Analisis-de-movimiento-y-carga-de-vertebras-lumbares-sometidas-a-artrodesis-posterolateral

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y 
ELÉCTRICA 
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN 
UNIDAD ZACATENCO 
 
ANALISIS DE MOVIMIENTO Y CARGA DE 
VERTEBRAS LUMBARES SOMETIDAS A 
ARTRODESIS POSTEROLATERAL 
 
T E S I S 
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE 
MAESTRO EN CIENCIAS 
CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA MECÁNICA 
P R E S E N T A: 
 
ING. JAVIER ESPINOZA ZAVALA 
 
DIRIGIDA POR: 
DR. GUILLERMO MANUEL URRIOLAGOITIA CALDERÓN 
DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA SOSA 
 
MÉXICO D.F. DICIEMBRE 2012 
 
 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
 
A Dios 
Por darme la bendición de contar con un hogar y tener una familia que me ha dado 
su cariño y apoyo incondicional a lo largo de mi vida. 
 
A mis padres 
Javier Juan Espinoza Bohorquez 
Concepción Zavala Valdez 
 
Por todo su amor quienes me han guiado siempre en la vida, por enseñarme a no 
rendirme, por todos los sacrificios que hicieron para formarme y educarme para ser 
un hombre de valores morales, por todos sus consejos que me han servido para 
alcanzar mis metas, mi éxito es de ustedes ¡¡GRACIAS!! 
 
A mi hermano 
Rafael Espinoza Zavala 
 
Por todos los momentos que vivimos juntos, por darme siempre el apoyo en 
momentos difíciles y ser un gran amigo. 
 
 
 
 
 
A mi novia 
Lorena Alejandra Pérez Cholula 
 
Que siempre ha estado a mi lado en los buenos y malos momentos, por todo su 
apoyo brindado y ser mi motivación para vencer cualquier adversidad. ¡¡¡TE AMO 
LORE!!! 
 
A mis directores de tesis 
Dr. Guillermo Manuel Urriolagoitia Calderón 
Dr. Guillermo Urriolagoitia Sosa 
 
Por todo su apoyo y atención que me brindaron, por ayudarme en mi formación 
como investigador y sus facilidades otorgadas para cumplir mis metas como es este 
trabajo de investigación. 
 
A mis profesores 
Dr. Guillermo Manuel Urriolagoitia Calderón 
Dr. Guillermo Urriolagoitia Sosa 
Dr. Luis Héctor Hernández Gómez 
Dr. Carlos Torres Torres 
Dr. Juan Alfonso Beltrán Fernández 
 
Por sus consejos y conocimiento transmitido que me han ayudado a salir adelante. 
Por su motivación y darme herramientas que me servirán para cumplir todos mis 
objetivos. 
 
 
Al Instituto Politécnico Nacional 
 
Por ser mi segunda casa durante toda mi vida como estudiante, por todas las 
satisfacciones que me ha brindado y de las cuales he aprendido mucho. 
 
Al CONACYT 
 
Por todo el apoyo y la economía brindada en mi formación como investigador para 
cumplir con éxito este proyecto de vida. 
 
A mis compañeros 
 
Por su apoyo y amistad Jonathan, Juan Francisco, Gabriel, Omar, Elyatzani, Daniel, 
Gustavo y a los que faltan por nombrar gracias por todos los buenos momentos que 
siempre estarán en mi mente 
 
A todos ellos 
 
 
 
 
GRACIAS!
 i 
 
RESUMEN 
 
En este trabajo de investigación se propone el análisis numérico de una unidad vertebral 
funcional a nivel lumbar sometida a artrodesis posterolateral, el cual es basado en conocimientos 
y metodología de Biomecánica, con esto es posible formar una analogía entre las partes que 
constituyen la columna vertebral y los elementos de una instrumentación o de una prótesis. Esto 
se realiza para obtener un conocimiento más exacto del comportamiento de los cuerpos 
vertebrales fusionados cuando están expuestos a cargas externas, de esta manera el paciente 
podrá ejercer su vida cotidiana de forma mas completa. 
 
Esta instrumentación elimina los movimientos entre cuerpos vertebrales evitando la compresión 
del disco intervertebral y disipando la energía hacia las demás estructuras óseas adyacentes. Se 
compone de cuatro tornillos que van insertados en las apófisis laminares y dos barras unidas a las 
cabezas de los tornillos de manera que los elementos no puedan ejercer movimiento y absorban la 
energía enviándola y concentrándola en los demás cuerpos vertebrales. De esta manera no solo se 
restringe la movilidad de los cuerpos, también se evita la compresión de los discos en especial si 
estos llegan a tener repercusión sobre la medula espinal. 
 
De acuerdo con los datos del paciente y la selección de cargas con las que una persona interactúa 
en la vida cotidiana se realizo la simulación numérica. Se encontró que los esfuerzos máximos se 
manifiestan en la unión de contacto de la vertebra L4 con la instrumentación cuyo valor máximo 
se presento en compresión con 503.98 MPa con la carga máxima que fue 15 kg tomando en 
cuenta el peso de paciente. Estos están muy por debajo del modulo de Young del hueso cortical. 
De esto se deduce que los niveles de carga que se utilizan en la vida cotidiana producen 
concentraciones de esfuerzos aceptables. La instrumentación tiene la eficiencia necesaria para 
absorber y disipar la energía producida concentrándose en las uniones con la vertebra L4. 
Con la información obtenida del análisis numérico por medio del método de elemento finito del 
comportamiento de la unidad funcional, además de comprobar la eficacia mecánica de la 
instrumentación, también se comprobó que los sistemas óseos no se pueden considerar simétricos 
ya sea en condiciones de movimiento o de carga. 
 ii 
 
ABSTRACT 
 
In this research proposes numerical analysis of a functional spinal unit under the lumbar 
posterolateral fusion, which is based on knowledge and Biomechanics methodology, it is possible 
to form an analogy between the constituent parts of the spine and instrumentation elements or a 
prosthesis. This is done to get a clearer understanding of the behavior of the vertebral bodies 
fused when exposed to external loads, so the patient may exercise their daily lives more fully. 
This implementation eliminates the movements between vertebrae avoiding the compression of 
the intervertebral disc and dissipating the energy to other adjacent bone structures. It consists of 
four screws which are inserted into the vertebral laminar and two rods attached to the heads of the 
screws so that the elements cannot carry energy and absorb movement and concentrating in 
sending other vertebral bodies. This not only restricts the mobility of bodies, also prevents the 
compression of the discs particularly if these come to have an effect on the spinal cord. 
According to patient data and the selection of loads with which a person interacts in everyday life 
numerical simulation was performed. It was found that the maximum stresses are manifested in 
the contact joint of L4 vertebra with instrumentation whose maximum value is present in 503.98 
MPa compression with the maximum load was 15 kg taking into account the patient's weight. 
These are well below the Young's modulus of cortical bone. It follows that charge levels that are 
used in daily life acceptable stress concentrations occur. The instrumentation is necessary 
efficiency to absorb and dissipate the energy produced by concentrating on the joints with the L4 
vertebra. 
With the information obtained from the numerical analysis by finite element method of the 
behavior of the functional unit, and check the mechanical efficiency of the instrumentation, also 
found that bone systems cannot be considered either symmetric motion conditions or load. 
 
