骨移植与骨水泥增强对治疗骨质疏松椎体的生物力学相容性有限 元评估

目的 研究松质骨粒移植增强和骨水泥增强对治疗节段和相邻非治疗节段的生物力学相容性 影响,探讨椎体重建前后的荷载传导机制。方法 选取正常男性青壮年脊柱L1-L2节段标本进行薄层 CT扫描,构建正常的和骨折复位后疏松的功能脊柱单元三维有限元模型,模拟经皮穿刺椎体后凸 成形术(PKP)在L2椎体核心注入骨水泥,模拟经皮骨移植(Optimesh)在L2椎体核心置入松质骨粒,按 照脊柱三柱理论施加轴向压缩、前屈和后伸荷载进行有限元分析。结果 质骨粒移植增强或骨水泥增强后相邻节段椎体应力应变的变化甚微;但是,治疗节段增强区域的应力应变明显改变。另外,骨质疏松、松质骨粒移植增强、骨水泥增强对脊柱三柱轴向压缩位移和椎间盘平均内压没有影响。结论 松质骨粒移植增强和骨水泥增强均能恢复疏松椎体的总体刚度和强 度,有利于椎体功能重建;但从椎体与增强材料间的力学相容性和生物相容性的观点看,松质骨粒 移植增强优于骨水泥增强。     

骨移植与骨水泥增强对治疗骨质疏松椎体的生物力学相容性的有限元评估

目的研究松质骨粒移植增强和骨水泥增强对椎体治疗节段和相邻非治疗节段的生物力学相容性影响,探讨椎体重建前后的荷载传导机制。方法选取正常男性青壮年脊柱L1～L2节段标本进行薄层CT扫描,构建正常的和骨折复位后疏松的功能脊柱单元三维有限元模型,模拟经皮穿刺椎体后凸成形术(PKP)在L2椎体中心注入骨水泥,模拟经皮骨移植(Optimesh)在L2椎体中心置入松质骨粒,按照脊柱三柱理论施加轴向压缩、前屈和后伸荷载进行有限元分析。结果与骨质疏松模型相比,松质骨粒移植增强或骨水泥增强后相邻节段椎体应力应变的变化甚微;治疗节段增强区域的应力应变明显改变。另外,骨质疏松、松质骨粒移植增强、骨水泥增强对脊柱三柱轴向压缩位移和椎间盘平均内压没有影响。结论松质骨粒移植增强和骨水泥增强均能恢复骨折椎体的总体刚度和强度,有利于椎体功能重建;但从椎体与增强材料间的力学相容性和生物相容性的观点看,松质骨粒移植增强优于骨水泥增强。     

基于CT影像的骨质疏松性胸腰椎压缩骨折PKP术后三维有限元力学模型的建立与验证

目的:建立胸腰椎（T11-L2节段）的三维有限元模型,并验证其生物力学分析有效性。方法:筛选1名T12椎体骨质疏松性压缩骨折的志愿者为建模对象,利用64排螺旋CT进行连续性扫描,扫描区域为脊柱胸腰段T11-L2节段。将CT数据读盘为DICOM格式,导入Mimics 19.0软件进行原始模型的提取与转化;Geomagic Warp 2017软件进行特征去除、光顺、曲面实体拟合;Solidworks 2017软件进行零件结构的组装与附属结构生成;Ansys Workbench 17.0软件添加材料属性、边界条件、坐标及载荷设定及生物力学分析。结果:成功建立了T12椎体压缩骨折T11-L2节段的经皮椎体后凸成形术（PKP）术后三维有限元模型,并测得其前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左旋转、右旋转时的角位移分别为8.3°、3.8°、7.8°、7.6°、3.7°、4.0°,与以往力学实验验证结果位移趋势一致。结论:基于有限元建模软件能成功建立骨质疏松性椎体压缩骨折PKP术后有限元数字模型,有效性验证合格,所建模型可靠,具备生物力学测试性能。     

椎体后凸成形对邻近节段力学影响的有限元分析

背景:椎体后凸成形术自应用临床以来取得了令人鼓舞的临床效果,但是术后邻近椎体发生骨折时有报道。从生物力学角度来分析邻近椎体发生骨折的可能原因具有重要价值。目的:以有限元方法观察椎体后凸成形术对相邻椎体生物力学的影响,分析相邻椎体继发骨折的原因。方法:利用MIMICS软件对1例T12压缩骨折椎体后凸成形术前后的CT图片进行预处理,后导入ABAQUS软件中建立T10~L2的三维有限元模型,设置0.3,1.0,4.0MPa三种轴向载荷进行生物力学分析,观察不同载荷下模型整体及各部分的Von Mises应力,重点评价椎体后凸成形术对骨折相邻椎体生物力学的影响。结果与结论:成功建立了椎体后凸成形术前后的三维有限元模型,当轴向压力以0.3,1.0,4.0MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加。椎体后凸成形术后脊柱胸腰段各部位的应力开始重新分布,增强椎体(T12)的相邻椎间盘(T11~12、T12~L1)及相邻终板(T11下终板、L1上终板)的应力增强区域增加;T12相邻椎体(T11,L1)所受最大应力明显增加,但远端椎体(T10,L2)的最大应力明显减少。提示椎体后凸成形术后引起上下相邻椎体继发骨折可能与术后生物力学行为的改变有关。     

