Article de méthode

Un modèle mathématique validé expérimentalement de la compression vertébrale axiale pour visualiser la fracture vertébrale par compression

DOI :

10.3791/65474

⸱

12 août 2025

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

Dans cet article

Résumé

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

Ici, nous fournissons un modèle prédictif des FCV pour soutenir l’intervention chirurgicale. Les modèles de fractures biomécaniques de vertèbres cadavériques humaines et porcines sous charge de compression ont été utilisés pour vérifier un modèle FEA, fournissant une ressource pour mieux visualiser les fractures vertébrales et soutenant l’utilisation d’échantillons porcins dans la recherche sur la colonne vertébrale.

Résumé

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

Le modèle d’analyse par éléments finis (FEA) établi dans cette étude prédit le comportement mécanique d’un corps vertébral sous charge de compression pure. Quatre épines cadavériques humaines et quatre épines cadavériques porcines ont été utilisées dans la région de T9-T12 (humain) et T12-T14 (porcin) pour obtenir des données de défaillance biomécanique sous compression axiale pure. En mettant en œuvre les données de ces expériences d’écrasement axial et en les combinant avec des reconstructions tridimensionnelles (3D) de vertèbres dérivées de la tomodensitométrie (TDM), ce nouveau modèle prédit mathématiquement le comportement de la colonne vertébrale dans les fractures vertébrales par compression (VCF). Le développement d’un modèle mathématique précis a le potentiel d’aider à l’intervention chirurgicale des VCF pendant la vertébroplastie, la cyphoplastie et potentiellement des techniques supplémentaires en représentant avec précision le comportement biomécanique. Il peut être adapté aux cas d’ostéoporose, de fusion et de biomécanique implantaire afin d’améliorer la précision chirurgicale. Comprendre le schéma de fracture vertébrale est essentiel dans la planification chirurgicale préalable et la compréhension des risques antérieurs et futurs. La méthode présentée peut servir de ressource supplémentaire pour l’étude et le traitement de la FCV et soutient davantage l’utilisation de spécimens porcins dans la recherche sur la colonne vertébrale.

Introduction

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

Les fractures vertébrales par compression (VCF) sont des défaillances biomécaniques du corps vertébral antérieur en réponse à une charge de compression axiale 1,2. Aux États-Unis, 1 à 1,5 million de patients souffrent de FCV chaque année, avec des facteurs de risque notables tels que l’ostéoporose, l’âge avancé et le sexe féminin 3,4,5. Les patients atteints de VCF peuvent ressentir de la douleur, une invalidité, une altération de la fonction pulmonaire ou respiratoire, une fracture vertébrale secondaire et un risque accru de mortalité 6,7. La prise en charge clinique privilégiée comprend la physiothérapie, la réadaptation et la gestion de la douleur1. L’intervention chirurgicale pour le traitement VCF comprend la vertébroplastie et la cyphoplastie, le système de réduction des fractures vertébrales Osseo-Fix, l’attelle interne et la décompression et la stabilisation antérieures et postérieures 2,8,9. Le diagnostic clinique de la FCV peut impliquer l’imagerie par résonance magnétique (IRM), la TDM, la tomographie par émission de positons (TEP) et la tomographie par émission monophotonique (SPECT)10 - cependant, une visualisation et une simulation supplémentaires de la fracture vertébrale peuvent contourner les limites de ces modalités d’imagerie. Cet article vise à décrire une méthode d’éléments finis de VCF, validée par des expériences de compression physique, qui permet une modélisation et une visualisation précises de la biomécanique des fractures.

L’analyse par éléments finis (FEA) est une méthode d’ingénierie largement utilisée pour simuler et prédire mathématiquement la réponse d’un objet aux conditions physiques11. Bien que de nombreuses études sur la FCV utilisent les FEA12, 13 et 14, bon nombre de ces études incluent une modélisation dérivée de la tomodensitométrie de patients vivants et bénéficieraient d’une validation côte à côte de la réponse de la vertèbre en cas de fracture physique par compression réelle. Cette étude décrit non seulement le processus FEA, mais également le protocole de simulation physique de la rupture par compression axiale.

