Journal of Orthopaedic Surgery and Research, 2006; 1: 18-18 (más artículos en esta revista)

Compresión de carga en la placa final directamente regula el flujo y la deformación de la vena basivertebrales: un estudio analítico

BioMed Central
Ming-Long Yeh (mlyeh@mail.ncku.edu.tw) [1], Michael H Heggeness (mhh@bcm.tmc.edu) [1], Hsiang Chen-Ho (hsianghc@bcm.tmc.edu) [1 ], Jennifer Jassawalla (jdjassaw@ncsu.edu) [1], Zong-Ping Luo (luo@bcm.tmc.edu) [1]
[1] Departamento de Cirugía Ortopédica, Baylor College of Medicine, Houston, TX, EE.UU.
[2] Ingeniería Biomédica del Instituto Nacional de Cheng Kung University, Tainan, Taiwan, ROC

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Resumen
Fondo

Metástasis las enfermedades e infecciones a menudo a la columna vertebral. Este es el resultado de la siembra del cuerpo vertebral de las células tumorales o bacterias emitido por la sangre venosa de Batson del plexo, que es la hipótesis de entrar en el cuerpo vertebral a través de las venas epidurales. Aislado segmentos deformar la columna vertebral significativamente en la placa final ósea cuando en virtud de la compresión. Esta deformación puede provocar un cambio de volumen del cuerpo vertebral y puede estar acompañado por el flujo retrógrado de sangre venosa. Hasta la fecha, este proceso no se ha investigado cuantitativamente. El objetivo de este estudio fue determinar los cambios de volumen del cuerpo vertebral y basivertebrales vena por un cuerpo vertebral en virtud de la compresión.

Métodos

Un tridimensional de elementos finitos modelo de malla de la L4 segmento con dos discos adyacentes se modificó de un 3-D por tomografía imagen. Un octógono que representa la vena basivertebrales se introdujo en el centro del cuerpo vertebral en el modelo. Cuatro orientaciones de compresión (1500 N) se han aplicado sobre la parte superior del disco. El volumen de cambiar el modelo de cuerpo vertebral y la vena basivertebrales fueron computados.

Resultados

El cambio de volumen del cuerpo vertebral fue de aproximadamente 0,1 cm 3 (16,3% de la basivertebrales vena) para las cuatro condiciones de carga. La máxima sección transversal de la reducción de la vena basivertebrales y reducción de volumen fueron 1,54% y 1,02%, para la compresión uniforme.

Conclusión

Nuestro estudio se cuantificó el pequeño pero significativo cambio de volumen de un cuerpo vertebral el modelo y Secciones transversales y que basivertebrales de la orden de ideas, debido al abultamiento de perfeccionamiento activo de la placa final en virtud de la compresión. Este cambio de volumen podría iniciar el flujo inverso de la sangre desde el sistema venoso epidural y causa la siembra de tumores o células bacterianas.

Fondo

Es bien sabido que la red de drenaje venoso de la columna vertebral ósea es único [1 - 4]. El calibre de las venas basivertebrales del cuerpo vertebral es mucho fuera de proporción similar a los sistemas de drenaje venoso de otros huesos del cuerpo, incluidos los grandes de peso los huesos [1, 5]. Sangre venosa drena desde la basivertebrales vena epidural en el sistema central a través del foramen vascular del cuerpo vertebral. Esta sangre entra entonces altamente compatible con el sistema epidural que es continuo con la red de valveless Batson del plexo [1].

