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。     

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。     

弯角经皮椎体成形术治疗新鲜单节段骨质疏松性椎体压缩骨折的临床研究

目的比较弯角与常规单侧经皮椎体成形术在新鲜单节段骨质疏松性椎体压缩骨折(OVCF)中的应用价值。方法纳入我院收治的新鲜单节段OVCF患者124例,根据手术方式分为弯角组(n=65)和单侧组(n=59),弯角组行弯角经皮椎体成形术,单侧组行单侧经皮椎体成形术。比较2组围术期指标,包括手术时间、透视次数、术中出血量、手术费用、总治疗费用。分别在术前及术后3个月、6个月采用视觉模拟量表(VAS)以及Oswestry功能障碍指数(ODI)评估2组疼痛、功能恢复情况,并比较2组椎体压缩率、Cobb角、骨密度。观察2组骨水泥分布情况,记录2组术后6个月内骨水泥渗漏、再发骨折、伤口感染、伤口延迟愈合发生率。结果弯角组手术时间长于单侧组,透视次数少于单侧组(P<0.05),但2组术中出血量、手术费用及总治疗费用比较,差异无统计学意义(P>0.05)。2组术后3个月、6个月的ODI、VAS评分均较术前降低(P<0.05),但组间比较差异无统计学意义(P>0.05)。2组术后3个月、6个月的椎体压缩率较术前降低,Cobb角较术前变小,骨密度较术前增大,且弯角组术后3个月、6个月的椎体压缩率较单侧组低,Cobb角较单侧组小(P<0.05)。弯角组骨水泥分布合理率高于单侧组(P<0.05),骨水泥渗漏率低于单侧组(P<0.05);2组再发骨折、伤口感染、伤口延迟愈合发生率比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论与单侧经皮椎体成形术相比,弯角经皮椎体成形术能减少透视次数,降低骨水泥渗漏率,改善术后椎体压缩率、Cobb角及骨水泥分布情况。     

n-HA/PA66椎体增强器和椎体成形术治疗骨质疏松性椎体骨折的生物力学效果对比

目的对比研究n-HA/PA66椎体增强器和椎体成形术治疗骨质疏松性骨折椎体的生物力学效果,并为临床上选择n-HA/PA66椎体增强器的入路方式和数量提供理论依据。方法在正常椎体T11～L3有限元模型的基础上,建立4种增强器-椎体T11～L3有限元模型(横突入路A、横突入路B、腰大肌入路A和腰大肌入路B)、两种删除椎体横突间韧带的对照组模型,以及两种骨水泥-椎体T11～L3有限元模型(1.8、3.6 mL骨水泥)。在9种有限元模型上均施加500 N垂直荷载和7 N·m不同方向力矩,计算分析模型在垂直、前屈、后伸、侧弯和扭转工况下的应力和位移,并基于计算结果探究两种不同骨质疏松性椎体骨折治疗方法对椎体的生物力学影响。结果在相同荷载工况下,注入骨水泥后椎体的应力较植入增强器后椎体的应力增加更大,且位移减量更小。4种增强器-椎体T11～L3有限元模型中,采用腰大肌入路A方式(即经腰大肌单侧植入1枚增强器)植入增强器使得椎体应力增加最小。结论为了降低应力增加而引起再次骨折的风险,同时增强骨折椎体的刚度,建议临床医生应优先采用经腰大肌单侧植入1枚增强器来治疗骨质疏松性椎体骨折。     