L’analyse par éléments finis a été utilisée dans la préplanification chirurgicale dans divers contextes cliniques, y compris la réparation colorectale, les procédures buccales et maxillo-faciales et la reconstruction orthopédique 15,16,17. L’analyse par éléments finis fournit une recréation virtuelle en 3D d’un site ou d’un organe, ce qui peut faciliter la compréhension anatomique des besoins chirurgicaux uniques d’un patient. Un modèle d’éléments finis peut recréer la taille, la forme, l’orientation et le comportement d’un objet physique en réponse à des charges ou à des pressions externes, ce qui est utile pour optimiser les techniques chirurgicales.

Cette étude vise à décrire ce modèle supplémentaire pour aider à optimiser la visualisation de la FCV, qui peut augmenter le traitement par vertébroplastie et cyphoplastie par ballonnet. La méthode décrite peut être bénéfique pour normaliser la recherche effectuée dans les expériences de fracture biomécanique et offre des avantages par rapport aux protocoles traditionnels liés au coût, au temps et à la sélection des échantillons. Cette méthode fournit également un support pour les modèles mathématiques précédemment construits de fractures par compression qui utilisaient l’imagerie médicale et l’analyse par éléments finis 12,13,14,18. La visualisation supplémentaire de la morphologie du VCF peut fournir un outil pour optimiser le traitement. Cette étude propose un modèle mathématique qui prédit la VCF sous charge de compression axiale, étayée par des essais expérimentaux physiques, chez des échantillons humains et porcins.

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Protocole

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

Toutes les expériences ont été réalisées conformément aux directives pertinentes en matière d’éthique de la recherche humaine et de soins aux animaux de la faculté de médecine de l’Université de l’Illinois.

1. Préparation de l’échantillon

REMARQUE : Les VCF sont décrites en détail pour la région thoraco-lombaire, car la plupart des fractures par compression cunéiforme se produisent dans la région médio-thoracique19. Pour cette raison, des vertèbres thoraciques T9-T12 d’humains et T12-14 de porcins ont été utilisées pour ces expériences (tableau 1).

  1. Obtenez quatre épines humaines cadavériques.
  2. Obtenir quatre épines de porc cadavérique disponibles dans le commerce.
  3. Identifiez les vertèbres T9-12 et T12-14 pour les épines humaines et porcines, respectivement. Assurez-vous qu’il y a un total de seize vertèbres humaines et douze vertèbres porcines.
  4. À l’aide d’une scie à os à bout rond et d’un scalpel de dissection, disséquez les vertèbres identifiées et retirez les tissus mous, les ligaments musculaires et les disques intervertébraux.
  5. Effectuez des tomodensitogrammes pour chaque vertèbre vertébrale avec les spécifications énumérées dans le tableau 2.
  6. À l’aide d’outils de dissection, retirez les éléments postérieurs des vertèbres (apophyse épineuse, apophyse transverse, articulations facettaires, limbe et pédicules), en suivant la courbure entre le pédicule et le corps vertébral, de sorte qu’il ne reste que le corps (Figure supplémentaire 1).
  7. Polissez les surfaces supérieure et inférieure de chaque corps vertébral pour assurer une surface plane pour la compression. Retirez les débris des tissus mous et les tissus restants sur les surfaces vertébrales supérieure et inférieure à l’aide d’un scalpel standard et d’une pince.
  8. Obtenez 15 et 12 noyaux corticaux à partir des facettes supérieure et inférieure des vertèbres pour les spécimens humains et porcins, respectivement. Obtenez des carottes corticales à l’aide d’une scie à os oscillante pour prélever un échantillon de 1 cm x 1 cm d’os cortical et utilisez un scalpel standard pour retirer l’os spongieux restant.
  9. Effectuer un essai de densité sur des échantillons en pesant chaque carotte corticale à l’intérieur d’un tuyau dont le volume est mesuré afin de déterminer l’entartrage (figure supplémentaire 2).
  10. En préparation aux expériences de compression, utilisez les images CT pour créer un guide en polymère plastique imprimé en 3D du profil inférieur du corps vertébral (figure supplémentaire 3).
  11. À l’aide d’une machine de découpe laser, créez quatre trous pour définir les plans sagittal et coronal à travers le centre de masse.

