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Introducción al Derecho I

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y
ELÉCTRICA

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

ANÁLISIS BIOMECÁNICO DEL DISCO
INTERVERTEBRAL PARA ESTABLECER SU
CONTRIBUCIÓN EN LA INESTABILIDAD DE LAS
FRACTURAS

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

DOCTOR EN CIENCIAS

P R E S E N T A :

M. en C. RODRÍGUEZ CAÑIZO RICARDO GUSTAVO

DIRIGIDA POR : Dr. LUIS HÉCTOR HERNÁNDEZ GÓMEZ

MÉXICO, D.F. 2007
2

CONTENIDO

ÍNDICE DE FIGURAS.............................................................................................................................................................i
ÍNDICE DE TABLAS..............................................................................................................................................................iv
RESUMEN.............................................................................................................................................................................v
ABSTRACT............................................................................................................................................................................v
OBJETIVO.............................................................................................................................................................................vi
HIPOSTESIS……………………………………………………………………………………………………………………………vi
JUSTIFICACIÓN...................................................................................................................................................................vi
INTRODUCCIÓN.................................................................................................................................................................viii

CAPÍTULO I. Antecedentes.

1.1.Sistemas de fijación interna para columna…………………………………………………………………….........................2
1.1.1. Generalidades..........................................................................................................................................................2
1.1.2.Tipos de fijadores internos…….................................................................................................................................2
1.1.3.Sistemas de fijación mediante tornillos pediculares .................................................................................................4
1.1.4. Implantes anteriores ……………………………………………………………………..………………………..………...6
1.1.5. Implantes posteriores con barras……………….......................................................................................................9
1.1.6. Implantes posteriores pediculares……………………………………………………………..………………….………11
1.1.7. Implantes posteriores con placas………………………….……………………………………………………….…..…14
1.1.8. Sistema de fijación híbrido……………………………………………………………………………………...….………15
1.2. Discos intervertebrales artificiales. …………………………………………………………………………………….…..…16
1.2.1. Prótesis PRODISC……………………………………………………………………………………………...…….…….19
1.2.2. Prótesis SB CHARITE III……………………………………………………………………………………………….…..20
1.3. Estudios Numérico-Experimentales de sistemas de fijación interna……………………………………………….………21
1.3.1. Estudios Mecánicos y Biomecánicos……………………………………………………………………………………..22
1.3.2. Estudios en tornillos pediculares………………………………………….………………………………………………23
1.3.2.1. Resistencia a la fatiga………………………………………………………………………………………………..23
1.3.2.2. Resistencia a la extracción axial…………………………………………………………………………………….24
1.4.Estudios Numérico-Experimentales de Discos Artificiales…………………………………………………………………...25
1.4.1. Estudios Biomecánicos de prótesis de disco………………………………………………………………………...25
1.4.2. Estudios Numéricos de prótesis de disco…………………………………………………………………………….26
1.5. Biomateriales y Nuevos Materiales…………………………………………………………………………………………….27
1.6.Planteamiento del Problema…………………………………………………………………………………………………….31
1.7. Referencias……………………………………………………………………………………………………………………….35

CAPÍTULO II. Marco Teórico.

2.1 Columna dorsolumbar.................................................................................................................................................38
2.2. Clasificación de las fracturas de la columna................................................................................................................42
2.2.1. Fracturas por compresión con acuñamiento ...................................................................................................45
2.2.2. Lesiones por distracción......................................................................................................................................46
2.2.3. Fracturas estallido...............................................................................................................................................47
2.2.4. Fracturas luxación...............................................................................................................................................47
2.3 Disco intervertebral.................................................................................................................................................. ..49
2.3.1 Enfermedades de los discos...................................................................................................................................54

2.3.2. Fisura, profusión y hernia discal......................................................................................................................55
2.3.3. Artrosis vertebral…..........................................................................................................................................57
2.4 Sumario…………………………………………………………………………………………………………………………….58
2.5 Referencias………………………………………………………………………………………………………………………..59

CAPÍTULO III. Análisis Experimental de la contribución del disco intervertebral en la inestabilidad de
la columna.

3.1. Antecedentes…………………………………………………………………………………………………………………….61
3.2. Planteamiento del trabajo experimental……………………………………………………………………………….………63
3.3. Metodología Experimental……………………………………………………………………………………………….….....65
3.3.1. Preparación de los especimenes de prueba…………………………………………………………………….….……66
3.3.2. Selección del recubrimiento fotoelastico………………………………………………………………………………….67
3.3.3. Elaboración de la laca fotoelástica…………………………………………………………………………….…………..72
3.3.4. Conformado del espécimen de prueba……………………………………………………………………………………75
3.3.5. Preparativos de la máquina de ensayos…………………………………………………………………………………..77
3.3.6. Realización del ensayo biomecánico…………………………………………………………………………….………..83
3.4. Sumario……………………………………………………………………………………………………………………………89
3.5 Referencias………………………………………………………………………………………………………………………..90

CAPÍTULO IV. Análisis Numérico de la contribución del disco intervertebral en la inestabilidad de la
columna.

4.1. Generalidades del Programa ANSYS………………………………………………………………………………………….91
4.2. Construcción del Modelo en ANSYS…………………………………………………………………………………………..93
4.3. Resultados generales del análisis numérico………………………………………………………………………………...104
4.3.1. Casos de especimenes sin fractura en L3 y con lesión del disco intervertebral…………………………………….104
4.3.2. Casos de especimenes con fractura en L3 y con lesión del disco intervertebral…………………………………...108
4.4. Sumario…………………………………………………………………………………………………………………………..1124.5. Referencias……………………………………………………………………………………………..……………………….113

CAPÍTULO V. Análisis de resultados.

5.1. Comparación de los resultados experimentales y numéricos……………………………………………………………..117
5.2. Análisis de los resultados numéricos – sin fractura de L3…………………………………………………………………120
5.2.1. Caso del espécimen intacto…………………………………………………………………….…………………………120
5.2.2. Caso de daño anterior en el disco intervertebral……………………………………………………………………….122
5.2.3. Caso de daño posterior en el disco intervertebral………………………………………………………………………125
5.2.4. Caso de daño lateral derecho en el disco intervertebral……………………………………………………………….127
5.2.5. Caso de daño lateral izquierdo en el disco intervertebral……………………………………………………………...129
5.3. Análisis de los resultados numéricos – con fractura de L3………………………………………………………………...131
5.3.1. Caso del espécimen intacto………………………………………………………………………………………….……132
5.3.2. Caso de espécimen con daño anterior en el disco intervertebral……………………………………………………133
5.3.3. Caso de espécimen con daño posterior en el disco intervertebral………………………………………………..….134
5.3.4. Caso de espécimen con daño lateral derecho en el disco intervertebral……………………………………………134
5.3.5. Caso de espécimen con daño lateral izquierdo en el disco intervertebral………………………………….….…...135
5.4. Análisis Global…………………………………………………………………………………………………….………...….135
5.5. Referencias……………………………………………………………………………………………………………………..138

CONCLUSIONES..............................................................................................................................................................139
TRABAJOS FUTUROS….................................................................................................................................................141
i

ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA 1.1 Tornillos pediculares de compresión………………………………………………………………………………..4
FIGURA 1.2 Radiografía en donde se muestra el uso de tornillos pediculares……………………………………………….5
FIGURA 1.3 Dispositivo de Fijación tipo Kaneda………………………………………………………………………………….7
FIGURA 1.4 Sistema de fijación anterior con placa Z…………..………………………………………………………………..7
FIGURA 1.5 Fractura luxación que muestra la estabilización por medio de barras de Harrington………………………….8
FIGURA 1.6 Sistema de fijación de Jacobs……………………………………………………………………………………….10
FIGURA 1.7 Sistema de fijación Duffo…………………………………………………………………………………………….10
FIGURA 1.8 Sistema de fijación AO, Fractura estallido estabilizada por medio de barras AO……………………………..11
FIGURA 1.9 Instrumentación de Steffee…………………………………………………………………………………………..12
FIGURA 1.10 Instrumentación de Cotrel-Dubousset aplicada a una fractura estallido………………………………………13
FIGURA 1.11 Sistema de Placas y tornillos pediculares………………………………………………………………………..14
FIGURA 1.12 Sistema de fijación GD para columna vertebral………………………………………………………………….15
FIGURA 1.13 Técnica de abrasión discal………………………………………………………………………………………….17
FIGURA 1.14 Disco intervertebral artificial………………………………………………………………………………………...18
FIGURA 1.15 Disco intervertebral artificial PRODISC……………………………………………………………………………19
FIGURA 1.16 Disco intervertebral artificial PRODISC: a) Vista lateral de un implante de disco intervertebral en un
paciente con un movimiento de flexión, b) Vista lateral de dos discos vertebrales implantados en un paciente…………..20
FIGURA 1.17 Disco intervertebral artificial SB Charite III………………………………………………………………………...21
FIGURA 1.18 Representación de un caso de lesión en el disco intervertebral aunada a una fractura en el cuerpo
vertebral L3 debido a una caída…….………………………………………………………………………………………………31

