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骨粗鬆症腰椎におけるポリメチルメタクリレートの容量の異なるセメント注入式ペディクルスクリューの影響：3D有限要素法による解析
Influence of cement-augmented pedicle screws with different volumes of polymethylmethacrylate in osteoporotic lumbar vertebrae over the adjacent segments: a 3D finite element analysis.
PMID: 32660462 PMCID: PMC7359596. DOI: 10.1186/s12891-020-03498-6.
抄録
背景:
ポリメチルメタクリレート（PMMA）は、固定の安定性を向上させ、骨粗鬆症の胸腰椎におけるスクリューの緩みのリスクを軽減するために、一般的にセメント注入式ペディクルスクリューインストルメンテーション（CAPSI）に使用されています。バイオメカニクス研究では、様々な用量のセメント（1～3ml）を注入することでスクリューの安定性を高めることができることが示されています。現在までに、隣接セグメントの変性とPMMAの体積との関係についての研究は行われていない。本研究では、有限要素解析を用いて、骨粗鬆症腰椎における隣接セグメント上の異なる体積のPMMAを用いたCAPSIの影響を探ることを目的とした。
BACKGROUND: Polymethylmethacrylate (PMMA) is commonly used for cement-augmented pedicle screw instrumentation (CAPSI) to improve the fixation stability and reduce the risk of screw loosening in the osteoporotic thoracolumbar spine. Biomechanical researches have shown that various dose of cement (1-3 ml) can be injected to enhance screw stability. To date, there have been no studies on the relationship between adjacent segment degeneration and the volume of PMMA. This study aimed to explore the influence of CAPSI with different volumes of PMMA in osteoporotic lumbar vertebrae over adjacent segments by using finite element analysis.
方法:
(1)無傷モデル、(2)PMMAの体積が異なる3つのシングルレベルCAPSIモデル(1、1.73、2.5ml)、(3)PMMAの体積が異なる3つのダブルレベルCAPSIモデル(1、1.73、2.5ml)を含む7つの異なる有限要素モデルを、異なる荷重条件で再構築し、シミュレーションした。また、有限要素解析の精度を高めるために、3次元スキャニングマシンとCAPSI患者のCTデータを用いて、それぞれ注射用ペディクルスクリューと骨セメントのモデルを作成しました。異なるモデル間で、可動域(ROM)、椎間板の応力、隣接セグメントのファセットの応力を比較解析した。
METHODS: Seven different finite element models were reconstructed and simulated under different loading conditions, including (1) an intact model, (2) three single-level CAPSI models with different volumes of PMMA (1, 1.73, and 2.5 ml), and (3) three double-level CAPSI models with different volumes of PMMA (1, 1.73, and 2.5 ml). To improve the accuracy of the finite element analysis, the models of the injectable pedicle screw and bone cement were created by using a three-dimensional scanning machine and the CAPSI patient's CT data, respectively. The range of motion (ROM), the stress of intervertebral discs, and the stress of facet in the adjacent segment were comparatively analyzed among the different models.
結果:
異なるセグメントのROMを実験データと比較したところ、異なる荷重条件（L3-S1レベルでの屈曲、伸展、屈曲、回転でそれぞれ21.3°、13.55°、13.99°、6.11°）で良好な一致を示した。インタクトモデルと比較して、6つの手術モデルでは、ROM、椎間板応力、隣接セグメントのファセット応力が高くなっていることがわかった。それ以外では、PMMAの注入量が多くなると、隣接セグメントでのROM、椎間板応力、ファセット応力がわずかに増加した。しかし、最大の差は3.8%以下であり、その差は取るに足らないものであった。
RESULTS: The ROMs of the different segments were compared with experimental data, with good agreement under the different load conditions (21.3°, 13.55°, 13.99°, and 6.11° in flexion, extension, bending, and rotation at L3-S1 level, respectively). Compared with the intact model, the ROM, disc stresses, and facet stress in adjacent segments were found to be higher in the six operative models. Otherwise, with a larger volume of PMMA injected, the ROM, disc stresses, and facet stress slightly increased at the adjacent segment. However, the differences were insignificant with the biggest difference less than 3.8%.
結論:
CAPSIは、隣接セグメントのディスク変性の発生率を増加させる可能性がありましたが、一定の範囲内では、異なる体積のPMMAは、隣接セグメントの変性に対して近似的な影響を与えました。
CONCLUSIONS: CAPSI could increase the incidence of disk degeneration in the adjacent segment, while within a certain range, different volumes of PMMA provided an approximate impact over the adjacent segment degeneration.