骨质疏松骨折椎体及相邻椎体骨水泥注入前后的有限元分析

背景：目前有限元构建模型主要是基于医学图像的建模方法,骨水泥注入主要是人为假设的,而文章中治疗前后的数据直接来源于CT扫描,可靠性更高。 目的：构建骨水泥注入前后骨质疏松性腰椎骨折椎体的三维有限元模型,分析治疗前后病椎及邻椎的应力变化。 方法：选取1例75岁骨质疏松性L₂椎体压缩性骨折患者,经双侧椎弓根注入少量骨水泥获得良好疗效,随访2年病椎及邻椎无新发骨折,局部无疼痛。根据其治疗前后的腰椎CT数据,构建三维有限元模型,模拟腰椎屈伸、左右侧屈、旋转等运动,统计分析治疗前后同一运动状态下的应力变化。 结果与结论：建立了腰椎压缩骨折骨水泥注入前后的三维有限元模型,共生成222 727个单元。骨水泥注入增加了L₂椎体(病椎)屈、伸、侧屈各运动时的应力(P < 0.05),对其旋转时的应力无明显影响(P > 0.05);对L₁,L₃椎体(邻椎)在屈、伸、侧屈及旋转时的应力亦无影响(P > 0.05)。提示少量骨水泥注入治疗老年骨质疏松性腰椎骨折可增加病椎强度及应力,但不改变相邻椎体应力。     

骨水泥对椎体成形术治疗胸腰椎骨质疏松压缩性骨折的生物力学影响

目的运用有限元方法模拟椎体成形术中骨水泥剂量对不同骨质疏松程度胸腰椎T11~L3生物力学影响,为术前骨水泥注射量的选择提供理论依据。方法基于CT图像建立胸腰椎T11~L3有限元模型并验证。建立12个不注射骨水泥的不同骨质疏松程度椎体对照组模型,向椎体L1分别注射1.8、3.6 m L骨水泥,建立24个不同骨质疏松程度的骨水泥增强椎体有限元模型。在椎体T11上表面施加500 N垂直载荷和7 N·m力矩并计算分析椎体在垂直、后伸、前屈、侧弯及扭转工况下的应力和位移。结果注射骨水泥后,扭转载荷下椎体应力和位移变化最大。与对照组模型相比,注射1.8 m L骨水泥时,随椎体骨质疏松程度加重,扭转载荷下椎体L1应力从增加55.0%上升到87.7%,位移从减小6.5%上升到32.0%;最大骨质疏松程度的椎体T12和L2扭转应力变化率分别为3.6%和5.7%。注入3.6 m L骨水泥时,随椎体骨质疏松程度加重,扭转载荷下椎体L1应力从增加288.5%上升到313.8%,位移从减小8.9%上升到44.7%;最大骨质疏松程度的椎体T12和L2扭转应力变化率分别为7.3%、7.6%。结论骨质疏松程度的加重和骨水泥注射量的增加会引起椎体应力增加,特别是扭转载荷下椎体应力变化最大。对骨质疏松程度严重的骨折椎体选择小剂量骨水泥以避免较大的应力增加,且应限制病人的扭转活动。     

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。     

两种植骨方式治疗L1椎体爆裂骨折的有限元研究

目的　建立L1椎体爆裂骨折的有限元模型,分析比较经椎弓根椎体内植骨和经椎管椎体内植骨的应力分布。 方法　通过CT扫描、Mimics三维重建、ANSYS前处理等方法建立胸腰段T12~L2有限元模型,据此建立L1椎体爆裂骨折后经椎弓根椎体内植骨和经椎管椎体内植骨加椎弓根钉棒后路固定模型。并对模型在前屈、后伸、侧弯和旋转下加载350N/8Nm,观察分析应力分布情况。 结果　正常胸腰段、L1椎体爆裂骨折、经椎弓根植骨和经椎管植骨模型的等效应力峰值如下,前屈：6.89、54.10、8.03、5.92 MPa;后伸：56.70、109.00、12.50、8.61 MPa;侧弯：6.83、47.50、11.30、3.60 MPa;旋转：23.80、112.00、13.10、7.65 MPa。未植骨时应力主要集中于螺钉的尾部和连接棒,植骨后应力明显降低,并向螺钉中部分散分布。 结论　两种植骨方式的模型均重建了伤椎的强度,增加即时稳定性,但经椎管椎体内植骨更充分、更有效减小内固定应力,增加其力学安全性,从生物力学角度是一种植得推广的术式。     