FIGURA 2.1 Unidades funcionales de la columna vertebral……………………………………………………………………34
FIGURA 2.2 a) Constitución general de la columna vertebral humana, b) Región dorsolumbar…………………………..35
FIGURA 2.3. a. Constitución del disco intervertebral, b. Ligamentos de la columna vertebral………………………………36
FIGURA 2.4 Vértebra lumbar característica………………………………………………………………………………………37
FIGURA 2.5 A. Concepto de las dos columnas, B. Concepto de las tres columnas………………………………………..39
FIGURA 2.6 Fracturas por compresión con acuñamiento anterior y lateral…………………………………………………..41
FIGURA 2.7 Lesiones por distracción……………………………………………………………………………………………..42
FIGURA 2.8 Clasificación de las fracturas estallido basada en la localización de la lesión en el cuerpo vertebral. A. del
platillo superior, B. de ambos platillos, C. del platillo inferior, y D. mitad lateral del cuerpo vertebral………………………43
FIGURA 2.9 Fracturas Luxaciones: A.Flexión rotación, B. Fractura en rodaja, C. Estallido rotación (flexión-compresión
axial-rotación), D. Cizallamiento posteroanteriro y D. Distracción……………………………………………………….………44
FIGURA 2.10 Disco intervertebral A. Vista lateral de una unidad funcional que muestra el entrecruzamiento de fibras
anulares en el disco, B. Esquema del núcleo, que muestra la fuerza que separa las vértebras, y C. Vista sagital de las
facetas en la posición de deslizamiento posterior de la unidad funcional………………………………………………………45
FIGURA 2.11 Fibras colágenas del núcleo. A. Gel mucopolisacárido con fibras anulares alineadas irregularmente,
B. Aumento en número y tamaño al envejecer el núcleo………...………………………………………………………..….….46
FIGURA 2.12 Anillo fibroso………………………………………………………………………………………………………….46
FIGURA 2.13 Angulación de las fibras anulares A. sin presión externa, B. proceso de imbibición en donde el ángulo se
vuelve menos agudo, C. bajo compresión externa en donde el ángulo se vuelve más agudo, D. flexión y extensión de la
unidad funcional, las fibras se angulan de acuerdo con su posición anterior y posterior, E angulación y longitud de las
ii
fibras durante las fuerzas de deslizamiento o torque, y F. esquema de las fijaciones de las fibras anguladas con las
placas terminales de vértebras adyacentes………………………………………………………………………………………..47

FIGURA 2.14 Cambio en la forma del disco y angualción de las fibras por compresión…………………………………….48
FIGURA 2.15 Función del núcleo pulposo………………………………………………………………………………………..49
FIGURA 2.16 Enfermedades degenerativas del disco A.Ffisura, B. Profusión y C. Hernia………………………...………52
FIGURA 2.17 Artrosis vertebral A. Unidad funcional sana B. Unidad funcional con artrosis, en donde se muestra la
generación del osteofito………………………………………………………………………………………………………………54

FIGURA 3.1 Unidad funcional y Unidad de carga……………………………………………………………………………….58
FIGURA 3.2 Especimenes porcinos intactos……………………………………………………………………………………...60
FIGURA 3.3 Disco intervertebral con daño anterior y posterior respectivamente…………………………………………….60
FIGURA 3.4 Espécimen de prueba………………………………………………………………………………………………...63
FIGURA 3.5 Tipos de recubrimientos fotoelásticos existentes en el mercado……………………………………………….64
FIGURA 3.6 Gráfica para determinar el coeficiente óptico de deformación y espesor requerido…………………………..66
FIGURA 3.7 Variación del coeficiente óptico de deformación en función de la temperatura………………………………..68
FIGURA 3.8 KIT de conformado de laca fotoelástica…………………………………………………………………………….69
FIGURA 3.9 Desmoldado de la laca fotoelástica…………………………………………………………………………………71
FIGURA 3.10 Espécimen de prueba conformado con laca fotoelástica………………….……………………………………72
FIGURA 3.11 Espécimen de prueba terminado………………………………………………..…………………………………73
FIGURA 3.12 Máquina de ensayos MTS. (Cortesía de la SEPI - ESIME)………………….…………………………………74
FIGURA 3.13 Fotografía del dispositivo de sujeción utilizado en el experimento………….…………………………………74
FIGURA 3.14 Vista frontal de la Copa de sujeción……………………………………………….……………………………...75
FIGURA 3.15 Vista superior de la Copa de sujeción……………………………………………..……………………………...76
FIGURA 3.16 Especificaciones de las guías, espárragos y pernos…………………………………………………………… 77
FIGURA 3.17 Fotografía de uno de los especimenes empotrados…………………………………………………………….78
FIGURA 3.18 Polariscopio de Reflexión…………………………………………………………………………………………..78FIGURA 3.19 Dispositivo de sujeción montado sobre la máquina de ensayos……………………………………………….79
FIGURA 3.20 Campos de esfuerzos observados a diferentes niveles de carga y con daño del disco vertebral………….80
FIGURA 3.21 Gráfica comparativa de esfuerzos obtenidos en los ensayos experimentales………………………………..83

FIGURA 4.1. Fotografías de una unidad de carga vista de diferentes ángulos………………………………………………..86
FIGURA 4.2. Imágenes tomadas del AutoCAD 2002 en donde se muestra el parametrizado de las imágenes
fotografiadas……………………………………………………………………………………………………………………………87
FIGURA 4.3. Modelo de hilos creado en Mechanical Desktop 6.0………………………………………………………………87
FIGURA 4.4. Diferentes vistas del modelo creado en ANSYS v.7.0. que representa al espécimen intacto……………….88
FIGURA 4.5. Modelo creado en ANSYS 6.1 correspondiente al daño anterior del disco intervertebral…………………….89
FIGURA 4.6. Modelo creado en ANSYS 6.1 correspondiente al daño posterior del disco intervertebral…………………..89
FIGURA 4.7. Modelo creado en ANSYS 6.1 correspondiente al daño izquierdo del disco intervertebral…………………..90
FIGURA 4.8. Modelo creado en ANSYS 6.1 correspondiente al daño derecho del disco intervertebral……………………90
FIGURA 4.9. Modelo creado en ANSYS 6.1……………………………………………………………………………………….91
FIGURA 4.10. Malla de elementos Finitos de una vértebra. a) Vértebra seccionada vista sagital; b) Vista superior, corte a
5 mm; c) Vista superior, corte a 22 mm y d) Bandas anulares y orientación de las fibras (Shirazi)…………………………93
FIGURA 4.11. Modelo de elementos finitos de una sección lumbar L2-L3. (Wang)…………………………………………..94
Figura 4.12. Modelo de elementos finitos de una sección lumbar L2-L3. (Wang)…………………………………………….94
FIGURA 4.13. Esfuerzos de von Misses para el caso de un espécimen intacto……………………………………………...95
FIGURA 4.14. Esfuerzos de von Misses para el caso de un espécimen con daño anterior…………………………………96
FIGURA 4.15. Esfuerzos de von Misses para el caso de un espécimen con daño posterior………………………………..96
FIGURA 4.16. Esfuerzos de von Misses para el caso de un espécimen con daño lateral derecho………………………...97
FIGURA 4.17. Esfuerzos de von Misses para el caso de un espécimen con daño lateral izquierdo……………………….97
FIGURA 4.18 Gráfica comparativa de esfuerzos obtenidos en ANSYS……………………………………………………...101

