Biomechanical analysis on treatment of different types of osteoporotic vertebral compression fractures with individualized precise puncture vertebral augmentation

doi:10.12307/2025.832

Abstract

Abstract: BACKGROUND: The individualized precise puncture approach is a new approach proposed for vertebral body augmentation in recent years, and has achieved good clinical results, but there is still a lack of relevant biomechanical research.
OBJECTIVE: To investigate the biomechanical effects of individualized precise puncture vertebral augmentation on the vertebral endplate and intervertebral disc of osteoporotic vertebral compression fracture using finite element analysis method.
METHODS: A total of six preoperative and postoperative models of wedge type, biconcave type, and collapse type were established using the preoperative and postoperative CT imaging data of three osteoporotic vertebral compression fracture patients who had completed individualized precise puncture vertebral augmentation. 500 N moment and 10 N/m rotation moment were loaded in the vertical direction of the vertebral body to simulate the normal physiological activities of the vertebral body, including forward flexion, back extension, left bending, right bending, left rotation, and right rotation, to observe the stress changes of endplates, adjacent endplates, and intervertebral discs of different types of fractured vertebral bodies after individualized precise puncture vertebral augmentation.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Three-dimensional finite element models of preoperative and postoperative spinal functional units were successfully established. (2) After individualized precise puncture vertebral augmentation, the maximum von Mises stress values of wedge-shaped, biconcave, and collapsed fractured vertebral endplates and adjacent vertebral endplates were reduced to a certain extent. The postoperative maximum von Mises stress value increased in the T10 inferior endplate of the superior vertebral body with wedge deformity and the L1 superior endplate of the inferior vertebral body with collapsed deformity. (3) After individualized precise puncture vertebral augmentation, the overall maximum von Mises stress value of adjacent intervertebral discs in the three finite element models decreased. (4) The results show that individualized precise puncture vertebral augmentation can reduce the maximum von Mises stress value of the endplate of wedge-shaped deformity, biconcave deformity and collapsed vertebral body to a certain extent, and diminish the risk of postoperative vertebral body re-fracture. In addition, individualized precise puncture vertebral augmentation decreases the maximum von Mises stress value of the intervertebral disc, which can theoretically alleviate intervertebral disc degeneration to a certain extent.

Key words: osteoporosis, thoracolumbar vertebral compression fracture, vertebral augmentation, endplate, intervertebral disc, individualized puncture, biomechanics, finite element analysis, orthopedic implants

CLC Number:

R459.9|R318|R687.3

Pan Hongyu, Li Hongtao, Xiao Changming, Li Sen. Biomechanical analysis on treatment of different types of osteoporotic vertebral compression fractures with individualized precise puncture vertebral augmentation[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(27): 5773-5784.

Figures/Tables 7

在6种椎体生理运动状态下(前屈、后伸、左右侧弯、左右旋转)，术前T11上终板最大von Mises应力值分别为2.934 5，2.013 3，2.803 5，2.592 1，2.477 1，2.505 1 MPa；而术后T11上终板最大von Mises应力值分别2.270 9，2.168 8，1.711 4，2.669 5，2.223 6，2.112 3 MPa。相比术前，T11上终板的应力除了后伸状态和右侧弯状态，其余运动状态下的应力都有明显的降低，前屈减少22.61%，后伸增加7.72%，左侧弯减少38.59%，右侧弯增加7.74%，左旋转减少10.23%，右旋转减少15.56%。在6种椎体生理运动状态下，术前T11下终板最大von Mises应力值分别为2.861 1，2.104 7，2.248 0，2.812 0，2.498 2，2.489 8 MPa；术后T11下终板最大von Mises应力值分别为2.614 7，1.874 6、2.039 6，2.535 6，2.121 0，2.259 7 MPa，相比于术前，T11下终板的应力整体下降，前屈减少8.61%，后伸减少23.01%，左侧弯减少9.27%，右侧弯减少9.83%，左旋转减少15.1%，右旋转减少9.24%(图4)。在6种椎体生理运动状态下，术前T10下终板的最大von Mises应力值分别为2.541 6，1.709 2，2.193 9，2.284 7，2.154 2，2.118 5 MPa；术后分别为2.844 1，1.977 3，2.276，2.687 6，2.417 9，2.414 6 MPa，相比术前，T10下终板的应力均有增加，前屈增加11.9%，后伸增加13.75%，左侧弯增加3.74%，右侧弯增加17.63%，左旋转增加12.24%，仅有右旋转减少13.98%。在6种椎体生理运动状态下，T12上终板术前的最大von Miese应力值分别为3.358 6，2.472 1，2.535 8，2.845 5，2.719 8，2.760 4 MPa；而术后最大von Miese应力值分别为2.776 5，2.258，2.234 3，2.412 1，2.17，2.261 2 MPa，经过个体化精准穿刺椎体强化术治疗后的T12上终板的应力均明显下降，前屈减少17.33%，后伸减少8.66%，左侧弯减少11.89%，右侧弯减少15.23%，左旋转减少20.21%，右旋转减少18.18%(图4)。 2.1.2 椎间盘应力的变化在楔形型模型中，其椎间盘的应力分布云图和应力数据见图5及表2。在6种椎体生理运动状态下，T10/T11椎间盘术前的最大von Mises应力值分别为2.055 0，1.726 8，1.852 6，2.045 6，2.119 9，1.714 6 MPa；术后T10/T11椎间盘最大von Mises应力值分别为1.617，1.210 7，1.378 9，1.624 4，1.403，1.384 6 MPa，术后T10/T11椎间盘的应力相比术前下均有显著降低，其中前屈减少21.31%，后伸减少29.89%，左侧弯减少25.57%，右侧弯减少20.59%，左旋转减少33.82%，右旋转减少19.25%。在6种椎体生理运动状态下，术前T11/T12椎间盘的最大von Mises应力值分别为1.814 9，1.347 9，1.702 0，1.794 8，1.552 4，1.527 0 MPa；术后则分别为1.700 1，1.325 4，1.340 2，1.551 1，1.378 7，1.331 7 MPa，术后T11/T12椎间盘的应力较术前相比，均显著降低，其中前屈减少6.33%，后伸减少1.67%，左侧弯减少21.26%，右侧弯减少13.58%，左旋转减少11.19%，右旋转减少12.79%(图4)。"

