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      

椎体后凸成形骨水泥注射治疗的有限元模型数字化评价

背景:由于经皮椎体后凸成形的治疗原理、远期疗效、并发症均与其生物力学密切相关,其生物力学引起了广泛关注。目的:建立椎体后凸成形骨水泥注射治疗后的生物力学变化及骨水泥泄漏虚拟数字化评价系统。方法:在前期实验已建立的L3-L5三维模型的基础上进行椎体后凸成形骨水泥注射操作,并导入Abaqus2016软件将模型立体化,进行有限元分析,分析骨水泥注射方式、注射压力及注射量对L4骨折椎体终板应力的影响。结果与结论:①模拟经皮椎体后凸成形手术操作填充骨水泥后,L4骨折椎体终板在骨水泥的承载分压作用下应力明显降低。不同注射方式对L4骨折椎体终板所受应力影响不显著(P> 0.05),但双侧注射使骨水泥分布更加均匀,效果最好;②不同注射压力对L4骨折椎体终板所受应力影响不显著(P> 0.05),但随着注射压力的增加,骨水泥分布更加分散,更容易出现渗漏;③随着骨水泥注射剂量逐渐增加,L4骨折椎体终板应力逐渐降低(P<0.05),注射2 mL时不能恢复椎体的生理刚度,4 mL时骨水泥分布更加集中,8 mL时达到屈服点;④骨水泥注射后,下位椎体上终板比上位椎体下终板更容易出现再骨折的情况:⑤结果表明,模拟手术前后L4椎体终板应力发生明显转移,即L4上终板应力增加,L4下终板应力减少;不同注射方式对手术结果影响不大,但双侧注入的骨水泥分布更加均匀,降低了术后再次骨折和塌陷的概率;选用低注射压力可降低术后骨水泥泄露风险;4 mL注射量既能使病椎恢复较好的刚度及生理曲度又未达到屈服点而引起再次骨折。     

骨水泥弥散类型影响胸腰段椎体成形后相邻椎体应力的三维有限元分析

背景:椎体成形术后出现邻近椎体骨折已得到广泛关注,骨水泥弥散类型影响邻椎应力改变的有限元研究国内外未见报道。目的:利用有限元方法分析3种骨水泥弥散类型对胸腰段椎体成形术后患椎相邻椎体在不同载荷下的应力变化。方法:选取1例L1椎体压缩性骨折患者,以及3例L1椎体成形术后骨水泥呈弥散型、混合型、团块型分布患者的原始CT数据,利用Mimics 19.0、Geomagic Studio 2013及SolidWorks 2017等软件,通过划分网格、定义材料属性、装配模型,建立T11-L2椎体功能单元压缩性骨折及3种骨水泥弥散类型的有限元模型。分别施加0.3 MPa(低压力)、1.0 MPa(中压力)、4.0 MPa(高压力)3级压力和前屈、后伸、侧屈、旋转4种载荷方向,观察模型T12、L2椎体在不同压力、载荷下的应力分布情况。结果与结论:①注入骨水泥后邻椎应力的增加与轴向压力的增加呈正相关;②骨水泥呈团块型分布时,在4种载荷方向下邻椎的最大应力值明显高于弥散型及混合型,其中在前屈、侧弯载荷下,混合型邻椎应力低于团块型、弥散型;③结果发现,骨水泥呈团块型分布是导致邻椎应力增高的重要因素,骨水泥呈混合型分布可能降低了相邻椎体骨折的风险。     

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。     

椎体后凸成形椎间盘骨水泥渗漏时行相邻椎体预防性强化的有限元分析◆

背景：椎体后凸成形术后相邻椎体发生骨折时有报道,很多学者分析椎间盘骨水泥渗漏是相邻椎体继发骨折的重要原因之一。 目的：以有限元方法分析椎体后凸成形并发椎间盘骨水泥渗漏时其相邻椎体生物力学的变化,进而分析相邻椎体继发骨折的原因并寻求补救措施。 方法：利用MIMICS、ABAQUS等软件重建胸腰段(T11~L2)三维有限元模型,模拟L1椎体骨质疏松性压缩性骨折及椎体后凸成形治疗,观察有无T12~L1椎间盘骨水泥渗漏对骨折相邻椎体的生物力学影响;进一步分别模拟以2,3,4 mL骨水泥对T12椎体行预防性强化,观察不同载荷下不同模型整体及各部分的Von Mises应力。 结果与结论：成功建立了相关三维有限元模型。相邻椎体T12及其下终板的最大应力在T12~L1椎间盘有骨水泥渗漏组比无渗漏组的明显增加;T12椎体不同剂量骨水泥预防性强化后最大应力不同程度降低,且小剂量(2~4 mL)骨水泥预防性强化并不明显影响其余椎体、椎间盘的生物力学行为。提示椎体后凸成形并发椎间盘骨水泥渗漏可能会导致相邻椎体继发骨折,同时行相邻椎体预防性强化可能会减少继发骨折的发生。      