单侧经皮椎体成形修复骨质疏松性椎体压缩性骨折：骨水泥渗漏少利于恢复

背景：经皮椎体成形、经皮椎体后凸成形用于传统方法治疗无效的骨质疏松性椎体压缩性骨折效果良好,但在手术时机、麻醉方式、手术入路及方式等方面存在多种选择,并各有利弊。 目的：观察全身麻醉下手法复位联合单侧经皮椎体成形治疗骨质疏松性椎体压缩性骨折的效果及优势。 方法：2012年7月至2014年12月回顾经皮椎体成形治疗单椎体骨质疏松性椎体压缩性骨折患者53例,新方法组32例在全身麻醉下先行手法复位,再行单侧椎弓根穿刺,单侧经皮椎体成形骨水泥注射治疗;常规方法组21例采用常规的经皮椎体成形操作治疗。 结果与结论：随访时间平均6个月(3-14个月)。两组患者术后3 d、术后末次随访的目测类比评分、椎体压缩率、后凸Cobb’s角均较术前显著改善,差异有显著性意义(P < 0.01)。两组目测类比评分术后比较差异无显著性意义(P > 0.05)。与常规方法组相比,新方法组术后椎体压缩率、后凸Cobb’s角及骨水泥渗漏率明显降低(P < 0.01)。结果证实,新方法综合了经皮椎体成形与经皮椎体后凸成形的优势、单侧与双侧穿刺的优势,穿刺过程更安全,矫正后凸畸形、恢复椎体高度及生理曲度更好,同时骨水泥渗漏的危险性减少,骨水泥的形态分布更理想。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

单侧与双侧穿刺经皮椎体成形术对老年骨质疏松性压缩性骨折的疗效比较

目的:比较单侧与双侧PVP对老年OVC患者的疗效.方法:选取2016年6月-2020年7月我院收治的150例OVCF患者为研究对象,采用随机抽签法将其分为单侧组50例和双侧组100例,分别行单侧PVP和双侧PVP治疗.记录两组手术时间、X线暴露时间、骨水泥注入量,比较两组术前术后VAS评分、ODI指数、凸Cobb角和病...     

计算机模拟椎体成形对邻近节段力学影响的有限元分析

背景：椎体成形后邻近椎体再骨折的原因,是骨质疏松的发展过程,或是骨水泥增强、椎体成形干预造成的？ 目的：用有限元方法观察椎体成形对相邻椎体的力学影响,分析相邻椎体继发骨折的病因。 方法：利用MIMICS软件,对1例T₁₂骨质疏松性椎体压缩骨折患者CT图片进行预处理后导入ABAQUS软件中建立T10~L2三维有限元模型,模拟经椎弓根单侧和双侧入路椎体成形,设置0.3,1.0,4.0 MPa 3种轴向载荷进行生物力学分析。 结果与结论：成功建立了椎体成形前后的三维有限元模型。当轴向压力以0.3,1.0,4.0 MPa增加后,椎间盘、软骨终板和椎体整体的应力也成比例增加。椎体成形后增强椎体(T₁₂)上、下终板骨水泥注入侧的应力增强区域范围减少,所受最大应力明显减少;邻近椎间盘及椎体的应力分布无明显变化;T₁₂相邻椎体(T₁₁、L₁)及远端椎体(T₁₀、L₂)所受最大应力无明显改变。提示椎体成形后引起上下相邻椎体继发骨折的并发症可能和生物力学结果改变无关。     

低弹性模量骨水泥对骨质疏松压缩性骨折椎体及邻近椎体应力的影响：三维有限元分析

BACKGROUND: Vertebroplasty and kyphoplasty can effectively repair osteoporotic vertebral compression fractures, but bone cement injection can cause the change of stress in the fractured vertebrae and adjacent vertebrae after surgery, leading to new fractures. OBJECTIVE:To analyze the stress changes of the fractured vertebrae and adjacent vertebrae after vertebroplasty with different elastic modulus bone cement by a three-dimensional finite element method. METHODS:One healthy adult male volunteer was selected for lumbar spine CT scan. The acquired images were imported for three-dimensional reconstruction using Mimics. The three-dimensional model was smoothed, polished and denoised by Geomagic software, and then the solid mode was built under Workbench Ansys. An osteoporotic vertebral compression fracture model in L_2-4 segments was established after assignment. Bone cement (4 mL) with different elastic moduli (8 000, 4 000, 2 000 and 1 000 MPa) injected into the L₃ segment distributed in the middle of the vertebrae as spherical shape. 500 N pre-load was applied on the L₂ surface with an additional bending moment of 50 N•m. The lower surface free degree of L₄ was restrained. The L_2-4 forward flexion, posterior extension, right flexion and axial rotation on the right side were stimulated. The stress changes of the fractured vertebrae and the upper and lower adjacent vertebrae before and after bone cement injection with different elastic moduli were compared.  RESULTS AND CONCLUSION: The stress of the fractured vertebrae and adjacent vertebrae were significantly increased compared with that before operation. With the increase of elastic modulus, the stress of the fractured vertebrae increased, but there were no changes in the stress of adjacent vertebrae. These findings indicate that the elastic modulus of bone cement may be a method to reduce new fractures of the fractured and adjacent vertebrae after bone cement injection. 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     