2. Création d’un maillage de modèle 3D à partir de l’imagerie radiographique (Figure supplémentaire 4)

  1. Ouvrez le logiciel MIMICS (logiciel de traitement d’image).
  2. Importez les images CT précédemment obtenues à l’étape 1.5. Cliquez sur Fichier > Assistant Nouveau projet > Importer un fichier DICOM.
  3. Créez un nouveau seuil en sélectionnant Nouveau sous l’onglet Masques et appliquez les paramètres par défaut sélectionnés pour Os (CT).
  4. Renommez le nouveau masque de manière appropriée (par exemple, Colonne vertébrale humaine 1, T9).
  5. Cliquez sur Ctrl + Sélectionnez le nouveau masque, sélectionnez Calculer 3D > Qualité optimale > Calculer. Le modèle 3D apparaîtra dans le quadrant inférieur droit.
  6. Sélectionnez Fichier > Exporter > 3-matic > Sélectionnez Objet 3D, qui contient le fichier nommé.
  7. Sélectionnez Corriger > lisser > Sélectionnez Objet 3D > appliquer à un facteur de lissage de 0,5.
  8. Sélectionnez Réparer > Assistant de réparation > suivez les conseils. Continuez à cliquer sur Suivre les conseils jusqu’à ce que l’invite # détecté apparaisse en vert. Cette étape permet d’optimiser les bords, les coques et les triangles qui se chevauchent.
  9. Sélectionnez Conception > Créer une primitive analytique > Créer un plan de référence.
  10. Sélectionnez des points et appliquez-les aux points 1 à 3 du plan de référence. Les surfaces crâniennes et caudales moyennes définissaient le plan transversal parallèle aux plaques d’extrémité supérieure et inférieure. Le plan sagittal est défini comme perpendiculaire au plan transversal, passant par le centre de masse de la direction antérieure à postérieure des vertèbres en suivant l’apophyse épineuse.
  11. Dans la barre d’outils de gauche, remplacez le maillage de surface de Lisse ombré par Rempli d’arêtes triangulaires.
  12. Sélectionnez Remailler > Remailler uniforme > Définissez la longueur du bord du triangle sur 1,0 mm > Appliquer.
  13. Sélectionnez Remailler > Créer un maillage de volume > Appliquer.
  14. Sauvegarder*. INP.

3. Attribution de propriétés de matériau au maillage volumique (figure supplémentaire 5)

  1. Réexportez le fichier dans le logiciel de traitement d’image.
  2. Convertissez les valeurs de niveaux de gris CT en valeurs de densité réelles à l’aide de l’étalonnage minéral comme décrit précédemment, en utilisant les valeurs de densité obtenues à l’étape 1.920,21.
    REMARQUE : Les valeurs résultantes pour le module de Young (E), la déformation d’élasticité (εy) et le coefficient de Poisson (ν) sont indiquées ci-dessous. Le module de Young est calculé en fonction de la densité apparente et du rapport présumé ρapp/ρcendres égal à 0,6.
    figure-protocol-1
  3. Sous MEF, sélectionnez Affectation de matière.
  4. Attribuez des valeurs pour le module de Young, la déformation d’élasticité et le coefficient de Poisson comme déterminé ci-dessus. La valeur minimale en niveaux de gris limite la densité à 0,01 g/cm3 pour éviter des valeurs de densité négatives inatteignables.
  5. Cliquez sur Exporter > Abaqus > Sélectionner un fichier> Ajouter > cases à cocher pour Fichier de sortie unique et Créer un assemblage > Sélectionnez OK.
  6. Ouvrez Abaqus CAE > Faites un clic droit > Propriétés > dossier Démarrer .
  7. Faites un clic droit > Nouveau format de texte enrichi > > Renommez et convertissez de .txt en .m
  8. Ouvrez le nouveau fichier dans MATLAB > dans Editor, attribuez un comportement post-rendement parfaitement plastique, comme décrit par l’équation suivante, avec une contrainte (σ) :
    figure-protocol-2
  9. Cliquez sur Exécuter pour exécuter la fonction.

