Impending fractures del rachide lombare metastatico: analisi con elementi finiti del rischio fratturativo, efficacia della vertebroplastica preventiva e rischio di frattura dei livelli adiacenti

The main objective of this thesis is to quantify the risk of impending fracture in patients with lumbar spine metastases, in order to define objective criteria for the indication of treatment with preventive vertebroplasty. A further aim of this thesis is to evaluate the effectiveness of vertebroplasty in restoring vertebral stability, thus preventing the collapse of metastatic vertebrae. Additional purpose of this thesis work is to define the fracture risk of the adjacent vertebrae following the introduction of cement. A three-dimensional model of the L3-L5 lumbar segment was isolated from a pre-existing model of the thoraco-lumbo-sacral spine validated in vitro. The DICOM images were imported for segmentation in Mimics 12.3 (Materialize, Ann Arbor, MI, USA) and, due to the poor soft tissue definition of the CT images, the intervertebral discs were created using 3-matic 4.2 (Materialize, Ann Arbor, MI, USA). Finally, the meshes were generated using 5HyperMesh 10.0 (Altair Engineering, Inc., Troy, MI, USA) and the parametric analysis was performed with ABAQUS. The main results of this thesis work are the following. The presence of a metastatic lesion causes a reduction in the structural stability of the vertebra. The finite element study demonstrated a greater fracture risk of the metastatic spine compared to the healthy one expressed in terms of VB and VH. Parametric analysis using a finite element model demonstrated an increase in VB and VH proportional to the size of the lesion and to the decrease in bone mineral density. These factors are therefore related to an increased risk of vertebral fracture and must be taken into account in the evaluation of the patient with lytic metastasis of the lumbar spine. More specifically, the patient with lumbar spine metastases and concomitant osteoporosis has a higher probability of vertebral fracture due to collapse of the cortical bone. In fact, the VB, predictive index of this fracture mechanism, is more influenced by the reduction of bone mineral density compared to VH, in accordance with what has been demonstrated in previous studies. The results of this study demonstrated the effect of vertebroplasty on the stability of the metastatic spine. Vertebroplasty modifies the structural stability of the vertebra by increasing it with respect to the physiological picture. There is a linear relationship between VB and VH as a function of the PMMA volumes tested. In the osteoporotic model, the reduction of these measurements following vertebroplasty is similar. As demonstrated in previous studies, VB and VH represent a valid parameter for determining the risk of imminent fracture, as they describe respectively the displacement of the anterior and posterior wall of the vertebral body and its reduction in height. Vertebroplasty, by reducing its extent, reduces the risk of fracture to which the vertebra is subjected following load. It can therefore be considered adequate to stabilize a vertebral body compromised by the presence of metastases. One of the most debated aspects about the use of vertebroplasty is the risk of fracture of the adjacent levels. The literature lacks the biomechanical data necessary to predict the long-term outcomes and risks of vertebroplasty, although it is a widely used procedure. The finite element study demonstrated an alteration in the load distribution at the level of the vertebrae adjacent to the treated one. This alteration is characterized by an increase in the entity and distribution of stress that can be observed following the application of a moderate load or flexion-extension movements representative of the forces acting on the spine during the performance of daily activities. The change in stress distribution remains altered even if a minimal amount of cement is used (15% of the vertebral body volume). Large areas of the adjacent vertebrae are subjected to stress of greater intensity. This results in greater deflection of the adjacent backplates. The endplate and underlying trabecular bone are known as vertebral body fracture sites. In conclusion, vertebroplasty is acquiring an increasing role in the treatment of spinal metastases and is beginning to define itself as a technique to prevent fracture of the vertebral body. However, there are no guidelines defining patients at risk of an imminent fracture who may benefit from vertebroplasty. An accurate description of the factors affecting the structural stability of metastatic vertebrae would provide a solid basis for treatment choice.