 
 
 
 iii 
 
INDICE GENERAL 
RESUMEN i 
ABSTRACTii 
INDICE GENERAL iii 
INDICE DE FIGURAS vii 
INDICE DE TABLAS xi 
GLOSARIO xii 
OBJETIVO xv 
JUSTIFICACIÓN xv 
INTRODUCCIÓN xvii 
CAPITULO I 
I.1.- Antecedentes generales de la Artrodesis 2 
I.2.- Artrodesis posterolateral 5 
I.3.- Injertos óseos 6 
I.4.- Otros tipos de artrodesis 8 
 I.4.1.- Artrodesis interespinosa 8 
 I.4.2.- Fijación interlaminar 9 
 I.4.3.- Artrodesis intersomática 10 
 I.4.4.- Artrodesis Circunferencial 11 
I.5.- Patologías de la columna lumbar 12 
 I.5.1.-Hernia discal 12 
 I.5.2.- Escoliosis 14 
 1.5.2.1.- Ángulo de cobb 16 
 I.5.3.- Estenosis 18 
 I.5.4.- Espondilolistesis 19
 iv 
 
I.6.- Planteamiento del problema 22 
I.7.- Sumario 23 
I.8.- Referencias 23 
CAPITULO II 
II.1.- Generalidades 28 
II.2.- Osteología de vertebras lumbares 30 
 II.2.1.- Hueso esponjoso 31 
 II.2.2.- hueso compacto 31 
 II.2.2.1.- Osteonas 31 
 II.2.2.2.- Laminas circunferenciales 32 
 II.2.3.- Cuerpo vertebral 32 
 II.2.4.- Los pedículos 32 
 II.2.5.- Las láminas 33 
 II.2.6.- Apófisis transversas 33 
 II.2.7.- Apófisis espinosa 33 
 II.2.8.- Conducto vertebral 33 
II.3.- Articulaciones de las vertebras 34 
 II.3.1.- Articulaciones cigapofisarias 34 
 II.3.2.- Disco intervertebral 35 
 II.3.2.1.- Anillo fibroso 36 
 II.3.2.2.- platillos vertebrales 37 
 II.3.2.3.- Núcleo pulposo 38 
II.4.- Ligamentos vertebrales 38 
 II.4.1.- Ligamento amarillo 39 
 II.4.2.- Ligamento Intraespinoso 39 
 II.4.3.- Ligamento supraespinoso ó epiespinoso 39 
 v 
 
 II.4.4.- Ligamento longitudinal anterior 40 
 II.4.5.- Ligamento longitudinal posterior 40 
II.5.- Biomecánica de la columna 40 
 II.5.1.- Fuerzas del disco intervertebral 41 
 II.5.2.- Fuerzas del cuerpo vertebral 42 
 II.5.3.- Rangos de movimiento 42 
 II.5.4.- Posturas de levantamiento 44 
 II.5.5.- Lesión por levantamiento 45 
II.6.- Cinemática de la columna vertebral46 
II.7.- Sumario 47 
II.8.- Referencias 47 
CAPITULO III 
III.1.- Generalidades 52 
III.2.- Biomateriales 53 
 III.2.1.- Biomateriales poliméricos 55 
 III.2.2.- Biomateriales cerámicos 57 
 III.2.2.1.- Biocementos 60 
 III.2.2.2.- Biovidrios 61 
 III.2.3.- Biomateriales compuestos 63 
 III.2.4.- Biomateriales metálicos 64 
 III.2.4.1.- Acero inoxidable 65 
 III.2.4.2.- Aleaciones cobalto-cromo 65 
 III.2.4.3.- Aleaciones de Titanio 66 
 III.2.4.4.- Propiedades mecánicas de metales usados como implantes 67 
III.3.- Aplicación de la estática en la columna lumbar 69 
III.4.- Cinemática lumbar 74 
 vi 
 
III.5.- Sumario 80 
III.6.-Referencias 81 
CAPITULO IV 
IV.1.- Simulación de vertebras lumbares 85 
 IV.1.1.- Generación de imágenes 85 
 IV.1.2.- Refinación, generación de sólidos, exportación e importación 87 
IV.2.- Método de Elemento Finito 89 
IV.3.- Particularidades del programa ANSYS WORKBENCH 91 
IV.4.- Análisis Numérico 91 
 IV.4.1.- Análisis de compresión en bipedestación normal 94 
IV.5.- Sumario 99 
IV.6.- Referencias 100 
CAPITULO V 
V.1.- Carga en flexión anterior 102 
V.2.- Sumario 106 
CAPITULO VI 
VI.1.- Simulación numérica en flexión lateral derecha 109 
VI.2.- Sumario 114 
CAPITULO VII 
VII.1.- Simulación numérica en flexión lateral izquierda 116 
VII.2.- Sumario 121 
CAPITULO VIII 
VIII.1.- Comparación de resultados obtenidos en compresión y flexión anterior 123 
VIII.2.- Comparación de resultados obtenidos en flexión lateral 125 
VIII.3.- Importancia de la investigación realizada 125 
 vi 
 
VIII.4.- Referencias 128 
CONCLUSIONES 129 
TRABAJOS FUTUROS 131 
ANEXOS 132 
 vii 
 
INDICE DE FIGURAS 
CAPITULO I 
Figura I.1.- Rusell Hibbs (1869 - 1932) y Fred Albee (1876 - 1945) 3 
Figura I.2.- Fusión de vertebras 3 
Figura I.3.- Aparato de Harringston 4 
Figura I.4.- Proyección posterior, sagital y coronal del proceso de artrodesis posterolateral 6 
Figura I.5.- Artrodesis interespinosa 9 
Figura I.6.-Cables para fijación interlaminar posterior 10 
Figura I.7.- Cilindro roscado antes y después de la expansión 11 
Figura I.8.- Hernia discal 13 
Figura I.9.- Comparación entre una columna con escoliosis y una columna normal 16 
Figura I.10.- Método de cobb directo e indirecto 17 
Figura I.11.- Estenosis lumbar 19 
Figura I.12.- Espondilolistesis y grados de meyerding 21 
CAPITULO II 
Figura II.1.- Columna vertebral o espina dorsal 28 
Figura II.2.- Columna vertebral 29 
Figura II.3.- Curvaturas fisiológicas de la columna 30 
Figura II.4.- Vertebra Lumbar 31 
Figura II.5.- Arquitectura de la vertebra lumbar32 
Figura II.6.- Estenosis lumbar por hernia discal 34 
Figura II.7.- Compresión de una articulación 35 
Figura II.8.- Partes del disco intervertebral 36 
Figura II.9.- Composición del anillo fibroso 37 
Figura II.10.- Vista coronal y anterior de ligamentos de vertebra lumbar 39
 viii 
 
Figura II.11.- Cambios en la altura del disco al aumentar la presión 41 
Figura II.12.- Posturas de levantamiento de carga 44 
Figura II.13.- Músculos lumbares 45 
CAPITULO III 
Figura III.1.- Biomecánica 52 
Figura III.2.- Biomateriales poliméricos 56 
Figura III.3.- Sistema de liberación de fármacos 57 
Figura III.4.- Mandíbula de Titanio cubierta de bioceramica 58 
Figura III.5.- Implante de hidroxiapatita 59 
Figura III.6.- Biocementos dentales 60 
Figura III.7.- Biovidrio 63 
Figura III.8.- Placa cervical hecha en Titanio Puro 64 
Figura III.9.- Comparación de la fuerza de gravedad sobre la columna 70 
Figura III.10.- Posición normal del sacro en la postura de pie, a) peso sobrepuesto en la 
articulación lumbosacra, b) componentes de compresión y deslizamiento 71 
Figura III.11.- Cambio de componentes de compresión y deslizamiento con variación del angulo 
sacro 72 
Figura III.12.- Fuerzas que actúan en la columna cuando esta esta inclinada a 45° 72 
Figura III.13.- Fuerzas que actúan en la columna con peso adicional 74 
Figura III.14.- Pinza vertebral según Kapandji 75 
Figura III.15.- Flexión vertebral 76 
Figura III.16.- Extensión vertebral 76 
Figura III.17.- Lateroflexión vertebral 77 
Figura III.18.- Rotación automática según Kapandji 77 
Figura III.19.- Interpretación de la fijación vertebral 78 
Figura III.20.- Movimiento vertebral por carga y fijación en las apófisis espinosas 79
 ix 
 