La enfermedad metastásica y las infecciones a menudo a la columna vertebral. Esta es la creencia generalizada de ser el resultado de la siembra del cuerpo vertebral de las células tumorales o bacterias entregado al cuerpo vertebral de sangre venosa de Batson del plexo, que es la hipótesis de entrar en el cuerpo vertebral a través de las venas epidurales [1 - 3, 6 -- 9]. Se ha propuesto que durante las actividades diarias, tales como tensión, tos, o con el levantamiento de la extremidad superior, la sangre no es sólo impedir la entrada a la cavidad thoracicoabdominal, es en realidad marginando de la cavidad. Tumores y abscesos de la thoracicoabdominal vísceras y el espacio retroperitoneal relacionados con el plexo de Batson por lo que puede ser arrojado fuera de la cavidad y distribuido en cualquier lugar a lo largo de la vertebral del sistema de venas [1, 7]. Si esta creencia generalizada es correcta, entonces algunos retrógrada flujo de sangre dentro del cuerpo vertebral deben tener lugar para permitir intraosseus entrada de bacterias o tumores. El gran calibre de la vena basivertebrales y el flexible sistema de epidural, por lo tanto, presenta un adecuado alojamiento anatómica de los volúmenes de sangre venosa que debe entrar y salir del cuerpo vertebral con cada ciclo de carga, lo que permite un posible retroceso de flujo intermitente. Estamos especular que las grandes placa final de deformación bajo carga normal fisiológico observado de estudios experimentales [10, 11], podría causar un cambio de volumen del cuerpo vertebral. Este volumen es el cambio de alojados anterógrada y retrógrada flujo de sangre venosa dentro y fuera de la vena epidural valveless sistema, que es continuo con el plexo Batson.

Trabajos anteriores han demostrado que los aislados segmentos de la columna vertebral de movimiento, cuando se someten a carga axial, deformar significativamente en la placa final ósea [10 - 17]. Si endplate deformación del cuerpo vertebral es un importante mecanismo de compresión axial en la columna vertebral, el cambio de volumen dentro de la vertebral huesos pueden ocurrir concomitantemente. La columna está constantemente sometido a compresión de carga intermitente durante las actividades diarias. Desde la compresión de movimiento de la columna vertebral se produce naturalmente en una manera rápida, esta acción requiere de algún medio rápido para el alojamiento de estos cambios de volumen. Esto puede ser realizada por el flujo de sangre venosa. Hasta la fecha, el volumen de cambio del sistema venoso buque no ha sido investigada.

Se postula que el volumen dentro del cuerpo vertebral está directamente regulada por la carga de compresión aplicada en la placa final. Los cambios de volumen dentro de la vértebra en virtud de la compresión de carga podría ser alojados por el volumen de sangre y el flujo de la vena con basivertebrales anterógrada y retrógrada flujo de sangre venosa dentro y fuera de la vena epidural valveless sistema. El cambio de volumen del cuerpo vertebral directamente alterando el volumen total de la intraóseo los vasos sanguíneos podría ser uno de los motores de esta corriente inversa de la del sistema venoso vertebral.

En este estudio, hemos examinado el cambio de volumen del cuerpo vertebral bajo diferentes condiciones de carga usando análisis de elementos finitos, y la sección transversal y cambios de volumen de la vena basivertebrales se calcularon para verificar la hipótesis.

Métodos

Un tridimensional de elementos finitos modelo de malla (ALGOR Inc, Pittsburgh, PA) de los adultos L4 segmento junto con los dos discos modificados de 3-D de tomografía computarizada (CT) imagen de la columna vertebral de un adulto fue descargado de mallas de elementos finitos de Repositorio la Sociedad Internacional de Biomecánica (Fig. 1]. La geometría de la columna vertebral es simétrica al plano medial, de modo que sólo la mitad de la estructura es necesaria para los modelos de manera uniforme, anterior y posterior compresión. Un octógono que representa la vena basivertebrales se introdujo en el centro del cuerpo vertebral. La geometría del cuerpo vertebral se divide en cortical shell, duros y blandos cancellous hueso, cartílago y la placa final. El isotrópica las propiedades del material (módulo de elasticidad y de Poisson's ratio) de la cortical shell (14,5 GPa, ν = 0,3), duro (227 MPa, ν = 0,3) y blandos (113 MPa, ν = 0,3) cancellous hueso, cartílago placa final ( 24,5 MPa, ν = 0,3), y el disco annulus (6,5 MPa, ν = 0,3) fueron aplicados a la geometría [13]. Debido a la estructura altamente porosa del hueso cancellous, el ratio de Poisson puede ser inferior a 0,3. Por lo tanto, la relación de Poisson para cancellous ósea (0,1) también se utilizó.

