2023, Número 2
Análisis y monitorización electrónica de la estabilidad en la columna lumbar, posterior a una cirugía con y sin instrumentación transpedicular. Modelo experimental
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10.35366/111628
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Idioma: Español
Referencias bibliográficas: 24
Paginas: 69-75
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RESUMEN
Introducción: la columna vertebral debe conciliar dos imperativos mecanismos hasta cierto punto contradictorios, que son la "rigidez y flexibilidad", con el objeto de mantener un equilibrio y balance, basado en un principio de "estabilidad". Cualquier mecanismo que altere este proceso puede generar una entidad patológica caracterizada por una "inestabilidad", la cual se define como la pérdida de la capacidad de la columna (bajo cargas fisiológicas) de mantener relaciones entre las vértebras, en forma tal que no haya daños, ni irritación de la médula espinal o de las raíces nerviosas, ni tampoco ninguna deformidad dolorosa. Objetivo: describir el comportamiento biomecánico de la columna lumbar posterior a una cirugía de columna con y sin instrumentación transpedicular en un modelo electrónico experimental. Material y métodos: sistema de Software SignalExpress de LabView, sensores strain gauge, tarjeta acondicionadora, unidad central de procesamiento (CPU), modelo para experimentación y colocación de espécimen, columna porcina segmentos T6-L5, sistema de instrumentación transpedicular, equipo y material de cirugía. Previa preparación de los sensores (strain gauge) sobre una mica rígida (7 × 30 mm) con aplicación de pegamento cianoacrilato, se realiza disección anatómica en los segmentos lumbares de la columna porcina (fresca, segmento T6-L5), colocando en el segmento L1-L2, sensores en el ligamento longitudinal anterior (LLA), ligamento interespinoso (LIE), ligamento supraespinoso (LSE), el cual a su vez es colocado en el modelo para experimentación, sometiendo una carga axial de 10 kg. Se realizan mediciones como origen basal sin ningún procedimiento quirúrgico, iniciando mediciones con sesiones de movimiento, las cuales tienen el mismo rango y amplitud, 0° para la posición en reposo con la carga de 10 kg, 30° de flexión, 20o en extensión de la zona lumbar, compresión axial máxima antes de la fatiga a 0°. Una vez almacenando los datos, se procede a realizar los mismos procedimientos siempre agregando el procedimiento que le prosigue (foraminectomía, discoidectomía, hemilaminectomía, laminectomía e instrumentación transpedicular a primer nivel en el mismo segmento). Resultados: las mediciones basales mostraron una amplitud de 0.3 volts, con el foramen del lado izquierdo el nivel de inestabilidad manifiesta con amplitud de voltaje del sensor en 0.8 volts con variaciones de voltaje positivos. Al proceder con la discectomía se encuentra una variación de la amplitud de 2.0 volts, con variaciones de voltajes negativos. La hemilaminectomía se incrementa a una amplitud de 3.0 volts. Con la laminectomía se incrementa aún más hasta los 3.8 volts, además de una marcada inestabilidad clínica durante los experimentos. Al aplicar la instrumentación transpedicular el sensor muestra una corrección de la inestabilidad pasando a un patrón de señal con una amplitud de 0.5 volts positivos con la cual se muestra una corrección de la inestabilidad; pero, a su vez, el valor del voltaje de los sensores muestra un desplazamiento en el nivel de voltaje que indican que la articulación está en una posición rígida, forzada y diferente de las obtenidas en las mediciones en basales. Conclusiones: los resultados obtenidos se traducen en un mapa biomecánico, que permite analizar, de una manera objetiva, cómo se comporta la columna ante diversas situaciones descompresivas que generan inestabilidad. En el modelo experimental cada proceso quirúrgico descompresivo puede llegar a desestabilizar de 15 a 20% y, aun así, con una instrumentación rígida en un segmento por vía posterior, no se logra recuperar la estabilidad completa, ya que se pierde un 5% por el material óseo y ligamentario eliminado.INTRODUCCIóN
La patología asociada a la columna vertebral cobra importancia por el aumento en la longevidad de las personas, generando enfermedades degenerativas, así como los accidentes de baja y alta energía, las deformidades congénitas y la aparición de problemas de tipo infeccioso o de origen tumoral.
