Biomechanical effects of improved artificial disc design and anterior longitudinal ligament reconstruction on hypermobility in total disc replacement

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Lumbar total disc replacement (TDR) has become one of the alternative treatment options to lumbar fusion, which has been the gold standard in treating spinal degenerative diseases for decades. Recently, a number of studies have been conducted to understand the biomechanical effect of TDR and improve its prognosis. The hypermobility of the artificial disc which causes progressive facet arthrosis and disc migration has been reported as a serious problem after TDR. To understand the biomechanical effect and state of patients, there have been studies using finite element analysis to analyze the biomechanical effects of TDR. Although these studies were helpful in the biomedical understanding of TDR, they could not provide generalized reliability since they only used a single spine model. Not only finite element analysis, but also clinical studies also conducted on TDR. Researchers have studied the effects of reconstruction of the anterior longitudinal ligament (ALL) removed during surgery. However, the only study on the reconstruction of ALL did not have a comparative group and, as a result, could not analyze the biomechanical effects precisely. No study has conducted to improve the design of artificial disc in way of limit the motion range to prevent the migration risk of AD. The biomechanical parameters observed in previous studies does not include the displacement of surgical segment which closely related to risk of migration. Although there are individual differences in the geometry and biomechanical state of human lumbar, no finite element analysis studies have conducted using statistical analysis. Unlike the studies conducted previously, in this study, using six subject specific finite element models, improvement on design of artificial disc to limit the range of motion of surgical segment was conducted. After finite element analysis, the biomechanical effects of the reconstruction of the ALL and the improvement of the artificial disc design were analyzed statistically. The main improvement of this study on design of artificial disc is stopper structure added on artificial disc to limit the motion at an appropriate level to reduce the risk of hypermobility and disc migration. Using stopper structure, the motion of surgical segment was limited at 4 degree which is reported as normal value of normal range of motion of L4-L5 segment in previous studies. To exclude the effect of gender differences, all subjects were limited to female which were reported to have more severe symptoms then male when degenerative diseases progress. The finite element models for four cases were constructed for each subject: intact model, surgical model with TDR, surgical model with design improvement and surgical model with TDR and ALL reconstruction. Four representative behaviors of the spine were simulated through finite element analysis. Intradiscal pressure of the adjacent segment, the range of motion of segments and the contact force of the posterior joint were evaluated. A moment of 7.5Nm and the 400 N of compressive force were applied to simulate the motion and the muscle force on the lumbar spine. Statistical significance was analyzed by conducting a Wilcoxen rank-sum test between the groups. Since there is significant differences in geometry and biomechanical state of lumbar, results of finite element analysis are distributed over a wide range. Therefore, conducting a statistical method in analyzing these results can provides a general understanding of lumbar biomechanics. As the result of numerical comparison, ALL reconstruction reduced the hypermobility of surgical group. Subjects with disc improvement improved most of biomechanical parameters compared to normal surgical group. Although the improvement on L4 displacement which related to the risk of migration, in surgical group with ALL reconstruction was obvious the statistical analysis result of surgical groups with ALL reconstruction compare to intact group was not significantly different from the result of normal surgical group compare to intact group. However, the statistical analysis of surgical group with design improvement showed obvious differences in several parameters including L4 displacement which closely related to risk of migration of artificial disc from analysis result of normal surgical group compared to intact group.

국문 초록 (Abstract)

요추 추간판 치환술은 척추 퇴행성 질환에서 수십년간 기존 골든 스탠다드였던 요추 유합술의 대체 치료법 중 하나로 지목되는 치료법이다. 추간판 치환술의 효과를 개선하거나 예후를 제거하려는 연구가 과거부터 진행되어왔다. 치환된 인공디스크의 과운동성은 요추 인공 디스크 치환술의 주요 문제점인 후관절염 및 디스크 이탈과 관련되어 있다. 치환된 인공 디스크의 의공학적 효과를 분석하기위한 다수의 연구가 유한 요소 해석을 사용해 진행되었다. 이러한 연구들은 추간판 치환술에 대한 의공학적인 이해를 돕는 것이지만 대다수가 단일 척추 모델만을 사용하여서 일반화할 수 있는 이해를 제공하지는 못하였다. 임상 분야에서도 과운동성 제어를 위해 수술 중 제거되는 전종인대를 재건하는 연구가 진행된 바 있다. 그러나 전종인대 재건에 관한 유일한 연구는 비교군의 설정 및 엄밀한 의공학적 효과 분석을 하지는 못하였다. 인공 디스크의 이탈을 방지하기 위해 운동 범위를 제한하는 디자인 개선을 시도한 연구는 수행된 바 없다. 또한 이전 연구에서는 인공 디스크 이탈과 밀접한 관련이 있는 수술 분절의 변위를 관찰하지 않았다. 본 연구에서는 전종인대 재건, 인공 디스크 설계 개선의 의공학적 효과를 통계적으로 분석하였다. 총 6명의 피험자의 CT 이미지로부터 요추 유한 요소 모델을 구축하였다. 설계 개선을 위해 걸림턱 구조물을 추가하여 인공 디스크의 움직임을 4 도로 제한하였다. 성별 차이의 영향을 배제하기 위해 모든 피험자는 여성으로 제한하였다. 비손상 모델, 인공디스크가 삽입된 모델, 인공 디스크 삽입 후 전종인대가 재건된 모델, 개선된 인공디스크가 삽입된 모델 총 4가지 모델이 각 피험자마다 구축되었다. 척추의 대표적인 4가지 거동을 유한 요소 해석을 통해 시뮬레이션하고 인접 분절의 추간판내 압력, 수술된 분절과 인접 분절의 운동 범위, 후관절 접촉력을 평가하였다. 7.5Nm의 모멘트가 운동력으로 사용되었으며 400N의 follower load를 사용해 근육력을 묘사하였다. 평가된 의공학적 지표들을 각 집단 간의 통계적 유의성 검사를 진행하여 통계적으로 유의미한 그룹간 차이를 분석하였다. Wilcoxen 순위합 검정을 수행하여 통계적 유의성을 분석하였다. 수치 비교 결과 전종인대 재건은 수술 분절의 운동성을 감소시켰다. 개선된 인공 디스크 설계는 개선 전에 비해 대다수 생체 역학적 매개 변수를 개선하였다. 이탈 위험과 연관되어 있는 L4 변위의 평균값 수치는 통상 인공 디스크 수술에 비해 전종인대 재건을 포함한 치환술에서 10%, 설계 개선이 이뤄진 수술에서는 30 % 이상 감소했다. 전종인대 재건 수술 그룹의 정상 수술 그룹과의 통계적 유의차 비교 결과는 일반 수술 그룹과 유의한 차이가 없었다. 그러나 설계 개선은 과운동성의 주요 지표인 L4 변위를 포함한 여러 지표에서 일반 수술 그룹과는 다른 유의차 해석 결과를 보였다.