방법 논문

척추 압박 골절을 시각화하기 위한 축 척추 압박의 실험적으로 검증된 수학적 모델

DOI:

10.3791/65474

⸱

2025년 8월 12일

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

이 논문에서

요약

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

여기에서는 외과적 개입을 지원하기 위해 VCF의 예측 모델을 제공합니다. 압축 하중 하에서 인간 및 돼지 사체 척추의 생체역학적 골절 패턴을 사용하여 FEA 모델을 검증하여 척추 골절을 더 잘 시각화하고 척추 연구에서 돼지 샘플 사용을 지원하기 위한 리소스를 제공했습니다.

초록

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

이 연구에서 확립된 유한 요소 분석(FEA) 모델은 순수한 압축 하중 하에서 척추체의 기계적 거동을 예측합니다. 순수 축 압축 하에서 생체역학적 고장 데이터를 도출하기 위해 T9-T12(인간) 및 T12-T14(돼지) 영역에서 4개의 인간 및 4개의 돼지 사체 가시를 사용했습니다. 이러한 축 압착 실험의 데이터를 구현하고 이를 컴퓨터 단층촬영(CT)에서 파생된 척추의 3차원(3D) 재구성과 결합함으로써 이 새로운 모델은 척추 압박 골절(VCF)에서 척추의 거동을 수학적으로 예측합니다. 정확한 수학적 모델의 개발은 생체역학적 거동을 정확하게 표현함으로써 척추성형술, 척추 성형술 및 잠재적으로 추가 기술 중 VCF의 외과적 개입을 도울 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 골다공증, 융합 및 임플란트 생체역학 사례에 적용하여 수술 정확도를 향상시킬 수 있습니다. 척추 골절 패턴을 이해하는 것은 수술 사전 계획과 이전 및 미래 위험을 이해하는 데 필수적입니다. 제시된 방법은 VCF 연구 및 치료를 위한 추가 자원 역할을 할 수 있으며 척추 연구에서 돼지 표본의 사용을 추가로 지원합니다.

서론

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

척추 압박 골절(VCF)은 축 압박 하중에 반응하여 전방 척추체의 생체역학적 실패입니다 1,2. 미국에는 매년 1-150만 명의 환자가 VCF를 경험하고 있으며 골다공증, 고령 및 여성 성별을 포함한 주목할만한 위험 요인이 있습니다 3,4,5. VCF 환자는 통증, 장애, 폐 또는 호흡 기능 변화, 이차 척추 골절 및 사망 위험 증가를 경험할 수 있습니다 6,7. 선호되는 임상 관리에는 물리 치료, 재활 및 통증 관리가 포함됩니다1. VCF 치료를 위한 외과적 개입에는 척추 성형술 및 척추 성형술, Osseo-Fix 척추 골절 감소 시스템, 내부 보조기, 전방 및 후방 감압 및 안정화가 포함됩니다 2,8,9. VCF의 임상 진단에는 자기공명영상(MRI), CT, 양전자 방출 단층촬영(PET) 및 단일 광자 방출 컴퓨터 단층촬영(SPECT)10이 포함될 수 있지만 척추 골절의 추가 시각화 및 시뮬레이션은 이러한 영상 기법의 한계를 우회할 수 있습니다. 이 논문은 물리적 압축 실험을 통해 검증된 VCF의 유한 요소 방법을 간략하게 설명하는 것을 목표로 하며, 이는 골절 생체역학의 정확한 모델링 및 시각화를 가능하게 합니다.

유한 요소 분석(FEA)은 물리적 조건에 대한 물체의 반응을 시뮬레이션하고 수학적으로 예측하는 데 널리 사용되는 엔지니어링 방법입니다11. VCF에 대한 수많은 연구가 FEA 12,13,14를 활용하지만 이러한 연구 중 다수는 살아있는 환자의 CT 파생 모델링을 포함하며 실제 물리적 압박 골절에서 척추의 반응을 나란히 검증하는 것이 도움이 될 것입니다. 이 연구는 FEA 프로세스뿐만 아니라 축 압박 파괴의 물리적 시뮬레이션을 위한 프로토콜도 간략하게 설명합니다.