CAPITULO IV 
Figura IV.1.- Programa SCAN IP, muestra el tejido óseo y su marcado 86 
Figura IV.2.- Representación tridimensional en el programa SCAN IP 86 
Figura IV.3.- Unión de superficies en el programa CATIA V5R21 87 
Figura IV.4.- Corte transversal del solido generado a base de las superficies unidas 88 
Figura IV.5.- Modelado de tornillos y barras en SOLID WORK 88 
Figura IV.6.- Ensamble final de la instrumentación sobre las vertebras 89 
Figura IV.7.- Discretización de una pieza en elementos unidos por nodos 90 
Figura IV.8.- Elementos Finitos bidimensionales más utilizados 90 
Figura IV.9.- Modelo en 3D de la unidad funcional en el programa ANSYS WORKBENCH 92 
Figura IV.10.- Mallado del modelo de estudio, con un tamaño de malla de 0.002 m 93 
Figura IV.11.- Aplicación de la carga en la parte superior de la vertebra 94 
Figura IV.12.- Con carga de 588.4 N la deformación máxima obtenida es de 0.183 mm 95 
Figura IV.13.- Bajo una carga de 667.08 N los esfuerzos son máximos en las uniones de los 
tornillos con la L4 96 
Figura IV.14.- Con una carga de 686.7 N las deformaciones en el disco intervertebral son 
mínimas alrededor de 0.183 mm 97 
Figura IV.15.- Con la carga máxima aplicada las vertebras son las que sufren las mayores 
deformaciones que son alrededor de 0.2286 mm, el disco intervertebral se mantiene intacto 98 
Figura IV.16.- Gráfica comparativa de esfuerzos obtenidos en compresión de los diferentes 
elementos 99 
CAPITULO V 
Figura V.1.- Con carga de 588.4 N en bipedestación relajada se tiene una deformación máxima 
de 0.029 mm 102 
Figura V.2.- Bajo una carga de 667.08 N los esfuerzos absorbidos por la L3 son mínimos 
alrededor de 14.583 MPa 103 
Figura V.3.- Con una carga de 686.7 N el disco intervertebral casi no muestra concentración de 
esfuerzos 104
 xi 
 
Figura V.4.- Con la carga máxima las deformaciones máximas se mantienen en la vertebra L4 
con 0.037 mm 105 
Figura V.5.- Gráfica comparativa de los esfuerzos obtenidos bajo flexión 106 
CAPITULO VI 
Figura VI.1.- Bipedestación relajada con carga de 588.4 N equivalente al 60% del peso del 
paciente 109 
Figura VI.2.- Las deformaciones máximas se localizan en la base del cuerpo vertebral de la L4, se 
aplica una carga de 667.08 N equivalente a 8 kg sumado al peso de la persona 110 
Figura VI.3.- Cargade 686.7 N equivalente a 10 kg mas al peso de la persona, el disco 
intervertebral presenta desplazamiento, pero este es mínimo alrededor de 0.035 mm 111 
Figura VI.4.- Con carga máxima aplicada de 735.75 N los esfuerzos presentados en el cuerpo 
vertebral de la L4 son mínimos alrededor de 22.072 MPa 112 
Figura VI.5.- Gráfica comparativa de los esfuerzos encontrados en cada elemento 113 
CAPITULO VII 
Figura VII.1.- Carga en bipedestación relajada carga de 588.4N, la región lateral de la L4 
presenta mayor área en donde hay esfuerzos, aunque son mínimos alrededor de 8.74 MPa 116 
Figura VII.2.- carga de 667.08 N la deformación máxima se mantiene en la base de la vertebra L4 
con 0.026 mm 117 
Figura VII.3.- carga de 686.7 N, la instrumentación no presenta deformación y los esfuerzos se 
mantienen mínimos 118 
Figura VII.4.- Carga de 735.75 N, las concentraciones máximas de esfuerzo se mantienen en las 
uniones de la vertebra L4 con la instrumentación 119 
Figura VII.5.- Gráfica comparativa de esfuerzos que presentan cada elemento 120 
CAPITULO VIII 
Figura VIII.1.- Grafica general de esfuerzos máximos que presenta la vertebra L4 123 
 
 
 
 
 xi 
 
INDICE DE TABLAS 
CAPITULO II 
Tabla II.1.- Límites y valores de rangos de rotación de la columna lumbar 43 
CAPITULO III 
Tabla III.1.- Composición química de los grados de Ti 66 
Tabla III.2.- Metales y aleaciones implatables 67 
Tabla III.3.- Propiedades mecánicas de metales más utilizados como implantes 68 
Tabla III.4.- Propiedades mecánicas de los diferentes grados de Titanio 69 
CAPITULO IV 
Tabla IV.1.- Propiedades mecánicas de los materiales utilizados en el análisis numérico 92 
Tabla IV.2.- Cargas de compresiones aplicadas 93 
Tabla IV.3.- resultados obtenidos del análisis numérico bajo distintas cargas aplicadas 98 
CAPITULO V 
Tabla V.1.- Resultados obtenidos del análisis numérico bajo distintas cargas aplicadas en la 
región anterior 106 
CAPITULO VI 
Tabla VI.1.- Resultados del análisis numérico de la unidad instrumentada en la región lateral 
derecha 113 
CAPITULO VII 
Tabla VII.1.- Resultados obtenidos del análisis numérico 120 
CAPITULO VIII 
Tabla VIII.1.- Resultados obtenidos por Nieto Miranda y Carbajal Romero [VIII.1] 123 
Tabla VIII.2.- Comparacion de resultados obtenidos del analisis numérico realizado 124 
Tabla VIII.3.- Comparación de resultados del análisis en flexión lateral 126 
Tabla VIII.4.- Esfuerzos máximos encontrados en la vertebra L4 127
 xii 
 
 
GLOSARIO 
Anatomía: Ciencia que estudia la forma y la estructura de los cuerpos de los seres vivos. Se 
relaciona con la fisiología. 
 
Apófisis espinosa: Apófisis posterior de las vértebras. Sus vértices son palpables en casi toda la 
columna vertebral. 
 
Artrodesis: Intervención quirúrgica la cual su objetivo es la fusión vertebral. 
 
Biomecánica: Rama de la ciencia que estudia las diversas estructuras de tipo mecánico que 
existen en los seres vivos en especial lo referente al aparato locomotor aplicando las leyes de la 
mecánica. 
 
Cifosis: Curvatura antero-posterior de la columna vertebral, de tipo convexa en la cual es mas 
prominente en la región dorsal que en la región sacra. 
 
Clasificación de Meyerding: Porcentaje que de deslizamiento de un cuerpo vertebral hacia la 
región anterior. 
 
Disco intervertebral: Fibrocartílago que se localiza entre los cuerpos vertebrales en toda la 
columna vertebral. Son amortiguadores naturales. 
 
Dorsal: Se refiere a la región posterior del cuerpo (espalda). Se dice de la superficie de un órgano 
más próxima a la espalda. 
 
Escoliosis: Deformidad de la columna, mostrando una desviación lateral. Proviene del griego que 
significa “Torcido”. 
Escoliosis Idiopática: Es la deformidad de la columna, pero esto se refiere a que se desconocen 
las causas que la provocan. 
Espondilolistesis: Desplazamiento de un cuerpo vertebral sobre otro, se presenta generalmente 
en la región lumbar. 
 xiii 
 
 
Estenosis: Es el estrechamiento del canal espinal, produciendo una compresión de la medula 
espinal. Casos más reportados en personas de la tercera edad. 
 
Fisiología: Rama de la biología que estudia las funciones de los órganos y extremidades de los 
seres vivos. 
 
Genotipo: Información genética de un organismo vivo 
 
Hernia discal: Salida del núcleo pulposo, hay desplazamiento de material discal fuera de los 
límites externos. En algunos casos produce estenosis. 
 
