The mechanical effect of outrigger rods and rod stiffness on quad rod constructs in long spinal instrumentation – a finite element perspective

Abstract-Text deutsch

Einleitung: Bei Patienten mit langen spinalen Fusionskonstrukten können Stabbrüche durch die hohe Beanspruchung der Instrumentierung erfolgen. In verschiedenen klinischen Fallberichten wurden Vier-Stab-Konstrukte mit unterschiedlichen Stabdurchmessern und -werkstoffen beschrieben und es wurde gezeigt, dass die Dauerhaftigkeit langer Konstrukte durch die Vier-Stab-Technik erhöht werden kann. Nichtdestotrotz ist weiterhin nicht abschließend geklärt, wie die Vier-Stab-Technik die Spannungen in den Primärstäben im Vergleich zur Zwei-Stab-Technik reduziert und ob und wie die Steifigkeit der Sekundärstäbe das Konstrukt beeinflusst. Der Zweck dieser biomechanischen Studie ist die Ermittlung der optimalen Wahl von Konstruktart und Stabkombination, um die Primärstabspannung unter Flexion und axialer Rotation zu minimieren.
Material/Methode: Das nichtlineare FE Modell einer Lendenwirbelsäule mit reduzierter Knochenfestigkeit wurde entwickelt und mittels Literaturdaten validiert. Anschließend wurden zwei unterschiedliche Konstruktarten langer Wirbelsäulenfusion L1 bis Ilium modelliert: Ein Zwei-Stab-Konstrukt und ein Vier-Stab-Konstrukt mit langen Sekundärstäben und geringer Verbinderdichte (Abbildung 1A, laterale und posteriore Ansicht). Die Stäbe wurden mit Ti6Al4V (Ti) und CoCr Materialeigenschaften sowie mit 5.5 und 6 mm Durchmesser modelliert, was zu zwanzig unterschiedliche Stabkombinationen führte. Alle Modelle hatten bilaterale Facettektomien und ALIF Cages in den Segmenten L4-L5-S1. Sie wurden durch ein Biegemoment von 7.5 Nm in Flexion und axialer Rotation beansprucht. Für beide Lastfälle wurden die maximalen Spannungen der Primärstäbe der Vier-Stab-Konstrukte ausgewertet und mit denen der entsprechenden Zwei-Stab-Konstrukten verglichen.
Ergebnisse: Spannungsverlauf sowie Wert und Stelle der maximalen Zugspannung sind beispielhaft für den Ø5.5 mm Ti Primärstab und Flexion in Abbildung 1 B F dargestellt: Zwei-Stab-Konstrukt (B), Vier-Stab-Konstrukt mit Sekundärstab Ø5.5 mm Ti (C), Ø6 mm Ti (D), Ø5.5 mm CoCr (E) und Ø6 mm CoCr (F).
Für alle Primärstabarten zeigte das Vier-Stab-Konstrukt mit der geringsten Sekundärstabsteifigkeit (Ø5.5 mm Ti) immer geringere Primärstabspannungen als das entsprechende Zwei-Stab-Konstrukt und kann somit standartmäßig und sicher gewählt werden (Tabelle 1). Die optimale Stabkombination für beliebige Primärstabsteifigkeiten ist unter Berücksichtigung von Flexion und axialer Rotation in Tabelle 1 dargestellt.
Diskussion: In unserem FE Modell zur Wirbelsäulenfusion mit langen Konstrukten wiesen Vier-Stab-Konstrukte mit geringer Sekundärstabsteifigkeit geringe Primärstabspannungen unter Flexion und axialer Rotation auf und erzeugten stets geringere Primärstabspannungen als Zwei-Stab-Konstrukte. Eine Tabelle zur Wahl des optimalen Sekundärstabes bei beliebigem Primärstab wurde erarbeitet. Vierstab-Konstrukte mit einer sorgfältigen Auswahl der Stabkombination eignen sich zur Begrenzung der Rate klinischer Stabbrüche.

Abstract-Text englisch

Introduction: Rod fractures can occur in long spinal fusion patients due to the high load exerted on the instrumentation. Various clinical cases with quad rod techniques with rods of different diameters and materials have been previously described and shown to improve survival of long spinal constructs. Nevertheless, there is no deeper mechanical understanding to which extent the quad rod technique reduces the stresses in the primary rods compared to the dual rod technique and if and how outrigger rod stiffness influences the construct. The purpose of this biomechanical study was to determine which construct type and rod combination to choose to optimally reduce the rod stresses in primary rods of long spinal fusion constructs in flexion and axial rotation.
Materials and Methods: A nonlinear finite element (FE) model of a lumbar spine with reduced bone strength was developed and validated by comparing its range of motion with literature data. Subsequently, two different construct types of long spinal fusion L1 to ilium were modeled: a dual rod baseline construct and a quad rod construct with long outrigger rods and low connector density (Figure 1A, lateral and posterior view). The rods were modeled with Ti6Al4V (Ti) and CoCr material properties and with diameters of Ø5.5 and Ø6 mm, leading to twenty different rod combinations. All models had bilateral facetectomies and ALIF cages placed in segments L4-L5-S1. They were subjected to moments of 7.5 Nm in flexion and axial rotation. For both load cases, the highest stresses in the primary rods of the quad rod constructs were evaluated and compared to those of the corresponding dual rod constructs.
Results: Exemplarily for the Ø5.5 mm Ti primary rods and flexion, the contour plot of Mises stress is shown in Figure 1 B-F with magnitude and location of the maximum tensile stress: dual rod (B), quad rod with outrigger rod of Ø5.5 mm Ti (C), Ø6 mm Ti (D), Ø5.5 mm CoCr (E) and Ø6 mm CoCr (F).
For all primary rod types, the quad rod construct with the lowest outrigger rod stiffness (Ø5.5 mm Ti) always had lower primary rod stresses than the corresponding dual rod construct and can therefore safely be chosen by default (Table 1). Taking flexion and axial rotation into account, the optimal rod combination can be found in Table 1 for any given primary rod stiffness.
Discussion: Based on our FE model, quad rod constructs with low outrigger rod stiffness typically showed low stresses in the primary rods of long spinal fusion constructs under flexion and axial rotation and always generated primary rod stresses lower than dual rod constructs. A table to choose the optimal outrigger rod for any given primary rod was provided. Quad rod constructs with a careful selection of rod combination are best suited to limit the clinical rod fracture rate.