方法論記事

椎骨圧迫骨折を視覚化するための軸方向脊椎圧迫の実験的に検証された数学的モデル

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

この記事について

サマリー

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

ここでは、外科的介入をサポートする VCF の予測モデルを提供します。圧縮荷重下でのヒトおよびブタの死体椎骨の生体力学的骨折パターンを使用して FEA モデルを検証し、椎骨骨折をより適切に視覚化し、脊椎研究におけるブタ サンプルの使用をサポートするためのリソースを提供しました。

要約

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

この研究で確立された有限要素解析(FEA)モデルは、純粋な圧縮荷重下での椎体の機械的挙動を予測します。T9-T12(ヒト)とT12-T14(ブタ)の領域で4つのヒトと4つのブタの死体棘を使用して、純粋な軸方向圧縮下での生体力学的破損データを導き出しました。これらの軸方向のクラッシュ実験から得られたデータを実装し、コンピューター断層撮影 (CT) 由来の椎骨の 3 次元 (3D) 再構成と組み合わせることにより、この新しいモデルは椎骨圧迫骨折 (VCF) における脊椎の挙動を数学的に予測します。正確な数学モデルの開発は、生体力学的挙動を正確に表現することにより、椎体形成術、椎体形成術、および潜在的に追加技術中の VCF の外科的介入を支援する可能性があります。骨粗鬆症、固定術、インプラントの生体力学の症例に適応し、手術の精度を向上させることができます。椎骨骨折パターンを理解することは、外科手術の事前計画と以前および将来のリスクを理解する上で不可欠です。提示された方法は、VCF を研究および治療するための追加のリソースとして機能し、脊椎研究におけるブタ標本の使用をさらにサポートする可能性があります。

概要

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

椎骨圧迫骨折 (VCF) は、軸方向の圧縮荷重に応答する前椎体の生体力学的障害です 1,2。米国では毎年1〜150万人の患者がVCFを経験しており、骨粗鬆症、高齢、女性などの顕著な危険因子があります3,4,5。VCF の患者は、痛み、障害、肺機能または呼吸機能の変化、二次椎骨骨折、および死亡リスクの増加を経験する可能性があります 6,7。好ましい臨床管理には、理学療法、リハビリテーション、および疼痛管理が含まれます1。VCF 治療のための外科的介入には、椎体形成術と後弯形成術、Osseo-Fix 脊椎骨折整復システム、内部装具、および前後の減圧と安定化が含まれます 2,8,9。VCF の臨床診断には、磁気共鳴画像法 (MRI)、CT、陽電子放出断層撮影法 (PET)、および単一光子放出コンピューター断層撮影法 (SPECT) 10 が含まれる場合がありますが、椎骨骨折の追加の視覚化とシミュレーションにより、これらの画像診断法の制限を回避できる可能性があります。この論文は、物理的圧縮実験によって検証された、破壊生体力学の正確なモデリングと視覚化を可能にするVCFの有限要素法の概要を説明することを目的としています。

有限要素解析(FEA)は、物理的条件に対する物体の応答をシミュレートし、数学的に予測するために広く使用されている工学的手法です11。VCF の多くの研究では FEA12、13、14 が利用されていますが、これらの研究の多くには生きている患者からの CT 由来のモデリングが含まれており、実際の身体的圧迫骨折における椎骨の反応を並べて検証することで恩恵を受けるでしょう。この研究では、FEA プロセスだけでなく、軸方向の圧縮破壊の物理的シミュレーションのプロトコルも概説します。

FEA は、結腸直腸修復、口腔および顎顔面処置、整形外科的再建など、さまざまな臨床現場での外科的事前計画に使用されています15、16、17。FEAは、部位や臓器の仮想3D再現を提供し、患者の固有の手術ニーズの解剖学的理解を容易にする可能性がある。有限要素モデルは、荷重や外圧に応答して物理オブジェクトのサイズ、形状、向き、動作を再現できるため、手術手技の最適化に役立ちます。

この研究は、椎体形成術とバルーン後弯形成術による治療を強化できる可能性のある VCF の視覚化を最適化するのに役立つこの追加モデルを説明することを目的としています。記載されている方法は、生体力学的破壊実験で行われる研究を標準化するのに有益であり、コスト、時間、およびサンプルの選択に関連する従来のプロトコルよりも利点があります。この方法は、医療画像処理と有限要素解析を利用した以前に構築された圧迫骨折の数学モデルもサポートします12,13,14,18。VCF形態の補足的な視覚化は、治療を最適化するためのツールを提供することができます。この研究は、ヒトおよびブタの標本における物理実験試験に裏付けられた軸方向圧縮荷重下での VCF を予測する数学的モデルを提案します。