iii
FIGURA 5.1 Gráfica comparativa de esfuerzos obtenidos en los ensayos experimentales………………………………..107
FIGURA 5.2 Gráfica comparativa de esfuerzos obtenidos en ANSYS…………………………………………………….....107
FIGURA 5.3 Gráfica comparativa de esfuerzos obtenidos en el disco intervertebral por medio de ANSYS……………..108
FIGURA 5.4 Movimiento del disco intervertebral a) espécimen intacto b) espécimen con daño físico…………………...108
FIGURA.5.5. Vista anterior del espécimen intacto con una carga de compresión de 150 kg………………………….......109
FIGURA.5.6. Vista posterior del espécimen intacto con una carga de compresión de 150 kg……………………………..110
FIGURA.5.7. Vista anterior del espécimen intacto con carga de compresión de 150 kg., en donde se observa el patrón
de esfuerzos generado en las placas terminales……………………………………………………………………………......110
FIGURA.5.8. Vista anterior del espécimen intacto con carga de compresión de 150 kg., en donde se observa el patrón
de esfuerzos generado en el disco intervertebral……………………………………………………………………………..…111
FIGURA.5.9. Vista anterior del espécimen con daño anterior en el disco intervertebral y con carga de compresión de
150 kg…………………………………………………………………………………………………………………………………112
FIGURA.5.10. Vista posterior del espécimen con daño anterior en el disco intervertebral y con carga de compresión de
150 kg…………………………………………………………………………………………………………………………………113
FIGURA.5.11. Vista anterior del espécimen con daño anterior en el disco intervertebral y con carga de compresión de
150 kg., en donde se observa el patrón de esfuerzos generado en las placas terminales…………………………………113
FIGURA.5.12. Vista anterior del espécimen con daño anterior en el disco intervertebral y con carga de compresión de
150 kg., en donde se observa el patrón de esfuerzos generado en el disco intervertebral…………………………………114
FIGURA.5.13. Vista anterior del espécimen con daño posterior en el disco intervertebral y con carga de compresión de
150 kg…………………………………………………………………………………………………………………………………115
FIGURA.5.14. Vista posterior del espécimen con daño posterior en el disco intervertebral y con carga de compresión de
150 kg…………………………………………………………………………………………………………………………………116
FIGURA.5.15. Vista anterior del espécimen con daño posterior en el disco intervertebral y con carga de compresión de
150 kg., en donde se observa el patrón de esfuerzos generado en las placas terminales………………………………….116
FIGURA.5.16. Vista anterior del espécimen con daño posterior en el disco intervertebral y con carga de compresión de
150 kg., en donde se observa el patrón de esfuerzos generado en el disco intervertebral…………………………………117
FIGURA.5.17. Vista anterior del espécimen con daño derecho en el disco intervertebral y con carga de compresión de
150 kg…………………………………………………………………………………………………………………………………118
FIGURA.5.18. Vista posterior del espécimen con daño derecho en el disco intervertebral y con carga de compresión de
150 kg…………………………………………………………………………………………………………………………………119
FIGURA.5.19. Vista anterior del espécimen con daño derecho en el disco intervertebral y con carga de compresión de
150 kg., en donde se observa el patrón de esfuerzos generado en las placas terminales…………………………………119
FIGURA.5.20. Vista anterior del espécimen con daño derecho en el disco intervertebral y con carga de compresión de
150 kg., en donde se observa el patrón de esfuerzos generado en el disco intervertebral…………………………………120
FIGURA.5.21. Vista anterior del espécimen con daño izquierdo en el disco intervertebral y con carga de compresión de
150 kg…………………………………………………………………………………………………………………………………121
FIGURA.5.22. Vista posterior del espécimen con daño izquierdo en el disco intervertebral y con carga de compresión de
150 kg…………………………………………………………………………………………………………………………………122
FIGURA.5.23. Vista anterior del espécimen con daño izquierdo en el disco intervertebral y con carga de compresión de
150 kg., en donde se observa el patrón de esfuerzos generado en las placas terminales………………………………….122
FIGURA.5.24. Vista anterior del espécimen con daño izquierdo en el disco intervertebral y con carga de compresión de
150 kg., en donde se observa el patrón de esfuerzos generado en el disco intervertebral…………………………………123

ÍNDICE DE TABLAS

TABLA 3.1. Nivel esperado de deformación………………………………………………………………………………………65
TABLA 3.2 Resultados de los esfuerzos obtenidos en L3 por medio de la fotoelasticidad reflectiva para el caso de un
espécimen intacto……………………………………………………………………………………………………………………..81
TABLA 3.3 Resultados de los esfuerzos obtenidos en L3 por medio de la fotoelasticidad reflectiva para el caso de un
espécimen con daño anterior………………………………………………………………………………………………………...81
TABLA 3.4 Resultados de los esfuerzos obtenidos en L3 por medio de la fotoelasticidad reflectiva para el caso de un
espécimen con daño posterior……………………………………………………………………………………………………….81
TABLA 3.5 Resultados de los esfuerzos obtenidos en L3 por medio de la fotoelasticidad reflectiva para el caso de un
espécimen con daño lateral derecho………………………………………………………………………………………………. 81
TABLA 3.6 Resultados de los esfuerzos obtenidos en L3 por medio de la fotoelasticidad reflectiva para el caso de un
espécimen con daño lateral izquierdo………………………………………………………………………………………….......82
TABLA 3.7 Resultados generales de los esfuerzos observados en el cuerpo vertebral L3 de los especimenes de
prueba…………………………………………………………………………………………………………………………………..82

TABLA 4.1 Tipos de análisis realizados en ANSYS………………………………………………………………………………85
TABLA 4.2. Propiedades Mecánicas de los materiales que conforman la unidad de carga……………………………..…91TABLA 4.3. Resultados de ANSYS para el caso de un espécimen intacto…………………………………………………..98

TABLA 5.1 Resultados generales del Esfuerzo de von Misses para todos los casos de estudio………………………….105
TABLA 5.2 Resultados generales del Esfuerzo de von Mises en el D.I. para todos los casos de estudio…………….106
v

RESUMEN.

Este trabajo presenta un estudio realizado conjuntamente entre el I.P.N. en la Sección de
Estudios de Posgrado e Investigación (SEPI-ESIME Zacatenco) y el Hospital General la Villa -
Área de Columna. Consiste en establecer cuál es la contribución de un disco intervertebral con
daño físico en la inestabilidad de la columna vertebral, específicamente cuando existe una
fractura a nivel de L3. La evaluación se realizó a 5 especimenes lumbares porcinos (L2-L3-L4)
bajo carga axial de compresión, con el objetivo de determinar cual es el nivel de esfuerzos
observado en L3 cuando el disco se encuentra sano y cuando presenta algún daño físico en uno
de sus cuadrantes (anterior, posterior, lateral derecho, lateral izquierdo). El análisis se llevó
acabo mediante el uso de la técnica fotoelástica reflectiva y el empleo del método de elementos
finitos.

ABSTRACT.

This work presents a study made jointly between the I.P.N. (SEPI-ESIME Zacatenco) and the
Hospital General de la Villa - Area de Columna. In this study, it is of established which is the
contribution of the intervertebral disc in the instability of the spine when a fracture in the lumbar
region exists (L2-l3-l4).The purpose of this study, is to determine, the stress level generated in a
healthy specimen when compression load is applied, these results are compared with damaged
specimens in the different quadrants of the intervertebral disc, under the same conditions of load.
In this way, it is possible to establish in which degree contributes the intervertebral disc to the
transmission and distribution of load in adjacent levels. The experimental analysis was carried on
with reflective photoelastic and FEM.

HIPÓTESIS

La hipótesis planteada en este trabajo, es suponer que la condición física de un disco
intervertebral compromete la estabilidad de la columna vertebral. Se entiende por condición
física, al estado de salud en el que se encuentra el disco, es decir, si esta completamente sano,
o bien, si presenta algún tipo de lesión en su estructura.

OBJETIVO

El objetivo de este trabajo es establecer el efecto mecánico que tiene un disco intervertebral
dañado dentro de la columna vertebral, en pacientes que han sufrido un trauma a nivel lumbar
(L2-L3-L4) ocasionado principalmente por una caída. Para tal efecto, se pretende efectuar un
análisis numérico - experimental en especimenes porcinos, y someterlos a un estado de carga
axial de compresión. El análisis experimental será realizado por medio de la técnica fotoelástica
reflectiva y los resultados serán corroborados a través de un análisis de elementos finitos.

JUSTIFICACIÓN

La razón de estudiar el disco intervertebral surge de la necesidad de un grupo de médicos
pertenecientes al Hospital General la Villa, que observaron a una serie de pacientes que fueron
intervenidos quirúrgicamente e instrumentados debido a una lesión en la columna vertebral,
específicamente en la región lumbar L2-L3-L4, y no evolucionaron favorablemente, tal es así,
que los pacientes en un lapso de unos meses regresaron con molestias de dolor en la espalda
baja, e incluso algunos de ellos, con fractura a nivel de L5. Esto sin duda, trajo la inquietud en la
comunidad médica por conocer las causas que provocan estos malestares en estas personas.
Una primera evaluación, se centro en revisar los procedimientos quirúrgicos empleados en el
paciente, así como la integridad de la instrumentación usada para estabilizar la columna, por lo
cual se realizaron exámenes de exploración, así como estudios radiográficos y de Resonancia
Magnética. Estos estudios, demostraron que la instrumentación efectuada en los pacientes fue la
correcta, y no representaba ningún problema que comprometiera la estabilidad de la columna,
por lo tanto, no se atribuyó como posible causa de los malestares en el paciente. Una vez
descartada la posibilidad de que la instrumentación fuera deficiente, se centró la atención en el
disco intervertebral, ya que es un elemento importante en la biomecánica de la columna
vii
vertebral. Al realizar la evaluación correspondiente en el paciente, se encontró que el disco
intervertebral se encontraba totalmente colapsado, lo cual sin duda, fue factor de preocupación
para los médicos, iniciando así este tema de investigación.

