Photoelastic analisys in the lower region of vertebral body L4

OBJETIVO: Analisar as tensões geradas no corpo vertebral L4 quando submetida à força de compressão, utilizando a técnica da fotoelasticidade de transmissão. MÉTODOS: Doze modelos fotoelásticos foram utilizados e divididos em três grupos, sendo cada grupo formado por quatro modelos, de acordo com a localização do corte sagital nas vértebras L4-L5 (cortes A, B e C). A simulação foi realizada utilizando uma força compressão de 15 N e as ordens de franjas foram avaliadas no corpo vertebral L4 utilizando o método de compensação de Tardy. RESULTADOS: A análise fotoelástica mostrou que em geral, as tensões se distribuíram de forma homogênea nos corpos vertebrais. As tensões no corte C foram maiores que no B, que por sua vez foram maiores que no corte A. CONCLUSÃO: A região posterior do corpo vertebral L4, principalmente no corte C, apresentou maiores concentrações de tensões, sendo assim, é a área mais susceptível à fratura vertebral e à espondilolistese. Análises econômicas e de decisão. Desenvolvimento de modelo econômico ou de decisão, Nível de evidência I

Stresses distributions of screws of the vertebral fixation systems submitted to pullout strength using plane transmission photoelasticity.

O tratamento de deformidade espinhal, doença degenerativa, trauma, e tumores da coluna vertebral exigem freqüentemente a realização da fixação interna. O surgimento dos parafusos pediculares possibilitou a realização da instrumentação segmentar da coluna mais estável, tornando-se atualmente procedimento padrão para realização das cirurgias de correção, estabilização de deformidade e instabilidade da coluna em patologias torácicas, lombares e sacrais. O segmento vertebral mais favorável para a implantação do parafuso é a região lombar, devido ao maior diâmetro dos pedículos. A fotoelasticidade tem sido utilizada em estudos científicos a fim de determinar a distribuição de tensões/deformações em sistemas estruturais, pois permite uma análise qualitativa e quantitativa do estado de tensão, através da observação de efeitos óticos. Neste trabalho foi utilizada esta técnica para determinar e analisar as tensões internas de modelos fotoelásticos sob influência de parafusos pediculares tipo USS1, quando submetidos a esforços de arrancamento. Para realização das análises fotoelásticas foram confeccionados 12 modelos divididos em três grupos, contendo em cada 4 modelos fotoelásticos. O primeiro grupo, G1, inclui o parafuso com diâmetro externo de 5 mm, o segundo, G2, o parafuso com diâmetro externo de 6 mm e o terceiro, G3, o parafuso com diâmetro externo de 7 mm. A simulação foi feita utilizando cargas de 0,75 e 1,5 Kgf. As ordens de franjas foram avaliadas em torno dos parafusos, utilizando o método de compensação de Tardy. Em todos os modelos analisados foram determinadas as tensões cisalhantes. Os resultados mostraram que para a carga de 0,75 Kgf, a tensão cisalhante máxima no parafuso de 5 mm foi maior que no de 6 mm, que foi maior que no de 7 mm. Com a carga de 1,5 Kgf houve igualdade nos três diâmetros externos de parafusos, e comparando estas duas cargas prevaleceu o último resultado. De acordo com as análises realizadas nos doze modelos, observou-se que o local de maior tensão é no pico das cristas, principalmente próxima a ponta dos parafusos. Sendo assim, esta técnica é bastante eficiente, pois, através da análise quantitativa e qualitativa foi possível comparar os parafusos de fixação vertebral, verificando qual é o mais suscetível ao arrancamento.The treatment of spinal deformities, degenerative disease, injuries and tumors on the vertebral column often demand the accomplishment of the internal fixation. The pedicular screws arising enabled the accomplishment of column segmental instrumentation more stable and became a standard procedure in accomplishing surgeries of correction, deformities stabilization and column instability in thoracic, lumbar and sacral pathologies. The best vertebral segment for the screw implantation is the lumbar area due to a larger diameter of the pedicles. The photoelasticity has been used in scientific studies in order to determine the stress/strain distribution in structural systems, because it allows a qualitative and quantitative analysis of the state of stress, through the observation of optical effects. In this work was used this technique to determine and analyze the internal stress of the photoelastic models under the influence of pedicular screws type USS1 submitted to pullout strength. In order to accomplish the photoelastic analysis 12 models divided in 3 groups were made. Each of them contained 4 photoelastic models. The first group, G1, was composed by the screw of 5 mm of external diameter, the second, G2, was composed by the screw of 6 mm external diameter and the third, G3, by a screw of 7 mm external diameter. The simulation was performed using loads of 0.75 Kgf and 1.5 Kgf. The fringe orders were evaluated around the screws using the Tardy compensation method. In all the models analyzed were calculated the shear stress. The results showed that using the load of 0.75 Kgf the shear stress in the 5 mm screw was bigger than in the 6 mm screw, which was bigger than in the 7mm screw. With a load of 1.5 Kgf there was equality among the three external diameter screws and comparing these two last loads, the last result prevailed. According to the analysis realized in the 12 models, we observed that the place of highest stress is at the peak of the crests mainly at the tips of the screws. Concluding, this technique is efficient enough because through the quantitative and qualitative analysis it was possible to compare the vertebral fixation screws, verifying witch one is more susceptible to pullout