椎体后凸成形后相邻椎体生物力学的有限元分析

背景:椎体后凸成形后相邻椎体新发骨折的发生率为2.4%～23%,并且6个月内2/3骨折发生于邻近椎体,其原因是骨质疏松的发展,还是骨水泥强化的结果,目前存有争论。目的:应用脊柱有限元分析方法分析生理载荷作用下,椎体后凸成形后相邻椎体终板的应力变化与相邻椎体新发骨折的相关性。方法:收集老年骨质疏松女性胸腰椎CT扫描资料,利用一系列计算机辅助设计软件构造相对应的T12-L1-L2骨质疏松性椎体的三维有限元模型。模拟L1椎体为楔形压缩骨折椎体(前缘高度较正常降低60%),模拟经皮椎体后凸成形模型,复位骨折椎体(L1椎体高度较正常降低10%,代表骨折椎体复位),在L1椎体内置入2个对称的圆柱体PMMA骨水泥块共约4mL。分析轴向压缩、前屈和后伸3种加载状态下正常椎体、手术前后相邻椎体的应力变化情况。结果与结论:与正常椎体比较,L1压缩性骨折模型和椎体后凸成形后模型相邻椎体终板最大应力值分别增高76%和27%;椎体后凸成形模型后部结构的应力水平较正常椎体平均增加13.2%,其中椎弓根增加4.5%,峡部增加6.15%和关节点增加25.6%。与L1椎体压缩性骨折模型相比,L1椎体后凸成形后椎弓根、峡部和关节突应力均有所降低。结果说明椎体后凸成形后,T12椎体下位终板和L2椎体上位终板的应力值在各种状态下均较正常椎体增加,应力增加可能导致终板骨折可能性增加,进而导致相邻椎体骨折的风险性增加,这一观点尚需进一步研究的支持。     

有限元法分析强直性脊柱后凸去松质骨截骨与全脊椎截骨矫形的生物力学特点北大核心

背景:严重的强直性脊柱后凸畸形常采用矫形截骨术对患者进行治疗,但脊柱截骨矫形手术风险高,具体治疗方案较为个体化,畸形脊柱的生物形态与力学特性错综复杂。但有限元分析法对不规则物体的生物力学分析有其独特的优势性。目前国内通过有限元建模分析强直性脊柱后凸截骨治疗的生物应力特点鲜有报道。目的:建立强直性脊柱后凸三维有限元模型,探讨截骨方式选择与全脊柱变形位移趋势及截骨接触面、钛棒、椎弓根螺钉等应力分布的关系。方法:采用三维医学图形软件构建强直性脊柱后凸全脊柱模型,导入ANASYS有限元分析软件,分别模拟在T_(12)和L_1椎体节段行2种截骨方式(全脊椎截骨术与去松质骨截骨术)的4个截骨模型。对椎体及螺钉分别施加相应的载荷,得到4种工况下的一系列变形和应力云图。结果与结论:(1)T_(12)椎体截骨加载后各方向轴的全脊柱位移趋势大于L_1椎体截骨模型;(2)去松质骨截骨模型的应力集中部位于后方的内固定装置,全脊椎截骨的生物应力主要集中在钛笼及截骨接触面;(3)个体化的强直性脊柱后凸畸形手术治疗会影响截骨节段及截骨方式的选择,截骨节段的选择将主要影响全脊柱的变形稳定性,内固定节段的应力分布可能与截骨方式及内固定装置方式相关;(4)该结论可为强直性脊柱后凸的生物力学分析提供一定的理论参考依据。     

胸腰段爆裂性骨折内固定治疗的生物力学特点

目的利用三维有限元方法分析3种不同后路内固定治疗胸腰段爆裂骨折的生物力学特性。方法建立T11~L3胸腰段三维有限元模型及L1椎体爆裂性骨折模型,在骨折模型上分别于后路加载跨伤椎短节段、经伤椎短节段、跨伤椎长节段内固定装置。比较正常胸腰段及3种骨折内固定模型在脊柱屈曲、后伸、左/右侧弯、左/右旋转6种运动状态下L1椎体及其临近椎间盘的生物力学特点。结果正常脊柱模型、跨伤椎短节段、经伤椎短节段、跨伤椎长节段内固定模型伤椎椎体的等效应力分别为31. 63、13. 41、110. 35、13. 17 MPa。正常脊柱模型的最大等效应力为3. 84 MPa,出现在L1~2椎间盘; 3种内固定模型伤椎临近椎间盘的最大等效应力分别为0. 41、0. 36、0. 40 MPa,均出现在T12~L1椎间盘。结论经伤椎短节段内固定可导致伤椎椎体内应力增高。3种内固定方式下伤椎临近椎间盘应力均小于正常脊柱模型。     

