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A continuum mechanical porous media model for vertebroplasty: Numerical simulations and experimental validation

流变学 离散化 多孔介质 材料科学 机械 水泥 有限元法 粘度 多孔性 代表性基本卷 复合材料 结构工程 数学 工程类 物理 微观结构 数学分析
作者
Zubin Trivedi,Dominic Gehweiler,Jacek K. Wychowaniec,Tim Ricken,Boyko Gueorguiev,Arndt Wagner,Oliver Röhrle
出处
期刊:Biomechanics and Modeling in Mechanobiology [Springer Nature]
卷期号:22 (4): 1253-1266 被引量:5
标识
DOI:10.1007/s10237-023-01715-4
摘要

The outcome of vertebroplasty is hard to predict due to its dependence on complex factors like bone cement and marrow rheologies. Cement leakage could occur if the procedure is done incorrectly, potentially causing adverse complications. A reliable simulation could predict the patient-specific outcome preoperatively and avoid the risk of cement leakage. Therefore, the aim of this work was to introduce a computationally feasible and experimentally validated model for simulating vertebroplasty. The developed model is a multiphase continuum-mechanical macro-scale model based on the Theory of Porous Media. The related governing equations were discretized using a combined finite element-finite volume approach by the so-called Box discretization. Three different rheological upscaling methods were used to compare and determine the most suitable approach for this application. For validation, a benchmark experiment was set up and simulated using the model. The influence of bone marrow and parameters like permeability, porosity, etc., was investigated to study the effect of varying conditions on vertebroplasty. The presented model could realistically simulate the injection of bone cement in porous materials when used with the correct rheological upscaling models, of which the semi-analytical averaging of the viscosity gave the best results. The marrow viscosity is identified as the crucial reference to categorize bone cements as 'high- 'or 'low-' viscosity in the context of vertebroplasty. It is confirmed that a cement with higher viscosity than the marrow ensures stable development of the injection and a proper cement interdigitation inside the vertebra.
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