La placa final desviación del segmento vertebral es muy sensible a la precisión del espesor de la cortical shell, porque la diferencia entre el módulo cortical y hueso cancellous fue de 50 a 100 veces. El grosor de la cortical shell original de la imagen de tomografía computarizada puede no representar su valor real. Para confirmar el modelo en este estudio, la placa final desviación del segmento vertebral de manera uniforme la compresión se corresponde con el anterior los datos experimentales de forma deliberada se adapta el espesor de la cortical shell.

Cuatro condiciones de carga fueron simuladas con una fuerza compresiva de 1500 N aplicada en la parte superior del disco: uniforme, parte lateral, porción anterior y posterior. La parte inferior del disco se haya fijado. Las deformaciones de la placa final, cuerpo vertebral, basivertebrales vena y se calcularon. El cambio del cuerpo vertebral y volumen Secciones transversales a lo largo de la vena basivertebrales y su volumen se calcularon.

Resultados

La desviación, o el perfeccionamiento activo abultamiento, en el centro de la vertebral endplate fue 0,185 mm cuando el espesor de la reabsorción ósea endplates se modificó a partir del 1 mm a 0,4 mm. Es en comparación con los estudios experimentales utilizando las mediciones en las mismas condiciones de carga con un buen acuerdo [10, 12].

El volumen disminuye en el cuerpo vertebral fueron 0,102 cm 3 (0,35%), 0,110 cm 3 (0,37%), 0,092 cm 3 (0,31%) y 0,107 cm 3 (0,36%) para uniformes, anterior, posterior y lateral de carga, respectivamente (Cuadro 1]. El cambio de volumen aumentó a 0,130 cm 3, 0,142 cm 3, 0,114 cm 3, y 0,138 cm 3, para su uniforme, anterior, posterior y lateral de carga, respectivamente, como proporción de Poisson para cancellous ósea (0,1) se utilizó (Tabla 1].

La sección transversal de los cambios basivertebrales orden de ideas se vieron afectados por las condiciones de carga y la ubicación de la vena. La sección transversal deformado diferente a los diversos sectores de la basivertebrales vena (Fig. 2]. La máxima sección transversal de la reducción de la vena cerca del centro del cuerpo vertebral fueron 1,54%, 1,96%, 1,53% y 1,69% del original Secciones transversales de uniforme, anterior, posterior y lateral de carga, respectivamente (Cuadro 2 ). Las reducciones de la sección transversal en las zonas de salida posterior de la vena basivertebrales fueron menos de 0,28% en todas las condiciones de carga.

Los cambios de volumen en la vena basivertebrales fueron influenciados por las condiciones de carga. El volumen original de la vena basivertebrales en este modelo se 0,62655 cm 3. El volumen decrements de la vena se basivertebrales 1,02%, 1,14%, 0,82% y 1,08% del volumen original de la vena para basivertebrales uniforme, anterior, posterior y lateral de carga, respectivamente (Cuadro 2].

Discusión

Nuestro estudio encontró que la disminución de volumen para el cuerpo vertebral es mayor que 0,1 cm 3, y la reducción del volumen de la vena basivertebrales fue alrededor del 1% cuando el cuerpo vertebral se encontraba bajo 1500 N axial de compresión. Aunque el porcentaje de reducción de volumen de la vena basivertebrales no era grande, el porcentaje del cuerpo vertebral cambio de volumen con el volumen de la vena basivertebrales en este modelo podría ser de hasta el 17,5% (0,11 cm 3 a 0,62655 cm 3) para la compresión anterior. La deformación del cuerpo vertebral puede ser alojados por el flujo de sangre dentro y fuera de su basivertebrales sistema venoso. Por el contrario, el cuerpo vertebral y la vena basivertebrales ampliará cuando la carga se ha retirado. La sección transversal cambio de la vena basivertebrales en la parte posterior de salida, a menos de 0,28%, fue significativamente menor que en el centro (1,53% a 1,96%) para diferentes condiciones de carga.