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プロトコル

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

すべての実験は、イリノイ大学医学部の関連する人間の研究倫理および動物ケアのガイドラインに従って実施されました。

1. サンプル調製

注:ほとんどのくさび圧迫骨折は胸部中央部で発生するため、VCFは胸腰椎領域について広く説明されています19。このため、これらの実験にはヒト由来の胸椎T9-T12とブタ由来のT12-14を用いた(表1)。

  1. 人間の死体の背骨を4つ獲得する。
  2. 市販の死体ブタの棘を4つ入手する。
  3. ヒトとブタの棘の椎骨T9-12とT12-14をそれぞれ同定します。合計 16 個の人間の椎骨と 12 個のブタの椎骨があることを確認します。
  4. 丸い先端の骨のこぎりと解剖メスを使用して、特定された椎骨を解剖し、軟部組織、筋靭帯、椎間板を除去します。
  5. 各脊椎のCTスキャンを、 表2に示す仕様で行います。
  6. 解剖ツールを使用して、椎弓根と椎体の間の曲率に従って椎骨の後部要素(棘突起、横突起、椎間関節、椎弓弓根、椎弓根)を除去し、体だけが残るようにします(補足図1)。
  7. 各椎体の上面と下面を研磨して、圧縮のための平面を確保します。標準的なメスと鉗子で、椎骨の上面と下面の軟部組織の破片と残っている組織を取り除きます。
  8. ヒトとブタの標本の椎骨の上部と下部の面からそれぞれ15個と12個の皮質コアを取得します。振動骨のこぎりを使用して皮質コアを取得し、皮質骨の1 cm x 1 cmのサンプルを除去し、標準的なメスを使用して残りの海綿骨を除去します。
  9. 体積測定パイプ内の各皮質コアの重量を量り、スケーリングを決定することにより、サンプルの密度試験を実行します(補足図2)。
  10. 圧縮実験の準備として、CT画像を使用して、椎体の下部プロファイルの3Dプリントされたプラスチックポリマーガイドを作成します(補足図3)。
  11. レーザーカッターマシンを使用して、4つの穴を作成し、重心を通して矢状面と冠状面を定義します。

2. X線画像から3Dモデルメッシュを作成する(補足図4)

  1. MIMICS(画像処理ソフトウェア)ソフトウェアを開きます。
  2. 手順1.5で取得したCT画像をインポートします。[ ファイル] > [新しいプロジェクト ウィザード] > [DICOM ファイルのインポート] をクリックします。
  3. [Masks] タブの [New] を選択して新しい Threshold を作成し、[Bone (CT)] で選択したデフォルト設定を適用します。
  4. 新しいマスクの名前を適切に変更します(例:Human Spine 1、T9)。
  5. [Control + Select new mask] をクリックし、[Calculate 3D > Optimal Quality > [Calculate] を選択します。3Dモデルが右下の象限に表示されます。
  6. [ファイル]>[3-matic>エクスポート]>名前付きファイルを含む[3Dオブジェクト]を選択します。
  7. [修正>スムーズ]を選択し>[3Dオブジェクト]を選択して>[スムーズ係数0.5]で適用します。
  8. 「修正」 > 「修正ウィザード」を選択し> 「アドバイスに従います」を選択します。# detected プロンプトが緑色に表示されるまで、[Follow Advice] をクリックし続けます。このステップでは、エッジ、シェル、および重なり合う三角形を最適化します。
  9. 「 設計」(Design) >「解析プリミティブを作成」(Create Analytical Primitive) > 「データム平面を作成」(Create Datum Plane) を選択します。
  10. 点を選択し、データム平面の点 1 から 3 に適用 します 。平均的な頭蓋面と尾面は、上終板と下終板と平行な横面を定義しました。矢状面は横方向に垂直であり、棘突起に続いて椎骨の前方から後方方向に重心を通過するものとして定義されます。
  11. 左側のツールバーで、サーフェス メッシュを Smooth Shaded から Filled with Triangle Edges に変更します。
  12. [リ メッシュ]>[均一なリメッシュ]を選択し>[三角形のエッジの長さ]を 1.0 mm に設定>適用します。
  13. [ Remesh]>[Create Volume Mesh]>[Apply]を選択します。
  14. セーブ*。INP ファイル。

