方法文章

经实验验证的轴向脊柱压缩数学模型可视化椎体压缩性骨折

DOI：

10.3791/65474

⸱

2025年8月12日

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Orthopaedic Surgery, University of Illinois College of Medicine at Chicago, 2Chicago Medical School, Rosalind Franklin University of Medicine and Science, 3Department of Neurosurgery, University of Illinois College of Medicine at Chicago, 4Department of Orthopaedic Surgery, Orthopaedic and Spine Institute, Northshore University HealthSystem

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

在这里，我们提供了一个 VCF 的预测模型来支持手术干预。利用人体和猪尸体在压缩载荷下的生物力学骨折模式来验证有限元分析模型，为更好地可视化椎体骨折提供资源，并支持在脊柱研究中使用猪样本。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究建立的有限元分析（FEA）模型预测了脊椎体在纯压缩载荷下的力学行为。在T9-T12（人）和T12-T14（猪）区域使用4个人和4个猪尸体刺，得出纯轴向压缩下的生物力学失效数据。通过实施这些轴向挤压实验的数据，并将它们与计算机断层扫描 （CT） 衍生的椎骨三维 （3D） 重建相结合，这种新模型从数学上预测了脊柱在椎体压缩性骨折 （VCF） 中的行为。准确数学模型的开发有可能通过准确表示生物力学行为来帮助椎体成形术、椎体后凸成形术期间对 VCF 进行手术干预，并可能采用其他技术。可适用于骨质疏松、融合、种植体生物力学病例，提高手术准确性。了解椎体骨折模式对于手术预先计划和了解先前和未来的风险至关重要。所提出的方法可以作为研究和治疗VCF的额外资源，并进一步支持猪标本在脊柱研究中的使用。

引言

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

椎体压缩性骨折 （VCF） 是前椎体响应轴向压缩载荷的生物力学故障 1,2。美国每年有 1-150 万患者经历 VCF，其显着的危险因素包括骨质疏松症、高龄和女性 3,4,5。VCF 患者可能会感到疼痛、残疾、肺或呼吸功能改变、继发性椎体骨折和死亡风险增加 6,7。首选的临床管理包括物理治疗、康复和疼痛管理1。VCF 治疗的手术干预包括椎体成形术和椎体后凸成形术、Osseo-Fix 脊柱骨折复位系统、内部支具以及前后减压和稳定 2,8,9。VCF 的临床诊断可能涉及磁共振成像 （MRI）、CT、正电子发射断层扫描 （PET） 和单光子发射计算机断层扫描 （SPECT）10 - 然而，椎体骨折的额外可视化和模拟可能会规避这些成像方式的局限性。本文旨在概述一种通过物理压缩实验验证的VCF有限元方法，该方法允许对骨折生物力学进行精确建模和可视化。

有限元分析（FEA）是一种广泛使用的工程方法，用于模拟和数学预测物体对物理条件的响应11。虽然许多关于 VCF 的研究都利用了 FEA 12,13,14，但其中许多研究包括来自活体患者的 CT 衍生模型，并且将受益于对椎骨在实际物理压缩性骨折中的反应的并排验证。本研究不仅概述了有限元分析过程，还概述了轴向压缩性骨折物理模拟的方案。

FEA 已用于各种临床环境中的手术预计划，包括结直肠修复、口腔颌面手术和骨科重建 15,16,17。FEA 提供部位或器官的虚拟 3D 再现，这可能有助于从解剖学上了解独特的患者手术需求。有限元模型可以根据负载或外部压力重现物理物体的大小、形状、方向和行为，这对于优化手术技术很有用。

本研究旨在描述这种附加模型，以帮助优化 VCF 的可视化，这可以增强椎体成形术和球囊椎体后凸成形术的治疗。所描述的方法可能有助于标准化生物力学断裂实验中进行的研究，并且与与成本、时间和样品选择相关的传统方案相比具有优势。该方法还为先前构建的利用医学成像和有限元分析的压缩性骨折数学模型提供了支持12,13,14,18。VCF 形态的补充可视化可以提供优化治疗的工具。本研究提出了一个数学模型，该模型在物理实验测试的支持下，预测了人类和猪标本在轴向压缩载荷下的VCF。

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方案

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

所有实验均按照伊利诺伊大学医学院的相关人类研究伦理和动物护理指南进行。

1. 样品制备

注意：VCF 被广泛描述为胸腰椎区域，因为大多数楔形压缩性骨折发生在胸中部区域19。出于这个原因，这些实验使用了来自人类的胸椎 T9-T12 和来自猪的 T12-14（表 1）。