Para entender más este fenómeno, es conveniente explicar la forma de trabajar de los médicos,
la cual consiste en evaluar al paciente traumatizado con el objetivo de determinar la
instrumentación a emplear de acuerdo al tipo de lesión encontrada, en este actuar sólo se
efectúa una revisión del disco intervertebral, ya que casi siempre resulta dañado debido al
trauma en el paciente, y se toman dos acciones, la primera de ellas es limpiar la zona dañada del
disco intervertebral para quitar cualquier residuo del núcleo pulposo, o bien, de las fibras que se
hayan roto a causa del trauma, y una vez hecho esto, se decide por parte del médico dejar
dentro del paciente el restante del disco intervertebral. La segunda opción, es extirpar
completamente el disco intervertebral dañado, y colocar en su lugar un injerto de hueso, o bien,
una prótesis de disco, que supla la función que desempeñaba el mismo. Sin duda, esta segunda
opción representa más trabajo, tiempo, y sobre todo inversión monetaria, tanto para el hospital
como para el paciente, por lo cual, casi siempre se opta por la primera alternativa, con fines de
“ahorrar recursos”. Sin embargo, debido a los casos antes mencionados, el grupo de trabajo del
Hospital General de la Villa tiene la inquietud de conocer que efecto tiene el dejar dentro del
paciente un disco que esta completamente dañado y poder determinar en que grado afecta a la
calidad de vida de los pacientes. Y precisamente, a raíz de esa necesidad surge el tema de
investigación de esta tesis doctoral, cuyo objetivo es brindar a la comunidad médica los
elementos científicos y técnicos que ayuden a su labor cotidiana en beneficio de la población
Mexicana.

viii

INTRODUCCIÓN

La discusión entre la elección del tratamiento de las fracturas vertebrales se remonta a la
década de los años 40 cuando, los malos resultados de las laminectomías
descompresivas realizadas por Jefferson en 1946, y posteriormente efectuadas por
Nichol, proporcionaron a Sir Ludwing Guttman los argumentos necesarios para
desaconsejar el tratamiento quirúrgico en las fracturas vertebrales. Esta actitud fué
mantenida durante años como norma por la mayoría de las unidades encargadas del
tratamiento de estos pacientes. En 1977 Soreff publica los malos resultados obtenidos
con la aplicación de sistemas ortopédicos en enfermos afectados por fracturas
vertebrales. A su vez, Bradford y Dickson presentan trabajos en los cuales fué realizada
reducción y estabilización quirúrgica. Hardcastle, Davies y otros, realizan estudios
comparativos entre los resultados obtenidos tras el uso de técnicas ortopédicas y
quirúrgicas, no habiendo obtenido diferencias claras entre ambos tratamientos.

En 1983 Denis describe su teoría de la estabilidad vertebral basada en la existencia de
tres columnas óseas, siendo considerada causa de inestabilidad en la columna la
alteración de dos de ellas.

La aparición de la Tomografía Computarizada (T.C.) y la Resonancia Magnética (R.M.) se
postulan como instrumentos auxiliares importantes en el diagnóstico preciso, tanto de la
fractura, como de la etiología de la lesión neurológica,si es que esta última existiera.

Las exploraciones radiológicas y la aplicación de la teoría de Denis sobre la estabilidad
vertebral, contribuyeron de manera importante para establecer las indicaciones
quirúrgicas en aquellas fracturas en las que el tratamiento ortopédico fracasaba. Las
posibilidades de tratamiento quirúrgico de las fracturas vertebrales, se han incrementado
conforme ha evolucionado la instrumentación vertebral. La osteosíntesis de la columna
se ha convertido en una práctica habitual de los Servicios de Ortopedia, pero aún se
mantienen controversias sobre cuales son las indicaciones y la técnica quirúrgica más
adecuada.

El objetivo del tratamiento quirúrgico de las lesiones vertebrales es restaurar la
estabilidad de la columna y preservar la función neurológica para una recuperación
satisfactoria del paciente, con la finalidad de mantener el máximo número de segmentos
móviles. Sin embargo, una de las técnicas empleadas con mayor frecuencia en la
actualidad para el tratamiento de las fracturas, es la fusión vertebral, que consiste en
inmovilizar dos o más segmentos de la columna vertebral, según sea la complejidad de la
fractura. Sin embargo, hasta el momento no se han establecido cuales son las
repercusiones que implica el uso de esta técnica.

ix
Este trabajo pretende establecer cual es la función que desempeña un disco
intervertebral dañado en la inestabilidad de la columna cuando existe un trauma en la
región lumbar. En la actualidad, las clasificaciones de fracturas de la columna que se
encuentran disponibles en la literatura abierta no toman en consideración el estado físico
del disco intervertebral al momento de diagnosticar si la lesión es estable o inestable. De
tal forma que, resulta interesante conocer si el disco intervertebral dañado tiene algún
efecto mecánico sobre una fractura del cuerpo vertebral adyacente a él.

Otro aspecto importante a evaluar, es establecer cuales son los efectos secundarios
inducidos en la columna vertebral cuando se efectúa la artrodesis, es decir, cuando se
rigidiza uno o mas segmentos de la columna al momento de instrumentar, que zonas o
segmentos de la columna están propensos a la falla debido al incremento de resistencia
en una porción de la columna. Es importante mantener la movilidad de los segmentos
afectados para evitar sobrecargas en los espacios discales adyacentes o en cualquier
otra zona de la columna.

Por tanto, la finalidad de este trabajo es aportar datos científicos con la intención de
establecer criterios al momento de efectuar la instrumentación en el paciente y tener
presente que la condición física del disco intervertebral puede ser factor de riesgo a
futuro para los pacientes que sufren este tipo de padecimientos.

Por tal motivo, el trabajo presentado aquí consta de cinco capítulos, el capítulo I está
dedicado al estado del arte del campo de la Biomecánica. En él se afrontan temas
esenciales como son: los tipos de implantes para columna, estudios numéricos y
experimentales de estos sistemas de fijación; hasta lo más actual, como son las prótesis
discales y la tecnología de materiales utilizada en el desarrollo de nuevos implantes y
técnicas de reestructuración de hueso.

El capítulo II presenta la teoría sobre temas relacionados con la columna vertebral,
específicamente el área dorsolumbar, en él se explica de manera detallada cual es la
constitución y función biomecánica de los cuerpos y discos vertebrales, así como la
clasificación actual de las fracturas y sus consideraciones. Además se presentan algunas
de las enfermedades y lesiones producidas en los discos vertebrales.

En el capítulo III se hace el desarrollo experimental de los especímenes de prueba
propuestos en esta tesis. La técnica experimental utilizada para este efecto es la
fotoelasticidad reflectiva.

El capítulo IV presenta el análisis numérico realizado a través del método de elementos
finitos, con la finalidad de validar los resultados obtenidos de manera experimental. Para
este efecto se utilizó el programa ANSYS en su versión 7.0.

x
Por ultimo, en el capitulo V se hace el análisis de resultados obtenidos de manera
experimental y numérica.

Cabe mencionar que el desarrollo de este trabajo fue apoyado por el CONACYT, y que
además pertenece a la línea de investigación de Biomecánica dentro del proyecto
ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE DESGASTE DE PRÓTESIS CADERA con registro CGPI
2003-0981 que se desarrolla en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la
S.E.P.I. – E.S.I.M.E Zacatenco.

Capítulo I

ANTECEDENTES

CAPÍTULO I

ANTECEDENTES

Aunque los métodos de tratamiento de fracturas han ido cambiando a lo largo de la historia de la
Biomecánica, el objetivo de los Ingenieros Biomecánicos ha sido siempre el mismo: recuperar al
paciente hasta su estado funcional y anatómico óptimo.

A principios de los años sesenta se realizaron los primeros estudios Biomecánicos en algunas
áreas de la ortopedia, traumatología y rehabilitación. Para ese entonces, los medios tecnológicos
y la información reportada en la literatura eran insuficientes para lograr un avance significativo en
esta área. En la actualidad, el grado de sofisticación ha crecido de tal forma que solo aquellos
que están especializados en áreas como la Ingeniería Mecánica, Matemáticas y Medicina,
pueden contribuir de manera satisfactoria al desarrollo de este campo.