椎体强化术后恢复高度对邻近椎体的影响:一项有限元分析

背景:椎体压缩骨折是当前骨科领域中常见的疾病,椎体强化术后邻近椎体发生再骨折是一个不可忽视的问题,这对患者的正常生活产生了严重的影响。目的:旨在利用CT图像,建立不同恢复高度的椎体强化后模型。采用有限元分析的方法得出不同恢复高度下邻近椎体的应力情况,并进一步探讨椎体强化术后伤椎高度恢复的重要性。方法:建立并验证了胸腰椎(T_(11)-L3)有限元模型,并在此基础上构建了4种不同恢复高度(100%,80%,60%,40%)的L1术后有限元模型,其中骨水泥容量随着恢复高度的变化而变化。具体模型如下:Model 1为正常恢复高度的术后模型,骨水泥容量为8.3 mL;Model 2为L1前部高度切除20%,后凸角变为10.41°的术后模型,骨水泥容量为6.9 mL;Model 3为L1前部高度切除40%,后凸角变为20.17°的术后模型,骨水泥容量为4.7 mL;Model 4为L1前部高度切除60%,后凸角变为28.85°的术后模型,骨水泥容量为3.6 mL。对术后模型进行评估时,施加了7Nm的力矩和500N的轴向力,记录并分析L2上终板和T12下终板的峰值应力,以及L2和T12松质骨的峰值应力。结果与结论:①L2上终板、T12下终板、L2松质骨、T12松质骨各工况的最高峰值应力都出现在Model 1和Model 4,特别是T12下终板(除后伸工况外),前屈、左右侧弯和左右旋转工况都在Model 4达到了最高峰值应力,应力分别为50.3,33.1,44.9,34.3,31.9 MPa;②根据邻近椎体终板和松质骨的峰值应力,排除Model 1和Model 4两个模型后,大部分工况的最小峰值应力都是出现在Model 2模型上,且Model 2模型出现最小峰值应力的情况占据了66.6%,尤其是在L2的上终板和松质骨(除后伸工况外),最小峰值应力都是出现在了Mode 2上;③因此将恢复高度控制在原高度的100%和40%左右是比较危险的恢复高度,对邻近椎体的影响较大;将恢复高度控制在原高度的80%左右可能是一个较为理想的选择;恢复高度在原高度的80%左右,邻近椎体所承受的应力较小,从而减小了患者发生邻近椎体再骨折的风险。     

关于腰椎三维有限元模型的建模及有效性验证*

[摘要]目的 利用三维有限元原理，通过三维 有限元软件创建正常人腰骶椎三 维有限元模型，并对 模型进行有效性 考证。方法 选取一名健康成年男性志愿者，在平卧非承重条件下采用螺旋CT行薄层扫描，利用数字软件Simple ware2.0、Geo magic studio9.0、Hypermesh10.0、ANS YS9.0及Abaqus6.10-l等建立正常人腰骶椎（L3-S1）模型。对健康完整模型进行四种状态（前屈、后伸、侧屈和轴向旋转）的加载分析，并将L3-L4在不同工况下的角位移与以往文献结果比较，来验证模型的有效性。结果 建立健康成年男性的L3-S1三维有限元模型，包括72158个节点，173035个单元；模型L3-L4节段在前屈、后伸、侧屈及旋转运动时的角位移数值与其他实验数据对比相似性好，各椎间盘最大Von Mises应力与文献结果一致。结论 通过有效性验证，可认为该基于正常人体L3-S1腰骶部的三维有限元模型在一定的条件下是有效的，可用于生物力学实验。     

