CONTRIBUCIÓN DEL DISCO INTERVERTEBRAL A LA INESTABILIDAD DE LAS FRACTURAS. Autores: Manuel F. Carbajal Romero; Ricardo G. Rodríguez Cañizo; Manuel Dufoo Olvera; Luis H. Hernández Gómez, Guillermo Urriolagoitia Calderón; Zeferino Damian Noriega y Víctor Manuel Domínguez Hernández. Sección de Estudios de Posgrado e Investigación (SEPI), Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME) Unidad Zacatenco
Resumen Este Trabajo fue realizado conjuntamente entre el I.P.N. en su Sección de Estudios de Posgrado e Investigación (SEPI-ESIME Zacatenco) y el Hospital General de la Villa (Servicio de Columna). El estudio consiste en establecer cuál es la contribución del disco intervertebral a la inestabilidad de una fractura. El propósito es determinar cual es la distribución de esfuerzos producida en un espécimen sano cuando se le aplica carga, y compararla con especimenes que sufren daño en los diferentes cuadrantes del disco intervertebral. De esta manera, se puede establecer en que grado contribuye el disco intervertebral a la transmisión y distribución de carga. El estudio se realizó de manera numérico-experimental. La parte numérica se realizó empleando el paquete de elementos finitos ANSYS; mientras que la parte experimental se realizó por medio de la técnica fotoelástica de reflexión.
Introducción. Existen en la actualidad estudios realizados al disco intervertebral en donde se establece la función mecánica del mismo [1, 2, 3, 4, 5,6]. Sin embargo, ninguna de ellas sugiere su participación como factor importante en la inestabilidad de una fractura. Aunado a esto, las clasificaciones actuales de fracturas, como las propuestas por Nicoll [7], Holdsworth [8], Nelly y Whiteside [9], y Denis [10], descartan totalmente la condición del disco vertebral para establecer si una fractura es de carácter estable o inestable. La inestabilidad de la fractura radica solamente en la condición del cuerpo vertebral afectado. Es importante considerar este hecho, ya que en la actualidad, al considerarse una fractura inestable es necesario instrumentar con fijadores para estabilizar el daño. Pero si se habla que un daño existente en el disco vertebral, intensifica los esfuerzos producidos en el cuerpo vertebral, y éste último se encuentra en mal estado, obviamente que la instrumentación ya no es suficiente para estabilizar la columna. De esta manera, el estudio presentado aquí marca la pauta para establecer que al momento de diagnosticar si la fractura es estable o inestable se tenga en consideración la condición física del disco intervertebral.
Desarrollo. Análisis Experimental. La técnica experimental utilizada para este estudio fue la fotoelasticidad reflectiva. El tipo de laca utilizada fue PL1 con un catalizador denominado PLH1. El tipo de adhesivo reflejante utilizado es PC1. El espesor de la laca fue de 1.5 mm con una superficie de 20x20 cm. Se analizaron cuatro especimenes de prueba que corresponden a los casos siguientes: Caso 1: Disco vertebral intacto. Caso 2: Disco vertebral con daño anterior. Caso 3: Disco vertebral con daño posterior. Caso 4: Disco vertebral con daño derecho.
... Análisis Experimental. Los especimenes utilizados en este ensayo son vértebras porcinas seccionadas en la región de L2-L3-L4. Para tener una idea bastante precisa de lo que ocurre se elimina la porción posterior de la vértebra (facetas, pedículos, apófisis) y se hace uso solamente del cuerpo vertebral y de los discos vertebrales. Para simular el daño en el disco vertebral se realizaron pequeñas incisiones en forma de ventana que abarcan la cuarta parte del cuadrante correspondiente. La profundidad de las incisiones son tales que propicien daño en el anillo fibroso y en el núcleo pulposo. El disco que se daño fue el localizado entre L2 y L3. La figura 1 muestra una fotografía de uno de los discos con daño anterior.
Figura Disco intervertebral con daño anterior.