Lordosis: Curvatura antero-posterior de tipo cóncava. Hay casos en los que la curvatura es 
exagerada y es producida por enfermedades degenerativas como la artritis o traumas. 
 
Lumbalgia: Dolor en la región lumbar. Se atribuye a alteraciones estructurales o sobrecarga 
funcional. Se presenta dolor lateral de la espalda o glúteos, en algunos casos parestesias 
(hormigueo). 
 
Lumbarización: Anomalía de la primera vertebra sacra, se individualiza o se vuelve semejante a 
la quinta vertebra lumbar. No produce síntomas. 
 
Núcleo pulposo: Es el núcleo de la notocorda encerrado en el anillo fibroso. Es el elemento 
central del disco intervertebral. 
 
Ortopedia: Es la rama de la medicina que se encarga de prevenir o de corregir deformaciones 
humanas del sistema neuromuscular-esquelético. Se utilizan aparatos o ejercicios corporales. 
 
Osteointegración: Se refiere a la unión entre el hueso y la superficie del implante de tal manera 
que pueda ser funcional. Las probabilidades de reacción inmunológica son mínimas. 
 
 xiv 
 
 
Patología: Es la rama de la medicina que estudia las enfermedades, es decir, se refiere a procesos 
o estados anormales ya sea que las causas sean conocidas o desconocidas. 
 
Posición decúbito: Posición de un individuo que reposa sobre una superficie horizontal. Esta se 
designa como: decúbito dorsal o supino (el paciente se recuesta sobre el dorso), decúbito lateral 
(se recuesta sobre los lados laterales ya sea izquierdo o derecho), decúbito ventral o prono (el 
paciente descansa sobre el abdomen). 
 
Unidad Funcional: Se compone de dos vertebras adyacentes unidas por una articulación, es 
decir, el disco intervertebral. 
 
Vertebra: Es cada uno de los cuerpos óseos que conforman lacolumna vertebral, la cual 
contiene 33 o 34 vertebras que se dividen en: 7 vertebras cervicales, 12 vertebras dorsales o 
torácicas, 5 vertebras lumbares y 9 o 10 en la región pelviana. Todas son libres e independientes 
excepto las de la región sacro coxígeas que están unidas formando el coxis. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 xv 
 
 
OBJETIVOS 
OBJETIVO GENERAL 
El objetivo de este trabajo es analizar numéricamente una unidad vertebral funcional sometida a 
artrodesis posterolateral (fusión vertebral), la cual evita la compresión del disco intervertebral 
disipando la energía hacia los cuerpos vertebrales adyacentes. Esto se realiza para comprobar la 
eficiencia mecánica de la instrumentación y Demostrar la importancia de este tipo de 
metodología, la cual es y será de gran ayuda para los médicos ya que tendrán un mejor 
conocimiento y seguridad al tratar al paciente y en los ingenieros a comprender mejor el 
comportamiento mecánico de la columna para poder diseñar y construir nuevos sistemas de 
sujeción que ayuden al paciente a rehabilitar y reincorporarse a su vida diaria. 
 
OBJETIVOS PARTICULARES 
Estudiar y analizar el estado del arte referente a investigaciones o reportes hechos en torno e este 
tipo de intervención quirúrgica. 
 
Aplicar la teoría y metodología de biomecánica para el análisis numérico de este caso de estudio. 
 
Desarrollar la simulación y análisis utilizando el Método de Elemento Finito. 
 
Demostrar la importancia de realizar estos estudios ya que cualquier extremidad o cuerpos óseos 
por muy similares que estos aparenten ser, no se pueden considerarse iguales, por lo que se deben 
realizar siempre análisis independientes. 
 
 
JUSTIFICACIÓN 
La importancia de este trabajo de investigación es debido a que este tipo de intervención 
quirúrgica es una de las más usadas para tratar los casos de hernia discal, estenosis y 
espondilolistesis. Estas pueden aparecer de manera degenerativa o como consecuencia de algún 
traumatismo. 
 xvi 
 
 
La hernia discal y la estenosis, son problemas que se relacionan con la degeneración del disco 
intervertebral, de las cuales requieren tratamiento médico. Esto disminuye considerablemente el 
desarrollo de la vida cotidiana del paciente. 
Como resultado de esto los tratamientos que son conservadores generalmente fracasan, por lo que 
solo queda el tratamiento quirúrgico. Existen diversos tipos de tratamiento y la artrodesis 
posterolateral es una de las más utilizadas. Se puede pensar que este tipo de instrumentación es 
efectiva para el tratamiento de la degeneración del disco. 
A pesar de que es una de las operaciones quirúrgicas mas utilizadas no se ha podido reportar un 
caso en donde el paciente tenga una recuperación exitosa. Esto es debido a que la invasión a la 
columna es considerable y los riesgos de daño a la medula espinal podrían aparecen. Muchos 
médicos reportan a pacientes que presentan secuelas permanentes producto de la cirugía, algunos 
de los cuales se mencionan, dolor en la región lumbar en la recuperación post-operatoria, perdida 
de movilidad en las piernas y cansancio excesivo. 
Debido a lo anterior los médicos muchas veces no pueden conocer con exactitud la cantidad de 
peso que el paciente puede levantar sin provocar daños mayores a la columna y de los trabajos o 
investigaciones reportadas con relación a esta cirugía, reportan que el movimiento o condiciones 
de carga es simétrico en muchos de los cuerpos óseos del cuerpo humano. Debido a esto en esta 
investigación se comprueba que los cuerpos vertebrales a pesar de ser de geometría irregular no 
pueden ser simétricos entre si, ya sea condiciones de flexión izquierda o derecha por que el 
comportamiento no será el mismo 
No obstante es por ese motivo que es de suma importancia el desarrollo de este trabajo de 
investigación, aporta conocimiento que será de gran utilidad para los médicos ya que se observa 
de manera lo mas real posible el comportamiento mecánico de las estructuras óseas. 
 
 
 xvii 
 
 
INTRODUCCIÓN 
En la actualidad resulta imprescindible que para comprender cualquier tema de interés, es 
necesario contemplar diversas áreas del conocimiento. Esto asegura que el objeto de 
investigación será abarcado por distintos campos de la ciencia y en consecuencia los resultados 
que se arrojen de dicha investigación serán más completos. 
 
La Biomecánica es una rama de la ciencia que estudia e investiga la mecánica de los cuerpos 
vivos ya sea animal o humano0. Para esto son necesarios los conocimientos en el área de la 
Medicina, como la Ortopedia, Anatomía y Fisiología, entre otras. Unido a esto son necesarios los 
conocimientos de Ingeniería aplicada a problemas clínicos para comprender los problemas 
clínicos en la columna vertebral humana y su funcionamiento. Al aplicar teorías y principios de 
ingeniería, en especial de la rama de la Mecánica, se obtiene una mejor comprensión del 
funcionamiento tanto normal como anormal de la columna vertebral. La información que resulte 
de la aplicación de dichos conocimientos, es importante para el estudio y tratamiento de 
pacientes con enfermedades y anormalidades generadas por accidentes en la columna vertebral. 
Debido a esto, se debe facilitar la comunicación entre estas disciplinas. 
 
La columna vertebral, es una de las estructuras más importantes del cuerpo humano, ya que 
soporta gran porcentaje del peso, a su vez protege la medula espinal, también tiene la función de 
comunicar el cerebro con el resto del cuerpo humano. Se compone de 33 vertebras, las cuales se 
dividen en siete cervicales, doce torácicas o dorsales y cinco lumbares todas conectadas mediante 
discos intervertebrales, los cuales actúan como "amortiguadores naturales" para la columna 
vertebral. 
 