FEA는 결장직장 수리, 구강악안면 시술, 정형외과 재건을 포함한 다양한 임상 환경에서 수술 사전 계획에 사용되었습니다 15,16,17. FEA는 부위 또는 기관의 가상 3D 재현을 제공하여 고유한 환자의 수술 요구 사항에 대한 해부학적 이해를 용이하게 할 수 있습니다. 유한 요소 모델은 하중이나 외부 압력에 반응하여 물리적 물체의 크기, 모양, 방향 및 동작을 재현할 수 있어 수술 기술을 최적화하는 데 유용합니다.

이 연구는 척추 성형술 및 풍선 척추 성형술에 의한 치료를 강화할 수 있는 VCF의 시각화를 최적화하는 데 도움이 되는 이 추가 모델을 설명하는 것을 목표로 합니다. 설명된 방법은 생체역학적 파괴 실험에서 수행되는 연구를 표준화하는 데 도움이 될 수 있으며 비용, 시간 및 샘플 선택과 관련된 기존 프로토콜에 비해 이점을 제공합니다. 이 방법은 또한 의료 영상 및 유한 요소 분석 12,13,14,18을 활용하여 이전에 구성된 압박 골절의 수학적 모델에 대한 지원을 제공합니다. VCF 형태의 보충 시각화는 치료를 최적화하는 도구를 제공할 수 있습니다. 이 연구는 인간과 돼지 표본에서 물리적 실험 테스트를 통해 뒷받침되는 축 압축 하중 하에서 VCF를 예측하는 수학적 모델을 제안합니다.

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프로토콜

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

모든 실험은 일리노이 대학교 의과대학의 관련 인간 연구 윤리 및 동물 관리 지침에 따라 수행되었습니다.

1. 샘플 준비

참고: VCF는 대부분의 쐐기 압박 골절이 흉부 중앙 영역에서 발생하기 때문에 흉요추 부위에 대해 광범위하게 설명됩니다19. 이러한 이유로 인간의 흉추 T9-T12와 돼지의 T12-14를 이러한 실험에 사용했습니다(표 1).

  1. 인간의 시체 척추 4개를 획득하세요.
  2. 시중에서 판매되는 돼지 시체 4개를 획득하세요.
  3. 각각 인간과 돼지 가시의 척추뼈 T9-12 및 T12-14를 식별합니다. 총 16개의 인간 척추와 12개의 돼지 척추가 있는지 확인하십시오.
  4. 둥근 끝 뼈톱과 해부 메스를 사용하여 식별된 척추뼈를 해부하고 연조직, 근육 인대 및 추간판을 제거합니다.
  5. 표 2에 나열된 사양으로 각 척추에 대해 CT 스캔을 수행합니다.
  6. 해부 도구를 사용하여 척추경과 척추체 사이의 곡률을 따라 척추의 후방 요소(극돌기, 횡돌기, 후관절, 추판 및 척추경)를 제거하여 신체만 남도록 합니다(보충 그림 1).
  7. 각 척추체의 상하면을 연마하여 압축을 위한 평면 표면을 확보합니다. 표준 메스와 겸자를 사용하여 척추 상하 표면의 연조직 파편과 남아 있는 조직을 제거합니다.
  8. 인간과 돼지 표본의 척추뼈의 상부 및 하부에서 각각 15개 및 12개의 피질 코어를 얻습니다. 진동 뼈 톱을 사용하여 피질 코어를 얻어 피질골의 1cm x 1cm 샘플을 제거하고 표준 메스를 사용하여 나머지 해면골을 제거합니다.
  9. 스케일링을 결정하기 위해 부피 측정 파이프 내의 각 피질 코어의 무게를 측정하여 샘플에 대한 밀도 테스트를 수행합니다(보충 그림 2).
  10. 압축 실험을 준비하기 위해 CT 이미지를 사용하여 척추체 하부 프로파일의 3D 프린팅 플라스틱 폴리머 가이드를 만듭니다(보충 그림 3).
  11. 레이저 절단기를 사용하여 질량 중심을 통해 시상면과 관상면을 정의하는 4개의 구멍을 만듭니다.