Como cualquier otra rama de la ciencia, el campo de la Biomecánica empieza a ser más
específico. Los estudios Biomecánicos actuales proveen de conocimiento con la finalidad de
mejorar los métodos y dispositivos usados para el cuidado de pacientes con problemas
musculoesqueléticos. La Biomecánica es una profesión con su propia cultura e identidad, y se
considera como una de las corrientes principales dentro de la Ingeniería Mecánica. Las
consideraciones de esta ciencia han medido por palmos una gama amplia dentro de la medicina
y cirugía. Gracias a la tecnología actual que se utiliza, los ingenieros están desafiando las
capacidades técnicas existentes en la representación de imágenes, modelado, sistemas de
cómputo, ensayo de materiales, robótica, instrumentación microscópica y otros campos que
llevarán a los desarrollos futuros de esta rama de la ciencia. Hoy día, la Biomecánica ha
contribuido enormemente a la ortopedia y traumatología, y no sólo al conocimiento de la
estructura, mecánica y funcionamiento del sistema musculoesquelético, sino también en el
desarrollo de instrumentos y dispositivos directamente relacionados al cuidado y rehabilitación de
los pacientes con algún cuadro patológico severo, como es el caso de los fijadores externos,
fijadores internos y prótesis discales utilizados para la estabilización de algunas partes del
cuerpo, dando énfasis en este trabajo a los utilizados para la estabilización de la columna
vertebral. Como una disciplina, la biomecánica se ha ganado notablemente la confianza de
cirujanos ortopédicos y traumatólogos y, por consiguiente, la calidad de resultados clínicos ha ido
en aumento.

El futuro de la Biomecánica está lleno de oportunidades ilimitadas, entre las muchas áreas de
aplicación se encuentra la ortopedia, en donde la investigación de nuevos materiales y el
desarrollo de nuevos dispositivos, hacen que la calidad de vida de los pacientes que sufren
algún cuadro patológico vaya en aumento. Sin duda, el panorama general en el que se envuelve
esta disciplinaes prometedor, dando esperanza a que los avances tecnológicos y científicos que
se generan hoy día estén al alcance de todo mundo.

CAPÍTULO I. Reporte Predoctoral
ESTADO DEL ARTE SEPI-ESIME

1.1 SISTEMAS DE FIJACIÓN INTERNA PARA COLUMNA

1.1.1 GENERALIDADES.

La fijación interna no es una nueva ciencia. Los pasados 50 años proveyeron de una amplia
documentación de los resultados de la fijación interna inestable. Con frecuencia, la cirugía
demostró ser la peor forma de tratamiento. Destruyó las uniones con los tejidos blandos, interfirió
con los factores biológicos como el aporte vascular y el periostio y nunca fue lo bastante fuerte o
estable para permitir la movilización activa de los miembros con carga parcial. En varias
oportunidades se necesitó la fijación externa con un suplemento de yeso. Se puso más énfasis
en la consolidación ósea que en la rehabilitación de los tejidos blandos. La consolidación era
evidente cuando aparecía el callo. Por desgracia, la fijación interna inestable era impredecible e
incierta y muchas veces resultaba en el retardo de la consolidación, seudoartrosis o deformidad.
Cuando consolidaba, en vez de significar el fin del tratamiento, simplemente señalaba el
comienzo de una prolongada fase de rehabilitación para recuperar la movilidad en la cubierta de
los tejidos blandos y en la rigidez de las articulaciones. Los estragos de esta forma no funcional y
de tratamiento largo eran tales que la reducción a cielo abierto y la fijación interna constituiría el
último recurso en el tratamiento de una fractura.

Pasado el tiempo, se encontraría que la estabilidad en la fijación era la clave del éxito. Esto se
consiguió mediante la compresión que recreo la continuidad estructural del hueso. El tornillo
tirafondo se convirtió en el bloque constructor de la fijación interna estable, y cuando era
necesario se combinó con las placas de protección, con placas de neutralización o bien con
placas de soporte.

Posteriormente, se reconoció que la estabilidad absoluta es necesaria para la revascularización
y consolidación del hueso muerto y que solo el hueso vivo es capaz de superar la movilidad en la
fractura y lograr la consolidación mediante la formación de un callo. La apreciación de esta
diferencia fue la clave para elegir la técnica correcta de fijación interna de una fractura.

Las lesiones de la columna vertebral y de las estructuras neurológicas asociadas ocurren con
frecuencia y tienen efectos devastadores en las funciones del individuo. El índice de lesiones
raquídeas varía con la edad y el sexo, con una incidencia desproporcionada en los hombres
jóvenes. La lesión en la columna vertebral tiene la peor de las consecuencias funcionales y el
índice más alto de incapacidad a largo plazo que todos los demás órganos del cuerpo humano.
De aquí la importancia de encontrar nuevos dispositivos que ayuden a la estabilización de la
columna vertebral en pacientes con cuadros patológicos severos.

1.1.2. TIPOS DE FIJADORES INTERNOS.

Los instrumentos de fijación interna se desarrollaron para resolver los problemas de las
enfermedades por fractura. Este es un término acuñado por la Arbeitsgemeinschaft für
Osteosynthesefragen/Association for Study of Internal Fixation (AO/ASIF) y hace referencia a la
rigidez articular y pérdida de resistencia y función que acontece durante la rehabilitación de una
fractura ósea. Este hecho aparece típicamente cuando una articulación se inmoviliza durante
cierto periodo, mientras se consolida la fractura.

CAPÍTULO I. Reporte Predoctoral
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3
En lo referente a la columna vertebral humana, en la actualidad existe gran variedad de
dispositivos en el mercado global, entre los más comunes se encuentran los sistemas que
utilizan tornillos pediculares, alambres y ganchos, que se pueden fijar a barras o placas
longitudinales. Estos sistemas pueden sostener la columna vertebral mediante abordaje
anterior y posterior. La clasificación de este tipo de dispositivos puede variar según algunos
autores, sin embargo, la clasificación de fijadores internos para columna adoptada en este
trabajo es la siguiente [1.1]:

1. FIJACIÓN MEDIANTE TORNILLOS PEDICULARES.

2. IMPLANTES ANTERIORES.

Dispositivo de Kaneda.
Placa I de Syracuse.
Placa Z.
Zielke.
Kostuick-Harrington
TSRH.

3. IMPLANTES POSTERIORES CON BARRAS.

Sistema Harrington
Distracción.
Compresión.
Edwards.
Barra con gancho de bloqueo de Jacobs.
Luque.
Harrington-Luque.
Wisconsin o Drummond

4. IMPLANTES POSTERIORES PEDICULARES

Steffee.
Luque.
Roy-Camile.
Wiltse.
Fijador Interno AO.
TSRH.
Dynalock.
Cotrel-Doubousset.
ISOLA.
Rogozinski.

5. IMPLANTES POSTERIORES CON PLACAS.

6. SISTEMAS HÍBRIDOS.

CAPÍTULO I. Reporte Predoctoral
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4
Es importante reconocer que en la actualidad se están utilizando otros dispositivos apropiados
de fijación interna, tal es el caso del Sistema de Fijación Duffo[1.2] y la Placa GD. Las
indicaciones y contraindicaciones de su uso continúan evolucionando y, al tiempo que su uso se
generaliza, se están obteniendo datos relativos a la incidencia de complicaciones.

Sin embargo, todos los sistemas de fijación tienen la finalidad de reducir y estabilizar
inmediatamente la columna, después de que ésta sufre algún trauma, o bien algún cuadro
patológico. De esta manera la tasa de seudoartrosis disminuye, ya que la fijación actúa como un
soporte interno durante el tiempo de consolidación de la fusión biológica.

1.1.3 SISTEMA DE FIJACIÓN MEDIANTE TORNILLOS PEDICULARES.

La estabilización biomecánica de la columna con sistemas de tornillo pedicular fue descrita por
primera vez en 1959 por Boucher[1.3]; en donde los tornillos se pasaron a través de la lámina y
el pedículo hacia el cuerpo vertebral para fijar la columna lumbar posterior.

Pennel [1.4], en 1964, continuó con el trabajo de Boucher, reportando resultados similares
satisfactorios con dicha técnica, pero ninguno utilizó placas para reforzar la estabilización. La
fijación con tornillo pedicular fue popularizada en Francia por Roy-Camile y cols. [1.5] en 1977,
quienes desarrollaron un sistema de placas y tornillos pediculares para la estabilización interna
de la columna lumbar y cervical. Aunque su sistema era innovador en diseño, ellos compartieron
sus ideas con Arthur Steffee [1.6], quién introdujo en los años ochenta la técnica de fijación en
los EE.UU. para el manejo de fracturas selectas de la columna toracolumbar.

Generalmente, los tornillos pediculares operan como parte integral de sistemas más complejos,
como lo son: sistemas de barra - tornillo y sistemas de placa – tornillo, dependiendo de la
complejidad de la lesión (Ver Figura 1.1 y 1.2)

De manera general, las ventajas de la fijación mediante tornillos pediculares son:

Consiguen estabilización con construcciones más cortas y proveen fijación rígida de las
tres columnas de la espina desde un abordaje posterior.
La habilidad para restaurar y mantener los contornos coronal y sagital de la columna.
La habilidad para conseguirfijación de la columna en ausencia de elementos posteriores.
No ocupan espacios en el canal medular.
Disminución de segmentos de movimiento que requieren ser fusionados.
Pueden también reducir el tiempo de rehabilitación.