Patient-specific finite element modeling for femoral bone augmentation

The aim of this study was to provide a fast and accurate finite element (FE) modeling scheme for predicting bone stiffness and strength suitable for use within the framework of a computer-assisted osteoporotic femoral bone augmentation surgery system. The key parts of the system, i.e. preoperative planning and intraoperative assessment of the augmentation, demand the finite element model to be solved and analyzed rapidly. Available CT scans and mechanical testing results from nine pairs of osteoporotic femur bones, with one specimen from each pair augmented by polymethylmethacrylate (PMMA) bone cement, were used to create FE models and compare the results with experiments. Correlation values of R² = 0.72–0.95 were observed between the experiments and FEA results which, combined with the fast model convergence (～3 min for ～250,000 degrees of freedom), makes the presented modeling approach a promising candidate for the intended application of preoperative planning and intraoperative assessment of bone augmentation surgery.     

脊柱腰段正常及骨质疏松三维有限元数字模型的建立

背景：建立逼真的有限元模型是对脊柱进行有限元力学分析的重要基础,关于骨质疏松有限元模型的报道尚少。 目的：建立脊柱腰段各主要结构及骨质疏松腰椎的有限元数字模型,为正常脊柱腰段及骨质疏松患者腰椎的有限元力学分析打下基础。 方法：对1名健康男性志愿者行脊柱腰段的螺旋CT扫描,将所得图像先在Mimics中进行分隔和重建,在Geomagic中进行优化,在Ansys中赋材质及网格划分,建立三维有限元数字模型。 结果与结论：建立了包括全部腰椎、椎间盘及主要韧带的正常腰椎及骨质疏松腰椎三维有限元数字模型。该模型外形逼真,几何相似性好,可以随意旋转,方便从多角度观察、采集三维信息,各主要结构材料属性接近实际,适合进行生物力学研究。提示利用CT数据及mimics、geomagic、Ansys软件可以建立脊柱腰段正常及骨质疏松有限元数字模型。     

基于三维重建技术及有限元分析的脊柱骨密度测量及其意义

目的探讨基于三维重建技术及有限元分析的测量骨密度的方法。方法以1具脊柱标本(C3～L5)进行高速CT薄层扫描,在Mimics中进行每个椎体的三维重建,在Ansys中进行体网格划分,在Mimics中赋予10、400种材料属性,输出至Ansys计算骨骼中每一种材料属性的体单元的体积,根据CT扫描的Hu值与骨密度的经验公式,计算标本质量及密度,对照组以电子天平测量(C3～L5)的质量。进行统计学处理。结果(1)对照组、10种及400种材料属性组C3～L5的密度值分别为0.62±0.09、0.5813±0.0806、0.5813±0.0805g/cm3;(2)单因素方差分析:对照组与赋予10、400种材料属性各试验组比较的P值均大于0.1,试验组组别之间P=0.997。结论(1)本试验方法可定量测量骨骼密度及其密质骨及松质骨密度值;(2)赋予骨骼10种材料属性即可达到测量要求;(3)本试验为骨密度与有限元分析的统一作初步准备。     

后凸成形中骨水泥量对相邻椎体终板影响的有限元分析

背景：最近研究表明经皮椎体后凸成形后存在相邻椎体骨折的问题,推测骨水泥泄露可能是其中的重要原因。 目的：探讨经皮椎体后凸成形中骨水泥量对相邻椎体终板的生物力学影响。 方法：建立骨质疏松性椎体压缩骨折病理三维有限元模型,分别在骨折椎体内填充10%,20%和30%椎体容积的骨水泥,分析轴向压缩、前屈和后伸三种情况下相邻椎体终板应力的变化情况。 结果与结论：与填充前相比,骨水泥容积按10%,20%和30%填充后,相邻椎体终板各种情况下的应力均增加,且随着骨水泥填充容积增加而增加。说明经皮椎体后凸成形中骨水泥用量增加,会导致相邻椎体骨折增加的概率。 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     

