Barrier Techniques for Spinal Cord Protection from Thermal Injury in Polymethylmethacrylate Reconstruction of Vertebral Body : Experimental and Theoretical Analyses

Polymethylmethacrylate를 이용한 척추체 재건술에서 척수의 열 손상을 방지하기 위한 방어벽 기법 : 실험적 및 이론적 분석

Objective : Polymethylmethacrylate(PMMA) is often used to reconstruct the spine after total corpectomy, but the exothermic curing of liquid PMMA poses a risk of thermal injury to the spinal cord. The purposes of this study are to analyze the heat blocking effect of pre-polymerized PMMA sheet in the corpectomy model and to establish the minimal thickness of PMMA sheet to protect the spinal cord from the thermal injury during PMMA cementation of vertebral body. Materials & Methods : An experimental fixture was fabricated with dimensions similar to those of a T12 corpectomy defect. Sixty milliliters of liquid PMMA were poured into the fixture, and temperature recordings were obtained at the center of the curing PMMA mass and on the undersurface(representing the spinal cord surface) of a prepolymerized PMMA sheet of variable thickness(group 1 : 0mm, group 2 : 5mm, or group 3 : 8mm). Six replicates were tested for each barrier thickness group. Results : Consistent temperatures($106.8{\pm}3.9^{\circ}C$) at center of the curing PMMA mass in eighteen experiments confirmed the reproducibility of the experimental fixture. Peak temperatures on the spinal cord surface were $47.3^{\circ}C$ in group 2, and $43.3^{\circ}C$ in group 3, compared with $60.0^{\circ}C$ in group 1(p<0.00005). So pre-polymerized PMMA provided statistically significant protection from heat transfer. The difference of peak temperature between theoretical and experimental value was less than 1%, while the predicted time was within 35% of experimental values. The data from the theoretical model indicate that a 10mm barrier of PMMA should protect the spinal cord from temperatures greater than $39^{\circ}C$(the threshold for thermal injury in the spinal cord). Conclusion : These results suggest that pre-polymerized PMMA sheet of 10mm thickness may protect the spinal cord from the thermal injury during PMMA reconstruction of vertebral body.

Polymethylmethacrylate(PMMA)는 척추 전적출술후에 척추를 재건하기 위해 사용되지만 액체 형태의 PMMA가 응고하면서 발생되는 열은 척수 신경의 열 손상 가능성을 가지고 있다. 이 연구의 목적은 이미 응고된 PMMA sheet가 척수 신경을 보호하는 방어 벽으로서의 열 차단 역할을 할 수 있는지 또한 열손상으로부터 신경을 보호하기 위해 필요한 방어벽의 최소한의 두께를 탐구하는 데 있다. 실험실에서 제 12번째 흉추체 전 적출후의 상태와 동일한 크기와 모양의 정육면체의 용기를 제작하였다. 60ml의 액체형 PMMA를 용기 안에 주입하여 응고하는 PMMA중심부와 세 가지 다른 두께의(제 1 군 : 0mm, 제 2 군 : 5mm, 제 3 군 : 8mm) 이미 응고된 PMMA sheet의 하부(척수의 전면을 의미)에서 온도를 측정하였다. 또한 이 결과에 대한 위의 세 가지 군에 대해 열역학적 분석도 시행하였다. 응고하는 PMMA 덩이의 중심부에서의 온도는 18회의 실험 동안 매우 일정하여($106.8{\pm}3.9^{\circ}C$)이 실험 모델의 재현성을 보여주고 있었다. 방어 벽이 없는 군(제 1 군)에서 척수 신경 전면의 최고 온도가 $60.3^{\circ}C$이었으나 5mm군 (제 2 군)과 8mm군(제 3 군)에서는 각각 $47.3^{\circ}C$와 $43.3^{\circ}C$로 이미 응고된 PMMA는 통계적으로 유의한(p<0.00005) 온도 차단 효과를 보였다. 최고 온도에 도달하기까지의 계산된 시간은 실제 실험치 보다 35%이내의 오차를 보였으나 최고 온도에 대한 열역학적인 계산치는 실제 실험에서 나타난 수치의 1%이내의 오차를 보였다. 이상의 열역학적인 자료를 토대로 볼 때, PMMA를 이용한 척추의 재건술에서 PMMA 방어벽은 척수의 열손상을 방지하는 효과가 있으며, 이 실험에서 가정한 척수의 열손상 역치인 $39^{\circ}C$이하로 척수 온도를 유지하기 위해 필요한 PMMA방어벽의 두께는 10mm정도로 계산되었다. PMMA 방어벽의 임상 적용에 대해서는 추가적인 임상 실험이 필요하다고 사료된다.