nguyen Dat (2020). Évaluation numérique de la fusion lombaire utilisant des cages solides et poreuses. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La fusion des vertèbres demeure le traitement « gold standard » pour les patients atteints de discopathie dégénérative au niveau lombaire. Les douleurs engendrées par cette pathologie se localisent majoritairement dans la région lombaire, mais peuvent aussi migrer vers les jambes du patient. La fusion lombaire implique alors l’utilisation d’une greffe osseuse, d’une cage intervertébrale et d’une instrumentation postérieure dans le but de fusionner les vertèbres supérieure et inférieure au disque dégénéré. La greffe favorise le remodelage osseux tandis que la cage et l’instrumentation stabilisent le segment vertébral traité en limitant son amplitude de mouvement. Des matériaux conventionnels tels que l’alliage de titane (Ti6Al4V) ou le polyétheréthercétone (PEEK) sont utilisés pour fabriquer la cage intervertébrale. Or, ces matériaux, étant typiquement solides, sont largement plus rigides que les structures osseuses. Une différence accrue de rigidité entre l’implant et l’os perturbe la distribution des contraintes et cela peut se manifester par une perte de matière osseuse, causée par le stress-shielding.

De cette problématique naît l’intérêt des matériaux poreux, dont la conception est rendue possible à l’aide de la fabrication additive. En ce qui concerne la fusion lombaire, les avantages apportés par les structures poreuses sont d’une part, une cage ayant un plus faible module de Young et, d’autre part, une ostéointégration améliorée par l’entremise d’un réseau de pores. Dans ce travail, l’objectif principal est d’évaluer l’effet des cages solides et poreuses sur le segment lombaire de la colonne vertébrale en employant les méthodes par éléments finis. Un modèle intact du segment L3-L5 est d’abord développé pour simuler le comportement biomécanique de la colonne vertébrale. L’instrumentation du modèle intact est ensuite simulée au niveau L4/L5 en retirant le disque intervertébral et en insérant la greffe, la cage et les fixations postérieures. Afin d’introduire la porosité dans les cages, on réduit leur module de Young étant donné qu’une porosité élevée se traduit par une rigidité moindre. Les modèles intact et instrumentés sont évalués selon les paramètres suivants : ROM, pression intradiscale, forces aux facettes et distribution des contraintes.

Les résultats obtenus valident dans un premier temps le modèle intact du segment L3-L5 en termes de ROM et de pression intradiscale. Dans un deuxième temps, ils permettent de constater l’effet de la cage intervertébrale, de sa porosité et de la fusion osseuse sur le segment L3-L5.
Notamment, la fusion lombaire diminue significativement l’amplitude de mouvement du segment lombaire, ce qui augmente la stabilité de ce dernier. De plus, la porosité tend à améliorer la distribution des contraintes à travers le segment lombaire, sans toutefois influencer sa stabilité.

Titre traduit

Numerical investigation of lumbar fusion using solid and porous interbody cages

Résumé traduit

To this day, spinal fusion is considered the “gold standard” procedure in regards of treating degenerative disc disease in the lumbar region. In advanced cases, this may lead to herniated discs, which in turn can cause radiating pain throughout the lower back and legs. To alleviate the pain, lumbar fusion aims to fuse the vertebrae adjacent to the degenerated disc. Fusion is obtained by the combined use of a bone graft, an interbody cage and posterior instrumentation. The bone graft acts as a catalyst which promotes bone remodelling whereas the interbody cage and posterior instrumentation are used to achieve segmental stability, by limiting its movement in all directions. Conventional methods primarily use lumbar cages made of titanium alloy (Ti6Al4V) or polyethertherketone (PEEK). Being typically solid, the stiffness of such materials is significantly higher than that of bony structures. Stress-shielding phenomenon originate from these high disparities in material stiffness which may trigger bone loss, also known as bone resorption.

To address this matter, additive manufacturing may be an interesting tool due to its ability to create porous materials. One of the advantages of porous structures is the fact that they can reduce the cage stiffness. They can also improve the implant’s osseointegration because the bone graft is able to grow within the pore network. In this work, the main objective is to investigate the effects of solid and porous cages on the lumbar spine by using finite element methods. An intact model of the L3-L5 segment is first developed to simulate the biomechanical behaviour of the lumbar spine. The intact model is then instrumented at the L4/L5 level by removing the intervertebral disc and inserting the bone graft, the cage and the posterior intrumentation. In order to imitate porosity, the cage’s Young’s modulus is reduced accordingly. As such, increasing the cage’s porosity is equivalent to lowering its stiffness. The intact and instrumented models are then evaluated according to these following parameters: ROM, intradiscal pressure, facet joint forces and stress distribution.

In retrospect, the results of this work first validate the L3-L5 intact model in terms of ROM and intradiscal pressure. Secondly, they allow us to witness the effects of interbody cages, their porosity and bone fusion in regards of the L3-L5 segment. Furthermore, lumbar fusion significantly reduces ROM at the treated level, which increases its stability. Also, porosity tends to improve the stress distribution within the lumbar spine, without affecting segmental stability.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie des technologies de la santé". Comprend des références bibliographiques (pages 99-108).
Mots-clés libres:	colonne vertébrale, fusion lombaire, cage intervertébrale, Ti6Al4V, porosité, modèle d’éléments finis
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Nuño, Natalia
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	11 sept. 2020 16:18
Dernière modification:	11 sept. 2020 16:21
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2527

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