胸椎T骨肿瘤转移不同位置生物力学特性的三维有限元分析

作     者：夏国仁 余浩 姜世峰 彭新 伏晓 陈琦 杨立状 王腾飞 李海 

作者机构：中国科学院合肥肿瘤医院 中国科学院合肥物质研究院 

出 版 物：《中国组织工程研究》 (Chinese Journal of Tissue Engineering Research)

年 卷 期：2023年

学科分类：1002[医学-临床医学] 100214[医学-肿瘤学] 10[医学] 

主　　题：脊柱转移瘤 经皮椎体成形 骨水泥 有限元模型 生物力学分析 

摘      要：背景：随着检查技术的革新，不同分期脊柱转移瘤患者逐年增多，经皮椎体成形是脊柱转移瘤重要的治疗手段，但其治疗不同分期、不同活动方式肿瘤的术后生物力学疗效尚未见报道。目的：基于三维有限元模型模拟胸椎T10骨肿瘤转移不同位置的应力及位移情况。方法：根据1例30岁健康男性胸椎三维CT扫描数据，采用Mimics软件构建胸椎(T9-T11)的三维几何模型，包括肋骨、韧带及椎间盘。模拟被胸椎转移瘤侵袭的T9-T11椎体及其后胸椎不同部位的三维模型，包括椎体结构完整的对照组，单侧转移累及椎体区(实验组1)，单侧转移累及椎体和椎弓根区(实验组2)，单侧转移累及椎体、椎弓根和横突区(实验组3)，双侧转移累及椎体、椎弓根和横突区(实验组4)。利用Abaqus软件创建三维有限元模型，对负重、屈曲、伸展、旋转工况下Von Mises应力分布及模型的位移情况进行分析。结果与结论：(1)在对不同实验组加载点在负重、屈曲、伸展、旋转工况下最大总位移的研究中，随着转移瘤侵袭部位及侵袭面的增多，加载点的总位移在增大，整体刚度降低，尤其实验组4加载点的总位移最大；(2)在屈曲工况下椎体、椎弓根破坏后明显增加最大Von Mises应力值，而在此基础上增加胸肋关节破坏，其最大Von Mises应力值基本不变；(3)有限元分析并模拟骨肿瘤模型的基础上，将骨水泥区域的单元设置为一个单独的set集合，后将骨水泥区域设置为对应的材料属性以模拟骨水泥填充，结果发现，负重、屈曲、伸展、旋转工况下最大总位移均小于各实验组；(4)模拟经皮椎体成形治疗后患者在负重、屈曲、伸展、旋转工况下的最大应力值相较于骨肿瘤模型大幅度降低；(5)提示基于胸椎T9-T11的三维有限元模型构建有利于对胸椎骨肿瘤转移生物力学特性的研究，并能够在胸椎骨肿瘤转移模型的基础上准确模拟经皮椎体成形后加载点在不同工况下的总位移及最大Von Mises应力情况。