低侵襲性のアトラントキシャル前部経関節ネジ固定のための新規統合ネジの設計：有限要素解析を行った

Design a novel integrated screw for minimally invasive atlantoaxial anterior transarticular screw fixation: a finite element analysis.

• Yingkai Zhang
• Cheng Li
• Lei Li
• Yanyan Sun
• Zeqing Li
• Yunli Mei
• Xinyuan Feng

抄録

目的:

従来のスクリューよりも大幅に太い直径を持ち、両端にネジ構造を持ち、中央に多孔質金属構造を持つ、低侵襲のアトランタキシャル前部経関節スクリュー（AATS）固定のための新しいタイプのスクリューを設計すること。多孔質金属構造体を使用することで、骨癒合を効果的に促進することができ、従来のAATSの欠点である固定強度の不足や骨癒合の難しさを補うことができる。このスクリューの生体力学的安定性は、有限要素解析により検証された。この装置は、無関節軸障害の治療に新たな外科手術の選択肢を提供する可能性がある。

PURPOSE: To design a new type of screw for minimally invasive atlantoaxial anterior transarticular screw (AATS) fixation with a diameter that is significantly thicker than that of traditional screws, threaded structures at both ends, and a porous metal structure in the middle. The use of a porous metal structure can effectively promote bone fusion and compensate for the disadvantages of traditional AATSs in terms of insufficient fixation strength and difficulty of bone fusion. The biomechanical stability of this screw was verified through finite element analysis. This instrument may provide a new surgical option for the treatment of atlantoaxial disorders.

方法:

本発明の手術方法によれば、本発明の新型ＡＡＡＴＳを三次元の無足軸モデルに配置し、構造体の直径、長さ、およびスレッドと多孔質金属の比率などの関連パラメータの設定を決定した。測定結果に基づき、新型AATSの実現可能性と安全性を検証し、上部頸椎の代表的な有限要素モデルを選択して確立し、モデルの妥当性を検証した。その後、無端軸後ペディクルスクリュー固定、従来の無端軸AATS固定、新型スクリューを用いた無端軸AATS固定の3つのモデルを用いて有限要素ベースのバイオメカニクス解析を行い、新型AATSのバイオメカニクス的有効性を検証した。

METHODS: According to the surgical procedure, the new type of AATS was placed in a three-dimensional atlantoaxial model to determine the setting of relevant parameters such as the diameter, length, and thread to porous metal ratio of the structure. According to the results of measurement, the feasibility and safety of the new AATS were verified, and a representative finite element model of the upper cervical vertebrae was chosen to establish, and the validity of the model was verified. Then, finite element-based biomechanical analysis was performed using three models, i.e., atlantoaxial posterior pedicle screw fixation, traditional atlantoaxial AATS fixation, and atlantoaxial AATS fixation with the new type of screw, and the biomechanical effectiveness of the novel AATS was verified.

結果:

このようにして得られた代表的な３０歳の正常成人男性の無端軸パラメータを測定することにより、代表的な３０歳の正常成人男性の無端軸ＣＴデータを選択して、パーソナライズされた３ＤプリントＡＡＴＳスクリューを作成した。この場合の設計パラメータは，直径6mm，頭部ねじ構造の長さ10mm，中間多孔質金属構造の長さ8mm（環状円柱を含む中間多孔質構造），尾部ねじ構造の長さ8mm，全長26mmとし，このうち頭部ねじ構造と尾部ねじ構造の長さは，直径6mm，頭部ねじ構造の長さ10mm，中間多孔質金属構造の長さ8mm，尾部ねじ構造の長さ8mm，全長26mmとした。確立された3種類のアトランティック融合モードの有限要素モデルにおいて、異なる方向に沿ってアトランティック複合体に同じ荷重条件を適用すると、新しいAATSの即時安定性は、アトランティック後ペディクルスクリュー固定と同様であり、どちらも従来のアトランティック前部スクリュー固定よりも優れている。

RESULTS: By measuring the atlantoaxial parameters, the atlantoaxial CT data of the representative 30-year-old normal adult male were selected to create a personalized 3D printing AATS screw. In this case, the design parameters of the new screw were determined as follows: diameter, 6 mm; length of the head thread structure, 10 mm; length of the middle porous metal structure, 8 mm (a middle porous structure containing an annular cylinder ); length of the tail thread structure, 8 mm; and total length, 26 mm. Applying the same load conditions to the atlantoaxial complex along different directions in the established finite element models of the three types of atlantoaxial fusion modes, the immediate stability of the new AATS is similar with Atlantoaxial posterior pedicle screw fixation.They are both superior to traditional atlantoaxial anterior screw fixation.The maximum local stress on the screw head in the atlantoaxial anterior surgery was less than those of traditional atlantoaxial anterior surgery.

結論:

扁桃軸に関連するデータを測定することで、AATS手術ではより大きな直径のスクリューが使用可能であり、新しいAATSは扁桃軸側の質量空間をフルに活用し、固定の安定性を高めることができることがわかりました。また、有限要素法による解析と検証の結果、新AATSの生体力学的安定性は、従来のATRATR固定に用いられていたAATSよりも優れていることが明らかになった。新型AATSの多孔質金属構造は、低侵襲前アプローチ手術において、前足軸関節間の癒合を促進し、より効果的な骨癒合を可能にする可能性があると考えられる。

CONCLUSIONS: By measuring relevant atlantoaxial data, we found that screws with a larger diameter can be used in AATS surgery, and the new AATS can make full use of the atlantoaxial lateral mass space and increase the stability of fixation. The finite element analysis and verification revealed that the biomechanical stability of the new AATS was superior to the AATS used in traditional atlantoaxial AATS fixation. The porous metal structure of the new AATS may promote fusion between atlantoaxial joints and allow more effective bone fusion in the minimally invasive anterior approach surgery.