2.2 双凹型模型结果 2.2.1 骨折椎体终板以及邻近终板的应力变化在双凹型模型中，其骨折椎体终板以及邻近终板的应力分布云图和应力数据见图6及表3。在6种椎体生理运动状态下，T11上终板术前的最大von Mises应力值分别为2.261 7，3.440 5，2.936 6，2.766 5，2.937 0， 2.868 6 MPa；术后的最大von Mises应力值为2.236 5，2.575 2，2.201 6，2.797 6，2.328 3，2.383 9 MPa，相比于术前，T11上终板的应力除右侧弯时有轻微增高，其余运动状态下的应力都明显降低，分别为前屈减少1.11%，后伸减少25.15%，左侧弯减少14.81%，右侧弯增加1.11%，左旋转减少20.73%，右旋转减少5.89%。在6种椎体生理运动状态下，T11下终板术前的von Mises应力值分别为1.898 6，2.679 3，2.373 9，2.207 7，2.204 7，2.380 8 MPa；术后，T11下终板von Mises应力值分别为1.621 0，1.976 7，1.601 1，1.818 0，1.760 8，1.570 5 MPa，与术前相比，T11下终板的应力在6种椎体生理运动状态下均明显降低，分别为前屈减少14.62%，后伸减少26.22%，左侧弯减少35.55%，右侧弯减少17.65%，左旋转减少20.13%，右旋转减少34.03%(图4)。在6种椎体生理运动状态下，T10下终板术前的最大von Mises应力值分别为2.287 2，2.705 5，2.586 5，2.797 9，2.417 5，2.422 9 MPa；术后最大von Mises应力值分别为2.724 2，1.822 9，2.392 7，2.395 9，2.340 2，2.371 1 MPa，T10下终板的应力相比术前，除前屈增加19.11%，其余动作的应力均降低，后伸减少32.62%，左侧弯减少7.49%，右侧弯减少14.37%，左旋转减少3.2%，右旋转减少2.14%。在6种椎体生理运动状态下，术前T12上终板的最大von Mises应力值分别为2.780 6，2.542 4，2.145 4，2.518 7，2.044，2.1729 MPa；而术后T12上终板的最大von Mises应力值分别为2.326 7，2.453 1，1.936 5，2.287 9，1.895 7，2.175 MPa，经过个体化精准穿刺椎体强化治疗后T12上终板的应力整体表现为下降的趋势，前屈减少16.32%，后伸减少3.51%，左侧弯减少9.74%，右侧弯减少9.16%，左旋转减少7.26%，右旋转增加0.1%(图4)。 2.2.2 椎间盘应力的变化在双凹型模型中，其椎间盘应力分布云图和应力数据见图5及表3。在6种椎体生理运动状态下，T10/T11椎间盘术前的最大von Mises应力值为1.500 8，1.909 5，1.723 4，1.879 1，1.543 9，1.596 8 MPa；术后T10/T11椎间盘最大von Mises应力值分别为1.626 9，1.617，1.406 6，1.716 1，1.513 7，1.457 7 MPa，术后的T10/T11椎间盘的应力相较于术前，除前屈动作增加8.4%，其余生理运动状态下的应力均降低，后伸减少15.32%，左侧弯减少18.38%，右侧弯减少8.67%，左旋转减少1.96%，右旋转减少8.71%。在6种椎体生理运动状态下，T11/T12椎间盘术前的最大von Miese应力值分别为1.821 1，2.570 8，2.448 2，1.944 1，2.259 8，2.149 6 MPa；术后T11/T12椎间盘最大von Miese应力值分别为1.820 3，1.861 9，1.597 9，1.613 8，1.603 5，1.604 5 MPa，术后的T11/T12椎间盘的应力显著降低，前屈减少0.04%，后伸减少27.58%，左侧弯减少34.73%，右侧弯减少16.99%，左旋转减少29.04%，右旋转减少25.36%(图4)。 "

