Um modelo matemático validado experimentalmente de compressão axial da coluna vertebral para visualizar a fratura por compressão vertebral

Resumo

Aqui, fornecemos um modelo preditivo de VCFs para apoiar a intervenção cirúrgica. Padrões de fratura biomecânica de vértebras cadavéricas humanas e suínas sob carga de compressão foram usados para verificar um modelo FEA, fornecendo um recurso para melhor visualização da fratura vertebral e apoiando o uso de amostras suínas na pesquisa da coluna.

Resumo

O modelo de análise de elementos finitos (FEA) estabelecido neste estudo prevê o comportamento mecânico de um corpo vertebral sob carga de compressão pura. Quatro espinhos cadavéricos humanos e quatro suínos foram usados na região de T9-T12 (humano) e T12-T14 (suíno) para derivar dados de falha biomecânica sob compressão axial pura. Ao implementar os dados desses experimentos de esmagamento axial e combiná-los com reconstruções tridimensionais (3D) derivadas de tomografia computadorizada (TC) de vértebras, este novo modelo prevê matematicamente o comportamento da coluna vertebral em fraturas por compressão vertebral (VCFs). O desenvolvimento de um modelo matemático preciso tem o potencial de auxiliar a intervenção cirúrgica de VCFs durante vertebroplastia, cifoplastia e técnicas potencialmente adicionais, representando com precisão o comportamento biomecânico. Pode ser adaptado para casos de osteoporose, fusão e biomecânica de implantes para melhorar a precisão cirúrgica. Compreender o padrão de fratura vertebral é essencial no pré-planejamento cirúrgico e na compreensão dos riscos anteriores e futuros. O método apresentado pode servir como um recurso adicional para estudar e tratar VCF e apoiar ainda mais o uso de espécimes suínos na pesquisa da coluna.

Introdução

As Fraturas por Compressão Vertebral (FCVs) são falhas biomecânicas do corpo vertebral anterior em resposta à carga compressiva axial ^1,2. Há de 1 a 1,5 milhão de pacientes que sofrem de VCFs nos EUA a cada ano, com fatores de risco notáveis, incluindo osteoporose, idade avançada e sexo feminino ^3,4,5. Pacientes com VCFs podem apresentar dor, incapacidade, alteração da função pulmonar ou respiratória, fratura vertebral secundária e aumento do risco de mortalidade ^6,7. O tratamento clínico preferido inclui fisioterapia, reabilitação e controle da dor¹. A intervenção cirúrgica para o tratamento da VCF inclui vertebroplastia e cifoplastia, o Sistema de Redução de Fraturas da Coluna Vertebral Osseo-Fix, órtese interna e descompressão e estabilização anterior e posterior ^2,8,9. O diagnóstico clínico de VCF pode envolver ressonância magnética (RM), TC, tomografia por emissão de pósitrons (PET) e tomografia computadorizada por emissão de fóton único (SPECT)¹⁰ - no entanto, a visualização e simulação adicionais da fratura vertebral podem contornar as limitações dessas modalidades de imagem. Este artigo tem como objetivo delinear um método de elementos finitos de VCF, validado por experimentos de compressão física, que permite modelagem e visualização precisas da biomecânica da fratura.

A análise de elementos finitos (FEA) é um método de engenharia amplamente utilizado para simular e prever matematicamente a resposta de um objeto às condições físicas¹¹. Embora numerosos estudos de VCF utilizem FEA 12,13,14, muitos desses estudos incluem modelagem derivada de TC de pacientes vivos e se beneficiariam de uma validação lado a lado da resposta da vértebra na fratura por compressão física real. Este estudo descreve não apenas o processo FEA, mas também o protocolo para a simulação física da fratura por compressão axial.

A FEA tem sido usada no pré-planejamento cirúrgico em uma variedade de ambientes clínicos, incluindo reparo colorretal, procedimentos bucomaxilofaciais e reconstrução ortopédica 15,16,17. A FEA fornece uma recriação 3D virtual de um local ou órgão, o que pode facilitar a compreensão anatômica das necessidades cirúrgicas de um paciente único. Um modelo de elementos finitos pode recriar o tamanho, a forma, a orientação e o comportamento de um objeto físico em resposta a cargas ou pressões externas, o que é útil na otimização de técnicas cirúrgicas.

