Articolo metodologico

Un modello matematico convalidato sperimentalmente della compressione spinale assiale per visualizzare la frattura da compressione vertebrale

DOI:

10.3791/65474

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12 agosto 2025

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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

In questo articolo

Sommario

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Qui, forniamo un modello predittivo delle VCF per supportare l'intervento chirurgico. Per verificare un modello FEA sono stati utilizzati modelli di frattura biomeccanica di vertebre umane e suine da cadavere sotto carico di compressione, fornendo una risorsa per una migliore visualizzazione della frattura vertebrale e supportando l'utilizzo di campioni suini nella ricerca sulla colonna vertebrale.

Abstract

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Il modello di analisi degli elementi finiti (FEA) stabilito in questo studio prevede il comportamento meccanico di un corpo vertebrale sotto carico di compressione pura. Nella regione sono state utilizzate quattro spine da cadavere umane e quattro suine da T9-T12 (umano) e T12-T14 (suino) per ricavare dati di guasto biomeccanico sotto compressione assiale pura. Implementando i dati di questi esperimenti di schiacciamento assiale e combinandoli con ricostruzioni tridimensionali (3D) derivate dalla tomografia computerizzata (TC) delle vertebre, questo nuovo modello prevede matematicamente il comportamento della colonna vertebrale nelle fratture vertebrali da compressione (VCF). Lo sviluppo di un modello matematico accurato ha il potenziale per aiutare l'intervento chirurgico delle VCF durante la vertebroplastica, la cifoplastica e potenzialmente altre tecniche rappresentando accuratamente il comportamento biomeccanico. Può essere adattato per casi di osteoporosi, fusione e biomeccanica implantare per migliorare l'accuratezza chirurgica. Comprendere il modello di frattura vertebrale è essenziale nella pre-pianificazione chirurgica e nella comprensione dei rischi precedenti e futuri. Il metodo presentato può servire come risorsa aggiuntiva per lo studio e il trattamento della VCF e supporta ulteriormente l'uso di campioni suini nella ricerca sulla colonna vertebrale.

Introduzione

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Le fratture vertebrali da compressione (VCF) sono cedimenti biomeccanici del corpo vertebrale anteriore in risposta a un carico di compressione assiale 1,2. Ci sono 1-1,5 milioni di pazienti che sperimentano VCF negli Stati Uniti ogni anno, con notevoli fattori di rischio tra cui osteoporosi, età avanzata e sesso femminile 3,4,5. I pazienti con VCF possono manifestare dolore, disabilità, alterazione della funzione polmonare o respiratoria, frattura vertebrale secondaria e aumento del ....

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Protocollo

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Tutti gli esperimenti sono stati eseguiti in conformità con l'etica della ricerca umana e le linee guida per la cura degli animali presso il College of Medicine dell'Università dell'Illinois.

1. Preparazione del campione

NOTA: Le VCF sono ampiamente descritte per la regione toracolombare, poiché la maggior parte delle fratture da compressione a cuneo si verifica nell'area medio-toracica19. Per questo motivo, per questi esperimenti sono state utilizzate vertebre toraciche T9-T12 dall'uomo e T12-14 dai suini (Tabella 1).

  1. Ottieni quattro spine uma....

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Risultati

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Dalle 12 vertebre suine, le curve carico-spostamento ottenute per tutti i campioni sono illustrate nella Figura 1, dove tutte le curve dei dati sperimentali hanno mostrato modelli simili. I risultati mostrano una rigidità vertebrale media e una resistenza di 9,54 ±1,1 kN/mm (intervallo 6,73-13,63 kN/mm) e 10,2 ± 0,86 kN (intervallo 8,1-13 kN). L'analisi video dei test di compressione sperimentali ha dimostrato un modello di guasto comune tra i campioni. Il modello di rottura consisteva in tr.......

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Discussione

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Mentre la FEA derivata dalla CT è uno strumento consolidato per la modellazione del comportamento biomeccanico, pochi studi applicano la modellazione matematica in combinazione con la convalida fisica nel contesto delle VCF. Questo studio dimostra un accurato modello matematico predittivo della VCF toracolombare, supportato dalla compressione sperimentale di spine suine e umane da cadavere. Il modello incorpora resistenza, rigidità, modello di frattura, meccanica del carico e proprietà d.......

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare e non esistono conflitti di interesse.

Ringraziamenti

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La ricerca riportata in questa pubblicazione è stata sostenuta dalla Fondazione Codomo.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
3-MATICMaterialise  v15.0 
Abaqus/CAESimulian/a
Bilancia analiticaSigma AldrichOH30122634
Spine suine cadaveriche Macelleria locale, Chicago, IL
CT macchinaSiemensSOMATOM Definizione AS
Epredia  Sega per ossa a punta tonda Shandon, lama: 8 pollici. x 2,5 pollici (20,3 pollici 6,4 cm), standard, 11,5 pollici (29,2 cm)Fischer Scientific40018
Fisherbrand Pinzette/pinze a punta media di precisione FischerScientific12-000-157
Integra Miltex  Bisturi standard steriliFischer Scientific12-460-451
Macchina da taglio laser/stampante 3DFusion3F400HFR
Mimics Software Materialisev2.0
NDI Optotrak CertusNextGen Ergonomia CertusProdotti
Sega ossea ortopedicaTrapani ortopediciOTS-1
SPSS Statistiche IBMv27
con barriera antiumidità impermeabile, 58,4 x 61 cm, 410 mL, blu, 200/csVWR INTERNATIONAL INC Codice: 56616-032
Sottocuscinetti assorbenti

Riferimenti

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  1. Wong, C. C., McGirt, M. J. Vertebral compression fractures: A review of current management and multimodal therapy. J Multidiscip Healthc. 6, 205-214 (2013).
  2. Alexandru, D., So, W. Evaluation and management of vertebral compression fractures. Perm J.

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Vertebral Compression FractureAxial Spinal CompressionFinite Element AnalysisBiomechanical FailureComputed TomographyThree Dimensional ReconstructionVertebroplastyKyphoplastyPorcine Spine ModelOsteoporosis Biomechanics
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