Development of an intervertebral disc prosthesis prototype for the canine cervical spine / Desenvolvimento de um protótipo de prótese de disco intervertebral para a coluna vertebral cervical de cães

Cervical arthroplasty with disc prosthesis has been proposed as a treatment option for dogs with Cervical Spondylomyelopathy. The present study developed a novel vertebral disc prosthesis for dogs. Sixteen Functional Spinal Units (C5-C6) were collected from dog cadavers with body weights ranging between 25 and 35 kg, and their vertebral measurements were used to design a prosthetic disc. The sizing of the prosthesis was performed based on the averages of the measurements of width, height, and length of the vertebral bodies from C5-C6 of all specimens. The prosthesis was developed using the Rhinoceros 3D® and SolidWorks® programs, and 3D prototyping was carried out to define the best design. The developed prosthesis consisted of two independent parts that are fixed to the cranial and caudal vertebral bodies, in the intervertebral space, and fitted together by metal-to-metal surfaces capable of moving in the lateral, ventral, and dorsal directions. Each part of the prosthesis is angled in two portions: vertically, in the intervertebral space, and horizontally, in contact with the ventral surface of the vertebral bodies, both of which are fixed by means of monocortical locking screws. The design of the developed prototype allowed a good fit in the intervertebral space between C4-C5, C5-C6, and C6-C7.

A artroplastia cervical com prótese de disco tem sido proposta como uma opção de tratamento para cães com Espondilomielopatia Cervical. O presente estudo teve como objetivo desenvolver uma nova prótese de disco intervertebral para cães. Dezesseis Unidades Funcionais de Coluna Vertebral (C5-C6) foram coletadas de cadáveres de cães com peso corporal variando entre 25 e 35 kg, e suas medidas vertebrais foram usadas para projetar um disco intervertebral protético. O dimensionamento da prótese foi realizado com base nas médias das mensurações da largura, altura e comprimento dos corpos vertebrais de C5-C6 de todos os espécimes. A prótese foi desenvolvida nos programas Rhinoceros 3D® e SolidWorks® e utilizou-se prototipagem em 3D para a definição do melhor design. A prótese desenvolvida é formada por duas partes independentes que se fixam às espífises dos corpos vertebrais cranial e caudalmente ao espaço intervertebral, e se encaixam entre si por superfícies de metal-metal com capacidade de movimentação nas direções lateral, ventral e dorsal. Cada parte da prótese é angulada em duas porções: a vertical, que fica no espaço intervertebral, e a horizontal, que fica em contato com a superfície ventral dos corpos vertebrais, ambas as quais são fixadas por meio de parafusos bloqueados monocorticais. O design do protótipo desenvolvido permitiu bom encaixe no espaço intervertebral entre C4-C5, C5-C6 e C6-C7.

Finite element analysis of a new intervertebral disc prosthesis developed for the canine cervical spine / Elementos finitos de uma nova prótese de disco intervertebral desenvolvida para a coluna cervical canina

ABSTRACT: Cervical spondylomyelopathy (CSM) is a disease that affects mostly large- and giant-breed dogs. It is characterized by abnormalities of the cervical spine that may cause damage to the spinal cord and nerve roots. Cervical disc arthroplasty has been proposed as a treatment option in veterinary medicine. The current study evaluated the main stresses in a novel canine vertebral disc prosthesis and vertebral bodies using finite element analysis. Two experimental groups were created based on the material used for the prosthesis: stainless steel group (SSG) and titanium alloy group (TAG). Vertebral and prosthetic average equivalents von-Mises stress (VMS) and minimum principal stress (MiPS) were assessed while compressive, tensile, and lateral bending shear loads were applied. The stainless steel group had greater VMS distribution on all the evaluated parameters while the titanium alloy group had greater MiPS. Stresses were more concentrated on the lateral and ventral surfaces of the vertebral bodies than on their endplates. The average prosthetic stresses were more concentrated on the bone/implant contact surface than on the prosthesis/screw interface. Maximum stresses were concentrated in the screws' cranial surface. The novel prosthesis allows even distribution along the vertebral body. Comparing prosthesis materials, titanium alloy was marginally superior regarding average stresses in all directions and should be less likely to suffer subsidence.