Este estudo tem como objetivo descrever esse modelo adicional para ajudar a otimizar a visualização do VCF, o que pode aumentar o tratamento por vertebroplastia e cifoplastia com balão. O método descrito pode ser benéfico na padronização da pesquisa realizada em experimentos de fratura biomecânica e oferece vantagens sobre os protocolos tradicionais relacionados a custo, tempo e seleção de amostras. Este método também fornece suporte para modelos matemáticos previamente construídos de fraturas por compressão que utilizaram imagens médicas e análise de elementos finitos 12,13,14,18. A visualização suplementar da morfologia do VCF pode fornecer uma ferramenta para otimizar o tratamento. Este estudo propõe um modelo matemático que prevê VCF sob carga de compressão axial, apoiado por testes experimentais físicos, em espécimes humanos e suínos.

Protocolo

Todos os experimentos foram realizados de acordo com as diretrizes relevantes de ética em pesquisa humana e cuidados com animais na Faculdade de Medicina da Universidade de Illinois.

1. Preparação da amostra

NOTA: As VCFs são amplamente descritas para a região toracolombar, pois a maioria das fraturas por compressão em cunha ocorre na região torácica média¹⁹. Por esse motivo, foram utilizadas para esses experimentos vértebras T9-T12 de humanos e T12-14 de suínos (Tabela 1).

1. Obtenha quatro espinhas humanas cadavéricas.
2. Obtenha quatro espinhos suínos cadavéricos disponíveis comercialmente.
3. Identifique as vértebras T9-12 e T12-14 para as espinhas humana e suína, respectivamente. Certifique-se de que haja um total de dezesseis vértebras humanas e doze vértebras suínas.
4. Usando uma serra óssea de ponta redonda e bisturi de dissecação, disseque as vértebras identificadas e remova tecidos moles, ligamentos musculares e discos intervertebrais.
5. Realize tomografias computadorizadas para cada vértebra da coluna vertebral com as especificações listadas na Tabela 2.
6. Usando ferramentas de dissecação, remova os elementos posteriores das vértebras (processo espinhoso, processo transverso, articulações facetárias, lâmina e pedículos), seguindo a curvatura entre o pedículo e o corpo vertebral, de modo que apenas o corpo permaneça (Figura Suplementar 1).
7. Polir as superfícies superior e inferior de cada corpo vertebral para garantir uma superfície plana para compressão. Remova os detritos de tecidos moles e o tecido remanescente nas superfícies vertebrais superior e inferior com um bisturi padrão e uma pinça.
8. Obtenha 15 e 12 núcleos corticais das facetas superior e inferior das vértebras para espécimes humanos e suínos, respectivamente. Obtenha núcleos corticais usando uma serra de osso oscilante para remover uma amostra de 1 cm x 1 cm de osso cortical e use um bisturi padrão para remover o osso esponjoso restante.
9. Realize o teste de densidade em amostras pesando cada núcleo cortical dentro de um tubo medido em volume para determinar a escala (Figura Suplementar 2).
10. Em preparação para experimentos de compressão, use as imagens de TC para criar um guia de polímero plástico impresso em 3D do perfil inferior do corpo vertebral (Figura Suplementar 3).
11. Usando uma máquina de corte a laser, crie quatro orifícios para definir os planos sagital e coronal através do centro de massa.

2. Criando uma malha de modelo 3D a partir de imagens radiográficas (Figura Suplementar 4)

1. Abra o software MIMICS (software de processamento de imagem).
2. Importe as imagens de TC obtidas anteriormente na etapa 1.5. Clique em Arquivo > Assistente para Novo Projeto > Importar Arquivo DICOM.
3. Crie um novo Limite selecionando Novo na guia Máscaras e aplique as configurações padrão selecionadas para Osso (TC).
4. Renomeie a nova máscara apropriadamente (por exemplo, Coluna Humana 1, T9).
5. Clique em Controle + Selecione a nova máscara, selecione Calcular 3D > Qualidade Ótima > Calcular. O modelo 3D aparecerá no quadrante inferior direito.
6. Selecione Arquivo > Exportar > 3-matic > Selecione Objeto 3D, que contém o arquivo nomeado.
7. Selecione Corrigir > Suavizar > Selecione o objeto 3D > Aplicar no Fator de suavização 0,5.
8. Selecione Corrigir > Assistente de Correção > Seguir Conselhos. Continue clicando em Seguir Conselhos até que o prompt # detectado apareça em verde. Esta etapa otimiza arestas, cascas e triângulos sobrepostos.
9. Selecione Design > Criar primitiva analítica > Criar plano de datum.
10. Selecione os pontos e aplique os pontos 1-3 do plano de datum. As superfícies cranial e caudal médias definiram o plano transversal paralelo às placas terminais superior e inferior. O plano sagital é definido como perpendicular ao plano transversal, passando pelo centro de massa da direção anterior para posterior das vértebras seguindo o processo espinhoso.
11. Na barra de ferramentas à esquerda, altere a malha de superfície de Sombreado suave para Preenchido com arestas de triângulo.
12. Selecione Remalha > Remalha uniforme > Defina o Comprimento da aresta do triângulo como 1,0 mm > Aplicar.
13. Selecione Refazer malha > Criar malha de volume > Aplicar.
14. Salvar*. INP.

