Un modelo matemático validado experimentalmente de compresión espinal axial para visualizar la fractura por compresión vertebral

Resumen

Aquí, proporcionamos un modelo predictivo de VCF para respaldar la intervención quirúrgica. Se utilizaron patrones de fractura biomecánicos de vértebras cadavéricas humanas y porcinas bajo carga de compresión para verificar un modelo FEA, proporcionando un recurso para visualizar mejor la fractura vertebral y apoyar el uso de muestras porcinas en la investigación de la columna vertebral.

Resumen

El modelo de análisis de elementos finitos (FEA) establecido en este estudio predice el comportamiento mecánico de un cuerpo vertebral bajo carga de compresión pura. Se utilizaron cuatro espinas cadavéricas humanas y cuatro porcinas en la región de T9-T12 (humana) y T12-T14 (porcina) para obtener datos de fallas biomecánicas bajo compresión axial pura. Al implementar los datos de estos experimentos de aplastamiento axial y combinarlos con reconstrucciones tridimensionales (3D) derivadas de tomografía computarizada (TC) de vértebras, este nuevo modelo predice matemáticamente el comportamiento de la columna vertebral en fracturas por compresión vertebral (VCF). El desarrollo de un modelo matemático preciso tiene el potencial de ayudar a la intervención quirúrgica de VCF durante la vertebroplastia, la cifoplastia y potencialmente técnicas adicionales al representar con precisión el comportamiento biomecánico. Se puede adaptar para casos de osteoporosis, fusión y biomecánica de implantes para mejorar la precisión quirúrgica. Comprender el patrón de fractura vertebral es esencial en la planificación previa quirúrgica y comprender los riesgos previos y futuros. El método presentado puede servir como un recurso adicional para estudiar y tratar la FVC y apoya aún más el uso de especímenes porcinos en la investigación de la columna vertebral.

Introducción

Las fracturas vertebrales por compresión (VCF) son fallas biomecánicas del cuerpo vertebral anterior en respuesta a la carga de compresión axial ^1,2. Hay entre 1 y 1,5 millones de pacientes que experimentan FVC en los EE. UU. cada año, con factores de riesgo notables que incluyen osteoporosis, edad avanzada y sexo femenino ^3,4,5. Los pacientes con VCF pueden experimentar dolor, discapacidad, alteración de la función pulmonar o respiratoria, fractura vertebral secundaria y mayor riesgo de mortalidad ^6,7. El manejo clínico preferido incluye fisioterapia, rehabilitación y manejo del dolor¹. La intervención quirúrgica para el tratamiento de VCF incluye vertebroplastia y cifoplastia, el sistema de reducción de fracturas espinales Osseo-Fix, aparatos ortopédicos internos y descompresión y estabilización anterior y posterior ^2,8,9. El diagnóstico clínico de VCF puede involucrar imágenes por resonancia magnética (IRM), TC, tomografía por emisión de positrones (PET) y tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT)¹⁰, sin embargo, la visualización y simulación adicionales de la fractura vertebral pueden eludir las limitaciones de estas modalidades de imagen. Este artículo tiene como objetivo esbozar un método de elementos finitos de VCF, validado por experimentos de compresión física, que permite un modelado y visualización precisos de la biomecánica de fracturas.

El análisis de elementos finitos (FEA) es un método de ingeniería ampliamente utilizado para simular y predecir matemáticamente la respuesta de un objeto a las condiciones físicas¹¹. Si bien numerosos estudios de VCF utilizan FEA 12,13,14, muchos de estos estudios incluyen modelos derivados de TC de pacientes vivos y se beneficiarían de una validación lado a lado de la respuesta de la vértebra en una fractura por compresión física real. Este estudio describe no solo el proceso de FEA, sino también el protocolo para la simulación física de la fractura por compresión axial.

La FEA se ha utilizado en la planificación previa quirúrgica en una variedad de entornos clínicos, incluida la reparación colorrectal, los procedimientos orales y maxilofaciales y la reconstrucción ortopédica 15,16,17. FEA proporciona una recreación virtual en 3D de un sitio u órgano, lo que puede facilitar la comprensión anatómica de las necesidades quirúrgicas únicas de un paciente. Un modelo de elementos finitos puede recrear el tamaño, la forma, la orientación y el comportamiento de un objeto físico en respuesta a cargas o presiones externas, lo que es útil para optimizar las técnicas quirúrgicas.