Photoelastic evaluation of pathological axis deviation of the femur in the frontal plane

The objective of this study is to evaluate the repercussions of the pathological deviation of the coxa brevis, femur, and tibia without the pathological deviation of the axis in the femoral or tibial frontal plane. The stress distribution in the proximal and distal joints was evaluated in relation to the deviations using transmission photoelasticity. Two-dimensional femur and tibia models were developed from frontal panoramic radiographs, which were later used to fabricate molds and photoelastic models. A force of 8 N was applied to the top of the femoral head. For the deviation of the coxa brevis and for the femur and tibia without pathological deviation, the stresses were more critical in the calcar region of the proximal femur. In the distal femur and proximal and distal tibia, the stress distributions were in accordance with the models, the proposed fixation conditions, and the long bone geometries. The most important conclusion of this investigation was that joint deviation also alters the stress on all primary joints of the lower extremities. From this study, it will be possible to develop better correction criteria for angular deviations and discharges of bone and joint forces of the lower extremities and to provide refinements to prostheses

Análise fotoelástica da região inferior do corpo vertebral L4

Objective: To analyze the shear forces on the vertebral body L4 when submitted to a compression force by means of transmission photoelasticity. Methods: Twelve photoelastic models were divided into three groups, with four models per group, according to the positioning of the sagittal section vertebrae L4-L5 (sections A, B and C). The simulation was performed using a 15N compression force, and the fringe orders were evaluated in the vertebral body L4 by the Tardy compensation method. Results: Photoelastic analysis showed, in general, a homogeneous distribution in the vertebral bodies. The shear forces were higher in section C than B, and higher in B than A. Conclusion: The posterior area of L4, mainly in section C, showed higher shear concentrations, corresponding to a more susceptible area for bone fracture and spondylolisthesis. Economic and Decision Analyses Development of an Economic or Decision Model. Level IObjetivo: Analisar as tensões geradas no corpo vertebral L4 quando \ud submetida à força de compressão, utilizando a técnica da fotoelasticidade de transmissão. Métodos: Doze modelos fotoelásticos foram \ud utilizados e divididos em três grupos, sendo cada grupo formado por \ud quatro modelos, de acordo com a localização do corte sagital nas vértebras L4-L5 (cortes A, B e C). A simulação foi realizada utilizando uma \ud força compressão de 15 N e as ordens de franjas foram avaliadas no \ud corpo vertebral L4 utilizando o método de compensação de Tardy. Resultados: A análise fotoelástica mostrou que em geral, as tensões se \ud distribuíram de forma homogênea nos corpos vertebrais. As tensões \ud no corte C foram maiores que no B, que por sua vez foram maiores \ud que no corte A. Conclusão: A região posterior do corpo vertebral L4, \ud principalmente no corte C, apresentou maiores concentrações de \ud tensões, sendo assim, é a área mais susceptível à fratura vertebral e à \ud espondilolistese. Análises econômicas e de decisão. Desenvolvimento \ud de modelo econômico ou de decisão, Nível de evidência I.FAPESPFAPESPCAPESCAPE

THE PHOTOELASTIC ANALISYS OF VERTEBRAL FIXATION SYSTEM SCREWS

Introduction: The photoelasticity is used for assessing the tensions/deformations involved in photoelastic materials when submitted to a given load by the observation of optical effects. The screw performance and mechanical functions are directly associated to the quality of the screws fixation in the vertebrae. Photoelasticity is an important tool to perform comparative studies of this nature. Objective: The aim of this study was to compare, by using photoelasticity, internal stresses produced by the screw with an external diameter of 6 mm, when submitted to two different pullout strengths. Materials and Methods: For this, four photoelastic models were produced. The simulation was conducted by using two pullout strengths: 0.75 and 1.50 kgf. The maximum shear stresses were calculated on 19 points around the screws, using the Tardy compensation method. Results:The values of maximum shear stress were higher with the load of 1.50 kgf. Conclusion: Thus, the screw will be more susceptible to pullout when heavier loads are applied. According to our analysis, we also found that the site with the highest maximum shear stress was found to be at the peak of creast, particularly near the tips of the screws, regardless of the load employed.FAPESPCAPE

Análise fotoelástica de um modelo de vértebra humana com parafuso pedicular Photoelastic analisys of a human vertebra model with pedicular screw