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。     

骨质疏松患者骨水泥强化内固定系统的生物力学特征

背景：进行椎间融合手术患者伴有骨质疏松症的比例较高,骨质疏松症会对钉棒系统固定效果造成不良影响,如螺钉松动率上升、椎间融合手术失败等,骨水泥钉道强化手术有力改善了这一问题。目的：通过有限元方法比较低骨密度情况下不同骨水泥钉道强化固定后腰椎的生物力学变化。方法：依据提取CT图像建立L4-5椎体功能单元人体有限元模型,设置所有椎体骨材料为骨质疏松状态,分别建立无骨水泥钉道强化、全部骨水泥钉道强化、L4椎体骨水泥钉道强化、单侧骨水泥钉道强化、交叉骨水泥钉道强化模型,L5节段下表面固定,L4节段上表面施加500 N的垂直向下的载荷及7.5 N·m的力矩,检测钉棒系统、椎体钉道及骨水泥团的von-Mises应力。结果与结论：(1)相较于无骨水泥钉道固定组,骨水泥强化各组对于钉棒系统的von-Mises应力影响十分微小;(2)骨水泥强化各组钉道von-Mises应力在整体上小于无骨水泥钉道固定组,其中较为显著的为全部骨水泥钉道强化组;与全部骨水泥强化组效果相近的是交叉骨水泥强化组,单侧骨水泥固定组钉道von-Mises应力下降幅度次于交叉骨水泥固定组,L4椎体骨水泥钉道强化组对于钉道von-Mis...     

骨水泥弥散类型对强化椎体生物力学特性影响的有限元分析

背景：经皮椎体强化治疗骨质疏松性椎体压缩骨折时,强化椎内骨水泥弥散类型主要为中部分离、中部融合、前部分离和不均匀分离4种,目前尚无研究对比这4种骨水泥弥散类型对强化椎体生物力学特性的影响。目的：运用三维有限元法分析骨水泥弥散类型对强化椎体生物力学特性的影响。方法：构建T₁₂骨质疏松性椎体压缩骨折三维有限元模型,然后模拟双侧椎体成形手术,其中骨水泥分中部分离、中部融合、前部分离和不均匀分离4种弥散类型,设置材料属性参数、边界条件、施加载荷(在T₁₀上终板持续施加垂直向下260 N载荷,同时分别施加前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转10 N·m力矩),分别导入LS-DYNA软件求解。结果与结论：(1)在所有加载条件下,不均匀分离模型的骨水泥应力最大;左侧屈曲时,不均匀分离模型的骨水泥最大应力比中部分离模型、中部融合模型、前部分离模型分别高出4.4,8.6,4.8倍;中部分离、前部分离、不均匀分离模型左侧屈时的骨水泥最大米塞斯应力最大,中部融合模型右侧屈时的骨水泥最大米塞斯应力最大,所有模型左右旋转时的骨水泥最大米塞斯应力最小;(2)左右旋转时,不均匀...     

骨水泥分布位置与含量对股骨反转子间骨折应力、位移影响的有限元分析

背景：股骨近端防旋髓内钉是治疗骨质疏松性反转子间骨折的首选治疗方案，其中骨水泥增强可减少股骨近端防旋髓内钉切出与切穿的概率，但目前没有相关生物力学研究证明骨水泥的含量及位置对骨折端应力及位移的影响。目的：通过有限元方法分析骨水泥增强型股骨近端防旋髓内钉中骨水泥含量及位置对老年骨质疏松性股骨反转子间骨折应力、应变及位移的影响。方法：采用Mimics软件建立健康成年女性右侧股骨模型，并在Geometric软件中进行光滑处理，利用Solidworks软件分别建立股骨近端防旋髓内钉(无骨水泥、头端球形1 mL骨水泥、头端球形2 mL骨水泥、头端球形3.4 mL骨水泥、螺旋刀片周围圆柱形5 mL骨水泥)5种类型内固定方式及股骨反转子间骨折(AO分型31-A3.1型)模型，装配后，在Ansys软件中比较5种模型内植物的总应力分布、应力峰值及位移。结果与结论：(1)无骨水泥与头端球形1 mL、头端球形2 mL、头端球形3.4 mL、螺旋刀片周围圆柱形5 mL骨水泥增强型股骨近端防旋髓内钉组内植物的应力峰值分别为571.07 MPa(位于螺旋刀片与主钉交界处)，495.45 MPa(位于螺旋刀片与主钉...     