Se recubrió con laca el cuerpo vertebral central para establecer de manera indirecta la función del disco vertebral en la transmisión de la carga cuando éste se encuentra intacto o dañado. En otras palabras, la distribución de esfuerzos observada en el cuerpo vertebral es proporcional a la condición del disco vertebral, de esta manera cualquier alteración en su condición modifica el patrón de franjas observado. La figura 2 muestra la fotografía de uno de los especimenes ya conformado con la laca fotoelástica. La máquina de ensayos utilizada en este caso fue una INSTRON con capacidad de 1 Ton. Las cargas aplicadas a cada uno de los especimenes fueron 150, 200 y 250 Kg. Se fotografió el patrón de franjas isocromáticas para determinar el valor de los esfuerzos generados en la vértebra. La figura 3 muestra una fotografía de una vértebra con daño anterior y con carga de 150 Kg. en donde se observa claramente el patrón de franjas isocromáticas generado.
Figuras. Espécimen de prueba conformado con laca fotoelástica y Espécimen de prueba con daño anterior cargado a compresión de 150 Kg.
Los resultados generales obtenidos por medio de fotoelasticidad se muestran en la tabla. Tabla Resultados experimentales obtenidos por medio de fortoelasticidad. ESFUERZO OBSERVADO [MPa] CARGA (Kg.) INTACTA ANTERIOR POSTERIOR DERECHO 150 26.6 48.8 40.7 38.3 200 29.6 50.5 48.8 43.2 250 38.3 59.5 50.5 48.8
La Gráfica muestra la comparación de estos resultados. Grafica Comparación entre valores de esfuerzos obtenidos de manera experimental. 70.00 COMPARACION DE ESFUERZOS DEL ENS AYO EXP ERIM ENTAL 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 INT ANT POST DER 10.00 0.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 CARGA (Kg)
Análisis Numérico. El análisis numérico se realizó a través del paquete de cómputo ANSYS. Se generaron seis modelos que representan cada uno de los casos de estudio (intacta, anterior, posterior, derecho, izquierdo y superior). El número de elementos finitos obtenidos por cada modelo es de 45 000.
Tabla 2. Propiedades mecánicas de los materiales utilizados en el modelo numérico. Material Orgánico Modulo de Elasticidad (MPa) Relación de Poisson No. Elementos H. Trabecular 0.1 (xyz) 0.3 23,371 H. Cortical 17e3(z) 11.5e3 (xy) 0.33 4,630 Fibras 0.5 a 30 150 plano xz 0.3 9,657 Núcleo Pulp Placas T.004 (xyz) 0.499 0.5 (xyz) 0.4 1,265 7,588
Para la construcción de los modelos se hizo uso de vértebras porcinas (mismas que se emplearon para el análisis experimental). Estas vértebras fueron seccionadas y fotografiadas para obtener la mayor información posible; posteriormente las fotografías fueron digitalizadas y procesadas con CAD con la intención de hacer el levantamiento geométrico que permitiera la construcción del modelo. Por último el modelo generado fue introducido al Paquete de Elementos Finitos para su análisis. Las corridas realizadas corresponden a todos los casos de estudio mencionados anteriormente a los mismos niveles de carga. La finalidad del análisis numérico es dar un panorama mucho más amplio de la distribución de esfuerzos generados en la zona de L3 ya que el modelo se puede rotar o mover en cualquier dirección de interés, situación que no es posible hacer de manera experimental.
Figura Modelo creado en ANSYS.
Figura Modelo ANSYS que simula el daño anterior en el disco vertebral.
