Spine Surgery

El modelado de elementos finitos (FEM) es una técnica establecida para comprender la biomecánica de sistemas complejos, incluida la neuroanatomía humana. El modelado de elementos finitos descompone geometrías anatómicas complejas en pequeños elementos con propiedades materiales específicas, lo que permite realizar análisis computacionales con cargas simuladas. Las pruebas biomecánicas que utilizan FEM superan las limitaciones de los modelos de cadáveres y pueden usarse para medir las fuerzas intrínsecas del tejido cuando las pruebas clínicas no son factibles [1], [2], [3], [4]. Las pruebas biomecánicas tradicionales de la columna requieren pruebas de preparaciones cadavéricas de la columna, a menudo sin los músculos paraespinales. Específicamente, la médula espinal no se puede probar en modelos de cadáveres ya que las propiedades del tejido de la médula espinal no se mantienen durante la preparación del cadáver y no se puede medir el estrés intrínseco. Las limitaciones de los modelos de cadáveres que se superan con el MEF incluyen la variabilidad biológica, la dificultad de adquisición, las capacidades de prueba sofisticadas y los costos. Mientras que un solo cadáver solo puede simular una única intervención quirúrgica, los FEM pueden simular y comparar múltiples intervenciones quirúrgicas en un solo modelo debido a su absoluta repetibilidad y capacidad para explorar las respuestas a las características anatómico-geométricas específicas de cada paciente utilizando imágenes del paciente como tomografía computarizada (CT) o resonancia magnética (MRI).

Los modelos de elementos finitos de la columna vertebral se utilizan ampliamente para estudiar las respuestas biomecánicas de la columna vertebral humana a cargas, lesiones e intervenciones quirúrgicas. Los avances en el modelado computacional, así como el conocimiento de las propiedades materiales de los tejidos neurales, han llevado al desarrollo de FEM de la médula espinal. El desarrollo de un MEF de la médula espinal requiere varios aportes que contribuyen a la precisión y validez del modelo. Para empezar, es necesario obtener geometrías precisas de la médula espinal obtenidas por resonancia magnética. Las geometrías de la columna cervical y la médula espinal deben registrarse a partir de datos de imágenes médicas, como resonancias magnéticas o tomografías computarizadas. Los componentes segmentados deben discretizarse con una formulación de elementos óptima y un número adecuado de elementos. Además, se modelan las propiedades materiales de huesos, ligamentos y tejidos blandos con diferentes componentes de materiales obtenidos a partir de estudios experimentales. Además, se establecen condiciones límite, limitaciones y contactos entre componentes para reflejar condiciones e interacciones fisiológicas realistas. Finalmente, se deben determinar las fuerzas y momentos externos aplicados al modelo FE para simular las condiciones fisiológicas que se están estudiando. Esta técnica se utiliza ahora para estudiar la tensión de la médula espinal y los estados de tensión debidos a patologías de la médula espinal y lesiones traumáticas. Los modelos de elementos finitos de la médula espinal humana permiten la cuantificación de las fuerzas de la médula espinal en entornos dinámicos, así como después de intervenciones quirúrgicas simuladas.

La aplicación del FEM a la investigación biomecánica de la médula espinal comenzó alrededor de los años 1980. Al principio, estos modelos eran predominantemente 2D debido a limitaciones computacionales. Durante este tiempo, los FEM proporcionaron información valiosa sobre el comportamiento de la médula espinal en diversas condiciones fisiológicas. Coburn et al. [5] utilizaron un modelo 2D para comprender el efecto de la estimulación eléctrica inducida por electrodos epidurales en la médula espinal. A principios de la década de 2000, los avances en las capacidades computacionales permitieron un cambio hacia los FEM 3D. Estos modelos 3D proporcionaron una representación más precisa de las complejidades anatómicas y biomecánicas de la médula espinal [6]. Durante la última década, los FEM se han empleado para estudiar escenarios clínicos más complejos y diversos. Esto incluye analizar la tensión en la médula espinal debido a la mielopatía cervical degenerativa [7], comprender el impacto de la representación del líquido cefalorraquídeo durante los impactos transversales [8] e investigar los efectos de la carga de contusión en la médula espinal cervical [9]. Algunos estudios también exploraron la biomecánica de las intervenciones quirúrgicas [10] y el tratamiento quirúrgico de la mielopatía cervical [11]. Recientemente, se han desarrollado técnicas de modelado más sofisticadas, como modelos multifísicos hiperviscoelásticos de elementos finitos [12] y modelos de elementos finitos específicos del paciente [13] para la médula espinal cervical. Estos avances han ampliado nuestra comprensión de la biomecánica de la médula espinal cervical y son prometedores para guiar estrategias quirúrgicas, comprender la patobiología de la médula espinal e impulsar innovaciones en este campo. Existe una variabilidad considerable en la metodología y en las aplicaciones de los FEM de la médula espinal cervical y hasta la fecha no ha habido ninguna revisión que resuma el estado actual, las capacidades y las limitaciones de los FEM de la médula espinal cervical humana.

En esta revisión de los FEM de la médula espinal cervical humana, abordamos el desarrollo de modelos, las propiedades de los materiales, el entorno de prueba y las aplicaciones clínicas. Nuestro objetivo es definir el estado actual, las áreas de necesidad y las direcciones futuras del FEM de la médula espinal humana para aplicaciones clínicas.

El modelado de elementos finitos (FEM) es una herramienta establecida para analizar la biomecánica de sistemas complejos. Los avances en las técnicas computacionales han llevado al uso cada vez mayor de FEM de la médula espinal para estudiar la patología de la médula espinal cervical. Existe una variabilidad considerable en la creación de MEF de la médula espinal cervical y hasta la fecha no ha habido una revisión sistemática de la técnica. El objetivo de este estudio fue revisar los usos, técnicas, limitaciones y aplicaciones de los MEF de la médula espinal cervical humana.

Conclusiones: El FEM de la médula espinal proporciona una visión única del estrés y la tensión de la médula espinal cervical en diversas condiciones patológicas y permite la simulación de procedimientos quirúrgicos. La estandarización de los parámetros de modelado, las estructuras anatómicas y la inclusión de datos específicos del paciente son necesarias para mejorar la traducción clínica.

Finite element modeling of the human cervical spinal cord and its applications: A systematic review – PubMed (nih.gov)

Finite element modeling of the human cervical spinal cord and its applications: A systematic review – PMC (nih.gov)

Finite element modeling of the human cervical spinal cord and its applications: A systematic review – North American Spine Society Journal (NASSJ) (nassopenaccess.org)

Singhal I, Harinathan B, Warraich A, Purushothaman Y, Budde MD, Yoganandan N, Vedantam A. Finite element modeling of the human cervical spinal cord and its applications: A systematic review. N Am Spine Soc J. 2023 Jul 27;15:100246. doi: 10.1016/j.xnsj.2023.100246. PMID: 37636342; PMCID: PMC10448221.

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