骨质疏松股骨三维有限元模型的建立

背景:通常的力学实验手法基本上无法直接应用于人体且模型间可比性低,对人体的力学行为进行有限元数值模拟就成为深化对人体认识的一种有效手段。目的:建立骨质疏松股骨三维有限元模型。方法:根据国人股骨平均参数,选择重度骨质疏松老年男性患者1例,年龄86岁,排除髋关节疾患。通过螺旋CT扫描获得骨质疏松股骨图像数据,将图像数据导入图像处理软件Mimics11.1进行图像处理,生成股骨骨皮质内、外表面的轮廓曲线;再将轮廓曲线数据导入建模软件Unigraphic NX4.0进行实体建模,得到具有骨皮质、骨松质、骨髓腔的股骨三维模型;将三维模型数据导入有限元分析软件Ansys11.0进行赋值、网格划分、定义接触等操作建立骨质疏松股骨三维有限元模型。结果与结论:建立了骨质疏松股骨三维有限元模型,为骨质疏松股骨限元模型的建立提供了切实可靠的方法,为研究骨质疏松股骨骨折的固定方法、关节置换等创造了条件。     

胸腰段椎体压缩性骨折三维有限元模型的建立及其意义

目的:建立胸腰段骨质疏松性椎体压缩性骨折的三维有限元模型.方法:螺旋CT扫描骨质疏松性椎体压缩性骨折患者的胸11椎体上缘-腰1椎体下缘,所得数据经Photoshop处理后转入Pro/Engineer软件,采用实体建模的方法重建出三维立体几何图像,再利用自由造型模型系统对图像进行修改,通过铺面形成椎体三维图形,转入有限元软件进行网格划分,建成三维有限元分析模型.结果:所建模型外观逼真,几何相似性好.结论:为脊柱胸腰段三维有限元模型的建立提供了一种简便,精确的方法,为分析和研究该模型在各种受力情况下的生物力学表现创造了条件.     

骨水泥注射体积与骨质疏松压缩性骨折椎体及邻近椎体应力的关系

背景：椎体成形及椎体后凸成形可有效修复骨质疏松性椎体压缩性骨折,但术后可引起骨折椎体及邻近椎体应力改变易导致新发骨折。 目的：应用三维有限元法分析椎体成形不同体积骨水泥注射后骨折椎体及邻近椎体的应力变化。 方法：选取1例有代表性的健康成年男性志愿者行腰椎CT扫描,将图像处理后导出应用Mimics进行三维重建,应用Geomagic对三维模型进行光滑、打磨、去噪,Ansys Workbench下装配实体模型,赋值后建立L2-L4段骨质疏松椎体压缩性骨折模型。设定在L3椎体注入分别1 mL、2 mL、4 mL、6 mL骨水泥,骨水泥在椎体中央呈球形分布。在L2上表面施加500 N预载荷,附加弯矩为50 N•m,约束L4下表面自由度。模拟L2-L4前屈、后伸、右屈及右侧轴向旋转4种运动状态,比较不同体积骨水泥注射前后骨折椎体及上下邻近椎体的应力变化。 结果与结论：骨折椎体及邻近椎体应力骨水泥注射后均较注射前明显增加,并随骨水泥注入量的增加骨折椎体及邻近椎体承受的应力也随之增大,其可能是导致邻近椎体骨折的因素之一。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料;骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性;组织工程      