Los resultados generales de este análisis se listan en la tabla. Tabla. Resultados obtenidos por ANSYS. CARGA (Kg.) ESFUERZO OBSERVADO [MPa] INT. ANT. POST. DER. IZQ. SUP. 150 0.303 1.80 9.19 2.63 5.88 1.13 200 0.304 2.40 12.2 3.52 7.83 1.50 250 0.510 3.00 15.3 4.39 9.80 1.88
Gráfica Comparación de esfuerzos obtenidos de manera numérica COMPARACION DE ESFUERZOS OBTENIDOS EN ANALSIS NUM ERICO 18 16 14 12 10 INT ANT POST 8 6 4 2 0 0 100 200 300 CARGA (Kg) DER IZQ SUP
Análisis de Resultados. De acuerdo a los resultados obtenidos tanto del análisis experimental como del numérico, se puede establecer que cualquier daño en el disco vertebral, sea anterior, posterior, izquierdo, derecho o superior, incrementa de manera considerable los esfuerzos localizados en el cuerpo vertebral central, siendo el daño más critico el que presenta el disco en su parte posterior. Esto indica que el disco vertebral deja de hacer su función de disipador de energía cuando éste se encuentra dañado. Hay que observar que el disco dañado no deja de cumplir su función de distribuidor de esfuerzo, sólo que al existir el daño, los niveles de esfuerzo distribuidos a lo largo del cuerpo vertebral indudablemente son mucho mayores.
... Análisis de Resultados. La explicación del aumento de Esfuerzo en el cuerpo vertebral central radica en el concepto mismo de esfuerzo desde su concepción física. Se sabe que el esfuerzo es la respuesta interna del material ante solicitaciones externas y se mide por medio de la fuerza presente en un elemento por unidad de área, en el caso del disco vertebral intacto el área que se tiene para soportar la carga es máxima, de esta manera el disco vertebral tiene mayor capacidad de absorber una gran cantidad de energía que recibe y de distribuir de una manera determinada el Esfuerzo al cuerpo vertebral siguiente. Ahora bien, cuando a esa área se le sustrae una porción considerable, el patrón de esfuerzos se ve modificado de manera substancial. Los resultados obtenidos son relevantes desde el punto de vista médico, ya que establecen que al existir un daño en el disco intervertebral cuando existe fractura en una de las vértebras incrementa de manera considerable la inestabilidad de la misma independientemente de la clasificación actual de las fracturas.
Conclusiones. Se puede decir que el disco intervertebral tiene que ser considerado al momento de diagnosticar la condición de una fractura. Esto implica que el medico además de pensar en la instrumentación común tenga en mente la condición del disco intervertebral, sobre todo cuando el daño en este último es posterior ya que reporta ser el daño que incrementa más los esfuerzos producidos en el cuerpo vertebral adyacente. Una posible solución, cuando el disco vertebral ha sufrido daño, es colocar un injerto óseo que refuerce el espacio intervertebral, y de esta manera compensar la debilidad que presenta el disco.
Referencias. 1.Brown, T., Hanson, R., and Yorra, A., Some mechanical test on the lumbo-sacral spine with particular reference to the intervertebral disc, J. Bone Joint Surg., 39A:1135, 1957. 2.Hirsch, C., The reaction of intervertebral disc to compression forces, J. Bone Joint Surg., 37A:1188, 1955. 3.Hirsch, C., and Nachemson, A., A new observation on the mechanical behavior of lumbar disc, Acta Orthop. Sacand., 23:254, 1954. 4.Hirsch, C., The mechanical response in normal and degenerated lumbar disc, J. Bone Joint Surg., 38A:242, 1956. 5.Markolf, K.L., and Morris, J. M., The structural components of the intervertebral disc, J. Bone Joint Surg., 56A:675, 1974. 6.Nicoll EA, Fractures of the dorso-lumbar spine, J. Bone Joint Surg Br 31:376,1949. 7.Holdsworth f, Fractures, dislocations, and fracture-dislocations of the spine, J. Bone Joint Surg Am 52:1534,1970 8.Kelly RP, Whitesides TE, Treatment of lumbodorsal fracturedislocations, Ann Surg 1968. 9.Reuber M, Schultz A, Dennis F, et al, Bulging of lumbar intervertebral disc, J. Biomech Eng. 104:187,1982.
GRACIAS POR SU ATENCIÓN