La columna vertebral debe conciliar dos mecanismos imperativos hasta cierto punto contradictorios, que son la "rígidez y flexibilidad", con el objeto de mantener un equilibrio y balance, basado en un principio de "estabilidad". Cualquier mecanismo que altere este proceso, puede generar una entidad patológica caracterizada por una "inestabilidad", la cual se define como la pérdida de la capacidad de la columna (bajo cargas fisiológicas) de mantener relaciones entre las vértebras, en forma tal, que no haya daños, ni irritación de la médula espinal o de las raíces nerviosas, ni tampoco ninguna deformidad dolorosa, misma definición que tiene un significado distinto para clínicos, radiólogos y bioingenieros.1,2
Sin embargo, la definición más mencionada es bajo la perspectiva biomecánica propuesta por Pope y Panjabi, así como por Frymoyer y Selby,3 los cuales consideran que un segmento lumbar es inestable cuando genera movimientos anormales que a la larga conducen a una restricción en los movimientos fisiológicos vertebrales para compensar la aparición del dolor.4-8
La instrumentación con tornillos es un procedimiento que permite corregir dos aspectos fundamentales, la estabilidad y el proteger la alteración estructural generada por la descompresión. Existen algunos procedimientos quirúrgicos que, por su naturaleza, pueden presindir de una instrumentación, como son la foraminectomía, discoidectomía, hemilaminectomía y laminectomía, teniendo como punto relevante la conservación de 50 o 60% de la estructura de la carilla articular.3,9-20
Basado en estos conceptos, se formulan estas preguntas ¿cuándo indicar la microcirugía parcial con sólo la descompresión de la extrusión del disco?, ¿cuándo realizar la discoidectomía completa con curetaje del espacio intervertebral?, y ¿cuándo realizar la discoidectomía con instrumentación y fusión? Todas estas interrogantes surgen en la mente de un cirujano de columna, cuando tiene que realizar un procedimiento quirúrgico y más aún cuando tiene que decidir la colocación de una instrumentación, así como la extensión de la misma, considerando un procedimiento largo o corto.4,21-24
MATERIAL Y MéTODOS
Se realizó un modelo experimental en columna toracolumbar de porcinos, la cual se resecó dejando en perfecto estado los ligamentos, cápsulas y porción muscular, la pieza no debía de haber pasado más de 24 horas de su adquisición, con el objeto de conservar la frescura de sus elementos ligamentarios y de tejidos blandos.
Se llevó a cabo la disección anatómica en el laboratorio, resecando anatómicamente y respetando las estructuras ligamentarias de la columna, así como las estructuras musculares en el segmento lumbar comprendido de la sexta vértebra torácica a la quinta vértebra lumbar.
Se montó dicho segmento anatómico con una carga controlada y repetida de 10 kg, para su evaluación se utilizó un sensor "strain gauge" previamente colocado en una mica rígida libre de impurezas, fijando los segmentos con dos o tres puntos de sutura en cada uno de los extremos de forma longitudinal (Figura 1).
Los sensores son adheridos en la superficie de la mica con la aplicación de pegamento cianoacrilato como se muestra en la Figura 2. La mica rígida forma una interface de fijación entre el sensor y el ligamento, la cual permitirá transmitir al dispositivo sensor los cambios físicos de la estructura ligamentaria.
El sensor es encapsulado con resina para evitar que la humedad de los tejidos infiera en la medición; cada sensor es conectado a un circuito electrónico de instrumentación a través de un par de cables que polarizan y transmiten los cambios de resistencia que presenta el sensor; estos cables se trenzan para reducir el factor de ruido (Figura 2).