FIGURA 1.1 Tornillos pediculares de compresión.

CAPÍTULO I. Reporte Predoctoral
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Asimismo, ofrecen características únicas no obtenibles con construcciones de barra y ganchos,
como en los casos donde es necesaria una laminectomia o existe fractura laminar significativa.

Los sistemas de fijación con tornillo pedicular permiten el tratamiento de la inestabilidad
toracolumbar después de una fractura estallada o de la resección de un tumor de columna, y
proporcionan una mejor fijación de la unión lumbosacra que los sistemas convencionales de
barras y ganchos.

Debido a que estos sistemas tienen grandes fuerzas de reducción y efectos de estabilización,
normalmente no se usan para tratar casos de lesión de columna, pero se utilizan para
espondilolistesis, inestabilidad segmental y estenosis de canal de columna con buenos
resultados, sin embargo, en varias aplicaciones se han reportado complicaciones de fijación con
tornillo pedicular.

FIGURA 1.2 Radiografía en donde se muestra el uso de tornillos pediculares.

Las desventajas de la fijación mediante tornillo pedicular son las siguientes:

Mayor tasa de infección (3% - 6%)
Aflojamiento de los tornillos, con el consiguiente peligro de Migración.
Lesión neurológica asociada con la colocación del tornillo pedicular (1% - 5%)
Mayor pérdida de sangre.
Mayor tiempo quirúrgico.
Perdidas de fijación en vértebras con osteoporosis.
Fractura de los tornillos (6% - 10%)
Mayor tasa de reoperación (20%)
Mayor costo.

CAPÍTULO I. Reporte Predoctoral
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El éxito de este tipo de dispositivos depende, en gran medida, del método adoptado para su
colocación.

1.1.4. IMPLANTES ANTERIORES

Estos dispositivos fijan la columna anterior insertándose lateralmente al cuerpo vertebral
mediante tornillos vertebrales. Los sistemas de fijación anterior permiten la fusión segmental
corta pero potencialmente pueden interferir con las estructuras vasculares.

Las desventajas de la instrumentación anterior comprenden el aumento de morbididad debida a
la vía de abordaje quirúrgico y las lesiones vasculares potenciales causadas por implantes
anteriores de gran tamaño. Si se producen complicaciones, la intervención parara extraer los
implantes de la cara anterior de la columna es más difícil que para los implantes posteriores, y
puede ser imposible realizar una corrección adecuada de la cifosis sólo con instrumentación
anterior si las estructuras de soporte posteriores son incompetentes. Además, es necesaria una
cantidad importante de material de injerto óseo para cubrir el defecto después de una
descompresión anterior; por lo que es necesaria obtener una gran cantidad de hueso de la cresta
ilíaca o emplear aloinjertos de banco de huesos. Los estudios biomecánicos señalan un
aumento de la consolidación del injerto óseo con el empleo de los dispositivos de fijación
anterior. Las ventajas de la descompresión anterior o de la fijación interna anterior incluyen un
desbridamiento más adecuado del conducto vertebral, una mejor descompresión de los
elementos nerviosos, una ausencia de la lesión de las estructuras musculares posteriores,
importantes para la estabilización mecánica de la columna, y una ausencia de irritación de los
tejidos blandos, lo cual suele ocurrir con frecuencia con la instrumentación vertebral posterior. La
vía de abordaje anterior evita la posibilidad de lesión adicional de la médula espinal, de las raíces
nerviosas y del saco tecal.

A. Dispositivo de Kaneda.

La instrumentación vertebral anterior de Kaneda está indicada en las fracturas entre T10 y L3 y
se debe utilizar sólo como dispositivo de cuerpo vertebral lateral. El dispositivo está diseñado
para abarcar un máximo de cuatro segmentos de movilidad. La figura 1.3 muestra una ilustración
de este tipo de fijadores.

Consiste de dos barras roscadas, cuatro tornillos transcorticales, roldanas de anclaje y
eslabones transversales para el acoplamiento de las barras. Con el dispositivo Kaneda la fijación
se extiende solo a un nivel vertebral cefálico y un nivel caudal al sitio de la corpectomía. Dado
que el uso de este dispositivo no causa una reducción significativa en la estabilidad antes de
conseguirse una fusión sólida, y que no está asociado con ninguna secuela adversa de largo
plazo relacionada con su proximidad a las vísceras abdominales, puede ofrecer distintas
ventajas, comparado con otros sistemas, para estabilizar la columna después de la corpectomía.

CAPÍTULO I. Reporte Predoctoral
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FIGURA 1.3 Dispositivo de Fijación tipo Kaneda.

B. Sistema modificado de barras de Zielke.

Este sistema es una modificación al sistema de Dwyer, en donde se sustituye el uso de cable por
una barra sólida flexible. El arreglo proporciona más firmeza en la fijación y además habilidad
para desrotar la columna instrumentada y ayudar en la corrección del alineamiento sagital [1.7]

C. Sistema de fijación anterior con placa Z.

Este dispositivo está diseñado para el tratamiento de las fracturas por estallido y de los tumores
toracolumbares. El sistema de placa, pernos y tornillo permite la carga anterior, la distracción
para reducir y aplicar la compresión al injerto óseo y es relativamente fácil de colocar. La placa
en Z-ATL, también es compatible con la T.C. y la R.M. La figura 1.4 muestra un esquema de este
dispositivo.

FIGURA 1.4 Sistema de fijación anterior con placa Z.

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C. Barras de distracción y ganchos largos de Harrington.

La instrumentación de Harrington fue introducida en 1960 y consiste en unas barras de
compresión y distracción. Este sistema fue utilizado ampliamente en el tratamiento de las
fracturas dorsolumbares (Ver Figura 1.5). Las barras de distracción establecen una fuerza de
corrección axial y una fuerza de inclinación sobre tres puntos para restablecer la altura vertebral
y corregir la cifosis, respectivamente. El ligamento longitudinal anterior debe estar intacto para
evitar la sobredistracción. En aquellas lesiones en las que hay fragmentos óseos retropulsados
en el canal espinal con un ligamento longitudinal posterior intacto, la distracción permite
reducción variable de dichos fragmentos por ligamentotaxis. Las desventajas de este sistema
incluyen un mal control torsional, pérdida potencial de la lordosis lumbar y el elevado número de
segmentos necesarios para la instrumentación. Estos problemas se han solventadocon la
utilización de barras de extremo cuadrado, alambres segmentarios, ganchos de nuevo diseño y
barras deslizantes. En casos de insuficiencia de la columna posterior por tensión tras una lesión
por flexión-distracción, se debe hacer un montaje a compresión. Al utilizar este tipo de
dispositivos, se debe comprobar cuidadosamente que la columna media no es insuficiente en
compresión, ya que la aplicación de compresión mediante este dispositivo puede originar
retropulsión de fragmentos óseos hacia el canal espinal.

La instrumentación de Harrington se utiliza también en la técnica de reconstrucción que rellena el
espacio intravertebral con PMMA; dicha técnica debe limitarse a procedimientos de salvamento
tales como el tratamiento de lesiones metastásicas en pacientes que tienen longevidad limitada,
debido a la deficiente estabilidad a largo plazo y las altas tasas de infección, que son dos
factores asociados al uso de PMMA.

FIGURA 1.5 Fractura luxación que muestra la estabilización por medio de barras de Harrington.

CAPÍTULO I. Reporte Predoctoral
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1.1.5. IMPLANTES POSTERIORES CON BARRAS.

A. Sistema de Luque.

El sistema de barras de Harrington aumenta de forma significativa la estabilidad en compresión
axial; sin embargo, el sistema de Luque es superior en cuanto a resistencia frente a las fuerzas
torsionales y de cizallamiento. Existen ciertas desventajas de estos sistemas para la fijación de
fracturas dorsolumbares, incluyendo la necesidad de fijar dos o tres segmentos por arriba y por
debajo del nivel de fractura. Otra desventaja es que este sistema presenta poca resistencia a las
fuerzas de compresión axial.

El sistema de Luque se utiliza comúnmente para la corrección de escoliosis paralítica o neuro-
muscular, y muy raramente en escoliosis idiomática, debido al riesgo de lesión de la médula
espinal y a los resultados clínicos no satisfactorios. La instrumentación de Luque también se ha
empleado en el manejo de deformidades agudas de columna relacionadas a traumatismos,
siendo más efectivo para fracturas dislocadas en las que las tres columnas están alteradas, ya
que para fracturas estalladas, que involucran falla de las columnas anterior y media o de ambas,
no proporciona estabilidad axial.

B. Sistema Drummond.

Dummond, Keene y Breed desarrollaron la instrumentación vertebral segmentaria interespínosa
con el fin de obtener la estabilidad de la instrumentación de Luque sin el uso de alambres
sublaminales.