2. 방사선 영상에서 3D 모델 메쉬 생성(보충 그림 4)

  1. MIMICS(이미지 처리 소프트웨어) 소프트웨어를 엽니다.
  2. 이전에 1.5단계에서 얻은 CT 이미지를 가져옵니다. 새 프로젝트 마법사> 파일 > DICOM 파일 가져오기를 클릭합니다.
  3. 마스크(Masks) 탭에서 새로 만들기(New) 를 선택하여 새 임계값을 생성하고 본(CT) 에 선택한 디폴트 세팅을 적용합니다.
  4. 새 마스크의 이름을 적절하게 바꿉니다(예: Human Spine 1, T9).
  5. Control + 새 마스크 선택을 클릭하고 Calculate 3D > Optimal Quality > Calculate를 선택합니다. 3D 모델이 오른쪽 하단 사분면에 나타납니다.
  6. 파일 > 3-matic> 내보내기 > 명명된 파일이 포함된 3D 개체를 선택합니다.
  7. 고정 > 매끄럽게 선택> 3D 오브젝트를 선택하여 매끄럽게 계수 0.5> 적용합니다.
  8. 수정 > 수정 마법사를 선택> 조언을 따르십시오. # 감지된 프롬프트가 녹색으로 나타날 때까지 Follow Advice(조언 따르기)를 계속 클릭합니다. 이 단계에서는 모서리, 쉘 및 겹치는 삼각형을 최적화합니다.
  9. 설계( Design) > 해석 프리미티브 생성(Create Analytical Primitive) > 기준면 생성(Create Datum Plane)을 선택합니다.
  10. 점을 선택하고 기준면의 점 1-3에 적용 합니다. 평균 두개골 및 꼬리 표면은 상부 및 하부 종판과 평행한 횡단면을 정의했습니다. 시상면은 가극면에 수직으로 정의되며, 극돌기에 따라 척추의 앞쪽에서 뒤쪽으로 질량 중심을 통과합니다.
  11. 왼쪽 툴바에서 표면 메시를 Smooth Shaded 에서 Filled with Triangle Edges로 변경합니다.
  12. 리메쉬 > 균일 리메쉬를 선택> 삼각형 모서리 길이를 1.0mm로 설정> 적용합니다.
  13. 리메시(Remesh) > 볼륨 메시 생성(Create Volume Mesh) > 적용(Apply) 을 선택합니다.
  14. 구해내다*. INP 파일.

3. 볼륨 메쉬에 재료 속성 할당(보충 그림 5)

  1. 파일을 이미지 처리 소프트웨어로 다시 내보냅니다.
  2. 1.920,21단계에서 얻은 밀도 값을 사용하여 이전에 설명한 광물 보정을 사용하여 CT 그레이스케일 값을 실제 밀도 값으로 변환합니다.
    참고: 영률(E), 항복 변형률(εy) 및 푸아송 계수(ν)에 대한 결과 값은 다음과 같습니다. 영률은 겉보기 밀도의 함수로 계산되며 가정 비율 ρapp/ρash 는 0.6과 같습니다.
    figure-protocol-1
  3. FEA에서 재료 할당을 선택합니다.
  4. 위에서 결정한 대로 영률, 항복 변형률 및 푸아송 계수에 대한 값을 할당합니다. 최소 그레이스케일 값은 얻을 수 없는 음의 밀도 값을 피하기 위해 밀도를 0.01g/cm3 로 제한합니다.
  5. Abaqus> 내보내기를 클릭> 파일 선택> 단일 출력 파일에 대한 > 확인란 추가> 어셈블리 생성 확인란을 선택합니다.
  6. Abaqus CAE를 열다 > 속성 > 시작 폴더> 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭합니다.
  7. 새 > 서식 있는 텍스트 형식> 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭 > 이름 바꾸기 및 .txt에서 .m으로 변환
  8. 편집기 에서 MATLAB> 새 파일을 열고 제약 조건(σ)을 사용하여 다음 방정식에 설명된 대로 항복 후 동작을 완벽하게 가소성으로 할당합니다.
    figure-protocol-2
  9. 실행을 클릭하여 기능을 수행합니다.