  1. 获得四根尸体人类脊椎。
  2. 获得四个市售的尸体猪刺。
  3. 分别识别人类和猪脊柱的椎骨 T9-12 和 T12-14。确保总共有十六块人椎骨和十二块猪椎骨。
  4. 使用圆头骨锯和解剖手术刀，解剖已识别的椎骨并去除软组织、肌肉韧带和椎间盘。
  5. 按照 表 2 中列出的规格对每个椎骨进行 CT 扫描。
  6. 使用解剖工具，沿着椎弓根和椎体之间的曲率去除椎骨的后部元素（棘突、横突、小关节、椎板和椎弓根），这样只剩下身体（补充图1）。
  7. 抛光每个椎体的上下表面，以保证平面进行压缩。用标准手术刀和镊子去除椎体上表面和下表面的软组织碎片和残留组织。
  8. 分别从人类和猪标本的椎骨上小面和下小面获得 15 个和 12 个皮质核心。使用摆动骨锯取出 1 cm x 1 cm 的皮质骨样本，并使用标准手术刀去除剩余的松质骨，获得皮质核心。
  9. 通过称量体积测量管道内的每个皮质核心来确定缩放，对样品进行密度测试（补充图2）。
  10. 在准备压缩实验时，使用 CT 图像创建椎体下轮廓的 3D 打印塑料聚合物导轨（补充图 3）。
  11. 使用激光切割机，创建四个孔以通过质心定义矢状面和冠状面。

2. 从射线照相成像创建 3D 模型网格（补充图 4）

  1. 打开MIMICS（图像处理软件）软件。
  2. 导入之前在步骤 1.5 中获得的 CT 图像。单击 “文件”>“新建项目向导”>导入 DICOM 文件。
  3. 通过在 遮罩（Masks） 选项卡下选择 新建（New） 来创建一个新的阈值，并应用为骨骼（CT）选择的默认设置。
  4. 适当地重命名新面具（例如，Human Spine 1， T9）。
  5. 单击 “控制 + 选择 新蒙版”，选择 “计算 3D >最佳质量”>“计算”。3D 模型将出现在右下象限中。
  6. 选择 文件>导出> 3-matic >选择包含命名文件的 3D 对象。
  7. 选择 “固定>平滑”>选择> 以 “平滑系数 0.5”应用的 3D 对象。
  8. 选择 修复>修复向导>遵循建议。继续单击 “遵循建议 ”，直到 # 检测到的 提示显示为绿色。此步骤优化边、壳和重叠三角形。
  9. 选择 “设计”（Design） >“创建分析基元”（Create Analytical Primitive） >“创建基准平面”（Create Datum Plane）。
  10. 选择点并 应用 基准平面的点 1-3。平均颅骨和尾部表面定义了平行于上终板和下终板的横向平面。矢状面定义为垂直于横向平面，在棘突之后从椎骨的前向后穿过质心。
  11. 在左侧工具栏中，将表面网格从 平滑着色（Smooth Shaded ） 更改为 填充三角形边（Filled with Triangle Edges）。
  12. 选择 “重新网格划分”>“均匀重新网格划分”>将“三角形边长”设置为 1.0 mm>“应用”。
  13. 选择 重新网格划分（Remesh） > 创建体积网格体 > 应用（Apply）。
  14. 救*。INP 文件。

3. 为体积网格分配材料属性（补充图 5）

  1. 将文件导出回图像处理软件。
  2. 使用如前所述的矿物校准，使用步骤 1.920,21 中获得的密度值，将 CT 灰度值转换为实际密度值。
    注意：杨氏模量 （E）、屈服应变 （εy） 和泊松系数 （ν） 的结果值如下所示。杨氏模量计算为表观密度和假设比率 ρapp/ρ灰分 等于 0.6 的函数。
    figure-protocol-1
  3. 在 “有限元”（FEA） 下，选择 “材料分配”（Material Assignment）。
  4. 如上所述，为杨氏模量、屈服应变和泊松系数分配值。最小灰度值将密度限制在 0.01 g/cm3 ，以避免无法获得的负密度值。
  5. 单击 导出> Abaqus >选择文件>添加 单个 输出文件 和 创建装配 >复选框>选择 确定。
  6. 打开 Abaqus CAE >右键单击>属性>开始文件夹。
  7. 右键单击> 新建>富文本格式>重命名 并从 .txt 转换为 .m
  8. 在 MATLAB > 编辑器中打开新文件，将屈服后行为指定为完全塑性，如以下等式所述，使用约束 （σ）：
    figure-protocol-2
  9. 单击 运行以 执行该功能。

4. 有限元分析

  1. 选择 模块>步骤>创建>动态、显式>继续>确定。
  2. 选择 模块>加载>边界条件管理器>步骤：初始>位移/旋转>继续。
  3. 选择网格的下边界，然后选择 完成。
  4. 选择 模块>网格>选择零件>分配元素类型>完成> 3D 应力>选择是 进行元素 删除。
  5. 选择 模块>加载>边界条件管理器>创建>步骤 1> 确保类别为 机械>继续。
  6. 选择网格的上边界，然后选择 完成。
  7. 选择模块 >交互>参考点>分配给网格。
  8. 选择 约束管理器>创建刚体>系> 然后选择网格的上边界>分配 参考点>完成。使用从动载荷技术找到控制点位置，其中从动载荷与脊柱曲线相切，确保控制点位于椎体宽度的10%处，从质心投影从上板（补充图6）22。
  9. 选择 模块>荷载>边界条件管理器>创建> 在参考点处分配荷载。
  10. 在 编辑边界条件中，选择 创建振幅>继续> 分配 3 mm/min 的位移速率。
  11. 选择 模块>属性>材料管理器>创建> Mechanical >弹性>弹性> 分配输入数据（表 3）。
  12. 选择 机械>塑性>塑性。
  13. 选择 模块>步骤 > 现场输出请求管理器 > 创建>失效/断裂 > 选择压缩 损伤 和 状态/场/用户/时间 > 状态。
  14. 选择 “作业>模块”>“作业管理器”>“结果”>可视化>“损伤”>“帧选择器”> 使用 “步进滑块”增加负载。
  15. 记录先前定义的故障点。