椎体后凸成形骨水泥注入对骨质疏松邻近腰椎生物力学的作用

背景：术后邻近椎体继发性骨折是经皮椎体后凸成形骨水泥注入最常见的并发症,研究经皮椎体后凸成形骨水泥注入对骨质疏松邻近腰椎生物力学功能的影响对临床应用具有一定的指导意义。 目的：分析经皮椎体后凸成形骨水泥注入对骨质疏松兔模型邻近腰椎生物力学功能的影响。 方法：切除36只雌性新西兰大白兔双侧卵巢,建立L3椎体骨质疏松骨折模型,造模成功后随机均分为2组,实验组行椎体后凸成形骨水泥注入,对照组行开放复位内固定手术。术后5,10,15个月,检测L2、L4椎体骨密度及最大弯曲与压缩载荷,L3椎体前缘、后缘高度与L2及L4椎体平均高度的比值,L2与L4椎体矢状面Cobb角。 结果与结论：实验组术后不同时间点的骨密度值及最大弯曲与压缩载荷、椎体高度比值均高于术前(P < 0.05),矢状面Cobb角低于术前(P < 0.05);对照组术后不同时间点的骨密度值、最大弯曲与压缩载荷均高于术前   (P < 0.05),椎体高度比值及矢状面Cobb角与术前比较无差异;实验组术后不同时间点的骨密度值及最大弯曲与压缩载荷、椎体高度比值均高于对照组(P < 0.05),矢状面Cobb角低于对照组(P < 0.05)。表明椎体后凸成形骨水泥注入可改善骨质疏松骨折邻近椎体的骨密度、承载能力及后凸角度。 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     

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。     

改良小剂量骨水泥椎体成形治疗急性骨质疏松性压缩骨折

背景：经皮椎体成形技术已成为临床治疗脊柱骨质疏松性骨折的有效手段,但存在骨水泥渗漏风险。 目的：探讨改良小剂量骨水泥椎体成形治疗急性骨质疏松性压缩骨折的效果。 方法：选择2008年9月至2011年2月收治的32例骨质疏松性压缩骨折患者进行经皮椎体成形治疗,将患者按照骨水泥注入量分为改良小剂量组和常规剂量组,改良小剂量组骨水泥注入量为2-4 mL,常规剂量组骨水泥注入量为4-6 mL,将同期入院急性骨质疏松压缩骨折因手术禁忌无法进行椎体成形治疗的患者列为对照组。 结果与结论：改良小剂量组和常规剂量组末次随访时疼痛缓解及椎体高度恢复率明显优于对照组(P < 0.05)。改良小剂量组骨水泥渗漏率、末次随访时相邻节段椎体继发骨折发生率明显低于常规剂量组(P < 0.05),末次随访时椎体高度恢复率低于常规剂量组(P < 0.05)。说明椎体成形治疗操作过程中,应用改良小剂量骨水泥方法在达到满意临床效果同时,可有效减少骨水泥渗漏、相邻节段继发骨折等并发症发生率。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;组织工程全文链接：     

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。     

骨质疏松性椎体压缩骨折患者经皮椎体成形注入黏丝期骨水泥后的再骨折

背景:目前经皮椎体成形术已成为治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的首选方法,但其骨水泥注入后邻近椎体骨折并发症也在逐年增加,椎体成形过程中常采用黏丝期骨水泥注射,而骨水泥注射时状态可影响其在椎体内分布。目的:回顾性分析骨质疏松性椎体压缩骨折经皮椎体成形注入黏丝期骨水泥后再骨折的原因。方法:2006-07/2009-11对112例骨质疏松性椎体压缩骨折行经皮椎体成形术,术中DSA机透视引导下经单侧或双侧椎弓根入路,调配聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥至黏丝期后经工作通道注入,并观察疗效。结果与结论:每个椎体注入骨水泥2.4～6.0mL,平均(3.40±1.02)mL。术中骨水泥渗漏至椎旁14例,椎间隙内15例。患者术后全部得到随访,随访时间6～15个月,平均(9.61±2.82)个月,未发现特殊的材料和宿主反应,29例患者疼痛再发,其中15例经MRI证实手术相邻椎体发生新鲜骨折,再次给予经皮椎体成形手术后疼痛症状缓解。结果提示经皮椎体成形注入黏丝期的骨水泥后应力集中、术中灌注剂渗漏椎间隙等综合因素增加了术后相邻椎体再次发生骨折的危险,寻找理想的骨水泥替代物将成为今后临床研究的方向。     

