Поискахте машинен превод на избрано съдържание от нашите бази данни. Тази функционалност е предоставена единствено за ваше улеснение и по никакъв начин не е предназначена да замени човешкия превод. Нито SPIE, нито собствениците и издателите на съдържанието правят и те изрично се отказват от каквито и да било изрични или подразбиращи се декларации или гаранции от всякакъв вид, включително, без ограничение, изявления и гаранции по отношение на функционалността на функцията за превод или точността или пълнотата на преводите.

модула

Преводите не се запазват в нашата система. Използването от ваша страна на тази функция и преводите е предмет на всички ограничения за използване, съдържащи се в Общите условия за ползване на уебсайта на SPIE.

21 февруари 2020 г.

Зависимостта на модула на Йънг на трабекуларната костна тъкан от нейната плътност според компютърна томография

Павел О. Дмитриев, 1 Анастасия А. Голядкина, 1 Леонид В. Бесонов, 1 Ирина И. Кирилова, 1 Леонид Ю. Косович, 1 Александър С. Фалкович 1

1 Саратовски държавен университет (Руска федерация)

СПЕСТЕТЕ В МОЯТА БИБЛИОТЕКА

ЗАКУПЕТЕ ТОВА СЪДЪРЖАНИЕ

АБОНИРАЙТЕ СЕ ЗА ДИГИТАЛНА БИБЛИОТЕКА

50 изтегляния на 1-годишен абонамент

25 изтегляния на едногодишен абонамент

ЗАКУПЕТЕ ЕДИНЕН СТАТИЙ

Включва PDF, HTML и видео, когато са налични

ВЪВЕДЕНИЕ

Планирането на хирургично реконструктивно лечение на заболявания и наранявания на гръбначно-тазовия комплекс (VPC) е много отговорно и сложно предизвикателство. За успешния резултат от операцията лекарите могат да използват като подкрепа прогноза, основана на биомеханична симулация. Много важно за подобна симулация е познаването на физическите свойства, като например оценка на стойността на модула на Йънг на костните тъкани. Оценките на модула на Young са възможни само in vivo съгласно компютърната томография (CT), тъй като всички изчисления трябва да бъдат завършени преди операцията. В редица произведения 1,2,3 са предложени начини за определяне на стойността на модула на Йънг (E) от единици на Hounsfield (HU), т.е. върху стойностите, които характеризират интензивността на сивия цвят на костите на томограмата. В същото време авторите на тези произведения представят различни варианти на зависимости E = E (HU). Причината, поради която те са различни, са различните методи за сравнение между измерените CT данни и емпирични данни (както за един и същ биологичен обект, така и за различни обекти от един клас), както и методите за осредняване на резултатите.

В рамките на тази статия, за да оценим стойностите на модула на Йънг, използвайки CT данни, извършихме поредица от измервания по два начина на едни и същи проби от костна тъкан. Когато анализираме CT данните, ние избираме областта на пробата от костна тъкан, която е компресирана на тестваща машина. Обърнете внимание, че промените, причинени от заболяване или нараняване, водят до увеличаване на хетерогенността на костите, което се изразява числено в резултатите от CT сканиране чрез увеличаване на вариацията на единиците на Hounsfield. Увеличението на вариацията на HU от своя страна влияе върху резултатите от осредняването и следователно върху резултата от изследването като цяло.

За тестване на методи за определяне на механичните свойства на тъканите на VPC е анализирана научната литература за характеристиките на полевите експерименти за определяне на механичните параметри на костните тъкани.

Изследвания 1,4 потвърждават интереса на учените по въпроса за окончателното и елементно моделиране (МКЕ), включително за обосновка на моделираните натоварвания на VPC елементите. Интересен е опитът от използването на шест-измерения симулатор при извършване на естествени експерименти 5, който позволява да се извърши оценка на напрегнато деформираното състояние (TDS) едновременно в три посоки.

Резултатите, представени в член 2, привличат големия интерес, причинен от сравнението на механичните параметри, определени от тях in vitro и in vivo. Според in vitro се провеждат серии от естествени експерименти за едноосно компресиране на тъкани на прешлени. Получените стойности на точките на счупване бяха сравнени със стойностите на плътността на костната тъкан, определени съгласно денситометрията (in vivo). Анализът на сравнението разкри съществени разграничения. Както авторите предполагат, това се дължи на факта, че при извършване на естествени експерименти са използвани данни in vitro и са получени резултати от денситометрията за тях in vivo.

Членове 3,6 са интересни, тъй като им се представят сложни многоетапни изследвания. Автори 3 проведоха комплексно пилотно проучване за образуване на нараняване на тялото на прешлен. Експериментът се състоеше от 3 етапа. На 1 етап стисна прешлен до неговата промяна (25% от деформация), като по този начин имитира промяна на компресията. 2 етапа бяха посветени на 30-минутния разтоварен период на релаксация. На 3-ти етап се извършва оценка на поведението на тъканите на прешлени след поддържане на максималното натоварване, определено на 1 етап от експеримента. Установено е, че при наличие на заболяване остеопороза е необходимо най-малкото натоварване за образуване на фрактура на тялото на прешлен. По този начин, това изследване е насочено към оценка на риска от развитие на фрактура на тела на прешлени при загуба на костно тегло (остеопороза).