El disco intervertebral tiene la principal función de absorber y transmitir la carga cuando existe 
fuerza de compresión de manera que los cuerpos vertebrales no sufran daño, esto también lo hace 
durante los movimientos normales de flexión-extensión, así como flexión lateral y torsión. Si el 
disco se daña y ya no cumple sus funciones causa distorsiones en la columna vertebral, que es 
acompañado por dolor y en los casos de estenosis pueden causar severos daños a la medula 
espinal. 
 
 xviii 
 
 
En la actualidad existen diferentes métodos quirúrgicos e instrumentación que se enfocan a la 
estabilización y fusión vertebral, debido a las diferentes patologías en torno al disco 
intervertebral, curvatura indebida (escoliosis) y deslizamiento de cuerpos vertebrales 
(espondilolistesis). El tratamiento medico para estos casos es la intervención quirúrgica con 
instrumentación (artrodesis). 
 
Existen prótesis diseñadas con el criterio de simular las características de movilidad del disco 
intervertebral y estas son las más utilizadas actualmente, dentro del tratamiento quirúrgico de la 
degeneración del disco, debido a su buen comportamiento. Sin embargo, a diferencia de estas 
prótesis, la instrumentación para fusión restringe el movimiento entre los cuerpos vertebrales 
evitando la compresión del disco intervertebral por acción de cargas externas. 
 
Este tipo de intervención quirúrgica para fusión vertebral es una de las más utilizadas en la 
actualidad para pacientes con problemas de degeneración discal, estenosis, espodilolistesisy 
casos de escoliosis. Para este último caso usualmente se recurren a métodos no invasivos ya que 
el número de cuerpos vertebrales a instrumentar es considerable y por consiguiente la 
intervención seria muy invasiva haciendo mas largo el periodo de recuperación, tomando en 
cuenta las posibles secuelas que presente en el postoperatorio. 
 
La instrumentación cuenta básicamente de tornillos transpediculares unidos por barras, con el 
objetivo de eliminar el movimiento vertebral. Existen tornillos y barras de diferentes longitudes 
dependiendo del paciente y el tipo de cuerpos vertebrales que se vayan a instrumentar. De esto 
los tornillos pueden ser de cabeza monoaxiales o poliaxiales, los cuales ayudan a tener un mejor 
acople con las barras. 
 
Los casos reportados de pacientes sometidos a artrodesis posterolateral lumbar no arrojan 
resultados completamente satisfactorios debido a los daños que se producen durante la cirugía y 
las secuelas que se presentan en la recuperación postoperatoria que en muchos casos llegan a ser 
permanentes. De esto los médicos a falta de un análisis mecánico del comportamiento de la 
columna bajo esta instrumentación, no pueden determinar de manera exacta cuanta carga puede 
soportar la columna sin dañar los cuerpos vertebrales. 
 
 
 
 
 
 
Capítulo I 
Estado del Arte 
 
En este capitulo se abordara la literatura de la 
instrumentación vertebral mencionando las primeras 
técnicas e instrumentos para lo que hoy se llama 
artrodesis posterolateral con la finalidad de dar a conocer 
el objeto de estudio de esta investigación. 
 
 
 
 
Capítulo I 2 
Análisis de movimiento y carga de vertebras lumbares sometidas a 
 Artrodesis posterolateral 
 
I.1. Antecedentes generales de la Artrodesis 
La fusión de la columna es una de las cirugías más comunes y se ha utilizado desde hace casi 100 
años desde que Albee y Hibbs la describieron [I.1]. 
 
El proceso de artrodesis es una operación o cirugía cuyo objetivo principal es bloquear 
completamente la movilidad de una articulación produciendo una anquilosis en posición 
funcional, esto es una disminución de movimiento que beneficia al paciente librándolo de dolor y 
evitando que la articulación siga deteriorándose. Para al caso de la columna vertebral resulta una 
solución eficaz en contra de patologías, traumatismos, fracturas o des alineamiento de vertebras, 
el cual esto se puede producir a nivel cervical, dorsal o lumbar. 
 
Toda artrodesis provoca una sobrecarga de las articulaciones vecinas que intentan compensar la 
pérdida de movimiento y la función articular. Dependiendo del estado previo de estas 
articulaciones esta sobrecarga será menor y existirá compensación o, por el contrario, la 
sobrecarga las irá deteriorando progresivamente. [I.2] 
 
Albee y Hibbs fueron los pioneros en el proceso de fusión ósea (Figura I.1). En 1911 Hibbs 
realiza la primera operación de artrodesis para evitar el progreso de escoliosis. Sin embargo, en 
1892 Albee publica el método de artrodesis para cadera intraarticular y hasta 1913 Albee propuso 
la primera artrodesis extra articular con injerto óseo en puente ileofemoral al mismo tiempo que 
Maragliano. En aquella época debido a las fatales complicaciones de diseminación hematógena, 
se buscaba realizar artrodesis yuxta o pararticulares las cuales dejaban intacta la articulación. 
Años más tarde Maragliano describe la artrodesis esquiofemoral con injerto óseo, que habría de 
ser abordada treinta años después por Brittain en 1952. [I.3] 
 
La década de los treinta tuvo gran importancia debido a los procesos de artrodesis. Los intentos 
de osteosíntesis son investigados por Van Nesen 1932, y en 1934 Watson Jones propuso la 
utilización del clavo trilaminar, que años más tarde lo popularizo Smith Petersen. 
A partir de estos años los procesos de artrodesis se multiplican, algunas de tipo extra articular con 
injertos en puente y otras intra articulares con osteosíntesis compleja que se asocian a los injertos 
óseos. [I.3] 
Capítulo I 3 
Análisis de movimiento y carga de vertebras lumbares sometidas a 
 Artrodesis posterolateral 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.1.- Rusell Hibbs (1869 – 1932) y Fred Albee (1876 – 1945) 
 
La estabilización intervertebral ha sido obtenida tradicionalmente mediante fusión, con el 
objetivo de eliminar el movimiento anormal del segmento inestable, haciendo que la transmisión 
de la carga se realice de hueso a hueso por medio de los elementos fusionados (Figura I.2). Sus 
orígenes se realizaban para el tratamiento del mal de Pott y más tarde se comenzó a realizar el 
tratamiento para otras condiciones patológicas. Por lo cual, se han desarrollado muchas técnicas 
para la reconstrucción del espacio discal. [I.4] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.2- Fusión de vertebras 
 
Los criterios de Albee y Hibbs sobre la fusión vertebral se mantuvieron hasta 1962, año en el que 
Harringston presento las barras correctoras, una compresora, otra distractora y ganchos para 
corregir entre ambas las alteraciones congénitas (Figura I.3), postraumáticas, degenerativas, etc., 
y finalmente se agregaba injerto óseo para conseguir la artrodesis. [I.5] 
Capítulo I 4 
Análisis de movimiento y carga de vertebras lumbares sometidas a 
 Artrodesis posterolateral 
 
Más tarde Simmons y Capicotto en 1988, Steffee en 1989, Wetzel y Larocca en 1991, 
perfeccionaron los procesos para conseguir la artrodesis utilizando también la fijación 
transpedicular. 
 
Según la Escuela Ortopédica Francesa el tratamiento quirúrgico es necesario en los casos graves 
de deterioro y curvaturas vertebrales, las cuales presentan alteraciones estéticas y funcionales en 
mujeres después de los 17 años y en hombres después de los 19. Aunque la intervención produce 
una pérdida de movimiento actualmente es el único método valido para evitar la evolución del 
deterioro vertebral y enderezar mecánicamente la columna. [I.6] 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.3.- Aparato de Harringston [I.6] 
 
El aparato de Harringston consiguió una enorme importancia en las últimas décadas debido a su 
efecto distractor en la corrección de la curvatura vertebral y por facilitar la artrodesis tanto que se 
utilizó tanto en fracturas como en casos de corrección de escoliosis en niños sin necesidad de la 
artrodesis. 
 