La deformación posterior de la carga es menos importante porque la compresión fue resistida por las apófisis espinosas. Esto implica que es más fácil crear un vaso sanguíneo cambio de volumen durante la flexión de la columna vertebral durante la extensión.

Estudios anteriores han mostrado cambios significativos en el cuerpo vertebral presión de acuerdo con la postura y posición, con un aumento de la presión intervertebral reproducidas por las posturas que el aumento de carga axial, un fenómeno que no se ve en que soportan peso huesos largos [5, 18, 19]. Axial de compresión en el cuerpo vertebral causando importantes placa final se observó la desviación de la medición experimental [10, 12]. Este estudio además computa el cuerpo vertebral y la sangre venosa buque volumen en el marco del cambio de carga axial que causó similares placa final deformación. El alojamiento directo del cambio de volumen de la vena basivertebrales para el cuerpo vertebral por compresión en virtud sería un flujo de sangre venosa. El volumen de la vena basivertebrales sólo ha cambiado ligeramente (1%), sin embargo, el cambio de volumen del cuerpo vertebral en comparación con la vena basivertebrales fue significativa (17,5%). El cambio de volumen del cuerpo vertebral por compresión en virtud de ser el resultado de la compresibilidad de la fase sólida y cortical de los huesos propios cancellous, sin embargo, el cambio de volumen también podría ir acompañada de flujo intraóseo. La presión aplicada a la placa final es más de 100 veces superior a la presión intraósea. La naturaleza de la estructura altamente porosa del hueso cancellous causas de la mayoría de los que acompañan a la deformación del cuerpo vertebral de apretar el espacio entre los materiales sólidos ósea, es decir, restrictivo el flujo de sangre en su interior. El cambio de volumen del cuerpo vertebral de manera uniforme de compresión era de aproximadamente 16,3% del volumen de la basivertebrales vena, por lo que casi 1 / 6 de la sangre dentro de la vena basivertebrales fue entregado en virtud de la compresión sola carga. La combinación de la deformación del cuerpo vertebral y la basivertebrales sentido, las apófisis espinosas venosa sistema funcionaría como un dispositivo de succión para retirar la sangre en la columna vertebral cuando la compresión en el cuerpo vertebral fue rápidamente puesto en libertad. Este resultado podría explicar el misterio de una alta incidencia de tumor o bacteriana siembra de la columna vertebral sobre la base de una acción de bombeo en la sangre venosa, powered by endplate deformación reversible.

El ratio de Poisson de la utilizada en el modelo directamente afectado a la compresibilidad del material. El cambio de volumen del cuerpo vertebral de manera uniforme para la compresión de la relación de Poisson (0.3) de hueso cancellous utilizado en este modelo es 0,102 cm 3. Se aumentó a 0,130 cm 3 Poisson cuando la proporción era del 0,1. El real en vivo de Poisson de la relación entre el material óseo es difícil de calcular debido a la inclusión de la fase líquida de la sangre y los fluidos y su riego dentro del cuerpo vertebral. Sin embargo, el 0,3 del coeficiente de Poisson debe ser una estimación conservadora. El cambio de volumen del cuerpo vertebral de manera uniforme de compresión era de aproximadamente 16,3% del volumen de la vena basivertebrales utilizando el coeficiente de Poisson (0.3) para cancellous hueso. Este porcentaje de cambio de volumen de la vértebra en virtud del rápido de carga y descarga debe ser la fuerza motriz para generar el flujo retrógrado de basivertebrales el flujo sanguíneo.

