应用三维有限元法评估聚甲基丙烯酸甲酯和磷酸钙骨水泥铸件的力学特征

摘要

目的:聚甲基丙烯酸甲酯和磷酸钙骨水泥作为经皮椎体后凸成形术填充物,应用三维有限元分析法比较两种材料治疗骨质疏松性椎体压缩骨折的生物学效应。方法:实验于2003-03/09在南通医学院第一附属医院骨科和上海大学上海生物力学工程研究所合作完成。①利用WD-5型万能材料机测量聚甲基丙烯酸甲酯和磷酸钙骨水泥铸件力学性质。②选取骨质疏松患者1例(患者知情同意),排除其他疾患,应用CT扫描技术、图形数字化方法获取胸腰段的三维坐标,利用ANSYS5.0有限元分析软件等工具建立骨质疏松患者胸腰段的三维有限元模型。③模拟L1经皮椎体后凸成形术,对其和相邻椎体及椎间盘的负荷传递、应力、位移等进行分析。结果:①获取了精确的T11￣L3的多排螺旋CT扫描断层影像数据,经ANSYS5.0软件处理后得到4718个节点,1642个薄极单元,4495个八节点等参单元的骨质疏松患者胸腰段三维有限元力学模型。②采用聚甲基丙烯酸甲酯作为经皮椎体后凸成形术的填充物,比骨质疏松椎体应力增加了近15%。后部结构的应力平均增加13.2%,其中椎弓根增加5.9%,峡部增加6.25%,关节点增加27.6%。聚甲基丙烯酸甲酯在稳定椎体、恢复强度和刚度的同时,可能使其后部结构及相邻腰椎出现应力集中现象。③采用磷酸钙骨水泥作为椎体成形术填充物,比骨质疏松椎体应力平均增加了7%,应力集中现象明显小于聚甲基丙烯酸甲酯。结论:三维有限元力学分析表明两种材料均提高了椎体的抗变形能力,有利于椎体功能的重建。与聚甲基丙烯酸甲酯相比,磷酸钙骨水泥能减少成形椎体和相邻椎体之间的应力梯度,从长远看,能减少椎体退变和相邻椎体骨折的机会。