Desde la realización de la primera fusión vertebral que fue hecha por Hibbs, ha habido grandes 
aportaciones de conocimiento. Feguson estudio la alteración de los cuerpos vertebrales y la 
medición del grado de curvatura. John Cobb mejora los métodos de medición. Risser diseña una 
mesa ortopédica para la colocación de yeso. Sin embargo, no todos las aportaciones eran con base 
en la cirugía, Blunt diseña el corset Milwaukee llamado así en honor al lugar donde trabajaba lo 
utilizo para el tratamiento de escoliosis. Nickel diseña los halos cefálicos y pelvianos para la 
tracción de fracturas de columna que también combino con el coset hecho por Blunt. [I.7] 
 
Capítulo I 5 
Análisis de movimiento y carga de vertebras lumbares sometidas a 
 Artrodesis posterolateral 
 
I.2. Artrodesis posterolateral 
En 1948, Cleveland, Bosworth y F.R. Thompson describen una técnica de reparación de 
pseudoartrosistras intento de artrodesis vertebral en la que los injertos se colocan en posición 
posterior a un costado sobre las láminas, en los bordes laterales de las articulaciones 
interapofisarias y en la base de las apófisis espinosas. En 1953, 1959 y 1964 Walkins describió lo 
que denominó como artrodesis posterolateral lumbar y lumbosacra en la que las vertebras se 
artrodesan con injertos de fragmentos de hueso. [I.8] 
 
La artrodesis de vertebras lumbares en general es el tratamiento principal en los casos de 
inestabilidad raquídea la cual se presenta como perdida o reducción de la integridad mecánica del 
segmento lumbar y eso se manifiesta en el paciente con dolor o síntomas neurológicos cuando 
cargas externas fisiológicas son aplicadas. El objetivo de la artrodesis lumbar es reducir o 
eliminar la movilidad del segmento lesionado pero aumentando su capacidad de carga (Figura 
I.4). Este proceso quirúrgico de fusión vertebral es el más utilizado en el ser humano, y sus 
índices de pseudoartrosis están documentados en rangos entre 5% y 35%. [I.9] 
 
Entre las mayores ventajas de esta técnica quirúrgica se menciona: alta probabilidad de conseguir 
la fusión vertebral lumbar, la posibilidad de realizarla aun en ausencia de láminas y facetas, 
finalmente existe poco riesgo de dañar elementos neurales. Cuando el nivel fusionado es único la 
tasa de pseudoartrosis disminuye al 5 – 10%, pero esta aumentara si se incrementan los niveles 
fusionados. [I.10] 
 
Los beneficios después de esta fijación interna que han sido aceptados son: menor tiempo de 
estancia hospitalaria, alivio rápido del dolor, incorporación rápida a la actividad cotidiana, 
estabilidad y descompresión para posible recuperación neurológica, y previene la deformidad de 
la columna vertebral. [I.11] 
 
 
 
 
 
 
Capítulo I 6 
Análisis de movimiento y carga de vertebras lumbares sometidas a 
 Artrodesis posterolateral 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.4.- Proyección posterior, sagital y coronal del proceso de artrodesis posterolateral 
 
I.3. Injertos óseos 
La artrodesis depende de la fusión vertebral la cual requiere injertos óseos. Estos se clasifican en 
tres tipos: [I.12] 
 
 Injertos autólogos: Se obtienen de la propia persona y posee las cuatro propiedades 
importantes; osteoconducción, osteoinducción, osteogenesis y reabsorción 
osteoclástica. 
 
 Injerto homólogo o aloinjerto: Solo posee la propiedad de osteoconducción, esto 
significa que los injertos autólogos se incorporen con más rapidez que estos. 
 
 Injerto heterólogo o xenogénico: Es obtenido de otras especies carece de las 
propiedades osteoinductoras y osteoconductoras. 
 
Los injertos autólogos utilizados en la artrodesis de la región lumbosacra son: 
 
 Osteoperiósticos: Son de espesor fino y gran plasticidad, se adaptan a la lordosis 
lumbosacra y con menos capacidad osteogénica que el injerto esponjoso. 
 
 Corticales: Se obtienen de la cara interna de la tibia del espesor de la cortical. Es de 
gran resistencia mecánica presenta osteogénesis minima y muestran lenta 
incorporación. 
 
Capítulo I 7 
Análisis de movimiento y carga de vertebras lumbares sometidas a 
 Artrodesis posterolateral 
 
 Esponjosos: Tienen la mayor actividad osteogénica. Sin embargo, tienen valor 
mecánico nulo. 
 
 Corticoesponjosos: Presentan las ventajas de los injertos esponjosos con el valor 
mecánico que es dado por la lamina cortial de soporte. [I.12] 
 
Para incorporar y consolidar estos injertos, el tejido óseo debe poseer las siguientes propiedades: 
 
 Osteoconducción: Es la propiedad que tiene el injerto de actuar como si fuera un 
andamio, para que inicie el crecimiento de capilares y células osteoprogenitoras a 
partir del hueso huésped. Esto es muy importante en el remodelamiento del hueso 
y permite la sustitución de este ya muerto por uno nuevo y vivo. 
 
 Osteoinduccion: Es la capacidad que contienen algunas proteínas para estimular la 
osteogenesis. 
 
 Osteogenesis: Es la propiedad por la cual el injerto puede formar hueso por sí 
mismo, ya que posee las células formadoras del hueso trasplantado como parte del 
propio injerto. [I.12] 
 
 Reabsorción osteoclástica: El osteoclasto es la célula limitante del hueso, 
responsable de la reabsorción ósea. Normalmente está en contacto con una 
superficie ósea calcificada dentro de una zona de sellado producto de su propia 
actividad de reabsorción. [I.13] 
 
El concepto de fusión es similar a lo que en mecánica se conoce como “soldar”; la fusión 
vertebral sin embargo no “suelda” las vértebras durante la cirugía sino que lo hacen los injertos 
óseos que se colocan alrededor de la columna durante la intervención. Los injertos óseos 
consolidan después de varios meses (similar a la consolidación de una fractura), lo cual une o 
“suelda” las vértebras entre ellas. [I.14] 
 
Capítulo I 8 
Análisis de movimiento y carga de vertebras lumbares sometidas a 
 Artrodesis posterolateral 
 
I.4. Otros tipos de artrodesis 
La artrodesis (fusión) es una técnica quirúrgica en la cual dos o más de las vértebras de la 
columna son unidas (fusionadas) de tal forma que se impida el movimiento entre ellas. Existen 
muchos abordajes quirúrgicos y métodos para fusionar la columna, y todos ellos incluyen colocar 
injertos óseos entre las vértebra. [I.14] 
 
Las técnicas de intervención para hernias discales se pueden dividir en dos grupos: las 
percutáneas, es decir, aquellas que no requieren incisión quirúrgica, y la microcirugía, necesaria 
para tratar hernias en las que el disco se ha movido de su sitio. Además, existen técnicas más 
complejas como las laminectomías y las artrodesis. [I.15] 
 
I.4.1. Artrodesis interespinosa 
Los espaciadores interespinosos son dispositivos que al colocarse entre los procesos espinosos de 
vértebras contiguas, estabilizan dinámicamente el segmento vertebral en el plano sagital (Figura 
I.5]. El principio de implantar un espaciador entre procesos espinosos adyacentes fue empleado 
por F. Knowles en la década de 1950 para descargar el anillo posterior en los pacientes con 
hernia de disco y lograr así el alivio del dolor.
 
Fueron Senegas y Cols. Quienes en 1986 diseñaron 
un sistema de estabilización interespinoso dinámico para hacer más rígido el segmento lumbar 
degenerado que ha sido operado, usando un bloque interespinoso de titanio para limitar la 
extensión y una banda de tensión (Dacron) alrededor de los procesos espinosos, para asegurar el 
implante y limitar la flexión. Dicho implante, que fue diseñado como la primera generación del 
Wallis actual, restauró condiciones mecánicas más fisiológicas en el segmento degenerado 
tratado, podía no solo aliviar o prevenir el dolor relacionado con la inestabilidad, sino disminuir 
el rango de destrucción discal en ese nivel. Se planteaba también que si el sistema de 
estabilización interespinoso preservaba más movilidad en el segmento tratado que lo que una 
fusión haría, entonces el proceso degenerativo en los niveles adyacentes, progresaría de forma 
más lenta. 
 