El sistema Drummond utiliza una sola barra de distracción con un par de ganchos en
combinación con una barra (L) colocada dentro de un proceso espinoso, ambas barras se
aseguran a la columna y entre si con alambres de proceso intraespinoso y botones fijados.

C. Instrumentación con gancho de bloqueo de Jacobs.

Este dispositivo fue ideado por Jacobs y cols. junto con el grupo AO en un intento de corregir
algunas deficiencias asociadas a la instrumentación con barra de Harrington. Las posibles
desventajas de este dispositivo son que abarca al menos cinco segmentos móviles, que puede
proporcionar una fijación inadecuada para las fracturas estallido conminutas graves debido a la
insuficiencia de las columnas anterior y posterior, y no se recomienda en las fracturas de la
columna lumbar inferior. La figura 1.6 muestra la forma de colocación de este tipo de sistema.

D. Sistema Duffo.

Consiste en una barra de titanio modelada en forma rectangular y cuyos extremos se fijan en una
de sus esquinas con un conector y alambre sublaminar de acero inoxidable. Se puede conseguir
fijación multinivel, para fijación de tres niveles superiores y tres inferiores al nivel vertebral
torasico afectado o fijación de solo un nivel superior al nivel lumbar afectado. La figura 1.7
muestra una fotografía de éste sistema de fijación. Cabe mencionar que, Damian [1.32] y

CAPÍTULO I. Reporte Predoctoral
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10
Carbajal [1.33] efectuaron un estudio correspondiente a la determinación de la resistencia,
rigidez y flexibilidad del sistema Dufoo bajo cargas estáticas como son: flexo-compresión, flexión
lateral y torsión, además de determinar la vida a la fatiga en tres niveles de carga dinámica de
flexo-compresión.

FIGURA 1.6 Sistema de fijación de Jacobs.

FIGURA 1.7 Sistema de fijación Duffo.

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1.1.6. IMPLANTES POSTERIORES PEDICULARES.

La instrumentación y fusión por vía posterior ha sufrido una gran evolución en los últimos 30
años. Al principio se utilizaban placas de metal unidas a las apófisis espinosas adyacentes para
la fijación de las lesiones inestables. Los resultados fueron desalentadores, con porcentajes
elevados de reluxación y una incidencia elevada del dolor crónico que llevaba al retiro de la placa
en numerosas ocasiones. Los sistemas de fijación posterior están indicados para estabilizar
fracturas y dislocaciones de columna, y para espondilolistesis degenerativa. Entre lo más
comunes se encuentran:

A. Fijador interno de barras AO

El fijador AO ha sido introducido recientemente y permite la estabilización de fracturas
dorsolumbares mediante inmovilización y artrodesis de segmentos adyacentes únicamente. La
fijación se obtiene con dos tornillos pediculares en cada vértebra que se conectan con dos barras
roscadas longitudinales mediante unos candados ajustables. Otras ventajas del sistema,
incluyen el volumen reducido de las barras en comparación con las placas posteriores, lo que
permite mayor superficie para la colocación de injerto. (Ver Figura 1.8)

Este tipo de sistemas es utilizado para hueso trabecular y placas longitudinales, la desventaja es
que los agujeros de las placas y la cabeza hexagonal de los tornillos hacen difícil la inserción
multi-nivel.

FIGURA 1.8 Sistema de fijación AO, Fractura estallido estabilizada por medio de barras AO.

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B. Sistema de placas de Steffee.

El sistema de Steffee utiliza placas ranuradas con asiento cónico, tornillos pediculares sin
cabeza, y tuercas de contacto cónico, lo que permite una fijación rígida segmental para
condiciones de inestabilidad de la columna. Las placas utilizadas en estos sistemas están
disponibles con tres o cinco ranuras, según el número de niveles de columna que requieren
fijación, permitiendo así la fijación multinivel (Ver Figura 1.9).

El sistema de placas de Steffee se aplica a una gran variedad de condiciones clínicas y
patológicas inestables que afectan la columna torácica baja y lumbar, donde está indicada la
fusión y/o estabilidad interna. Este sistema, consigue la estabilizaciónbiomecánica de la
columna fijando dos niveles cefálicos y dos niveles caudales al sitio del defecto o corpectomía, y
se ofrece como una alternativa del sistema de barras y ganchos de Harrington, o de la
instrumentación de columna segmental y alambre sublaminar de Luque, ya que en el uso de
estos últimos se han reportado problemas y complicaciones en su aplicación clínica a
desórdenes de la columna torácica baja y lumbosacra.

FIGURA 1.9 Instrumentación de Steffee.

C. Fijador de barra TSRH

Este dispositivo es útil para el manejo de fracturas lumbares, permite la fijación con tornillo
pedicular en el nivel lesionado y niveles arriba y debajo de la fractura. El sistema es rígido
especialmente cuando las barras se interconectan transversalmente. Los materiales utilizados
para su construcción son el acero inoxidable y en variaciones de titanio [1.8,1.9]

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D. Instrumentación de Cotrel-Dubousset.

La instrumentación Cotrel-Dubousset es un sistema muy atractivo para el tratamiento de las
fracturas. Permite la fijación segmentaria utilizando diversos ganchos y tornillos pediculares, y se
pueden mantener las curvas normales en el plano sagital moldeando las barras. Con este
sistema se puede realizar una fijación biomecánica superior, tanto en torsión, como en
compresión axial. La instrumentación de un solo nivel por debajo de la fractura con ganchos
laminares ha dado lugar a una elevada incidencia de fracturas laminares con pérdida de
reducción. Las sustitución por tornillos pediculares a este nivel puede evitar esta complicación.
Las desventajas incluyen el costo elevado y el volumen tan grande de la instrumentación
utilizada y la deformación en flexión de las barras (Ver Figura 1.10).

Este sistema admite la fijación de ganchos múltiples a una sola barra como un mecanismo para
la corrección tridimensional y fusión de deformidades escolióticas, y mejorando en algunos casos
el alineamiento sagital. Este dispositivo estabiliza la columna fijándose los ganchos a los
procesos transversos, pedículos o láminas; los ganchos pueden fijarse en compresión o en
distracción, o en ambos modos, en una misma barra de acero inoxidable. El sistema permite dos
configuraciones para los ganchos: en oposición mutua y/o frente a frente; cuando se coloca un
gancho sobre la lámina superior o proceso transverso y el otro bajo la inferior, se forma una
pinza que permite la fijación rígida del segmento o segmentos de movimiento.

FIGURA 1.10 Instrumentación de Cotrel-Dubousset aplicada a una fractura estallido.

F. Sistema de Harrington-Moe.

El sistema de las construcciones de barra y gancho más común, es la pareja de barras de
distracción de Harrington. Desde su introducción, esta instrumentación de columna posterior ha
tenido muchas modificaciones que han mejorado la fijación y/o habilidad para restaurar los
contornos sagitales normales, por ejemplo: la adición de una barra de compresión en la línea
media para prevenir distracción excesiva; ganchos en escuadra; bujes de polietileno para las

CAPÍTULO I. Reporte Predoctoral
ESTADO DEL ARTE SEPI-ESIME

14
barras; alambres sublaminares; alambres segméntales para proceso espinoso y un gancho
superior con cerradura especial.

La fijación con este dispositivo se puede efectuar en dos niveles abajo y dos o tres niveles arriba
del segmento de movimiento lesionado o articulación facetaria, o de ambos, y en la mayoría de
los casos, la fusión se extiende a toda el área instrumentada.

1.1.7. IMPLANTES POSTERIORES CON PLACAS

A. Sistema de Placas.

Los sistemas de placas con tornillos pediculares permiten una fijación rígida a la vez que limitan
el número de segmentos instrumentados y fusionados (Ver Fig. 1.11). La reducción puede ser
conseguida fundamentalmente por el método de Bohler o por reducción postural, aunque las
placas se pueden moldear permitiendo realizar un porcentaje limitado de la reducción al apretar
la placa a los tornillos pediculares. Las desventajas de este sistema incluyen la dificultad
inherente a la colocación de los tornillos pediculares y al aumento de riesgo de lesión
neurológica al compararlo con las barras de Harrington.

El uso de placas para la fijación interna de la columna se ha evitado parcialmente, debido a la
dificultad para fijar firmemente el tornillo y la placa, de esta manera, el aflojamiento de los
tornillos es una desventaja respecto al sistema de barras, particularmente en la fijación anterior.
Para superar dicha desventaja, se ha desarrollado el sistema de placas Rigix las cuáles tienen
dos agujeros machuelados en cada extremo, y la cabeza de los tornillos vertebrales tienen un
fileteado exterior para conseguir así una fijación firme y estable a la placa.