Este estudio tiene como objetivo describir este modelo adicional para ayudar a optimizar la visualización de VCF, que puede aumentar el tratamiento mediante vertebroplastia y cifoplastia con balón. El método descrito puede ser beneficioso para estandarizar la investigación realizada en experimentos biomecánicos de fracturas y ofrece ventajas sobre los protocolos tradicionales relacionados con el costo, el tiempo y la selección de muestras. Este método también proporciona soporte para modelos matemáticos previamente construidos de fracturas por compresión que utilizaron imágenes médicas y análisis de elementos finitos 12,13,14,18. La visualización complementaria de la morfología del VCF puede proporcionar una herramienta para optimizar el tratamiento. Este estudio propone un modelo matemático que predice VCF bajo carga de compresión axial, apoyado en pruebas físicas experimentales, en muestras humanas y porcinas.

Protocolo

Todos los experimentos se realizaron de acuerdo con las pautas relevantes de ética de investigación humana y cuidado de animales en la Facultad de Medicina de la Universidad de Illinois.

1. Preparación de la muestra

NOTA: Las FVC están ampliamente descritas para la región toracolumbar, ya que la mayoría de las fracturas por compresión en cuña ocurren en el área torácica media¹⁹. Por esta razón, para estos experimentos se utilizaron las vértebras torácicas T9-T12 de humanos y T12-14 de cerdos (Tabla 1).

1. Obtén cuatro espinas humanas cadavéricas.
2. Obtenga cuatro espinas porcinas cadavéricas disponibles comercialmente.
3. Identificar las vértebras T9-12 y T12-14 para las espinas humanas y porcinas, respectivamente. Asegúrese de que haya un total de dieciséis vértebras humanas y doce vértebras porcinas.
4. Con una sierra de hueso de punta redonda y un bisturí de disección, diseccione las vértebras identificadas y extraiga el tejido blando, los ligamentos musculares y los discos intervertebrales.
5. Realice tomografías computarizadas para cada vértebra espinal con las especificaciones enumeradas en la Tabla 2.
6. Con herramientas de disección, retire los elementos posteriores de las vértebras (apófisis espinosas, apófisis transversas, articulaciones facetarias, lámina y pedículos), siguiendo la curvatura entre el pedículo y el cuerpo vertebral, de modo que solo quede el cuerpo (Figura complementaria 1).
7. Pula las superficies superior e inferior de cada cuerpo vertebral para asegurar una superficie plana para la compresión. Elimine los restos de tejido blando y el tejido restante en las superficies vertebrales superior e inferior con un bisturí estándar y fórceps.
8. Obtener 15 y 12 núcleos corticales de las facetas superior e inferior de las vértebras para especímenes humanos y porcinos, respectivamente. Obtenga núcleos corticales con una sierra de hueso oscilante para extraer una muestra de hueso cortical de 1 cm x 1 cm y use un bisturí estándar para eliminar el hueso esponjoso restante.
9. Realice una prueba de densidad en muestras pesando cada núcleo cortical dentro de una tubería de volumen medido para determinar la escala (Figura complementaria 2).
10. En preparación para los experimentos de compresión, use las imágenes de TC para crear una guía de polímero plástico impresa en 3D del perfil inferior del cuerpo vertebral (Figura complementaria 3).
11. Con una máquina cortadora láser, cree cuatro orificios para definir los planos sagital y coronal a través del centro de masa.

2. Creación de una malla modelo 3D a partir de imágenes radiográficas (Figura complementaria 4)

1. Abra el software MIMICS (software de procesamiento de imágenes).
2. Importe las imágenes de TC obtenidas previamente en el paso 1.5. Haga clic en Archivo > Asistente para nuevo proyecto > Importar archivo DICOM.
3. Cree un nuevo umbral seleccionando Nuevo en la pestaña Máscaras y aplique la configuración predeterminada seleccionada para Hueso (CT).
4. Cambie el nombre de la nueva máscara apropiadamente (por ejemplo, Columna vertebral humana 1, T9).
5. Haga clic en Control + Seleccionar la nueva máscara, seleccione Calcular 3D > Calidad óptima > Calcular. El modelo 3D aparecerá en el cuadrante inferior derecho.
6. Seleccione Archivo > Exportar > 3-matic > Seleccione Objeto 3D, que contiene el archivo con nombre.
7. Seleccione Corregir > Suavizar > Seleccionar objeto 3D > Aplicar en Factor de suavizado 0,5.
8. Seleccione Corregir > Asistente para corregir > siga los consejos. Continúe haciendo clic en Seguir consejos hasta que el mensaje # detectado aparezca en verde. Este paso optimiza las aristas, los vaciados y los triángulos superpuestos.
9. Seleccione Diseño > Crear primitiva analítica > Crear plano de referencia.
10. Seleccione puntos y solicite los puntos 1-3 del plano de referencia. Las superficies craneales y caudales promedio definieron el plano transversal paralelo a las placas terminales superior e inferior. El plano sagital se define como perpendicular al plano transversal, pasando por el centro de masa desde la dirección anterior a la posterior de las vértebras siguiendo la apófisis espinosa.
11. En la barra de herramientas de la izquierda, cambie la malla de superficie de Sombreado suave a Relleno con bordes triangulares.
12. Seleccione Remallado > Remallado uniforme > Establezca Longitud de borde triangular en 1,0 mm > Aplicar.
13. Seleccione Volver a mallar > Crear malla de volumen > aplicar.
14. Salvar*. INP.