4. 유한 요소 분석

  1. 모듈 > > 동적이고 명시적인 > 만들기 > 확인> 계속합니다.
  2. 모듈 > 하중 > 경계 조건 관리자 > 단계: 초기 > 변위/회전 > 계속합니다.
  3. 메쉬의 하위 경계를 선택하고 완료를 선택합니다.
  4. 모듈 > 메쉬를 선택> 부품 선택 > 요소 유형 지정 > 3D 응력> 완료> 요소 삭제에 대해 예를 선택합니다.
  5. 모듈 > 하중 > 경계 조건 관리자 > 생성 > 1단계를 선택> 범주가 기계> 계속인지 확인합니다.
  6. 메쉬의 상위 경계를 선택하고 완료를 선택합니다.
  7. 모듈 > 인터랙션> 참조점> 메쉬에 할당을 선택합니다.
  8. 제약 조건 관리자(Constraint Manager) > 강체 > 타이 생성(Create > Rigid Body Tie)을 선택하고 기준점 할당(Assign Reference Point) > 완료(Done)> 메쉬의 상위 경계를 선택합니다. 팔로워 하중이 척추의 곡선에 접하는 팔로워 하중 기술을 사용하여 제어점 위치를 찾아 제어점이 상판의 질량 중심 투영에서 시상면을 따라 척추체 너비의 10%에 위치하는지 확인합니다(보충 그림 6)22).
  9. 경계 조건 관리자> 하중 > 모듈을 선택> 작성> 참조점에서 하중을 지정합니다.
  10. 경계 조건 편집 내에서 진폭 생성 > 계속을 선택> 3mm/min의 변위 속도를 할당합니다.
  11. Material Manager> 모듈 > 속성을 선택> Elastic> Elastic> Mechanical > 생성> 입력 데이터를 할당합니다(표 3).
  12. 기계적 > 가소성 > 플라스틱을 선택합니다.
  13. 모듈 > Step > Field Output Requests Manager > Created > Failure/Fracture를 선택> Compressive Damage 및 State/Field/User/Time > STATUS를 선택합니다.
  14. 모듈 > 작업 > 작업 관리자 > 결과 > 시각화 > 프레임 선택기를 선택하여 프레임 선택기를 > > 단계 슬라이더를 사용하여 하중을 증가시킵니다.
  15. 이전에 정의한 실패 지점을 문서화합니다.

5. 실험 테스트

  1. 상부 로딩 플레이트를 MTS 커넥터에 구성하여 최대 5°까지 자유롭게 회전할 수 있습니다.
  2. 척추체를 하부 압박판에 놓습니다.
  3. 척추체의 실루엣을 추적하여 하중 중심이 시상 방향의 질량 중심에서 척추체 너비의 10%와 정렬되도록 합니다.
  4. 척추체 하단 프로파일을 1.10 및 1.11단계에서 설명한 3D 프린팅 폴리머 조각에 의해 방향을 잡은 윤곽선에 배치합니다.
  5. 데이터 추적 장비의 방향을 지정하여 동작 변화를 캡처하고 로딩 플레이트에 디지털 마커를 고정합니다.
  6. 모든 보기에서 척추체의 사전 압축 사진을 얻습니다. 비디오 캡처 장치의 방향을 지정합니다.
  7. 재료 테스트 시스템(MTS) 기계를 사용하여 파손이 척추 높이의 1/3으로 설정된 3mm/min의 준정적 변위율의 축 방향 하중을 가합니다. MTS 기계는 각 실험에 대한 하중(N)을 자동으로 출력합니다.
  8. 축척에서 디지털화된 세 피처의 좌표를 사용하여 중심 마커로부터의 변위를 계산합니다.
  9. 시상면과 관상면의 디지털화된 4개 점의 좌표를 사용하여 상부 표면을 계산합니다(보충 그림 7).
  10. 모든 보기에서 척추체의 압축 후 사진을 얻습니다.