椎体成形术后相邻椎体终板应力变化的有限元分析

目的：利用有限元方法分析椎体成形术对相邻椎体终板应力变化的影响。方法：在已建立的胸腰段骨质疏松性椎体压缩性骨折三维有限元模型上，模拟经皮穿刺椎体成形术(PVP)过程在胸12椎体中置入骨水泥，分析轴向压缩、前屈和后伸3种加载状态下手术前后相邻椎体终板的应力变化。结果：胸11下位终板和腰1上位终板手术前后总体应力变化不大。但两终板中间部分的应力在各种状态下术后较术前均有增加。结论：注入较小剂量(胸124．0ml)骨水泥，PVP不足以引起由于应力集中而造成相邻椎体骨折可能性增加。PVP中较小剂量的骨水泥注入是安全有效的。     

骨水泥不同分布对骨质疏松性椎体压缩性骨折的生物力学影响:三维有限元分析

目的:在骨质疏松性椎体压缩性骨折（OVCFs）椎体成形术（PVP）中,病椎内骨水泥分布不充分、不对称,将影响手术效果及远期症状。本文研究椎体成形术中骨水泥在椎体内分布情况对术后病椎的应力影响。方法:利用志愿者椎体CT数据,建立T12~L2椎体有限元模型。模拟L1椎体OVCFs,行PVP。向L1椎体内注入骨水泥柱,骨水泥形成3组分布模式（骨水泥分布不充分组、分布充分组和分布不对称组,其中分布不对称组包括骨水泥偏上分布和偏下分布）。研究不同方向运动对术后L1椎体的生物力学影响。结果:（1）与骨质疏松的L1椎体应力相比,术后L1椎体松质骨中最大应力的分布主要集中于骨水泥周围的松质骨,而皮质骨中最大应力的分布没有变化。（2）与骨水泥分布充分组相比,不充分组L1椎体的松质骨和皮质骨的最大应力和最大位移均显著增加,而不对称组中松质骨的最大应力显著增加。（3）在不同方向的载荷条件下都能得到相似的结果。结论:（1）在OVCFs的PVP中,病椎骨水泥分布不充分会引起术后该椎体最大位移明显增加,导致术后疼痛未缓解。（2）病椎骨水泥分布不充分和分布不对称会引起术后病椎皮质骨及松质骨的最大应力明显增加,所以容易导致术后病椎的再次骨折。     

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。     

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。     

单侧与双侧入路椎体成形术治疗老年骨质疏松性椎体压缩骨折的有限元分析及临床应用

目的探讨单、双侧经皮椎体成形术(percutaneous vertebroplasty,PVP)治疗老年骨质疏松性胸腰椎椎体压缩性骨折的生物力学特点及临床疗效。方法建立有限元模型模拟分析单、双侧椎弓根入路PVP术后椎体的应变及应力变化。回顾性研究接受单、双侧椎弓根入路PVP治疗老年骨质疏松性椎体压缩骨折患者85例,分析两组间手术时间、术中透视次数、骨水泥注射量、骨水泥渗漏率以及所有阶段视觉模拟量表(visual analogue scale,VAS)评分。结果有限元分析表明,单侧入路模型最大应变、应力分别是双侧入路模型的1.18倍、1.15倍;临床研究发现,单侧入路组手术时间、术中透视次数均明显少于双侧入路组(P0.001)。两组骨水泥注射量、骨水泥渗漏率以及所有阶段VAS评分比较均无统计学意义(P0.05)。结论单侧入路椎体成形术生物力学效果与双侧入路接近;利用穿刺针定位单侧PVP治疗老年骨质疏松性胸腰椎椎体压缩性骨折与双侧入路PVP相比具有手术时间短、X线暴露次数少的特点。     

A finite element analysis of a T12 vertebra in two consecutive examinations to evaluate the progress of osteoporosis