RESUMO: Espondilomielopatia cervical (EMC) é uma doença que geralmente afeta cães de raças grandes e gigantes. Ela é caracterizada por anormalidades da coluna cervical que podem causar danos à medula espinhal ou às raízes nervosas. Artroplastia cervical com prótese de disco tem sido proposta como opção de tratamento na medicina veterinária. O presente estudo teve como objetivo avaliar os principais estresses em uma nova prótese de disco intervertebral canina e corpos vertebrais por meio da análise de elementos finitos. Foram compostos dois grupos experimentais que representaram o material constituinte da nova prótese: grupos aço inoxidável (SSG) e o liga de titânio (TAG). Tensões equivalente de von-Mises (VMS) e tensão principal mínima (MiPS) média foram avaliadas sob forças de compressão, tração e torção para vértebras e prótese. O grupo SSG teve maior distribuição de VMS para todos parâmetros avaliados, enquanto o grupo TAG teve maior MiPS. Estresses estiveram mais concentrados nas superfícies lateral e ventral dos corpos vertebrais do que nas placas terminais. Os estresses médios da prótese foram mais concentrados na superfície de contato osso/implante do que na interface prótese/parafuso. Estresses máximos foram concentrados na superfície cranial do parafuso. A nova prótese permitiu distribuição uniforme do estresse ao longo do corpo vertebral. Comparando os materiais da prótese, a liga de titânio foi marginalmente superior quanto aos estresses médios em todas as direções, sendo menos provável que sofra afundamento da prótese.

Finite element analysis of a new intervertebral disc prosthesis developed for the canine cervical spine / Elementos finitos de uma nova prótese de disco intervertebral desenvolvida para a coluna cervical canina

Cervical spondylomyelopathy (CSM) is a disease that affects mostly large- and giant-breed dogs. It is characterized by abnormalities of the cervical spine that may cause damage to the spinal cord and nerve roots. Cervical disc arthroplasty has been proposed as a treatment option in veterinary medicine. The current study evaluated the main stresses in a novel canine vertebral disc prosthesis and vertebral bodies using finite element analysis. Two experimental groups were created based on the material used for the prosthesis: stainless steel group (SSG) and titanium alloy group (TAG). Vertebral and prosthetic average equivalents von-Mises stress (VMS) and minimum principal stress (MiPS) were assessed while compressive, tensile, and lateral bending shear loads were applied. The stainless steel group had greater VMS distribution on all the evaluated parameters while the titanium alloy group had greater MiPS. Stresses were more concentrated on the lateral and ventral surfaces of the vertebral bodies than on their endplates. The average prosthetic stresses were more concentrated on the bone/implant contact surface than on the prosthesis/screw interface. Maximum stresses were concentrated in the screws' cranial surface. The novel prosthesis allows even distribution along the vertebral body. Comparing prosthesis materials, titanium alloy was marginally superior regarding average stresses in all directions and should be less likely to suffer subsidence.

Espondilomielopatia cervical (EMC) é uma doença que geralmente afeta cães de raças grandes e gigantes. Ela é caracterizada por anormalidades da coluna cervical que podem causar danos à medula espinhal ou às raízes nervosas. Artroplastia cervical com prótese de disco tem sido proposta como opção de tratamento na medicina veterinária. O presente estudo teve como objetivo avaliar os principais estresses em uma nova prótese de disco intervertebral canina e corpos vertebrais por meio da análise de elementos finitos. Foram compostos dois grupos experimentais que representaram o material constituinte da nova prótese: grupos aço inoxidável (SSG) e o liga de titânio (TAG). Tensões equivalente de von-Mises (VMS) e tensão principal mínima (MiPS) média foram avaliadas sob forças de compressão, tração e torção para vértebras e prótese. O grupo SSG teve maior distribuição de VMS para todos parâmetros avaliados, enquanto o grupo TAG teve maior MiPS. Estresses estiveram mais concentrados nas superfícies lateral e ventral dos corpos vertebrais do que nas placas terminais. Os estresses médios da prótese foram mais concentrados na superfície de contato osso/implante do que na interface prótese/parafuso. Estresses máximos foram concentrados na superfície cranial do parafuso. A nova prótese permitiu distribuição uniforme do estresse ao longo do corpo vertebral. Comparando os materiais da prótese, a liga de titânio foi marginalmente superior quanto aos estresses médios em todas as direções, sendo menos provável que sofra afundamento da prótese.