3. Atribuindo propriedades de material à malha de volume (Figura Suplementar 5)

1. Exporte o arquivo de volta para o software de processamento de imagem.
2. Converta os valores da escala de cinza do CT em valores de densidade reais usando a calibração mineral conforme descrito anteriormente, usando os valores de densidade obtidos na etapa 1.9^20,21.
   NOTA: Os valores resultantes para o módulo de Young (E), a tensão de rendimento (εy) e o coeficiente de Poisson (ν) são mostrados abaixo. O módulo de Young é calculado em função da densidade aparente e da razão assumida ρ_app/ρ_ash igual a 0,6.
   
3. Em FEA, selecione Atribuição de material.
4. Atribua valores para o módulo de Young, a deformação de escoamento e o coeficiente de Poisson, conforme determinado acima. O valor mínimo da escala de cinza limita a densidade a 0,01 g/cm³ para evitar valores de densidade negativos inatingíveis.
5. Clique em Exportar > Abaqus > Selecionar arquivo> Adicionar > caixas de seleção para Arquivo de saída único e Criar montagem > Selecione OK.
6. Abra o Abaqus CAE > clique com o botão direito > Propriedades > pasta Iniciar .
7. Clique com o botão direito > Novo formato de texto rico > > Renomear e converter de .txt para .m
8. Abra o novo arquivo no MATLAB > no Editor, atribua o comportamento pós-rendimento como perfeitamente plástico, conforme descrito pela seguinte equação, com restrição (σ):
   
9. Clique em Executar para executar a função.

4. Análise de elementos finitos

1. Selecione o módulo > etapa > criar > dinâmico, explícito > continuar > ok.
2. Selecione Módulo > Carregar > Gerenciador de condições de limite > Etapa: Deslocamento > inicial/rotação > Continuar.
3. Selecione o limite inferior da malha e selecione Concluído.
4. Selecione Módulo > Malha > Selecione Peça > Atribuir tipo de elemento > Concluído > Tensão 3D > Selecione Sim para exclusão de elemento.
5. Selecione Módulo > Carregar > Gerenciador de condições de limite > Criar > Etapa 1 > garantir que a categoria seja Mecânica > Continuar.
6. Selecione o limite superior da malha e selecione Concluído.
7. Selecione Módulo > interação > ponto de referência > Atribuir à malha.
8. Selecione Gerenciador de restrições > Criar > amarração de > de corpo rígido e selecione o limite superior da malha > Atribuir ponto de referência > Concluído. Encontre a localização do ponto controlado usando a técnica de carga seguidora, onde a carga seguidora é tangente à curva da coluna vertebral, garantindo que o ponto controlado esteja localizado a 10% da largura do corpo vertebral ao longo do plano sagital a partir da projeção do centro de massa da placa superior (Figura Suplementar 6)²².
9. Selecione Módulo > Carregar > Gerenciador de condições de limite > Criar > atribuir carga no ponto de referência.
10. Em Editar condição de limite, selecione Criar amplitude > Continuar > atribuir taxa de deslocamento de 3 mm/min.
11. Selecione Propriedade do módulo > > Gerenciador de materiais > Criar > Elasticidade > mecânica > Elastic > atribuir dados de entrada (Tabela 3).
12. Selecione Plasticidade > Mecânica > Plástico.
13. Selecione Módulo > Etapa > Gerenciador de solicitações de saída de campo > Criado > Falha/Fratura > selecione Dano por compressão e Estado/Campo/Usuário/Tempo > STATUS.
14. Selecione Módulo > Trabalho > Gerenciador de trabalhos > Resultados > Visualização > DANOS > Seletor de quadros > aumentar a carga usando o Controle deslizante de etapas.
15. Documente o ponto de falha definido anteriormente.