3. Asignación de propiedades de material a la malla de volumen (Figura complementaria 5)

1. Exporte el archivo nuevamente al software de procesamiento de imágenes.
2. Convierta los valores de escala de grises de CT a valores de densidad real utilizando la calibración de minerales como se describió anteriormente, utilizando los valores de densidad obtenidos en el paso 1.9^20,21.
   NOTA: Los valores resultantes para el módulo de Young (E), la deformación de fluencia (εy) y el coeficiente de Poisson (ν) se muestran a continuación. El módulo de Young se calcula en función de la densidad aparente y la relación asumida ρ_app/ρ_ceniza igual a 0,6.
   
3. En FEA, seleccione Asignación de material.
4. Asigne valores para el módulo de Young, la deformación de fluencia y el coeficiente de Poisson como se determinó anteriormente. El valor mínimo de escala de grises limita la densidad a 0,01 g/cm³ para evitar valores de densidad negativos inobtenibles.
5. Haga clic en Exportar > Abaqus > Seleccionar archivo> Añadir > casillas de verificación para Archivo de salida único y Crear ensamblaje > Seleccione Aceptar.
6. Abra Abaqus CAE > haga clic con el botón derecho en > Propiedades > carpeta Inicio .
7. Haga clic con el botón derecho > Nuevo formato de texto enriquecido > > Cambiar el nombre y convertir de .txt a .m
8. Abra el nuevo archivo en MATLAB > en el Editor, asigne el comportamiento posterior al rendimiento como perfectamente plástico, como se describe en la siguiente ecuación, con restricción (σ):
   
9. Haga clic en Ejecutar para realizar la función.

4. Análisis de elementos finitos

1. Seleccione Módulo > Paso > Crear > dinámico, explícito > continuar > Aceptar.
2. Seleccione Módulo > Cargar > Administrador de condiciones de contorno > Paso: Desplazamiento de > inicial/rotación > Continuar.
3. Seleccione el límite inferior de la malla y seleccione Listo.
4. Seleccione Módulo > Malla > Seleccione Parte > Asigne tipo de elemento > Hecho > Tensión 3D > Seleccione Sí para Eliminación de elementos.
5. Seleccione Módulo > Cargar > Administrador de condiciones de contorno > Crear > Paso 1 > asegúrese de que la categoría sea Mecánico > Continuar.
6. Seleccione el límite superior de la malla y seleccione Listo.
7. Seleccione Módulo > Interacción > punto de referencia > asignar a Malla.
8. Seleccione Administrador de restricciones > Crear > cuerpo rígido > Amarre y seleccione el contorno superior de la malla > Asignar punto de referencia > Listo. Encuentre la ubicación del punto controlado utilizando la técnica de carga seguidora, donde la carga seguidora es tangente a la curva de la columna vertebral, asegurando que el punto controlado se ubique al 10% del ancho del cuerpo vertebral a lo largo del plano sagital desde el centro de proyección de masa desde la placa superior (Figura complementaria 6)²².
9. Seleccione Módulo > Cargar > Administrador de condiciones de contorno > Crear > asignar carga en el punto de referencia.
10. En Editar condición de contorno, seleccione Crear amplitud > Continuar > asigne una velocidad de desplazamiento de 3 mm/min.
11. Seleccione Módulo > Propiedad > Administrador de materiales > Crear > Elasticidad > mecánica > Elástico > asignar datos de entrada (Tabla 3).
12. Seleccione Plasticidad mecánica > > plástico.
13. Seleccione Módulo > Paso > Administrador de solicitudes de salida de campo > Creado > Falla/Fractura > seleccione Daño por compresión y Estado/Campo/Usuario/Tiempo > ESTADO.
14. Seleccione Módulo > Trabajo > Administrador de trabajos > Resultados > Visualización > DAÑO > Selector de fotogramas > aumentar la carga con el control deslizante de pasos.
15. Documente el punto de falla definido previamente.