Para procesar de mejor manera las señales provenidas de los sensores, se diseñó una tarjeta acondicionadora de señal, en donde la respuesta de cada sensor se monitorea de forma individual por canales independientes formados de cuatro módulos consecutivos. Cada canal de acondicionamiento de señal tiene tres canales disponibles para conexión de los sensores, cuatro ajustes de ganancia de voltaje en las etapas de amplificación de canal, y una salida para conexión de una tarjeta externa de adquisición de datos.
La tarjeta acondicionadora muestra pequeñas diferencias de voltaje durante las pruebas, mismas que son detectadas y amplificadas (del orden de milésimas de voltios) y aumentadas a variaciones de -5 a 5 voltios.
La señal de salida de la tarjeta acondicionadora es tomada por la tarjeta adquisidora de señal USB 6221 de la marca National Instrument para posteriormente ser guardados en archivos de datos que son analizados con el software SignalExpress de LabView.
La Figura 3 muestra la columna de cerdo y la mesa de trabajo con el equipo de medición. Previo a los experimentos, se realiza el acondicionamiento de los sensores (strain gauge).
La preparación de la columna vertebral, con la disección anatómica de los segmentos lumbares, comprendidos de la sexta vértebra torácica a la quinta vértebra lumbar, respetando las estructuras anatómicas, con colocación del sensor strain gauge previamente colocado en una mica rígida libre de impurezas, se fija en los segmentos con dos puntos de sutura en cada uno de los extremos de ésta de forma longitudinal.
Los sensores se adhieren en las zonas que se van a monitorear (ligamento interespinoso, ligamento longitudinal anterior y ligamento supraespinoso).
La columna vertebral se coloca en el modelo de compresión con la columna en posición de carga axial controlada de 10 kg. Primero se realizan las mediciones, donde se determina como origen basal la columna sin ningún procedimiento quirúrgico, sólo la disección anatómica y la colocación de los sensores, mismos que son calibrados.
Posteriormente, se inician las mediciones, con las siguientes maniobras, mismas que se repiten en todos los procedimientos con cinco ciclos de un mismo lapso de tiempo; flexión a 30°, extensión a 20° y flexión-extensión, las cuales se ejecutan en forma independiente y en serie de repeticiones continuas o pausadas, registrando los voltajes máximos y mínimos alcanzados por los movimientos, los ángulos de medición y el tiempo de duración de los mismos para generar bloques de estudio.
Los rangos de medida de los ángulos de los movimientos a realizar se definen de la siguiente manera:
- 1. 0° para la posición en reposo con la carga de 10 kg.
- 2. 30° de flexión.
- 3. 20° en extensión de la zona lumbar.
- 4. 0° a 50° de movimiento en flexio-extensión de la zona lumbar.
PROCEDIMIENTOS QUIRúRGICOS
- • (Ba) Basal
- • (Fo) Foramen lado izquierdo
- • (Di) Discoidectomía
- • (He) Hemilaminectomía izquierda
- • (La) Laminectomía
- • (In) Instrumentación transpedicular de primer nivel
COLOCACIóN DE LOS SENSORES EN EL SEGMENTO L1-L2
Colocación anatómica
- • Ligamento longitudinal anterior Canal 1
- • Ligamento interespinoso Canal 2
- • Ligamento supraespinoso Canal 3
Los cambios de tensión superficial de los ligamentos son observados en el monitor de una computadora a través del software Signal Express de LabView, el cual registra las señales y las guarda en archivos independientes.
El sistema de software utilizado traduce las fuerzas detectadas en voltaje, en cifras reconocibles, donde se evalúa la estabilidad de la columna previa a los procedimientos y la inestabilidad que se irá generando con los procedimientos invasivos, así como la estabilidad que se pudiera recuperar con los sistemas de fijación y las repercusiones en los discos subyacentes (Figura 4).
MéTODOS ESTADíSTICOS
La información se codificó, tabuló y analizó mediante un programa computacional (Epi Info Ver. 3.5.1) y (SPSS Ver 10.0), la señal de salida de la tarjeta acondicionadora es tomada por la tarjeta adquisidora de señal USB 6221 de la marca National Instrument para posteriormente ser guardados en archivos de datos que fueron analizados con el software Signal Express de LabView.