В член 6 се разглежда естественият експеримент чрез определяне на механични свойства на междупрешленния диск при едноосното разтягане натоварване. За експеримент бяха подготвени вертебрални двигателни сегменти (VMS) от 3 отдела на гръбначния стълб: цервикален, гръден и лумбален. Проби, които съдържаха външна част от влакнест пръстен на междупрешленния диск, бяха изрязани от всеки сегмент, след което тези проби бяха разделени на две симетрични части: предна и задна. Преди извършване на механични тестове пробите се подлагат на хидратация в 0,15% физиологичен разтвор при стайна температура. По-нататъшна циклична предварителна подготовка на материала (5 цикъла) със скорост 30 mm/min. с максимална деформация от 20%. След предварителна подготовка за проби едноаксиалното разтягащо натоварване с постоянна скорост от 30 mm/min. към тяхната пропаст беше поставена. Анализът на естествените експерименти разкрива, че пробите от вертебрални двигателни сегменти от гръдния и лумбалния отдели показват най-високите стойности на модула на Юнг, точки на пречупване. Освен това авторите разкриват значителни промени в механичните параметри в зависимост от анатомичната област на междупрешленния диск: предните проби показват по-високи механични стойности на модула на Юнг в сравнение със задната.

Анализът на научната литература. Опитът от сравнението на тези in vitro и in vivo е описан в 2. В 6 разкри, че натоварването на гръбначното тяло е подходящо приложение на временното натоварване от 600 N, а когато се разглеждат изолирани области от костна тъкан (отделно кортикални и гъбести слоеве), големината на натоварването е неизвестна. Следователно отговорът на въпроса е възможен само по емпиричен начин. При естествен експеримент чрез определяне на механични свойства на междупрешленния диск е необходимо да се въведат етапи на хидратация и предварително динамично натоварване (не по-малко от 5 цикъла).

МАТЕРИАЛИ И МЕТОДИ

Изследването използва три вида източници на данни за тъкани. Първо, това са данните от изследванията на пациента на компютърна томография in vivo. Второ, данните от CT изследвания на резецирани тъкани (фиг. 1).

Фигура 1.

Контурите на резецираната глава на бедрената кост, получени от компютърна томография. Файлът DICOM се преобразува в електронна таблица EXCEL, номерата на Hounsfield, които попадат в избрания интервал, се подчертават с попълване.

Третият източник са измерванията на модула на Йънг на отделни резецирани тъканни проби на тестовата машина Instron 5944 (фиг. 2).

Фигура 2.

Измерване на модула на Йънг на образеца, резециран реколозна костна тъкан за изпитвателна машина Instron 5944.

Срокът за изследване на резецирани тъкани на компютърен томограф и тест машина Instron 5944 е не повече от един ден след отстраняването.

РЕЗУЛТАТИ

Проведени са поредица от широкомащабни експерименти с тъканни проби на гръбначни тела, глави на бедрената кост и тазовите кости, използвайки коригираната техника.

По време на експериментите се определят стойностите на максималните напрежения и деформации, изграждат се графики на връзката напрежение-деформация и се изчисляват стойностите на модула на Йънг (Фиг. 3).

Фигура 3.

Изборът на линейно сечение в диаграмата напрежение-деформация, получена за гъбеста костна тъкан на тестовата машина Instron 5944 за изчисляване на модула на Йънг.

В Excel е построена точкова диаграма на зависимостта на стойностите на модула на Йънг, определени от in vitro данни от числата на Hounsfield, определени от CT данни (Фиг. 4).

Фигура 4

-Диаграма на зависимостта на стойността на модула на Йънг от числата на Hounsfield. E = 0,1934 * Hu + 7,1375

Използвайки известната връзка между костната плътност и числата на Hounsfield 7, стана възможно да се изгради точкова диаграма и да се определи зависимостта на стойностите на модула на Young (определена от данни in vitro) от костната плътност, определена от CT данни (Фиг. 5). На тази диаграма е изградена линия на тренд, която позволява да се коригира формулата за изчисляване на модула на Young’s според CT данни. Формулата на линията на тренда е както следва:

Фигура 5

диаграма на зависимостта на стойността на модула на Йънг от костната плътност.

ЗАКЛЮЧЕНИЯ

Анализът на данните от пълномащабния експеримент разкри, че числените стойности на модула на Йънг се сближават с данните от научната литература 8,9. Открито е, че стойностите, получени по време на мащабния експеримент, се различават малко от стойностите, получени от резултатите от числения експеримент за тъканите на главата на бедрената кост. Това се дължи на значителната хетерогенност на костната тъкан поради наличието на остеопороза. При сравняване на стойностите на модула на Young, определени от данните от естествения и числения експеримент, бяха разкрити значителни разлики за тъканите на гръбначните тела и тазовите кости. Този факт може да се обясни с факта, че при анализа на CT данни изследваме телата на прешлените и тазовите кости без очевидна патология, докато в хода на мащабен експеримент изследваме резецирани тъкани с очевидна патология.

ПРИЗНАВАНИЯ

Изследването, извършено с финансовата подкрепа на Фондация за напреднали изследвания.