L'obiettivo principale di questo lavoro di tesi è quantificare il rischio di impending fracture in pazienti con metastasi del rachide lombare, al fine di definire dei criteri oggettivi di indicazione al trattamento con vertebroplastica preventiva. Ulteriore intento di questo lavoro di tesi è valutare l'efficacia della vertebroplastica nel ripristinare la stabilità vertebrale, prevenendo così il crollo di vertebre metastatiche. Fine aggiuntivo di questo lavoro di tesi è definire il rischio fratturativo delle vertebre adiacenti in seguito all'introduzione del cemento. Un modello tridimensionale del segmento lombare L3-L5 è stato isolato da un preesistente modello della colonna toraco-lombo-sacrale validato in vitro. Le immagini DICOM sono state importate per la segmentazione in Mimics 12.3 (Materialise, Ann Arbor, MI, USA) e, vista la scarsa definizione dei tessuti molli delle immagini TC, i dischi intervertebrali sono stati creati utilizzando 3-matic 4.2 (Materialise, Ann Arbor, MI, USA). Infine le meshes sono state generate mediante 5HyperMesh 10.0 (Altair Engineering, Inc., Troy, MI, USA) e l'analisi parametrica è stata realizzata con ABAQUS. I risultati principali di questo lavoro di tesi sono i seguenti. La presenza di una lesione metastatica determina una riduzione della stabilità strutturale della vertebra. Lo studio con elementi finiti ha dimostrato un maggior rischio fratturativo della colonna vertebrale metastatica rispetto a quella sana espresso in termini di VB e VH. L'analisi parametrica mediante modello con elementi finiti ha dimostrato un aumento del VB e del VH proporzionale alle dimensioni della lesione ed alla diminuzione della densità minerale ossea. Questi fattori sono quindi correlati ad un aumentato rischio fratturativo vertebrale e devono essere tenuti in considerazione nella valutazione del paziente affetto da metastasi litica del rachide lombare. Più specificatamente il paziente con metastasi del rachide lombare e concomitante osteoporosi ha una maggiore probabilità di frattura vertebrale per collasso della corticale ossea. Il VB infatti, indice predittivo di tale meccanismo fratturativo, risulta maggiormente influenzato dalla riduzione della densità minerale ossea rispetto al VH, in accordo con quanto dimostrato in precedenti studi. I risultati di questo studio hanno dimostrato l'effetto della vertebroplastica sulla stabilità della colonna vertebrale metastatica. La vertebroplastica modifica la stabilità strutturale della vertebra aumentandola rispetto al quadro fisiologico. Esiste una relazione lineare tra VB e VH in funzione dei volumi di PMMA testati. Nel modello osteoporotico la riduzione di tali misurazioni in seguito a vertebroplastica è analoga. Come dimostrato in precedenti studi, VB e VH rappresentano un valido parametro per determinare il rischio di frattura imminente, in quanto descrivono rispettivamente lo spostamento della parete anteriore e posteriore del corpo vertebrale e la sua riduzione in altezza. La vertebroplastica, riducendone l'entità, riduce il rischio di frattura a cui la vertebra è soggetta in seguito a carico. Può quindi essere considerata adeguata a stabilizzare un corpo vertebrale compromesso dalla presenza di metastasi. Uno degli aspetti più dibattuti circa il ricorso alla vertebroplastica è il rischio di frattura dei livelli adiacenti. La letteratura è carente di dati biomeccanici necessari a predire i risultati ed i rischi a lungo termine della vertebroplastica, sebbene si tratti di una procedura ampiamente utilizzata. Lo studio con elementi finiti ha dimostrato un'alterazione nella distribuzione del carico a livello delle vertebre adiacenti a quella trattata. Tale alterazione si caratterizza per un aumento dell'entità e della distribuzione degli stress riscontrabile in seguito all'applicazione di un carico moderato o di movimenti di flesso-estensione rappresentativi delle forze che agiscono sulla colonna vertebrale durante lo svolgimento delle attività quotidiane. Il cambiamento nella distribuzione degli stress rimane alterata anche qualora venga utilizzata una quantità di cemento minima (15% del volume del corpo vertebrale). Ampie aree delle vertebre adiacenti sono soggette a stress di maggiore intensità. Questo comporta una maggiore deflessione dei piatti vertebrali adiacenti. Il piatto vertebrale ed il sottostante osso trabecolare sono noti come siti di frattura del corpo vertebrale. In conclusione, la vertebroplastica sta acquisendo un ruolo sempre maggiore nel trattamento delle metastasi della colonna vertebrale ed inizia a definirsi come tecnica per prevenire la frattura del corpo vertebrale. Tuttavia non esistono linee guida che definiscano i pazienti a rischio di frattura imminente che possano beneficiare della vertebroplastica. Un'accurata descrizione dei fattori che influiscono sulla stabilità strutturale delle vertebre colpite da metastasi fornirebbe una solida base per la scelta del trattamento.