El uso reciente de vértebras protésicas para la reconstrucción de columnas con tumores
metastáticos requiere de una fuerte compresión de ellas a los cuerpos vertebrales para acelerar
la reacción química y proveer la unión entre el hueso y la prótesis, para poder conseguir dicha
compresión, las placas han tenido que ser modificadas constantemente, ya que su diseño
original tenia el inconveniente de no poder comprimir los cuerpos vertebrales entre si.

FIGURA 1.11 Sistema de Placas y tornillos pediculares.

CAPÍTULO I. Reporte Predoctoral
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B. Placa cervical GD.

Este sistema es de reciente desarrollo y está pensado para evitar la migración de los tornillos
debida al aflojamiento de los mismos. La placa GD incorpora una caja vaciada lateralmente con
perforaciones superiores e inferiores que puede ser rellenada con fragmentos de hueso
autólogo, en muchos casos procedentes de la zona intervenida. Esa caja tiene como principal
función aumentar la resistencia en el espacio intersomático, evitando la reducción del espacio
creado por la extirpación del disco intervertebral y contribuyendo a la fusión entre las vértebras
adyacentes en caso de que se empleen injertos. La figura 1.12 muestra una fotografía de este
tipo de sistemas.

FIGURA 1.12 Sistema de fijación GD para columna vertebral.

Con este modelo es posible llevar a cabo un ajuste individualizado a las diferentes variantes
antropométricas de la columna cervical. De ese modo se cubre un amplio rango de dimensiones
vertebrales. Además, todas las plazas tienen dos radios de curvatura, uno longitudinal y otro
transversal, que consiguen ajustarse a la curvatura de la columna y de la zona anterior de las
vértebras.

1.1.8. SISTEMA DE FIJACIÓN HÍBRIDO.

Este sistema se puede utilizar para tratar tumores, traumas, deformidades y condiciones
degenerativas que afectan la columna toracolumbar, mediante abordaje anterior o posterior; el
sistema tiene una interfase ajustable tornillo-implante para conformar al segmento a su
alineación espacial, y combina en un solo diseño, tornillos y ganchos para reducir las cargas de
la interfase hueso-tornillo.CAPÍTULO I. Reporte Predoctoral
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1.2 DISCOS INTERVERTEBRALES ARTIFICIALES.

La enfermedad degenerativa del disco (DDD) refiere a un síndrome en el cual el atrofiamieto o
lesión de un disco intervertebral causa dolor de espalda crónico, que afecta perceptiblemente la
funcionalidad del individuo. Esta condición comienza a menudo con una lesión en el espacio del
disco, la cual debilita el disco y crea movimiento excesivo en el nivel vertebral correspondiente.
En un cierto tiempo, la inestabilidad y el compromiso neurológico en combinación con los
procesos inflamatorios en curso producen dolor de espalda en el individuo. Los procesos de
restauración del disco son pobres y los síntomas dolorosos pueden llegar a ser crónicos.[1.10-
1.13]

Para alguna gente, el DDD generalmente se puede tratar con éxito con drogas antiinflamatorias
en combinación con terapia física, logrando que el dolor disminuya considerablemente. Terapias
más fuertes, tales como el uso de esteroides orales o inyecciones epidural, se prescriben a
menudo para tratar casos más severos. Los procedimientos quirúrgicos incluyendo la
coagulación electrotérmica, la disectomia intradiscal (IDET) o la anuloplastia pueden ser útiles.

La DDD no necesariamente implica la extirpación del disco intervertebral, en la actualidad
existen métodos clínicos que evitan este hecho. La abrasión discal es una de las la técnicas
actuales más utilizada para evitar el reemplazo del disco dañado (Ver Figura 1.13). En éste caso,
el acercamiento al disco se realiza desde los dos lados a través de una pequeña incisión. La
membrana del anillo exterior se perfora en ambos lados con el fin de permitir el acceso a la
región problemática. A continuación, se extrae la parte protuberante del disco a través de
pequeñas cánulas o tubos. Después se "afeita" ligeramente el hueso esclerotizado (endurecido).
De tal modo se crea una nueva superficie en la que podrán crecer tejidos fibrosos sanos, lo que
a su vez permite mejorar la función "amortiguadora" del disco y la estabilidad de las vértebras
adyacentes.

Si la abrasión no es suficiente para resolver el problema, existe otro tratamiento como lo es la
artrodesis, operación en que se extrae el disco dañado y se fijan las dos vértebras adyacentes.
Para lograr la fusión de las vértebra e inmovilizar o extirpar el disco degenerado, se hace uso de
los fijadores internos para columna descritos en secciones anteriores. La fusión vertebral esta
recomendada para pacientes que:

No han podido mejorar después del tratamiento conservador extenso (tal como terapia
física, medicaciones)

Continúa teniendo dolor de espalda y de pierna que limite su capacidad de
funcionamiento.

Teóricamente, la artrodesis es eficaz porque restringe el movimiento en un segmento doloroso y
permite el retiro del disco degenerado, que en la mayoría de los casos es la fuente primaria del
dolor. Sin embargo, esta técnica limita el movimiento del paciente considerablemente,
restringiendo las actividades cotidianas del mismo. [1.14 -1.17]

CAPÍTULO I. Reporte Predoctoral
ESTADO DEL ARTE SEPI-ESIME

Paso1: Identificación de exceso óseo / estenosis Paso 2: Eliminación de materias residuales

Paso 3: Recorte de exceso Paso 4: Extracción del exceso

FIGURA 1.13 Técnica de abrasión discal.

La única alternativa de la artrodesis, y la rigidez que conlleva, es la extirpación del disco dañado
y su sustitución por uno artificial: una prótesis modular de fricción mínima (Ver Figura 1.14). Esta
alternativa conserva la movilidad y la flexibilidad de la columna, mejora la resistencia de los
enfermos al andar, y reduce significativamente el daño de espalda y de las piernas que
acompaña estas patologías [1.18]. El reemplazo del disco y su sustitución por uno artificial
permite el movimiento normal, lo cual asegura una ventaja amplia sobre la artrodesis. La
reducción en el desgaste y la erosión son otras ventajas de los discos artificiales. Es importante
observar que el uso de discos artificiales está actualmente en vías de desarrollo y ensayos
clínicos en los E.E.U.U. y México. Y se ha usado por más de diez años en algunos países
Europeos. [1.19]

Según información suministrada por Artificial Disc, "el reemplazo de articulaciones dolorosas es
extremadamente común. Los reemplazos de cadera y rodilla están entre las operaciones más
exitosas y confiables, típicamente con buenos resultados en más del 90 por ciento de los casos.
La idea de reemplazar discos dañados con discos artificiales no es nueva. El reemplazo de disco
se ha llevado a cabo en Europa durante unos 10 años, y este concepto es actualmente un tópico
de intenso interés en los Estados Unidos y México".

CAPÍTULO I. Reporte Predoctoral
ESTADO DEL ARTE SEPI-ESIME

FIGURA 1.14 Disco intervertebral artificial.

El disco intervertebral tiene varias funciones importantes, incluyendo el funcionamiento como
espaciador, como un amortiguador de choque, y como una unidad del movimiento:

Espaciador. La altura del disco mantiene la distancia de separación entre los cuerpos
vertebrales adyacentes. Consecuentemente, la biomecánica del movimiento no se interrumpe. El
espaciamiento apropiado es también importante porque el agujero intervertebral mantendrá su
altura.

Amortiguador de choque. La absorción del choque permite que la espina dorsal se comprima y
rebote cuando se carga axialmente durante las actividades cotidianas como saltar y correr.
También, resiste el tirón hacia abajo en la cabeza y el tronco que se produce durante tiempos
prolongados al estar sentado o parado.

Unidad del movimiento. La elasticidad del disco permite el acoplamiento del movimiento, de
modo que el segmento espinal se pueda doblar, rotar, y flexionar al mismo tiempo durante una
actividad particular. Esto sería imposible si cada segmento espinal es bloqueado en un solo eje
del movimiento, como ocurre con la fusión vertebral.

En la actualidad, son varios los fabricantes que investigan y desarrollan las técnicas de
reemplazo total de discos intervertebrales en los E.E.U.U. Los dmas importantes que se utilizan
para este tipo de intervenciones son: ProDisc fabricado por Spine Solution Inc., SB Charite III
desarrollado por Link Spine Group Inc. y Maverick Total Disc producido por Medtronic Sofamor
Danek Inc.

CAPÍTULO I. Reporte Predoctoral
ESTADO DEL ARTE SEPI-ESIME

1.2.1 PRÓTESIS PODISC.

El ProDisc fue diseñado a finales de los años 80 por Thierry Marnay, cirujano ortopédico francés.
En los años 90 Marnay implantó este disco artificial en 61 pacientes pero fue hasta el año de
1999 cuando se evaluaron a estos pacientes para determinar los resultados a largo plazo de la
implantación.