4. Analyse par éléments finis

  1. Sélectionnez le module > étape > créez > dynamique, explicite > continuez > ok.
  2. Sélectionnez le module > charger > le gestionnaire de conditions aux limites > Étape : Initial > déplacement/rotation > continuer.
  3. Sélectionnez la limite inférieure du maillage et sélectionnez Terminé.
  4. Sélectionnez Module > Maillage > Sélectionnez Pièce > Attribuez le type d’élément > Terminé > Contrainte 3D > Sélectionnez Oui pour la suppression de l’élément.
  5. Sélectionnez Module > Charger > Gestionnaire de conditions aux limites > Créez > Étape 1 > assurez-vous que la catégorie est Mécanique > Continuer.
  6. Sélectionnez la limite supérieure du maillage et sélectionnez Terminé.
  7. Sélectionnez le module > interaction > point de référence > attribuer au maillage.
  8. Sélectionnez Gestionnaire de contraintes > Créer > corps rigide > Lier et sélectionnez la limite supérieure du maillage > Affecter un point de référence > Terminé. Trouvez l’emplacement du point contrôlé à l’aide de la technique de la charge suiveuse, où la charge suiveur est tangente à la courbe de la colonne vertébrale, en veillant à ce que le point contrôlé soit situé à 10 % de la largeur du corps vertébral le long du plan sagittal à partir du centre de projection de masse à partir de la plaque supérieure (Figure supplémentaire 6)22.
  9. Sélectionnez Module > Charger > Gestionnaire de conditions aux limites > Créer > attribuer une charge au point de référence.
  10. Dans Modifier la condition aux limites, sélectionnez Créer une amplitude > Continuer > attribuer un taux de déplacement de 3 mm/min.
  11. Sélectionnez Module > Propriété > Gestionnaire de matériaux > Créez > Élasticité mécanique > > Élastique > affectez des données d’entrée (Tableau 3).
  12. Sélectionnez Plasticité mécanique > > plastique.
  13. Sélectionnez Module > Étape > Gestionnaire de demandes de sortie de champ > Créé > Échec/Rupture > sélectionnez Dommages de compression et État/Champ/Utilisateur/Temps > ÉTAT.
  14. Sélectionnez Module > Tâche > Gestionnaire de tâches > Résultats > Visualisation > DOMMAGES > Sélecteur de cadre > augmenter la charge à l’aide du curseur de pas.
  15. Documentez le point de défaillance précédemment défini.

5. Essais expérimentaux

  1. Configurez la plaque de chargement supérieure sur le connecteur MTS, permettant une rotation libre jusqu’à 5°.
  2. Placez le corps vertébral sur la plaque de compression inférieure.
  3. Tracez la silhouette du corps vertébral pour vous assurer que le centre de charge est aligné avec 10 % de la largeur du corps vertébral à partir du centre de masse dans la direction sagittale.
  4. Placez le profil inférieur du corps vertébral sur le contour, orienté par la pièce de polymère imprimée en 3D décrite aux étapes 1.10 et 1.11.
  5. Orientez l’équipement de suivi des données pour capturer les changements de mouvement et fixer le marqueur numérique sur la plaque de chargement.
  6. Obtenez des photos de pré-compression des corps vertébraux dans toutes les vues. Orientez le périphérique de capture vidéo.
  7. À l’aide de la machine MTS (systèmes d’essai des matériaux), appliquez une charge axiale d’un taux de déplacement quasi-statique de 3 mm/min, où la défaillance est fixée à 1/3 de la hauteur de la vertèbre. La machine MTS émet automatiquement la charge (N) pour chaque expérience.
  8. Utilisez les coordonnées de trois entités numérisées sur l’échelle pour calculer le déplacement à partir du marqueur central.
  9. Utilisez les coordonnées de quatre points numérisés des plans sagittal et coronal pour calculer la surface supérieure (figure supplémentaire 7).
  10. Obtenez des photos post-compression des corps vertébraux dans toutes les vues.