腰椎椎体应力分布的三维有限元分析

应用三维有限元方法对腰椎椎体应力分布的研究表明.椎体松质骨的应力集中区域位于邻近终板的中央部分,而椎间盘发生退变后这一现象即不明显.作者认为椎体的应力分布及腰椎的载荷传递依据椎间盘的情况而不同,并对有关的临床意义进行了讨论.     

骨质疏松症患者脊柱胸腰段椎体力学稳定性变化与椎体压缩性骨折风险预测的有限元分析

目的:通过有限元分析骨质疏松症（OP）患者的脊柱胸腰段椎体在不同运动状态下椎体力学稳定性变化,与人体正常模型进行对比分析,针对椎体是否存在压缩性骨折的风险进行预测,为干预性策略标准化建立和完善提供理论和生物力学依据。方法:选择没有脊柱胸腰段椎体伤病史的健康志愿者男女各1人;选择2例住院老年OP女性患者胸腰椎CT及MRI扫描资料。建立T11~L2骨质疏松性椎体的三维有限元模型并验证有效性。在正常生理载荷分析不同运动状态下的生物力学变化,对两组模型之间椎体、关节突关节、终板、纤维环、松质骨、椎间盘、髓核的Von Mises应力及椎体最大位移进行比对分析,同时对应力云图进行比对,分析其生理与病理关节应力变化。结果:正常人体与OP患者脊柱椎体的材料属性、弹性模量、刚度、强度以及所处的力学生物学环境变化进行分析结果表明,OP患者在脊柱前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转、轴向7种不同运动状态下与正常人体脊柱胸腰段相比较,椎体、关节突关节、椎间盘、终板、纤维环、髓核的Von Mises应力有明显降低趋势,椎体最大位移呈现增大趋势。此外本研究对OP模型的建立并非采用文献中降低正常皮质骨、松质骨、终板弹性模量的模型,而是采用临床中根据CT数据、临床症状、骨密度等明确诊断的OP患者数据,与目前文献所提供的模型数据对比,更符合临床OP患者真实的脊柱胸腰段椎体与附属结构的生物力学特性和属性变化。与正常人体模型相比较,从筋骨系统进行分析,骨与肌肉、韧带所代表的动静力变化都有明显降低,这也印证了临床真实数据的变化。结论:OP患者脊柱胸腰段椎体应力分布不均匀、应力的集中趋势导致脊柱胸腰段椎体、椎间盘、髓核、纤维环、关节突及周围附属结构应力异常变化,即骨弹性模量的异常改变、周围附属结构的束缚力下降,引起筋骨系统平衡失常和长期稳定性下降,进而增加脊柱胸腰段椎体骨折的退变过程和风险,通过有限元分析针对椎体压缩性骨折风险建立标准化预防策略,提供理论和生物力学依据。     

Evaluation of the parameters affecting bone temperature during drilling using a three-dimensional dynamic elastoplastic finite element model

A three-dimensional dynamic elastoplastic finite element model was constructed and experimentally validated and was used to investigate the parameters which influence bone temperature during drilling, including the drill speed, feeding force, drill bit diameter, and bone density. Results showed the proposed three-dimensional dynamic elastoplastic finite element model can effectively simulate the temperature elevation during bone drilling. The bone temperature rise decreased with an increase in feeding force and drill speed, however, increased with the diameter of drill bit or bone density. The temperature distribution is significantly affected by the drilling duration; a lower drilling speed reduced the exposure duration, decreases the region of the thermally affected zone. The constructed model could be applied for analyzing the influence parameters during bone drilling to reduce the risk of thermal necrosis. It may provide important information for the design of drill bits and surgical drilling powers.