6. 데이터 분석

  1. MTS는 하중 및 확장 값을 수집하여 하중-변위 곡선을 계산합니다. FEA와 실험 압축 모두에서 강성 및 강도 값을 활용하여 통계 분석을 수행합니다.
    참고: 강성은 선형 궤적의 기울기이며 강도는 탄성 반응의 가장 높은 지점입니다. 마지막으로, 파괴 패턴은 0이 아닌 소성 변형을 갖는 유한 요소로부터 압축 하중을 따라 파괴를 식별하여 정의됩니다.
  2. 적절한 데이터 분석 소프트웨어를 사용하여 모든 통계 분석을 수행합니다.

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결과

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

12개의 돼지 척추에서 모든 표본에 대해 얻은 하중-변위 곡선은 그림 1에 표시되어 있으며, 여기서 모든 실험 데이터 곡선은 유사한 패턴을 보였습니다. 결과는 평균 척추 강성 및 강도가 9.54±1.1kN/mm(범위 6.73-13.63kN/mm) 및 10.2 ± 0.86kN(범위 8.1-13kN)임을 보여줍니다. 실험적 압축 테스트의 비디오 분석은 시편 전반에 걸쳐 공통된 고장 패턴을 보여주었습니다. 실패 패턴은 3개의 골절선으로 구성되었습니다. 처음 두 개의 골절선은 신체의 후외측 표면에서 나타났으며, 여기서 파손은 상단에서 하단 엔드 플레이트로 수직으로 전파되었습니다. 세 번째 골절선은 가로 정중선 분할로 구성되었으며 일반적으로 신체의 상부에서 발생했습니다. 그 결과 전면에 벗겨짐이 있었습니다. 비스듬한 방향으로의 골절 전파는 전벽에 삼각형선을 형성하여 원하는 전방 쐐기 골절을 생성했습니다. 골절은 전방 피질 껍질을 상단과 하단 표면에서 분리했습니다. 이 골절 패턴의 시연...

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토론

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

CT 파생 FEA는 생체역학적 거동을 모델링하기 위한 잘 확립된 도구이지만 VCF의 맥락에서 물리적 검증과 함께 수학적 모델링을 적용하는 연구는 거의 없습니다. 이 연구는 돼지 및 인간 사체 척추의 실험적 압축으로 뒷받침되는 흉요추 VCF의 정확한 예측 수학적 모델을 보여줍니다. 이 모델은 강도, 강성, 파괴 패턴, 하중 역학 및 재료 특성을 통합하여 축 방향 하중에 대한 척추 반응을 수학적으로 예측합니다. 돼지와 인간 척추 사이의 형태학적 유사성은 잘 확립되어 있으며 비교 모델24,25,26,27로서 돼지 표본의 사용에 동기를 부여합니다. 돼지 척추를 사용하면 FEA 모델과 두 모델 간의 향후 비교 연구를 뒷받침하는 데이터를 얻을 수 있습니...

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공개 사항

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

저자는 공개할 것이 없으며 이해 상충도 존재하지 않습니다.

감사의 글

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

이 간행물에 보고된 연구는 Cocomo Foundation의 지원을 받았습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
3-MATIC구체화  v15.0 
Abaqus/CAESimulian/a
분석 저울Sigma AldrichOH30122634
사체 돼지 가시 지역 정육점, 시카고, 일리노이
CT 기계지멘스SOMATOM 정의 AS
Epredia  Shandon 라운드 팁 뼈 톱, 블레이드: 8인치. x 2.5인치 (20.3인치 6.4cm), 표준, 11.5인치 (29.2 cm)피셔 사이언티픽40018
피셔브랜드  미세 정밀 중간 팁 핀셋/집게Fischer Scientific12-000-157
Integra Miltex  멸균 표준 메스Fischer Scientific12-460-451
레이저 절단기/3D 프린터Fusion3F400HFR
Mimics Software Materialisev2.0
NDI Optotrak CertusNextGen 인체 공학Certus 제품
정형 외과 뼈 톱정형외과 드릴OTS-1
SPSS 통계 방v27
흡수성 언더패드, 58.4 x 61 cm, 410 mL, 파란색, 200/csVWR INTERNATIONAL INC 56616-032
수 수분 장벽이 있는 IBM

참고문헌

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