RESULTADOS
Las mediciones basales obtenidas por los sensores strain gauge (células de carga), muestran que en el movimiento en extensión, en el ligamento supraespinoso los patrones obtenidos son repetitivos y con una amplitud de 0.3 volts, cuando se procede con el foramen del lado izquierdo el nivel de inestabilidad se muestra como una alteración de la amplitud de voltaje del sensor en 0.8 volts con variaciones de voltaje positivos. Al proceder con la discoidectomía se encuentra que el mismo sensor detecta una variación de la amplitud de 2.0 volts, con variaciones de voltajes negativos, observando un incremento notable de inestabilidad de la columna.
Cuando se procede con la hemilaminectomía, la inestabilidad se incrementa aún más, con una variación de amplitud de 3.0 volts, de acuerdo a los datos observados el incremento de la inestabilidad se observa en los tres procedimientos, considerando que en el caso del foramen de acuerdo a la polaridad de amplitud de la señal de los sensores la inestabilidad se detecta en un eje (positivo) y al proceder con la discoidectomía y hemilaminectomía la inestabilidad crece notablemente en un eje (negativo).
Al aplicar la instrumentación transpedicular el sensor muestra una corrección de la inestabilidad pasando a un patrón de señal con una amplitud de 0.5 volts positivos, con la cual se muestra una corrección de la inestabilidad, pero a su vez el valor del voltaje de los sensores muestra un desplazamiento en el nivel de voltaje que indican que la articulación está en una posición rígida, forzada y diferente de las obtenidas en las mediciones en basal (posición natural y original de la columna) (Figura 5).
DISCUSIóN
Los resultados se traducen en un mapa biomecánico, que permite monitorear y analizar de manera objetiva cómo se comporta la columna lumbar en un modelo experimental de porcino ante diversas situaciones descompresivas como son: foraminectomía, discoidectomía, hemilaminectomía y laminectomía, que pueden generar inestabilidad.
En el modelo experimental, cada proceso quirúrgico descompresivo puede llegar a desestabilizar de 15 a 20% de la estructura ósea y aun así, con una instrumentación rígida en un segmento por vía posterior, no se logra recuperar la estabilidad inicial, ya que se pierde un 5% por el material óseo ligamentario extirpado.
Estos datos permiten al cirujano de columna predecir el grado de inestabilidad que puede ser generado por cualquier procedimiento quirúrgico y tomar las decisiones apegadas a las guías de práctica clínica que están basadas en la evidencia.
CONCLUSIONES
Conocer en tiempo real los cambios biomecánicos generados por los procedimientos quirúrgicos, tanto para la descompresión como por la estabilización, permite visualizar concretamente los cambios que se generan con los procedimientos quirúrgicos, optimizando la superficie de hueso retirado y la restauración biomecánica a la que estará sometido cada segmento.
Por tal motivo, es importante que el cirujano de columna siempre tenga en mente, desde el momento de planear una cirugía, cuántos niveles deberá estabilizar, si será una instrumentación corta o larga y cuál es el nivel que debe descomprimir.
REFERENCIAS (EN ESTE ARTÍCULO)
AFILIACIONES
1 Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Guadalajara. Guadalajara, Jalisco, México. ORCID: 0002-5532-5318
2 Hospital General de Mexicali. Mexicali, Baja California. ORCID: 0002-6106-6228
3 Hospital General de Mazatlán. Mazatlán, Sinaloa. ORCID: 0001-9952-9056
4 Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Guadalajara. Guadalajara, Jalisco, México. ORCID: 0002-5679-4271
5 Hospital de Especialidades. Centro Médico Nacional de Occidente. Guadalajara, Jalisco.
Conflicto de intereses: ningún miembro del grupo de investigación tiene algún conflicto de intereses en relación a esta investigación.
CORRESPONDENCIA
Dr. José María Jiménez Ávila. E-mail: josemajimeneza@tec.mxRecibido: 29 de Mayo de 2023 . Aceptado: 19 de Junio de 2023