Osteoporosis is a metabolic disease that causes bones to become fragile and be more likely to break. As basic clinical examinations to detect osteoporosis, dual energy X-ray absorptiometry (DXA) and quantitative computer tomography (QCT) are used. In the framework of a typical clinical examination, QCT scans were obtained from the T12 vertebra of an elderly woman and osteoporosis was diagnosed. One year later, new QCT scans were obtained in order to evaluate her clinical condition. Using both sets as primary information, two patient-specific finite element (FE) models were created and analyzed under compressive load. Vertebral bone was treated as orthotropic material and its elastic modulus was set as an indirect function of Hounsfield Units (HU). Commercial software for medical image processing and FE analysis, along with in house codes, were used for the mechanical analysis of the FE models. Alterations in the geometry/shape of the vertebra as well as in the distributions of several mechanical quantities were detected between the two FE models.As far as the volume of the vertebra is concerned, it augmented by a percentage of 9.7% while the volume of the vertebral body alone increased by 5.6%. In all the maximum values of the mechanical quantities a measurable reduction was observed (axial compressive displacement: 37.9%, von Mises stress: 23.8%, von Mises strains: 15.1%) and all the investigated distributions in the second FE model became smoother. Finally, the percentage of volume with von Mises strains greater than 4500 μstrain dropped from 8.9%, in the first examination, to 4.9% in the second one. Clinically, the prescribed medication seems to have reinforced the structural stability of the vertebra as a whole and through external remodeling the shape of the vertebra changed in a way that the majority of its volume was relieved from stresses and strains of high magnitude.     

老年人坐立转换时股骨近端应力分布的有限元分析

目的 通过建立股骨近端有限元模型,分析在坐立（sit-to-stand, STS）转换站立阶段初期,股骨近端在自选速度起立和快速起立条件下的损伤风险。方法 将老年人股骨近端CT影像三维重建、逆向建模完成实体模型。通过材料赋值和网格划分建立有限元模型,基于有限元分析软件ANSYS,通过边界条件约束,并加载1.733、1.837 kN载荷,得到不同起立速度下股骨近端的应力分布和应变。结果 应力集中区域均为大转子内侧边缘和股骨颈。应力和微应变峰值出现在大转子内侧边缘。快速起立下应力峰值为30.16 MPa,微应变峰值为2 553.5;自选速度起立下应力和微应变峰值较低,分别为28.69 MPa和2 430.4。对于股骨颈应力集中区,快速、自选速度起立下应力范围分别为13.42~23.46、12.76~25.51 MPa。结论 频繁的STS转换会使老年人股骨近端有疲劳性骨折的风险;快速STS转换比自选速度STS转换对股骨近端有更高的损伤风险。     

持续性过载条件下飞行员峡部裂腰椎的动力学响应及损伤预测

目的 在腰椎有限元模型构建及验证的基础上,对飞行员腰椎正常、L5单侧及双侧峡部裂模型动力学响应进行仿真计算和损伤预测,探究持续性飞行过载对飞行员腰椎正常及峡部裂状态下的影响。方法 基于腰椎CT图像,采用逆向工程软件和计算机辅助工程(computer-aided engineering, CAE)技术建立人体腰椎精细的三维有限元模型;利用腰椎静态与动态体外实验验证模型的有效性;开展持续性过载条件下飞行员正常腰椎及峡部裂腰椎生物力学仿真分析,并结合动态响应指数(dynamic response index, DRI)损伤评价预测方法对脊柱损伤情况进行预测分析。结果 单侧及双侧峡部裂模型的L5椎体峡部最大应力分别为105.29、126.32 MPa,明显高于正常模型;峡部裂模型的L4～5和L5～S1节段椎间盘相比正常模型更易出现过早退行性改变;结合DRI脊柱损伤预测方法,正常腰椎、L5单侧及双侧峡部裂的脊柱损伤概率分别为0.001 4%、2.26%和3.21%,峡部裂发生后脊柱损伤概率明显升高。结论 峡部裂加重了飞行过载下腰椎峡部的负荷。研究结果为制定训练方案和防具开发提供更精确的数据支撑,...     