3. ボリュームメッシュへの材料特性の割り当て(補足図5)

  1. ファイルを画像処理ソフトウェアにエクスポートして戻します。
  2. ステップ1.920,21で得られた密度値を使用して、前述のように鉱物キャリブレーションを使用して、CTグレースケール値を実際の密度値に変換します。
    注:ヤング弾性率(E)、降伏ひずみ(εy)、およびポアソン係数(ν)の結果値を以下に示します。ヤング弾性率は、見かけの密度と 0.6 に等しい推定比 ρapp/ρ灰分 の関数として計算されます。
    figure-protocol-1
  3. [FEA]で、[材料割り当て]を選択します。
  4. 上記で決定したヤング率、降伏ひずみ、およびポアソン係数の値を割り当てます。最小グレースケール値は、密度を0.01 g / cm3 に制限して、取得できない負の密度値を回避します。
  5. [Abaqus >エクスポート] > [ファイルを選択] をクリックします>[単一出力ファイル] と [アセンブリを作成] のチェック ボックス>追加> [OK] を選択します。
  6. Abaqus CAE > [プロパティ] > [スタート] フォルダー>右クリックします。
  7. 右クリック > 新しい>リッチテキスト形式 > 名前を変更 し、.txt から .m に変換します
  8. MATLAB > エディターで新しいファイルを開き、次の式で説明するように、制約 (σ) を使用して降伏後の動作を完全に塑性として割り当てます。
    figure-protocol-2
  9. [実行] をクリックして機能を実行します。

4. 有限要素解析

  1. モジュール >ステップ> [動的で明示的な>作成] を選択し> [OK] >続行します。
  2. [ Step: Initial > Displacement/Rotation]> Boundary Condition Manager >> Load Load > Continueを選択します。
  3. メッシュの下境界を選択し、[ 完了]を選択します。
  4. [ モジュール>メッシュ]を選択し>パーツを選択>[要素タイプの割り当て]>[3D 応力>完了]> 要素 の削除で[はい]を選択します。
  5. [ モジュール]>[境界条件マネージャ>荷重]を選択し>ステップ 1 >作成> カテゴリが [機械]>[続行]であることを確認します。
  6. メッシュの上側の境界を選択し、[ 完了]を選択します。
  7. モジュール>相互作用>参照点>メッシュに割り当て(Assign to Mesh)を選択します。
  8. コンストレイント マネージャ(Constraint Manager)>リジッド ボディ>タイ>作成(Create Rigid Body Tie)を選択し、参照点の割り当て(Assign Reference Point)>完了(Done)>メッシュの上側境界を選択します。フォロワー荷重が脊椎の曲線に接するフォロワー荷重技術を使用して制御点の位置を見つけ、制御点が上部プレートからの重心投影から矢状面に沿って椎体の幅の10%に位置していることを確認します(補足図6)22。
  9. [ モジュール]>[境界条件マネージャ]>荷重を選択し>[作成 ]を選択し>基準点で荷重を割り当てます。
  10. [境界条件の編集]で、[振幅の作成]>[続行]を選択し>変位率を 3 mm/min に割り当てます。
  11. Material Manager > Module > Property を選択し>Create > Mechanical > Elasticity > Elastic >入力データを割り当てます(表 3)。
  12. [機械的>塑性](Plasticity)>[プラスチック]を選択します。
  13. [ モジュール]>[ステップ > フィールド出力要求マネージャー]> [破損/破壊>作成] を選択し>[ 圧縮損傷 ]と[ 状態]/[フィールド/ユーザー/時間]>[ステータス]を選択します。
  14. モジュール >ジョブ>ジョブマネージャー>結果>視覚化>フレームセレクター>DAMAGE を選択し、 ステップスライダーを使用して負荷>増加します。
  15. 以前に定義した障害点を文書化します。