6. Analyse des données

  1. Le MTS collecte les valeurs de charge et d’extension pour calculer la courbe charge-déplacement. À partir de l’analyse par éléments finis et de la compression expérimentale, utilisez les valeurs de rigidité et de résistance pour effectuer une analyse statistique.
    REMARQUE : La rigidité est la pente dans sa trajectoire linéaire, et la résistance est le point le plus élevé de la réponse élastique. Enfin, le modèle de défaillance est défini en identifiant toute rupture le long de la charge de compression à partir d’éléments finis avec une déformation plastique non nulle.
  2. Effectuer toutes les analyses statistiques à l’aide d’un logiciel d’analyse de données approprié.

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Résultats

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

À partir des 12 vertèbres porcines, les courbes de charge-déplacement obtenues pour tous les spécimens sont illustrées à la figure 1, où toutes les courbes de données expérimentales ont montré des modèles similaires. Les résultats montrent une rigidité et une résistance vertébrales moyennes de 9,54 ±1,1 kN/mm (plage de 6,73-13,63 kN/mm) et de 10,2 ± 0,86 kN (plage de 8,1 à 13 kN). L’analyse vidéo des essais de compression expérimentaux a mis en évidence un modèle de défaillance commun à tout...

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Discussion

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

Bien que l’analyse par éléments finis dérivée de la tomodensitométrie soit un outil bien établi pour modéliser le comportement biomécanique, peu d’études appliquent la modélisation mathématique en conjonction avec la validation physique dans le contexte des VCF. Cette étude démontre un modèle mathématique prédictif précis de la VCF thoraco-lombaire, soutenu par la compression expérimentale d’épines cadavériques porcines et humaines. Le modèle intègre la résistance, la rigidité, le modèle...

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Déclarations de divulgation

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

Les auteurs n’ont rien à divulguer et il n’existe aucun conflit d’intérêts.

Remerciements

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

Les recherches dont il est question dans cette publication ont été soutenues par la Fondation Cocomo.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
3-MATICMaterialise  ; v15.0
Abaqus/CAESimulian/a
Balance analytiqueSigma AldrichOH30122634
Épines porcines cadavériques  ;Boucherie locale, Chicago, IL
CT machineSiemensSOMATOM Définition AS
Epredia  ; Scie à os à bout rond Shandon, lame : 8 po. x 2,5 pouces (20,3 po, 6,4 cm), standard, 11,5 po. (29,2 cm)Fischer Scientific40018
Fisherbrand  ; Pince à épiler fine de précision à pointe moyenneFischer Scientific12-000-157
Integra Miltex  ; Scalpels standard stérilesFischer Scientific12-460-451
Machine de découpe laser/imprimante 3DFusion3F400HFR
Mimics Software  ;Materialisev2.0
NDI Optotrak CertusNextGen ErgonomieCertus Products
Orthopedic Bone SawOrthopedicDrillsOTS-1
SPSS Statistics  ;Sous-matelasIBM v27
avec barrière contre l’humidité imperméable, 58,4 x 61 cm, 410 mL, Bleu, 200/csVWR INTERNATIONAL INC  ;Référence 56616-032
absorbants

Références

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Mots-clés

Finite Element AnalysisBiomechanical FailureComputed TomographyThree Dimensional ReconstructionVertebroplastyKyphoplastyPorcine Spine ModelOsteoporosis Biomechanics
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