后凸成形术疗效评估中椎体高度与椎序的关系

目的：探讨椎体高度与椎序的关系，为后凸成形术治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的临床研究提供解剖学与影像学依据。方法：选8套干燥成人胸腰椎标本，按解剖序列拍摄X线侧位片，分别测量标本及其X线图片各椎体前、中、后高度。以椎序为自变量，椎体高度为应变量进行直线回归与相关分析。结果：胸腰椎高度逐渐增大，无论是解剖学测量，还是影像学测量，3个椎体高度与椎序分别呈直线关系，P=0．0001；各高度影像学测量与解剖学测量值呈斜率相同、但截距不同的平行线，相关分析为极度相关，r〉0．9。结论：椎体前、中、后高度与椎序分别呈直线关系，表明椎体高度的变化符合脊柱运动及依次从上至下负重递增的要求；椎体影像学与解剖学测量之间无显著性差异，表明X线投照中心对椎体高度与椎序间关系无影响。     

Finite Element Modeling of Mitral Valve Dynamic Deformation Using Patient-Specific Multi-Slices Computed Tomography Scans

The objective of this study was to develop a patient-specific finite element (FE) model of a human mitral valve. The geometry of the mitral valve was reconstructed from multi-slice computed tomography (MSCT) scans at middle diastole with distinguishable mitral leaflet thickness, chordal origins, chordal insertion points, and papillary muscle locations. Mitral annulus and papillary muscle dynamic motions were also quantified from MSCT scans and prescribed as boundary conditions for the FE simulation. Material properties of the human mitral leaflet tissues were obtained from biaxial tests and characterized by an anisotropic hyperelastic material model. In vivo dynamic closing of the mitral valve was simulated. The closed shape of the mitral valve output from the simulation was similar to the mitral valve geometry reconstructed from MSCT images at middle systole. Forces from the anterolateral and posteromedial papillary muscle groups at middle systole were 4.51?N and 5.17?N, respectively. The average maximum principal stress of the midsection of the anterior mitral leaflet was approximately 160?kPa at the systolic peak. Results demonstrated that the developed FE model could closely replicate in vivo mitral valve dynamic motion during middle diastole and systole. This model may serve as a basis for utilizing computational simulations to obtain a better understanding of mitral valve mechanics, disease and surgical repair.     

An experimentally validated micromechanical model of a rat vertebra under compressive loading

In recent years, finite element analysis (FEA) has been increasingly applied to examine and predict the mechanical behaviour of craniofacial and other bony structures. Traditional methods used to determine material properties and validate finite element models (FEMs) have met with variable success, and can be time‐consuming. An implicit assumption underlying many FE studies is that relatively high localized stress/strain magnitudes identified in FEMs are likely to predict material failure. Here we present a new approach that may offer some advantages over previous approaches. Recently developed technology now allows us to both image and conduct mechanical tests on samples in situ using a materials testing stage (MTS) fitted inside the microCT scanner. Thus, micro‐finite element models can be created and validated using both quantitative and qualitative means. In this study, a rat vertebra was tested under compressive loading until failure using an MTS. MicroCT imaging of the vertebra before mechanical testing was used to create a high resolution finite element model of the vertebra. Load‐displacement data recorded during the test were used to calculate the effective Young’s modulus of the bone (found to be 128 MPa). The microCT image of the compressed vertebra was used to assess the predictive qualities of the FE model. The model showed the highest stress concentrations in the areas that failed during the test. Clearly, our analyses do not directly address biomechanics of the craniofacial region; however, the methodology adopted here could easily be applied to examine the properties and behaviour of specific craniofacial structures, or whole craniofacial regions of small vertebrates. Experimentally validated micro‐FE analyses are a powerful method in the study of materials with complex microstructures such as bone.