不同截骨节段重建ⅢA型强直性脊柱后凸矢状面平衡的生物力学分析

背景:强直性脊柱后凸畸形的矫形技术已较为成熟,术者也可根据患者的弯曲类型、弯曲度数等选择不同的截骨术式,但由于缺少被广泛认可的分型系统,导致强直性脊柱后凸畸形的描述和手术策略制定都较为混乱。目的:应用计算机辅助软件建立强直性脊柱炎后凸截骨三维有限元模型,分析其生物力学特性。方法:获取1例301分型ⅢA型强直性脊柱后凸畸形患者的影像资料,建立强直性脊柱后凸畸形三维有限元模型,测量T12、L1、L2和L34个不同节段截骨角度,模拟去松质骨截骨术,对截骨矫形后的模型进行钉棒系统固定,分析其生物力学特性。结果与结论:①截骨节段越靠近尾端螺钉应力越大,螺钉应力分布大小的顺序为L3>L2>L1>T12,不同截骨节段的螺钉应力分布特点相同,都集中在截骨节段的相邻上/下2个节段的螺钉上,明显大于其他节段的螺钉应力;②钛棒的应力大小顺序为L2>L3>L1>T12;③截骨节段越靠近头端截骨接触面应力越大,截骨接触面应力大小顺序为T12>L1>L2>L3;④结果表明对于ⅢA型强直性脊柱后凸畸形,选择L2截骨节段可获得较佳的矫形程度、降低内固定应力分布集中导致的并发症发生。     

有限元法分析举重运动员预备提铃动作过程中腰椎节段的受力变化

背景:多年来,国内外学者对腰椎的生物力学特性进行了大量的研究,但是由于腰椎生理结构的复杂性以及研究手段的局限性,很多问题有待于进一步探索,特别是对举重运动员腰部损伤的防治是目前亟待解决的问题。目的:建立人体完整腰段脊柱三维有限元模型,分析举重运动员预备提铃动作时腰椎节段的受力特点。方法:引入"组装搭配式"思想,利用Dicom数据,建立人体脊柱腰椎节段(L1~5)完整的、真实的三维有限元模型。并模拟举重运动员预备提铃动作时,各椎体及椎间盘所受应力情况。结果与结论:举重运动员预备提铃动作时,各椎体应力分布在椎体前下方,此处应力水平明显高于其他部位,椎体后部结构中椎弓根处出现应力集中现象,应力也处于较高水平。椎间盘应力分布在纤维环的中部和前部,但是前部更为明显。此时,不同椎体、腰椎间盘所承受的应力不同,其应力表现为自上向下呈逐渐增大趋势。各椎体的应力值大于其下方椎间盘的应力值,各椎体应力值是其下方椎间盘的四五倍。证实实验所建腰椎节段三维有限元模型可以用于模拟脊柱腰椎节段的生物力学特性研究。     

三维有限元法分析脊柱保护器对人体胸腰段的支持与保护作用

背景:人体脊柱保护器对预防人体胸腰段脊柱损伤有保护作用,新型动力性保护器的研发需要通过多种实验手段的验证。目的:利用三维有限元法分析脊柱保护器在轴向载荷作用下对人体脊柱胸腰段的生物力学响应。方法:从已建立的全脊柱三维有限元模型中截取胸腰段,将佩戴脊柱保护器的胸腰段模型设计为实验组,未佩戴脊柱保护器的胸腰段模型设计为对照组。给上述两组模型进行赋值、约束、加载、运算,获得目标单元的等效应力及应变。结果与结论:在垂直承载的两组胸腰段模型中,应力均集中于L2椎体的中、后柱。根据目标单元采集数据发现,实验组与对照组模型在16 ms时达到等效应力最大值,分别为3.919,5.727 MPa。统计分析得出T12与L2节段实验组与对照组等效应力比较,P均0.05,对照组所受应力均大于实验组,差异有显著性意义;而T11与L1节段实验组与对照组的等效应力比较,差异无显著性意义(P0.05)。提示脊柱保护器可以明显减少垂直坠地时胸腰段椎体所受的应力,分担载荷,对胸腰段椎体具有保护支持作用。