Estudios biomecánicos han mostrado que ciertamente la extensión disminuye con la colocación 
del espaciador mientras que la flexión, la rotación axial y la inclinación lateral permanecen 
intactas.
 
Estos implantes, al distraer el espacio interespinoso y limitar la extensión, reducen la 
presión posterior del anillo fibroso del disco, el estrechamiento del canal espinal, el 
Capítulo I9 
Análisis de movimiento y carga de vertebras lumbares sometidas a 
 Artrodesis posterolateral 
 
abombamiento del ligamento amarillo, y teóricamente amplían el foramen intervertebral y 
descargan las facetas articulares.
 
Por todo ello es que estos implantes son usados en los trastornos 
discales degenerativos y en la estenosis del canal lumbar. 
 
Existen en la literatura médica varios estudios que prueban la utilidad de la capa coriónica 
(dermis) de la piel como sustituto de ligamentos en las articulaciones y como remplazo de 
superficies articulares, en rodillas y en pacientes con artritis reumatoide. 
 
La distracción interespinosa está basada en un concepto extraarticular, donde los elementos 
estructurales espinales son dejados intactos excepto el ligamento interespinoso, lo cual hace el 
procedimiento reversible y en caso de recurrencia o persistencia del dolor lumbar, se puede 
realizar una fusión. [I.16] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.5.- Artrodesis interespinosa [I.15] 
 
I.4.2. Fijación interlaminar 
La estabilización subaxial utilizando clamps interlaminares fue descripta en 1975 por Tucker. 
Indicadas para restaurar la tensión del arco posterior intersegmentario en dos niveles, requieren la 
integridad de las estructuras posteriores. Actualmente se encuentran en aleaciones de titanio. Y 
al igual que los cables presentan riesgo de lesión medular por el segmento metálico sublaminar. 
[I.17] 
 
La fijación interlaminar con ganchos laminares se utilizan por lo general en el área cervical, y 
solo si las láminas de C1 y C2 están intactas, sin cambios degenerativos importantes u 
Capítulo I 10 
Análisis de movimiento y carga de vertebras lumbares sometidas a 
 Artrodesis posterolateral 
 
osteoporosis acentuada (Figura I.6). Los ganchos se ponen en la superficie superior de la lámina 
de C1 y la inferior de C2, con injertos óseos intercalares; esto estabiliza bien las fuerzas de 
flexión y extensión. Sin embargo, no son tan efectivas con las fuerzas rotacionales como otros 
métodos de fijación posterior. [I.18] 
 
 
 
 
 
 
 
Figura I.6.- Cables para fijación interlaminar posterior 
 
I.4.3. Artrodesis intersomatica 
La artrodesis intersomática lumbar por vía posterior (AILP) se describió hace más de 60 años. En 
un principio se empleaban fragmentos óseos procedentes de la propia cresta ilíaca del paciente 
como espaciadores para conseguir la artrodesis. En 1985 Lin populariza la consecución de 
artrodesis lumbar por vía posterior mediante la impactación máxima de injertos llegando a 
conseguir un 88% de tasa de artrodesis. Poco después se comienzan a utilizar espaciadores 
sintéticos con huecos en su estructura interna, y denominadas “cajas”, construidas con fibras de 
carbono la cual presentaban aperturas con el objeto de permitir la conexión de los injertos óseos 
con las plataformas vertebrales. Al paso de los años han surgido diversas modificaciones a los 
diseños originales y los resultados publicados han sido globalmente satisfactorios. Últimamente 
se han diseñado implantes más sólidos y que han supuesto menores problemas inherentes al 
carbono como la expansión a otros órganos creando una reacción inflamatoria indeseable con la 
contaminación articular por partículas del propio implante terminando en el fracaso. Los recientes 
diseños de cajas intersomáticas con formas y compuestos diversos, intentan disminuir tanto los 
problemas biológicos como los mecánicos. 
 
Entre los nuevos diseños se presenta un sistema recientemente introducido en la práctica 
ortopédica, la cual el elemento tiene una forma tronco-cónica, expansible y fabricado en aleación 
Capítulo I 11 
Análisis de movimiento y carga de vertebras lumbares sometidas a 
 Artrodesis posterolateral 
 
de titanio no recubierto o impregnado y que se ha utilizado como sistema de artrodesis 
intersomática posterior (Figura I.7). [I.19] 
 
 
 
 
 
 
Figura I.7.- Cilindro roscado antes y después de la expansión [I.20] 
 
La artrodesis tiene como objetivos: desaparecer el dolor, corregir la inestabilidad y liberar de 
compresión al canal raquídeo. Por lo cual este procedimiento quirúrgico tiene sus ventajas [I.20]: 
 
 Consigue una buena artrodesis en el soporte principal de la columna vertebral. 
 
 Rápido acoplamiento del injerto, actuando en compresión. 
 
 Corto periodo de inmovilización. 
 
 No hay pseudoartrosis ni fractura en injertos y solo se protege al enfermo con una 
faja ortopédica. 
 
I.4.4. Artrodesis circunferencial 
La sujeción intersomática y transpedicular con fijación posterolateral se denomina fusión 
circunferencial, que puede realizarse en un solo tiempo por un abordaje posterior. Es un 
procedimiento que tiene las siguientes ventajas: minimiza la morbilidad de dos procedimientos 
quirúrgicos, permite maximizar la descompresión sin dificultad o riesgo de quitar hueso en forma 
insuficiente, restaura la estabilidad, incrementa la capacidad para la descompresión especialmente 
en la zona foraminal y extraforaminal y corrige la deformidad. El riesgo de la migración del 
injerto en la fijación ínter somática posterior es limitada por la fijación transpedicular asociada. 
Hinkler et al demostraron mejoría con artrodesis circunferencial, incluso en pacientes con 
compensación económica. 
Capítulo I 12 
Análisis de movimiento y carga de vertebras lumbares sometidas a 
 Artrodesis posterolateral 
 
Christensen, quien compara la artrodesis circunferencial con la artrodesis posterior mediante 
instrumentación de Cotrel-Dubosset, concluye que la artrodesis circunferencial obtuvo un mayor 
índice de unión con un menor índice de reoperaciones y mostró una tendencia a un mejor 
pronóstico funcional, señalando que los pacientes con problemas degenerativos del disco fueron 
los mejor beneficiados. Gertzbeins, en estudio multicéntrico, determinó una fusión satisfactoria 
en el 97%; Slosar al demuestra también la utilidad de la fusión circunferencial en base al índice 
de fusión del 99%. La intención es hacer ver que la artrodesis 360° ha probado ser el estándar de 
oro en el tratamiento de la listesis pero, tiene un alto índice de enfermedad del segmento 
adyacente. [I.21] 
 
I.5. Patologías de la columna lumbar 
La patología degenerativa de la columna lumbar representa un problema sanitario en los países 
occidentales. En las Unidades de Dolor se atiende a un porcentaje importante de estos pacientes 
en los cuales el dolor es una de las manifestaciones clínicas sobresalientes. El aumento 
progresivo de la expectativa de vida en los países desarrollados, con el sobrepeso y el 
sedentarismo, constituyen los principales factores estadísticamente significativos en el auge de 
estos padecimientos. [I.22] 
 
La degeneración de la columna lumbar se inicia con la pérdida de altura del disco intervertebral 
secundaria a la deshidratación del núcleo pulposo, esto sobrecarga las articulaciones facetarias 
cuya anatomía no está diseñada para soportar peso, desarrollando espóndilo artritis y posterior 
hipertrofia. También aparece pérdida de tensión y deterioro estructural de los ligamentos de la 
columna vertebral que producen inestabilidad. 
 