Una de las ventajas de este método de elemento finito es la capacidad para calcular el perfil de la sección transversal cambio basivertebrales a lo largo de la vena. La evaluación directa de la reducción de la vena basivertebrales sección transversal de la experimentación sigue siendo bastante grave. En un anterior estudio de elementos finitos, el cuerpo vertebral de las dos dimensiones modelo se supone que axialmente simétrica, y la venosa buque no se incluyó [13]. En nuestro estudio, el perfil de la sección transversal del cambio a lo largo de toda basivertebrales orden de ideas se ha calculado, como fue el cambio de volumen de los vasos sanguíneos vertebral. La deformación de distribución a lo largo de los vasos sanguíneos corresponde el abultamiento en la placa final. Los vasos sanguíneos cerca de la superficie del cuerpo vertebral están rodeadas por un caparazón óseo cortical, por lo que la sección transversal de cambio basivertebrales la vena en su superficie de salida fue mucho menor que en su centro (Cuadro 2]. A pesar de que sería más fácil de medir la variación de la sección de la vena basivertebrales a la superficie ósea bajo carga, se utiliza este valor para predecir el volumen de cambio del sistema venoso buque induciría a subestimar el volumen real de los cambios dentro del cuerpo vertebral.

A nuestro entender, este es el primer teórico de simulación para dilucidar la correlación entre la carga en el cuerpo vertebral y la alta incidencia de siembra de células tumorales. Existen limitaciones en algunos aspectos del modelo: (1), la geometría y las propiedades de los materiales del cuerpo vertebral y (2) la forma de la columna vertebral del sistema venoso [1]. La columna humana es una compleja estructura biológica que consiste en la alternancia y la cortical ósea cancellous componentes. El módulo de elasticidad del hueso cortical es de aproximadamente 100 veces superior a cancellous hueso. La deformación del segmento óseo es muy sensible a la exactitud de la dimensión de la placa cortical final. La geometría en este modelo se obtuvo de un 3-D CT imagen, sin embargo, el espesor del hueso cortical en la imagen original CT podría no representar con precisión la verdadera dimensión de la placa final ósea en pacientes humanos individuales. Los efectos de la osteoporosis en este sistema, por ejemplo, no se conocen. Sin embargo, la osteoporosis se prevé que el aumento desviaciones estudiado aquí. El modelo de elementos finitos en este estudio fue evaluar cuidadosamente antes de su uso.

Fin placa de desviación ha sido medido por los estudios cadáver dando resultados coherentes con los de este estudio [10, 12]. El grosor de la cortical shell en nuestro estudio ha sido cuidadosamente ajustado de 1 mm a 0,4 mm para que coincida con la placa final deformación de los estudios anteriores.

Los vasos sanguíneos se basa en utilizar una forma octogonal inserta a través del cuerpo vertebral. Aunque la vena basivertebrales sólo está presente en una parte del cuerpo vertebral, la combinación de la subida pequeñas venas y capilares puede deformar equivalente a un único gran vaso sanguíneo en el interior del cuerpo vertebral. En el futuro, de manera más detallada la geometría que representa el sistema circulatorio en el interior del cuerpo vertebral y la cantidad de cambio de presión en respuesta a los vasos sanguíneos volumen cambio necesita ser estudiado.

En resumen, nuestro estudio cuantificó el pequeño pero significativo cambio de volumen del cuerpo vertebral y las Secciones transversales y el volumen de cambiar el sentido basivertebrales debido al abultamiento de perfeccionamiento activo de la placa final en virtud de la compresión. Este alto ratio de cambio de volumen del cuerpo vertebral al volumen de los vasos sanguíneos podría iniciar invertir el flujo sanguíneo desde el sistema venoso epidural y causa la siembra de tumores óseos vertebrales o células bacterianas.

Conflicto de intereses

Los autores declaran que no tienen intereses en conflicto.

Autores de las contribuciones

MLY montado el ordenador modelos y las imágenes, los datos recogidos y compilado el manuscrito. FH contribuido la experiencia clínica y de entrada en relación con la patología de los tumores espinales y la fisiología de la columna vertebral drenaje venoso. HHC siempre biomecánico con experiencia en el diseño experimental. JJ asistida con el ordenador el modelado y la recopilación de datos. ZPL ayudó con el diseño de la investigación, el análisis de datos y redacción del manuscrito. Todos los autores leído y aprobado el manuscrito final.