本研究旨在采用有限元方法评估经皮椎体成形术（PVP）中骨水泥的最佳注射剂量及分布模式。研究对象为骨质疏松性腰椎压缩骨折患者，研究人员基于一名L1骨折患者的CT数据构建了胸腰段（T12–L2）骨折模型，分别建立4、6和8 mL骨水泥填充模型，并将4和6 mL组进一步分为团块状与离散型两种形态，共形成5种不同填充方式。所有模型在L2椎体底部施加完全约束，并在T12终板施加500 N轴向载荷以模拟体重，同时施加10 Nm扭矩模拟脊柱左屈、右旋、前屈和后伸四种运动。分析结果显示，8 mL团块状骨水泥模型在直立+左侧弯曲状态下各部位冯·米塞斯应力最低。在相同体积下，团块状与离散型骨水泥模型的应力水平无显著差异。结论表明，4 mL骨水泥无法改善腰椎置换过程中的脊柱生物力学微环境，应尽可能地注射较大剂量骨水泥，一旦出现渗漏迹象应立即停止注射。
研究背景与意义
骨质疏松性椎体压缩骨折（OVCFs）在老年人群中发病率较高，预计到2025年中国病例数可达1.8亿。此类骨折多发生于胸腰段，导致椎体高度降低与脊柱不稳，临床表现为疼痛及活动受限，严重影响生活质量。保守治疗虽可用于部分患者，但长期卧床易引发压疮、坠积性肺炎及下肢静脉血栓等并发症，尤其不适用于高龄患者。经皮椎体成形术（PVP）是一种微创介入治疗方法，通过向椎体内注入骨水泥实现骨折稳定与疼痛缓解，已在临床上广泛应用。然而，随着手术数量的增加，相关并发症亦逐渐显现，包括骨水泥过敏、软组织热损伤、术后渗漏致椎管狭窄及神经根压迫，以及远期再骨折与邻椎骨折等。现有研究表明，骨水泥的体积与分布模式是影响术后疗效的关键因素，但具体的最佳参数仍存在争议。部分学者认为占椎体体积约15%的骨水泥量即可恢复强度，也有研究建议需达到16.2%，而过量注射则显著提高渗漏风险。另有观点指出，骨水泥若对称分布于中线两侧可增强生物力学性能，而集中分布在中线位置更易诱发再骨折。因此，明确最佳剂量与分布模式具有重要的临床指导价值。
研究方法概述
研究人员选取符合纳入标准的一名68岁男性L1新鲜骨折患者，排除严重心肺疾病、凝血障碍、非骨质疏松性骨折等禁忌症，采集其术前CT影像（层厚0.625 mm）。利用Mimics软件重建三维脊柱模型，经Geomagic Wrap优化后导入SolidWorks绘制椎间盘、终板、关节软骨等结构，并组装成T12–L2胸腰段有限元模型。通过调整骨水泥体积分别构建4、6、8 mL三种剂量模型，其中4与6 mL分别设为团块状与离散型，8 mL仅模拟团块状。材料属性参照骨质疏松椎体的弹性模量调整，皮质骨、终板和后柱结构下降33%，松质骨下降66%，髓核弹性模量提升100%。韧带采用弹簧单元模拟，边界条件为L2底面全约束，T12上表面施加500 N轴向载荷及10 Nm扭矩，模拟直立、前屈、后伸、左侧弯及右侧旋五种工况。
研究结果
建立6种有限元模型
成功构建术前骨折模型及4、6、8 mL团块状骨水泥模型，以及4、6 mL离散型骨水泥模型，并在五种工况下进行加载分析。
L1皮质骨的冯·米塞斯应力水平
结果显示，团块状模型中随骨水泥剂量增加，L1皮质骨冯·米塞斯应力逐渐降低。4 mL组应力最高（直立+前屈时为38.851 MPa），8 mL组最低（直立+左侧弯时为25.836 MPa）。相同剂量下，团块与离散型应力差异不显著，且4 mL组整体应力接近无骨水泥模型。
L1松质骨、上下终板的应力变化
在不同模型与工况下，L1松质骨、上终板与下终板的应力变化趋势与皮质骨一致，8 mL团块状模型在所有工况中应力最低。相同剂量下分布形态对结果影响有限，4 mL组与无骨水泥模型相比无显著差异。
讨论与结论
本研究利用有限元法量化了不同骨水泥剂量与分布模式下的脊柱生物力学响应，证实8 mL团块状骨水泥能够最大程度降低应力，改善胸腰段负荷传递。相同剂量下分布形态对生物力学影响较小，临床中无需刻意追求离散分布，只需将骨水泥尽量置于椎体中线附近即可。4 mL剂量未能显著改善生物力学微环境，因此推荐在不发生渗漏的前提下尽量增加注射量。研究同时指出，由于未考虑肌肉力作用及仅针对L1骨折、压缩高度为三分之一的情况，结果存在一定局限性，未来应扩大样本及工况范围以提高临床适用性。该成果发表于《Clinical Orthopaedics and Related Research®》，为PVP骨水泥注射方案的优化提供了理论依据。
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