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Limiting interpedicular screw displacement increases shear forces in screws: A finite element study - 18/08/17

Doi : 10.1016/j.otsr.2017.05.004 
L.V.P.C. Lima a, c, , Y.P. Charles b, P. Rouch a, W. Skalli a,
a Institut de biomécanique humaine Georges-Charpak/LBM, arts et métiers ParisTech, 151, boulevard de l’Hôpital, 75013 Paris, France 
b Service de chirurgie du Rachis, hôpitaux universitaires de Strasbourg, clinique chirurgicale B, 1, place de l’Hôpital BP 426, 67091 Strasbourg, France 
c Universidade Estadual do Rio de Janeiro, Instituto Politécnico Rua Bonfim, 25, Vila Amélia, 28.625-570 Nova Friburgo, RJ, Brazil 

Correspondings authors. Institut de biomécanique humaine Georges-Charpak/LBM, arts et métiers Paris Tech, 151, boulevard de l’Hôpital, 75013 Paris, France.

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Abstract

Background context

Screw loosening has been reported for non-fusion devices. Forces on pedicle screws could be related to kinematic parameters as the interpedicular displacement (ID), which consists of the displacement between superior and inferior screw heads from full extension to full flexion.

Purpose

To investigate the relationship between ID and screw loosening for different designs of posterior implants using a finite element model.

Methods

An L3-sacrum previously validated spine FE model was used. Three-rod designs were considered in L4-L5 segment: a rigid screw-rod implant, a flexible one and a specific design with a sliding rod providing limited restrain in ID. In order to simulate intermediate configurations, the friction coefficient between the sliding rods and connectors were varied. The sacrum was rigidly fixed. Rotations (flexion-extension, lateral bending and axial rotation) were applied to L3, for each modeled configuration: intact, injured, injured with different implants. Model consistency was checked with existing experimental in vitro data on intact and instrumented segments. Screw loads were computed as well as ID.

Results

In flexion-extension, the ID was less than 2mm for rigid (R) and flexible (F) constructs and 5.5mm for intact spine and the sliding implant (S3). Screw's shear forces were 272N, 153N, 43N respectively for R, F and S3 constructs.

Conclusions

Implants that allow ID presented lower screws loads. A compromise between the ability of the implant to withstand compressive forces, which requires longitudinal stiffness, and its ability to allow ID could be important for future implant designs in order to prevent screw loosening.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Lumbar spine biomechanics, Facet supplementation, Segmental kinematics, Annulus stress, Adjacent levels


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Vol 103 - N° 5

P. 721-726 - septembre 2017 Retour au numéro
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