5. 实验测试

  1. 将上装载板配置到 MTS 连接器上，允许自由旋转多达 5°。
  2. 将椎体放在下压缩板上。
  3. 追踪椎体的轮廓，确保负荷中心在矢状方向上与椎体宽度的 10% 对齐。
  4. 将椎体下轮廓放在轮廓上，由步骤 1.10 和 1.11 中描述的 3D 打印聚合物片定向。
  5. 定向数据跟踪设备以捕获运动变化并将数字标记固定在装载板上。
  6. 在所有视图中获取椎体的预压缩照片。确定视频捕获设备的方向。
  7. 使用材料测试系统 （MTS） 机器，施加准静态位移率为 3 mm/min 的轴向载荷，其中失效设置为椎骨高度的 1/3。MTS 机器自动输出每个实验的负载 （N）。
  8. 使用比例尺上三个数字化要素的坐标来计算距中心标记的位移。
  9. 使用矢状面和冠状面的四个数字化点的坐标来计算上表面（补充图 7）。
  10. 在所有视图中获取椎体的按压后照片。

6. 数据分析

  1. MTS 收集荷载和延伸值以计算荷载-位移曲线。从有限元分析和实验压缩中，利用刚度和强度值进行统计分析。
    注意：刚度是其线性轨迹中的斜率，强度是弹性响应的最高点。最后，通过识别具有非零塑性应变的有限元沿压缩载荷的任何断裂来定义破坏模式。
  2. 使用适当的数据分析软件执行所有统计分析。

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结果

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

从12块猪椎骨中，所有标本获得的载荷-位移曲线如 图1所示，其中所有实验数据曲线都显示出相似的模式。结果显示，平均椎体刚度和强度为 9.54 ±1.1 kN/mm（范围 6.73-13.63 kN/mm）和 10.2 ± 0.86 kN（范围 8.1-13 kN）。实验压缩试验的视频分析表明，试样之间存在共同的失效模式。失效模式由三条断裂线组成。前两条断裂线出现在身体的后外侧表面，破坏从顶部向底部端板垂直传播。第三条骨折线由横向中线裂口组成，一般发生在身体上部。结果，前表面出现剥落。裂缝向斜方向扩展在前壁形成三角形线，产生所需的前楔形断裂。骨折将前皮质壳与顶面和底面分开。这种断裂模式的演示如 补充图 8 所示。

从16块人体椎骨中，压缩产生了 图2所示的载荷-位移曲线，其中大多数椎骨表现出相似的模式。异常值脊柱 #3 似乎更骨质疏松、脆弱和平坦，刚度和强度值的平均误差为 79.6% 和 58.4...

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讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

虽然 CT 衍生的 FEA 是一种成熟的生物力学行为建模工具，但很少有研究将数学建模与 VCF 背景下的物理验证相结合。这项研究展示了胸腰椎 VCF 的准确预测数学模型，并得到了猪和人类尸体脊柱的实验压缩的支持。该模型结合了强度、刚度、断裂模式、载荷力学和材料特性，以数学方式预测椎骨对轴向载荷的响应。猪和人类脊柱之间的形态相似性是公认的，并促使使用猪标本作为比较模型24,25,26,27。使用猪脊提供了支持有限元模型和两个模型之间未来比较研究的数据。猪脊柱模型先前在椎体高度、蒂、椎管和横突尺寸方面与人类相似24。然而，由于猪负重的性质、四足状态以及解剖结构的差异，对其类比的怀疑仍然存在25,26

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披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者没有什么可披露的，也不存在利益冲突。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本出版物中报告的研究得到了 Cocomo 基金会的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
3-MATIC具体化 v15.0 
Abaqus/CAESimulian/a
分析天平Sigma AldrichOH30122634
尸体猪刺 伊利诺伊州芝加哥当地肉店
CT 机 西门子SOMATOM 定义 AS
Epredia Shandon 圆头骨锯，刀片：8 英寸。x 2.5 英寸（20.3 英寸 6.4 厘米），标准，11.5 英寸（29.2 厘米）费舍尔科学40018
费雪布兰德 精细精密中尖镊子/镊子Fischer Scientific12-000-157
Integra Miltex 无菌标准手术刀Fischer Scientific12-460-451
激光切割机/3D 打印机Fusion3F400HFR
Mimics Software Materialisev2.0
NDI Optotrak CertusNextGen 人体工程学Certus 产品
骨科骨锯骨科钻头OTS-1
SPSS 统计 IBMv27
吸水底垫，带防水防潮层，58.4 x 61 厘米，410 毫升，蓝色，200/csVWR INTERNATIONAL INC 56616-032

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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