5. 実験的試験

  1. 上部ローディングプレートをMTSコネクタに設定し、最大5°の自由な回転を可能にします。
  2. 椎体を下部圧迫板に置きます。
  3. 椎体のシルエットをトレースして、荷重の中心が矢状方向の重心からの椎体の幅の10%に揃っていることを確認します。
  4. 椎体の下部プロファイルを、手順1.10および1.11で説明した3Dプリントされたポリマー片によって配向されたアウトラインに配置します。
  5. データ追跡装置の向きを調整して、動きの変化をキャプチャし、ローディングプレートにデジタルマーカーを固定します。
  6. すべてのビューで椎体の圧縮前写真を取得します。ビデオキャプチャデバイスの向きを合わせます。
  7. 材料試験システム(MTS)マシンを使用して、準静的変位率3 mm/minのアキシアル荷重を加え、破壊は椎骨の高さの1/3に設定されます。MTSマシンは、各実験の負荷(N)を自動的に出力します。
  8. 縮尺上の 3 つのデジタイズされたフィーチャの座標を使用して、中心マーカーからの変位を計算します。
  9. 矢状面と冠状面の4つのデジタル化された点の座標を使用して、上面を計算します(補足図7)。
  10. すべてのビューで椎体の圧縮後の写真を取得します。

6. データ分析

  1. MTS は荷重と伸びの値を収集して、荷重-変位曲線を計算します。FEAと実験圧縮の両方から、剛性と強度の値を利用して統計解析を実行します。
    注: 剛性は直線軌道の傾きであり、強度は弾性応答の最高点です。最後に、破壊パターンは、塑性ひずみがゼロ以外の有限要素からの圧縮荷重に沿った破壊を特定することによって定義されます。
  2. 適切なデータ分析ソフトウェアを使用して、すべての統計分析を実行します。

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結果

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

12 個のブタの椎骨から、すべての標本について得られた荷重-変位曲線を 図 1 に示し、すべての実験データ曲線が同様のパターンを示しました。結果は、平均椎骨の剛性と強度が9.54±1.1 kN / mm(範囲6.73-13.63 kN / mm)および10.2 ± 0.86 kN(範囲8.1-13 kN)であることを示しています。実験的圧縮試験のビデオ分析により、試験片全体で共通の故障パターンが実証されました。破壊パターンは 3 本の破壊線で構成されていました。最初の2つの骨折線は、体の後外側表面に現れ、そこで破損は上部から下部エンドプレートに垂直に伝播しました。3番目の骨折線は、一般に体の上部で発生する横方向の正中線の分割で構成されていました。その結果、前面に剥がれがありました。斜め方向への骨折の伝播は、前壁に三角形の線を形成し、所望の前くさび骨折を生み出しました。骨折により、前皮質シェルが上面と底面から分離されました。この破壊パターンのデモンストレーションを 補足図8に示します。

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ディスカッション

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

CT 由来の FEA は生体力学的挙動をモデル化するための確立されたツールですが、VCF のコンテキストで物理的検証と組み合わせて数学的モデリングを適用した研究はほとんどありません。この研究は、ブタとヒトの死体棘の実験的圧迫によって裏付けられた胸腰椎 VCF の正確な予測数学モデルを示しています。このモデルには、強度、剛性、破壊パターン、荷重力学、および材料特性が組み込まれており、軸方向荷重に対する椎骨の応答を数学的に予測します。ブタとヒトの脊椎の間の形態学的類似性は十分に確立されており、比較モデルとしてブタ標本の使用を動機付けています24,25,26,27。ブタの背骨を使用すると、FEA モデルと 2 つのモデル間の将来の比較研究をサポートするデータが得られます。ブタの脊椎モデルは、椎骨の高さ、茎、脊柱管、および横...

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開示事項

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

著者らは開示するものは何もなく、利益相反も存在しない。

謝辞

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

この出版物で報告された研究は、ココモ財団の支援を受けました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
3-MATICマテリアライズ v15.0 
Abaqus/CAESimulian/a
分析天びんSigma AldrichOH30122634
死体ブタの棘 地元の精肉店、イリノイ州シカゴ
CT マシン シーメンスSOMATOM 定義 AS
Epredia シャンドン ラウンドチップ ボーンソー、ブレード: 8 インチ。x 2.5インチ(20.3 インチ 6.4 cm)、標準、11.5 インチ(29.2cm)フィッシャーサイエンティフィ40018
フィッシャーブランド ファインプレシジョンミディアムチップピンセット/鉗子フィッシャーサイエンティフィ12-000-157
テグラミルテックス 滅菌標準メスFischer Scientific12-460-451
レーザー カッター マシン/3D プリンターFusion3F400HFR
Mimics Software Materialisev2.0
NDI Optotrak CertusNextGen ErgonomicsCertus Products
整形外科用骨鋸整形外科用ドリルOTS-1
SPSS Statistics IBMv27
防水防湿バリア付き吸収性アンダーパッド、58.4 x 61 cm、410 mL、ブルー、200/csVWR INTERNATIONAL INC 〒56616-032
ックックイン

参考文献

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