Esta inestabilidad se compensa con hipertrofia de otras estructuras como el ligamento amarillo 
que a la larga resulta en estrechez del canal y de los forámenes de conjunción. El desenlace 
clínico más frecuente de toda esta cascada de eventos fisiopatológicos es dolor lumbar crónico, 
muy incapacitante y de difícil manejo médico. [I.23]1.5.1. Hernia discal 
Las hernias discales como causantes de dolor lumbociática fueron descritas por Mister y Barr en 
1934. Wahren publicó, 11 años después, el primer caso de hernia discal en un niño de 12 años. 
Capítulo I 13 
Análisis de movimiento y carga de vertebras lumbares sometidas a 
 Artrodesis posterolateral 
 
Estas son una patología frecuente en la edad adulta de la vida humana. Se han publicado muchas 
series sobre la incidencia y frecuencia de los cuadros lumbociáticos y hernias de disco 
intervertebral. Las series publicadas sobre esta patologia en adolescentes son escasas y con un 
número pequeño de casos, aunque la frecuencia está por debajo del 3% en la de mayor 
prevalencia varían en función del intervalo de edades que se consideren. En estos casos se ha 
considerado el factor genético, ya que en algunas series se encuentra una acumulación de casos 
en edades tempranas dentro de algunas familias. También se han asociado a alteraciones en la 
estructura de la columna vertebral, como asimetrías de las articulaciones intervertebrales. En las 
sociedades occidentales se asocia a la práctica de algún deporte, ya que se prohíbe el trabajo 
físico en los niños. [I.24] 
 
El dolor lumbar y la ciática son cuadros de presentación frecuente a lo largo de la vida de una 
persona y conforman una de las causas más frecuentes de consulta al médico o cirujano 
ortopédico. Entre el 60 y el 80% de la población presenta algún padecimiento de dolor lumbar a 
lo largo de su vida, y la incidencia de ciática es mucho menor. Estos síntomas son frecuentemente 
expresión de diversas patologías de los discos intervertebrales, la más frecuente de las cuales es 
la hernia discal lumbar sintomática, con una incidencia aproximada del 2% entre la población 
general 
 
La hernia de disco intervertebral se presenta al producirse un desplazamiento de la parte central 
del disco o núcleo pulposo, con rotura parcial o completa del anillo fibroso y aparición de 
asimetría en la circunferencia externa del disco (Figura I.8). La protrusión discal, a diferencia de 
la hernia, es una prominencia generalizada del borde periférico del disco sin que haya 
desplazamiento focal del núcleo. [I.24] 
 
 
Figura I.8.- Hernia discal 
Capítulo I 14 
Análisis de movimiento y carga de vertebras lumbares sometidas a 
 Artrodesis posterolateral 
 
Los factores que se asocian a un mayor riesgo de presentar una hernia del disco lumbar son el 
sexo masculino, la edad entre 30 y 50 años, los trabajos que requieren levantamiento de objetos 
pesados o posturas asimétricas, el tabaquismo y la exposición repetida a vibraciones. [I.24] 
 
La hernia del núcleo pulposo del disco intervertebral es la protrusión del material gelatinoso 
central de un disco intervertebral a través de una fisura en el anillo fibroso externo que la rodea. 
El anillo puede romperse completamente con salida del disco o puede permanecer intacto pero 
estirarse y dar lugar a una protrusión del disco. Este proceso se puede asociar a dolor lumbar por 
activación de las terminaciones nerviosas y dolor radicular derivados de la inflamación y 
compresión de la raíz nerviosa y su ganglio, asociado a parestesias o debilidad de la pierna, 
disfunción sexual y parálisis vesical o rectal. [I.25] 
 
La hernia del discal lumbar es una causa frecuente de radiculopatía (lesión en las raíces 
raquídeas) en los miembros inferiores y su tratamiento más efectivo sigue siendo objeto de 
controversia. Tanto el tratamiento quirúrgico como el conservador consiguen buenos resultados 
cuando se realiza una correcta selección del paciente. [I.26] 
 
1.5.2. Escoliosis 
El termino escoliosis describe una curvatura lateral de la columna vertebral y se deriva del 
vocablo griego skoliosis (sinuosidad) descrita por Hipócrates. Aun no se conoce con exactitud el 
patrón usual de esta condición, través de los siglos se atribuye a muchos factores desde el uso 
excesivo de la mano derecha, que era una de las primeras descripciones de esta patología, hasta 
las investigaciones de casos hereditarios con bases genéticas. 
 
La escoliosis pues ser estructural o no estructural. El tipo estructural se refiere a una curvatura 
lateral fija con rotación permanente, mientras que el no estructural las curvas con dicha rotación 
se corrigen al sentarse o aplicar fuerza sobre el tronco. La curvatura mas común no tiene una 
causa conocida, por lo que se le denomino escoliosis idiopática. [I.27] 
 
La definición actual de escoliosis es la de una deformidad de la columna vertebral en tres 
dimensiones, en donde en el plano coronal excede 10 grados y el desplazamiento lateral del 
cuerpo vertebral cruza la línea media y regularmente se acompaña de algún grado de rotación. Es 
Capítulo I 15 
Análisis de movimiento y carga de vertebras lumbares sometidas a 
 Artrodesis posterolateral 
 
un proceso complejo y dinámico a la vez, que ocurre principalmente en la columna toracolumbar 
(Figura I.9]. 
 
La palabra escoliosis deriva del griego “scolios”, que significa curvatura. La escoliosis es una 
deformidad de la columna que se conoce desde tiempos remotos. El primero que la describió fue 
Hipócrates (460-370 a.C.) en su obra Corpus Hippocraticum, pero fue Galeno (131-201 d.C.) 
quien acuñó las palabras de xifosis, lordosis, y escoliosis. 
 
La escoliosis no es un diagnóstico, ni una enfermedad como tal, es considerada como la 
descripción de una alteración estructural y, cuando mucho, se puede tomar como una 
manifestación objetiva, que se puede medir clínica y radiológicamente en la persona que la 
presenta. Si en la medición en el plano coronal no excede los 10 grados, no debe recibir el 
nombre de escoliosis, sino de una asimetría de la columna vertebral que no tiene significado 
clínico. [I.28] 
 
Las curvas en el adulto son más rígidas que las de los niños o los adolescentes, además de 
representar una preocupación de tipo cosmético, frecuentemente se asocian a dolor y síntomas 
neurológicos, ocasionados por una combinación de fatiga muscular, desbalance del tronco, 
artropatía o artrosis de las facetas, y en la mayoría de los casos por un proceso degenerativo 
discal, mientras que en los niños o adolescentes raramente manifiestan dolor y la mayoría de las 
veces son descubrimientos de los padres al observar las espaldas de sus hijos, pero no por 
observación directa del portador de la escoliosis. [I.28] 
 
Es aceptado que la escoliosis es potencialmente progresiva durante los años de crecimiento de la 
columna vertebral, aproximadamente hasta los 15 años en las mujeres y a los 17 años en los 
hombres. La evolución depende del comportamiento de la columna vertebral especialmente en 
eso años. Existe una mayor incidencia de escoliosis idiopatica en ámbitos familiares. [I.29] 
 
 
 
 
 
Capítulo I 16 
Análisis de movimiento y carga de vertebras lumbares sometidas a 
 Artrodesis posterolateral 
 
 
 
 
 
 
 
 
FiguraI.9.- Comparación entre una columna con escoliosis y una columna normal 
 
Para las escoliosis idiopáticas, aquellas en las que no se determina la causa de su origen, pero que 
sí influyen los factores hereditarios familiares en el recién nacido, frecuentemente las detecta el 
ojo materno, aunque sea discreta. Las escoliosis infantiles son más frecuentes en varones y no 
evolucionan siempre en forma maligna, pero siempre son evolutivas y la presentación