Biomechanical Modeling of Transforaminal Lumbar Interbody Fusion: A Comparative Assessment of Segmental Lumbar Lordosis and Risk of Cage Subsidence With Different Cage Heights and Placements

Les affections pathologiques du rachis lombaire telles que les discopathies dégénératives, les spondylolisthésis ou les hernies discales récurrentes sont connues pour produire des douleurs lombaires et peuvent nécessiter une instrumentation et fusion du rachis dans les cas les plus sévères. La fusion lombaire à l'aide d'un implant intersomatique par voie transforaminale (transforaminal lumbar interbody fusion ou TLIF) est une technique chirurgicale visant à restaurer la hauteur du corps intervertébral, la lordose lombaire segmentaire (SLL), et à accroître la stabilité de la colonne lombaire. La procédure standard implique l'ablation du noyau pulpeux (NP) et d'une partie de l'anneau de cartilage fibreux (AF), suivie de la décompression du segment et de l'insertion d'une cage intersomatique dans l'espace intervertébral par une approche médiolatérale. L'instrumentation postérieure vise en outre à stabiliser et permettre une fusion solide du segment rachidien. L'une des défaillances mécaniques du TLIF, qui menace le succès de la fusion, est l'affaissement des vertèbres au niveau de la cage et la perte associée de la hauteur du corps vertébral, avec une incidence rapportée entre 8.6 % et 38.1 %. Cet affaissement survient lorsqu'un plateau du corps vertébral ne peut résister aux forces transférées à l'interface plateau vertébral/cage. Bien que des études cliniques, des études expérimentales sur cadavres et des analyses numériques aient été réalisées sur l'utilisation de différentes formes, dimensions, configurations et hauteurs de cage, le rôle des paramètres essentiels de la cage, à savoir sa hauteur et sa position, en lien avec le risque de l'affaissement des plateaux vertébraux n'est pas entièrement compris biomécaniquement. L'objectif de ce mémoire était de comparer biomécaniquement les variations angulaires de lordose segmentaire et les risques d'affaissement en utilisant des cages intersomatiques pour différentes hauteurs et positions de cage, ainsi que pour différentes qualités de l'os. Pour répondre à l'objectif susmentionné, un modèle détaillé par éléments finis (MEF) de l'unité fonctionnelle L4-L5 a été créé sur la base du modèle SM2S (Spine Model for Safety and Surgery), précédemment développé et validé. Ce MEF est basé sur les images tomodensitométriques (épaisseur de coupe de 0.6 mm) d'un homme asymptomatique du 50e percentile. Le MEF comprend les os trabéculaires et corticaux du corps vertébral et des arcs postérieurs, le disque intervertébral, les facettes articulaires et sept ligaments. Le maillage du MEF a été réalisé et vérifié grâce à une étude de convergence et les propriétés des matériaux ont été adaptées de la littérature.

Abstract

Pathological conditions such as degenerative disc disease, spondylolisthesis, or recurrent disc herniation are known to produce back pain and may be indications for a lumbar spinal fusion for disabling low back conditions that were unsuccessfully improved with non-surgical treatments. Transforaminal lumbar interbody fusion (TLIF) is a surgical technique to restore the intervertebral body height, the segmental lumbar lordosis (SLL), and to add stability to the lumbar spine. The standard procedure involves the removal of the nucleus pulposus (NP) and a portion of the annulus fibrosus (AF), followed by decompression of the segment and insertion of the interbody cage into the intervertebral disc space through a mediolateral approach. Posterior instrumentation additionally aims to achieve a solid fusion at the spinal segment. Cage subsidence is one of the mechanical failures of TLIF which threatens the success of the spine fusion with a reported incidence between 8.6% and 38.1%. Cage subsidence is a situation where an endplate fails to withstand the transferred loads at the endplate-cage interface resulting in the loss of the intervertebral body height. Although clinical studies, cadaveric experimental investigations, and numerical analyses have investigated the use of different cage shapes, dimensions, configurations, and heights, the role of essential cage parameters, namely the height of cage and its placement strategy, in the risk of cage subsidence are not fully biomechanically understood. The objective of this project was to biomechanically assess the resulting SLL and stresses at the endplate-cage interface with the change of the cage height, its placement strategy, and the bone quality. To address the aforementioned objective, a detailed finite element model (FEM) of the L4-L5 functional unit was created based on the previously developed and validated Spine Model for Safety and Surgery (SM2S) FEM. The FEM of the L4-L5 functional unit is based on the CT-scan images (0.6 mm slice thickness) of a 50th percentile asymptomatic man. The FEM includes trabecular and cortical bones of the vertebral body and of the posterior processes, the intervertebral disc, the facet joints, and seven ligaments. The FEM was properly meshed and refined through a convergence study and material properties were adapted from the literature. Osteoporosis was modeled by reducing the Young's modulus of the cortical and trabecular bones by 33% and 66%, respectively.