5. Pruebas experimentales

1. Configure la placa de carga superior en el conector MTS, lo que permite una rotación libre de hasta 5°.
2. Coloque el cuerpo vertebral en la placa de compresión inferior.
3. Traza la silueta del cuerpo vertebral para asegurarte de que el centro de carga esté alineado con el 10% del ancho del cuerpo vertebral desde el centro de masa en la dirección sagital.
4. Coloque el perfil inferior del cuerpo vertebral en el contorno, orientado por la pieza de polímero impresa en 3D descrita en los pasos 1.10 y 1.11.
5. Oriente el equipo de seguimiento de datos para capturar los cambios de movimiento y fijar el marcador digital en la placa de carga.
6. Obtenga fotos de precompresión de los cuerpos vertebrales en todas las vistas. Oriente el dispositivo de captura de video.
7. Usando la máquina de sistemas de prueba de materiales (MTS), aplique una carga axial de una tasa de desplazamiento cuasiestático de 3 mm / min, donde la falla se establece como 1/3 de la altura de la vértebra. La máquina MTS genera automáticamente la carga (N) para cada experimento.
8. Utilice las coordenadas de tres entidades digitalizadas en la escala para calcular el desplazamiento desde el marcador central.
9. Utilice las coordenadas de cuatro puntos digitalizados de los planos sagital y coronal para calcular la superficie superior (Figura complementaria 7).
10. Obtenga fotos post-compresión de los cuerpos vertebrales en todas las vistas.

6. Análisis de datos

1. El MTS recopila los valores de carga y extensión para calcular la curva de carga-desplazamiento. Tanto de FEA como de compresión experimental, utilice valores de rigidez y resistencia para realizar análisis estadísticos.
   NOTA: La rigidez es la pendiente en su trayectoria lineal y la resistencia es el punto más alto de respuesta elástica. Finalmente, el patrón de falla se define identificando cualquier fractura a lo largo de la carga de compresión de elementos finitos con una deformación plástica distinta de cero.
2. Realice todos los análisis estadísticos utilizando el software de análisis de datos adecuado.

Resultados

De las 12 vértebras porcinas, las curvas de carga-desplazamiento obtenidas para todos los especímenes se muestran en la Figura 1, donde todas las curvas de datos experimentales mostraron patrones similares. Los resultados muestran una rigidez y resistencia vertebral promedio de 9,54 ±1,1 kN/mm (rango 6,73-13,63 kN/mm) y 10,2 ± 0,86 kN (rango 8,1-13 kN). El análisis de video de las pruebas de compresión experimentales demostró un patrón de falla común en todas las muestras. El patrón de falla...

Discusión

Si bien la FEA derivada de CT es una herramienta bien establecida para modelar el comportamiento biomecánico, pocos estudios aplican modelos matemáticos junto con la validación física en el contexto de VCF. Este estudio demuestra un modelo matemático predictivo preciso de VCF toracolumbar, respaldado por la compresión experimental de espinas cadavéricas porcinas y humanas. El modelo incorpora resistencia, rigidez, patrón de fractura, mecánica de carga y propiedades del material para pred...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
3-MATIC	Materialise	v15.0
Balanza analítica Abaqus/CAE	Simulia	n/a
Sigma	Aldrich	OH30122634
Espinas porcinas cadavéricas			Carnicería local, Chicago, IL
Máquina CT	Siemens	SOMATOM Definition AS
Epredia  Sierra de hueso de punta redonda Shandon, Hoja: 8 in. x 2.5 pulg. (20,3 pulg. 6,4 cm), estándar, 11,5 pulg. (29,2 cm)	Fischer Scientific	40018
Fisherbrand  Pinzas/Pinzas de punta media de precisión fina	Fischer Scientific	12-000-157
Integra Miltex  Bisturíes estándar estériles	Fischer Scientific	12-460-451
Máquina cortadora láser/impresora 3D	Fusion3	F400HFR
Mimics Software	Materialise	v2.0
NDI Optotrak Certus	NextGen Ergonomía	Certus Products
Sierra ósea ortopédica	OrthopaedDrills	OTS-1
SPSS Estadísticas	IBM	v27
Empapadores absorbentes con barrera impermeable contra la humedad, 58,4 x 61 cm, 410 ml, azul, 200/cs	VWR INTERNATIONAL INC	56616-032