侧开与前开式骨水泥注入器椎体成形治疗骨质疏松性椎体压缩性骨折的比较

文题释义：经皮椎体成形：自Galibert等于1987年首次描述以来,经皮椎体成形已被广泛用于骨质疏松性椎体骨折的治疗,可迅速缓解腰背痛,改善患者活动,是治疗骨质疏松性椎体骨折安全有效的一种微创手术。 侧开口骨水泥注入器：在传统前开口注入器的基础上,通过密封前开口并在远端末端侧向开口来修改套管,侧开口的尺寸对应于套管的横截面。与传统的前开口注入器相比,侧开口骨水泥注入器可改善经皮椎体成形术中的骨水泥充盈模式,引导水泥流向内侧,降低渗漏风险,同时增加骨水泥注入量。 背景：有研究显示与传统的前开口注入器相比,侧开口注入器可改善椎体成形治疗中的骨水泥充盈模式,引导水泥流向内侧,降低渗漏风险,同时增加骨水泥注入量。 目的：探讨采用侧开式注入器进行椎体成形骨水泥注射治疗骨质疏松性椎体压缩性骨折及防止术中骨水泥渗漏的临床疗效。 方法：选择2014年1月至2018年12月衡水市哈励逊国际和平医院收治的220例骨质疏松性椎体压缩性骨折患者,其中114例采用侧开式注入器进行双侧椎弓根椎体成形骨水泥注射治疗,106例采用标准前开式注入器进行双侧椎弓根椎体成形骨水泥注射治疗,术后拍摄X射线和CT扫描评估骨水泥渗漏情况。术前和术后3 d及6个月进行目测类比评分与椎体压缩率评估。研究获得衡水市哈励逊国际和平医院伦理委员会批准(20131214841X)。 结果与结论：①220例患者均顺利完成手术,无任何早期并发症,疼痛均有所缓解,生活质量得到明显改善;②侧开式注入器组骨水泥注射量大于前开式注入器组(P < 0.05);③两组术后3 d、6个月的目测类比评分均明显低于术前(P < 0.05),但两组组间比较差异无显著性意义(P > 0.05);④侧开式注入器组130个椎体中21个椎体发生骨水泥渗漏(渗漏率为16.15%),前开式注入器组120个椎体中36个椎体发生骨水泥渗漏(渗漏率为30%),侧开式注入器组骨水泥渗漏率低于前开式注入器组(P < 0.05);⑤两组术后3 d、6个月的椎体压缩率较术前显著降低(P < 0.05),两组组间椎体压缩率比较差异无显著性意义(P > 0.05);⑥结果表明,采用侧开式或前开式注入器进行椎体成形骨水泥注射治疗骨质疏松性椎体骨折均可获得令人满意的临床疗效,但侧开式注入器可优化骨水泥注入模式,降低渗漏及渗入椎体周围血管的潜在风险,同时可通过调整骨水泥注入方向达到较为满意的骨水泥弥漫效果。 ORCID: 0000-0001-5328-9440(庞巨涛) 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     

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。     

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。     

注入骨水泥治疗胸腰椎骨质疏松性骨折：成熟技术中的常见问题

背景：注入骨水泥是胸腰椎骨质疏松性骨折常用的固定方法之一。 目的：评估注入骨水泥内固定胸腰椎骨质疏松性骨折的生物力学性能以及固定效果。 方法：选取骨质疏松胸腰椎标本,测定骨密度以及最大压力载荷、位移、刚度等力学性能指标,建立骨折模型,注入骨水泥固定后,再次测定最大压力载荷、位移、刚度指标,比较注入骨水泥固定前后生物性能的变化,同时与椎弓根螺钉固定胸腰椎骨质疏松性骨折的生物学性能进行比较。对注入骨水泥固定胸腰椎骨质疏松性骨折的患者进行随访观察,通过评估患者缓解疼痛程度、胸腰椎体高度恢复程度以及骨水泥注入量和骨水泥外渗等情况,明确注入骨水泥固定治疗的效果。 结果与结论：生物力学实验测定注入骨水泥固定胸腰椎骨质疏松性骨折后的最大载荷为2 285 N,比骨折前承受的最大载荷1 954 N强度增加了近16.9%,注入骨水泥固定胸腰椎骨质疏松性骨折后的刚度为427 N,比骨折前刚度349 N增加了近22.1%,显示出良好的生物性能。对应用注入骨水泥固定胸腰椎骨质疏松性骨折的患者以及应用闭合复位注入骨水泥固定胸腰椎骨质疏松性骨折的患者进行随访观察,结果发现2种方法均可以使患者的疼痛得到明显的缓解,而闭合复位注入骨水泥固定胸腰椎骨质疏松性骨折时骨水泥注入量、局部后凸角以及椎体高度恢复情况均更好,表明闭合复位辅助下注入骨水泥固定是胸腰椎骨质疏松性骨折安全有效的治疗方法。     

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