椎体成形术填充剂最优化分布模式三维有限元分析

目的:通过建立骨质疏松三维有限元模型,模拟液体流动进入椎体,研究不同状态骨水泥灌注量及分布条件下经皮椎体成形术术后伤椎刚度恢复及相邻椎体应力分析。方法:选取男性健康志愿者一名,从T11到L2之间使用CT扫描,采用Mimics 15.0以及ABAQUS 6.11等软件提取CT图像,建立骨质疏松性骨折椎体模型,将模拟流动物理场与传导和扩散物理场二者耦合,模拟骨水泥注入椎体骨折模型的过程及分布,注入骨水泥量分别为2、4、6 ml。在图像上模拟出骨水泥弥散范围,获得骨水泥注入后模型。在模型上表面均匀施加垂直向下、前倾、后伸各300 N压力,模拟椎体活动。计算不同状态下上下椎体及病椎应力变化。结果:(1)骨折前后3种状态下T12下终板VonMises应力最大。(2)骨折后椎间盘及各终板VonMises应力明显高于骨折前水平,当应用经皮椎体成形术后,随着骨水泥注入量的增加,相邻椎体终板VonMises应力呈上升趋势;而相对于病椎,随着骨水泥量的增加而椎体终板VonMises应力呈下降趋势。结论:应用CT扫描数据通过软件模拟可以建立可靠的腰椎骨折生物力学模型,椎体骨折以及椎体成形术后将引起上下相邻椎体生物力学改变,随着骨水泥量的注入增加,生物力学改变的影响明显升高,相邻椎体骨折可能性更高。经皮椎体成形术比较合适的骨水泥注入量为4 ml。