2.3 塌陷型模型结果 2.3.1 骨折椎体终板以及邻近终板的应力变化在塌陷型模型中，其骨折椎体终板以及邻近终板的应力分布云图和应力数据见图7及表4。在6种椎体生理运动状态下，T12上终板术前的最大von Mises应力值为2.194 1，1.642 8，1.995 8，1.824 7，1.843 9，1.882 5 MPa；术后T12上终板最大von Mises应力值为2.070 9，1.427 3，1.755 2，1.773 5，1.742 2，1.780 5 MPa，相比于术前，T12上终板的应力在术后表现出下降的趋势，前屈减少5.62%，后伸减少13.12%，左侧弯减少12.06%，右侧弯减少2.81%，左旋转减少5.52%，右旋转减少5.42%。在6种椎体生理运动状态下，术前T12下终板的最大von Mises应力值为2.170 0，1.768 4，2.037 1，2.246，1.895 1，1.929 1 MPa；术后T12下终板的最大von Mises应力值则为2.261 7，1.647 6，1.787 9，1.799 8，1.878 4 MPa，与术前相比，术后T12下终板的应力除前屈动作外，其余生理运动状态的应力均明显降低，为前屈增加4.23%，后伸减少6.83%，左侧弯减少12.23%，右侧弯减少19.87%，左旋转减少0.88%，右旋转减少5.06%(图4)。在6种椎体生理运动状态下，T11下终板术前的最大von Mises应力值为2.852 1，1.822 9，2.392 7，2.395 9，2.340 2，2.371 1 MPa；术后T11下终板最大von Mises应力值为2.419 4，1.615 1，1.977 4，2.063 5，1.976 1，2.006 4 MPa，相比于术前，T11下终板的应力均降低，前屈减少15.17%，后伸减少11.4%，左侧弯减少17.36%，右侧弯减少13.87%，左旋转减少15.56%，右旋转减少15.38%。在6种椎体生理运动状态下，L1上终板术前的最大von Mises应力值为1.601 5，2.453 1，1.936 5，2.287 9，1.895 7， 2.175 0 MPa；术后L1上终板最大von Mises应力值分别为1.729 9，2.433 8，2.257 1，2.027 9，2.192 3，1.943 5 MPa，术后L1椎体上终板的应力相比术前表现出增大的趋势，仅有后伸动作时减少0.79%，而前屈增加8.02%，左侧弯增加16.56%，右侧弯增加11.36%，左旋转增加15.65%，右旋转增加10.63%(图4)。 2.3.2 椎间盘应力的变化在塌陷型模型中，其椎间盘的应力分布云图见图5及表4。在6种椎体生理运动状态下，T11/T12椎间盘术前的最大von Mises应力值为1.499 2，1.058 8，1.336 4，1.269，1.242 5，1.250 1 MPa；术后T11/T12椎间盘最大von Mises应力值分别为1.387，0.976 3，1.145 9，1.124 3，1.136 6，1.162 3 MPa，相比于术前，T11/T12椎间盘术后的应力均降低，前屈减少7.48%，后伸减少7.79%，左侧弯减少14.25%，右侧弯减少11.4%，左旋转减少8.52%，右旋转减少7.02%。在6种椎体生理运动状态下，T12/L1椎间盘术前最大von Mises应力值为1.215 3，1.313 2，1.191，1.254 8，1.168，1.179 2 MPa；术后，T12/L1椎间盘最大von Mises应力值分别为1.127，1.568，1.327 9，1.232 7，1.097 3，1.072 8 MPa，相比于术前前，T12/L1椎间盘术后的应力在后伸和左侧弯动作时表现出应力增大，分别为后伸增加19.4%，左侧弯11.49%，而其余动作均有着不同程度的降低，其中前屈减少7.27%，右侧弯减少17.61%，左旋转减少6.05%，右旋转减少9.02%(图4)。"

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