INTRODUÇÃO: O sistema de fixação vertebral utilizando o parafuso pedicular é um dos métodos mais eficientes no tratamento de patologias da coluna vertebral. Quando o parafuso estiver submetido á força de arrancamento, este gera tensões ao seu redor, principalmente próximas do canal medular, situação esta que pode ser analisada pela técnica da fotoelasticidade. OBJETIVO: Foram analisadas as tensões internas geradas próximas ao canal medular de modelos fotoelásticos de vértebras utilizando diferentes medidas de parafusos do sistema de fixação vertebral submetidos à força de arrancamento. MÉTODO: Foi utilizado um modelo de vértebra lombar em material fotoelástico utilizando três medidas de parafusos pediculares (5, 6 e 7mm) do tipo USS1. As tensões internas ao redor do parafuso foram avaliadas em 12 pontos pré-determinados utilizando um polariscópio de transmissão plana. RESULTADOS: As regiões de maiores concentrações de tensões foram observadas entre o canal medular e as curvas do processo transverso. Nas comparações das médias das tensões cisalhantes máximas entre os parafusos 5 e 7, e 6 e 7 foram observadas diferenças estatísticas significativas e entre 5 e 6 não. CONCLUSÃO: Foi observada que as tensões internas são mais elevadas em áreas irregulares próxima ao canal medular, mostrando ser uma região crítica.<br>INTRODUCTION: The vertebrae fixation system using pedicular screws is one of the most efficient methods to treat vertebral spine pathologies. When the screw is submitted to pullout strength, it causes internal tension near the medullar canal and this situation can be analyzed by using the photoelasticity technique. OBJECTIVE: Were analyzed those internal tensions near the medullar canal of photoelastic vertebra models using different sizes of screws of the vertebral fixation system submitted to pullout strength. METHODS: A lumbar vertebral model made of photoelastic material with three different USS1-type pedicular screw sizes (5, 6, and 7mm) was used. The internal tensions around the screw were tested in 12 predetermined points by a plain transmission polaroscope. RESULTS: The areas of greater tension concentration were between the medullar canal and the curves of the transverse process. Comparing the maximum average pulling tension, statistical differences were observed between screws 5 and 7, and 6 and 7. On the other hand, for screws 5 and 6, there were no significant differences. CONCLUSION: The study evidenced that the internal tensions are greater in irregular areas, next to the medullar canal, showing that this is a critical region

Análise fotoelástica de parafuso de sistema de fixação vertebral The photoelastic analisys of vertebral fixation system screws

INTRODUÇÃO: A fotoelasticidade é utilizada para avaliar as tensões/deformações produzidas nos materiais fotoelásticos, quando submetidos a determinado carregamento, através da observação de efeitos óticos. O desempenho do parafuso e as funções mecânicas estão diretamente relacionados com a qualidade da fixação dos parafusos nas vértebras. A fotoelasticidade é uma ferramenta importante para realizar estudos comparativos desta natureza. OBJETIVO: O objetivo deste estudo foi comparar por meio da fotoelasticidade, as tensões internas produzidas pelo parafuso com 6 mm de diâmetro externo, quando submetido a duas diferentes forças de arrancamento. MATERIAIS E MÉTODOS: Para isso, foram confeccionados quatro modelos fotoelásticos. A simulação foi realizada utilizando duas forças de arrancamento 0,75 e 1,50 kgf. As tensões cisalhantes foram calculadas nos 19 pontos em torno dos parafusos, utilizando o método de compensação de Tardy. RESULTADOS: Os valores das tensões cisalhantes foram maiores quando utilizada a força de arrancamento de 1,50 kgf. CONCLUSÃO: Assim sendo, o parafuso estará mais suscetível ao arrancamento com a aplicação de força de maior intensidade. De acordo com as análises realizadas verificamos também que o local de maior tensão cisalhante foi observado no pico das cristas, principalmente próxima às pontas dos parafusos, independente da força utilizada.<br>INTRODUCTION: The photoelasticity is used for assessing the tensions/deformations involved in photoelastic materials when submitted to a given load by the observation of optical effects. The screw performance and mechanical functions are directly associated to the quality of the screws fixation in the vertebrae. Photoelasticity is an important tool to perform comparative studies of this nature OBJECTIVE: The aim of this study was to compare, by using photoelasticity, internal stresses produced by the screw with an external diameter of 6 mm, when submitted to two different pullout strengths. MATERIALS AND METHODS: For this, four photoelastic models were produced. The simulation was conducted by using two pullout strengths: 0.75 and 1.50 kgf. The maximum shear stresses were calculated on 19 points around the screws, using the Tardy compensation method. RESULTS: The values of maximum shear stress were higher with the load of 1.50 kgf. CONCLUSION: Thus, the screw will be more susceptible to pullout when heavier loads are applied. According to our analysis, we also found that the site with the highest maximum shear stress was found to be at the peak of creast, particularly near the tips of the screws, regardless of the load employed