5. Testes experimentais

1. Configure a placa de carregamento superior ao conector MTS, permitindo rotação livre de até 5°.
2. Coloque o corpo vertebral na placa de compressão inferior.
3. Trace a silhueta do corpo vertebral para garantir que o centro de carga esteja alinhado com 10% da largura do corpo vertebral do centro de massa na direção sagital.
4. Coloque o perfil inferior do corpo vertebral no contorno, orientado pela peça de polímero impressa em 3D descrita nas etapas 1.10 e 1.11.
5. Oriente o equipamento de rastreamento de dados para capturar mudanças de movimento e fixar o marcador digital na placa de carregamento.
6. Obtenha fotos de pré-compressão dos corpos vertebrais em todas as vistas. Oriente o dispositivo de captura de vídeo.
7. Usando a máquina de sistemas de teste de materiais (MTS), aplique uma carga axial de uma taxa de deslocamento quase-estática de 3 mm/min, onde a falha é definida como 1/3 da altura da vértebra. A máquina MTS emite automaticamente a carga (N) para cada experimento.
8. Utilize as coordenadas de três feições digitalizadas na escala para calcular o deslocamento do marcador central.
9. Use as coordenadas de quatro pontos digitalizados dos planos sagital e coronal para calcular a superfície superior (Figura Suplementar 7).
10. Obtenha fotos pós-compressão dos corpos vertebrais em todas as vistas.

6. Análise dos dados

1. O MTS coleta os valores de carga e extensão para calcular a curva de carga-deslocamento. A partir da FEA e da compressão experimental, utilize os valores de rigidez e resistência para realizar análises estatísticas.
   NOTA: A rigidez é a inclinação em sua trajetória linear e a resistência é o ponto mais alto da resposta elástica. Finalmente, o padrão de falha é definido pela identificação de qualquer fratura ao longo da carga de compressão de elementos finitos com uma deformação plástica diferente de zero.
2. Realize todas as análises estatísticas usando o software de análise de dados apropriado.

Resultados

Das 12 vértebras suínas, as curvas de carga-deslocamento obtidas para todos os espécimes estão representadas na Figura 1, onde todas as curvas de dados experimentais mostraram padrões semelhantes. Os resultados mostram uma rigidez e força vertebral média de 9,54 ±1,1 kN/mm (variação de 6,73-13,63 kN/mm) e 10,2 ± 0,86 kN (variação de 8,1-13 kN). A análise de vídeo dos testes experimentais de compressão demonstrou um padrão de falha comum entre as amostras. O padrão de falha consistiu em três ...

Discussão

Embora a FEA derivada de CT seja uma ferramenta bem estabelecida para modelar o comportamento biomecânico, poucos estudos aplicam modelagem matemática em conjunto com validação física no contexto de VCFs. Este estudo demonstra um modelo matemático preditivo preciso de VCF toracolombar, apoiado por compressão experimental de espinhas de cadáveres suínos e humanos. O modelo incorpora resistência, rigidez, padrão de fratura, mecânica de carga e propriedades do material para prever matematic...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
3-MATIC	Materializar	v15.0
Abaqus/CAE	Simulia	n/a
Balança Analítica	Sigma Aldrich	OH30122634
Espinhas de porco cadavérico			Açougue local, Chicago, IL
Máquina de tomografia computadorizada	Siemens	SOMATOM Definição AS
Epredia  Serra de Osso de Ponta Redonda Shandon, Lâmina: 8 pol. x 2,5 pol. (20,3 pol. 6,4 cm), padrão, 11,5 pol. (29,2 cm)	Fischer Scientific	40018
Marca Fisher  Pinça/Fórceps de Ponta Média de Precisão Fina	Fischer Scientific	12-000-157
Integra Miltex  Bisturis Padrão Estéreis	Fischer Scientific	12-460-451
Máquina de corte a laser/impressora 3D	Fusion3	F400HFR
Mimics Software	Materialise	v2.0
NDI Optotrak Certus	NextGen Ergonomics	Certus Products
Serra de Osso	Ortopédica Brocas Ortopédicas	OTS-1
SPSS Estatísticas	Absorventes IBM	v27
com Barreira à Prova d'Água contra Umidade, 58.4 x 61 cm, 410 mL, Azul, 200/cs	VWR INTERNATIONAL INC	Rolamento 56616-032