文摘

最近的研究结果表明,接触应力是一个强有力的预测随后的膝骨关节炎症状发展。然而,更大数量的膝盖(可能几百的,如果不是数以千计)需要可靠地实现必要的统计力量分析澄清这种关系。本研究评估新的半自动的计算方法的可靠性估算接触应力在膝盖大以人群为基础的群组。十个膝骨关节炎多中心研究的主题包括在内。骨表面从顺序手动分割1.0特斯拉磁共振成像片nonconsecutive两天三人。四个人然后注册结果骨表面相应骨边缘负重射线照片,使用半自动的算法。离散元素分析方法被用来估计为每个膝盖接触应力分布。分割和注册可靠性(日常和评分者间信)的峰值和平均值,内侧和外侧胫股的接触应力进行了评估与Shrout-Fleiss组内相关系数(可以)。的分割和注册步骤建模方法被发现有优秀的日常(ICC 0.93 - -0.99)和良好的两分的(0.84 - -0.97)可靠性。这种方法估算compartment-specific胫股的接触应力似乎是足够可靠的用于大型人群为基础的群组。

1。介绍

骨关节炎(OA)是最常见的慢性关节疾病(1,2老年人和残疾的主要原因(3]。在美国,超过2100万人,占总人口的16%,患有关节炎。这个估计到2020年预计将达到18.2%,影响近6000万美国人(2,4]。最重要的是,痛苦与膝关节OA导致实质性的功能缺陷和残疾(5),促使许多人频繁就医(2,6]。流行病学危险因素如错乱排列和肥胖是行之有效的风险因素增加膝关节OA的发展。然而,这些因素间接反映异常的关节力学,和他们不能占当地特有的生物力学因素参与OA发病机理。

相比之下,关节接触应力是一个关键和关节健康的直接因素。添加一个有效的生物力学模型的局部接触应力会因此加强流行病学模型来预测事件的能力胫股的OA和解剖症状恶化,通过识别个人和关节表面的面积最大的风险。在理想的情况下,任何这样的科目的建模方法是适用于大型的以人群为基础的群组研究。

接触应力当然是只有一个完整的定量测量(多轴)软骨受到的应力状态。但是,除了被证明是一种非常有用的度量的(7,8),它还与剪切应力密切相关的骨软骨连接和其他重要功能载荷作用下应力措施(9]。

之前的计算方法来确定关节接触应力主要依靠有限元分析(FEA)。然而,有限元分析小于适合人群为基础的纵向研究,由于其相对较高的复杂性和自然资源密集型处理建模的非线性固有的多体接触。幸运的是,离散元素分析(DEA)已经成为一个迅速替代确定关节接触应力有限元分析(10,11]。在DEA,骨头被视为刚体和软骨compressive-only泉,分布在阐明骨表面。DEA建模方法已开始被开发来估计关节接触应力与以前的方式(12- - - - - -14]。但是,分析使用这些方法已经有限的科目,由于固有的复杂性与建模。更大的数字(可能几百个)的对象需要实现统计分析权力必要澄清在关节病理接触应力的作用。

多中心骨关节炎(大多数)研究是一项前瞻性研究的成年人,在基线年龄50 - 79年,在风险与既存的膝关节OA或基于频繁的膝盖症状,膝盖受伤的历史,或手术,超重或肥胖15]。最大规模的研究,比如,提供一个独特的机会使用纵向医学影像数据(CT, MRI,射线照片)来评估关节接触应力与病理之间的关系。使用DEA方法,我们曾表明,基线有症状的膝关节OA关节接触应力可以预测事件发展在大多数研究参与者(15个月16]。我们另外还演示了软骨关节接触应力升高可以预测的风险和骨髓病变恶化超过30个月的主题从最17]。我们最初的研究涉及的建模和分析60膝盖,和随后的研究一个额外的38个膝盖。虽然这些研究已经开始揭示pathomechanical OA的起源,再次,更好地理解需要分析更大数量的科目。

本研究评估了半自动的建模和分析方法开发的可靠性估计使用数据从最组关节接触应力。我们之前验证DEA-based方法估计接触应力值之间通过展示良好的协议和那些在尸体标本测量12]。之前使用DEA评估胫股的接触应力较大的观测或介入研究,同样重要的是要确定评分者间信和日常MRI分割和模型注册方法的可靠性。如果发现一个可靠的方法,DEA-based接触应力评估可能是一种可行的技术有效地收集纵向胫股的接触应力的作用的大规模研究中生物力学pathomechanical膝关节OA的起源的风险因素。

2。材料和方法

本研究使用10膝盖随机选择从之前的研究中嵌套在最风险升高或3026名成年人进行膝关节OA (16]。最常用以人群为基础的抽样范围招募3026男人和女人,年龄50 - 79年,频繁的膝盖在发病的症状或症状性膝OA基于膝盖受伤或手术史或超重或肥胖。排除标准包括双边膝关节置换、癌症、疾病或疾病。之前的嵌套的研究中,30例膝盖被随机选择从大多数受试者在一位临床网站开发事件症状胫股的OA在基线和15个月后续访问。这些案例的膝盖从30对照组与膝盖,随机选择从同一队列,之后在同一时间,在同一网站,没有出现频繁的膝盖的结合症状和影像学胫股的OA。

2.1。机械建模方法

准确的机械建模要求3 d骨表面从核磁共振图像分割和对齐加载并置。经历(PA)固定弯曲负重膝盖射线照片,根据标准化协议收购(18),被用于一个3 d-to-2d骨表面加载原生[登记19- - - - - -22]。提出了3 d-to-2d对齐算法编写的MATLAB(纳蒂克,MathWorks MA)。算法需要一个3 d三角形表面为每个骨头(可以从MRI分割),以及2 d负重x光照片的二进制跟踪相关骨边缘。

每个膝关节的骨几何从基线访问获得核磁共振。图像先生获得了大多数的主题在一个坐着的位置,使用1.0 T专用的膝盖系统(ONI医疗系统,OrthOne)。膝盖DEA模型生成涉及几个步骤(图1)。首先,胫骨和股骨的骨表面分割挤牙膏式图像通过跟踪边界先生使用一个交互式的笔展示(23]。内的跟踪完成OsiriX DICOM观众软件环境(OsiriX基金会、瑞士日内瓦)。点云为每个追踪骨骼与表面剖分输出和包装使用Geomagic工作室软件(Geomagic, Inc . Research Triangle Park, NC)。Moro-oka等人先前表明,手动MRI分割可以提供模型表面的股骨和胫骨,不同于CT-based细分仅0.08毫米和0.14毫米,分别为(24]。任何孔表面三角使用本地curvature-matching方法。应用程序脚本的工作室软件提供一个有效的手段为大量生产这些表面分割的膝盖。应用程序脚本允许重复运行程序的(在这种情况下,Geomagic Studio)来产生所需的输出(在这种情况下,几何模型)通过一系列的基于文本的命令。执行脚本,因此,,可以无人值守批处理创建大量的模型。

登记调整过程利用优化方法最小化分割骨模型轮廓之间的区别,作为pseudo-radiographic投影到图像平面上使用投影技术,从巴勒斯坦权力机构和信息固定弯曲射线照片(19]。骨的边缘轮廓(2 d)射线照片得到监督的方式使用半自动的过程在MATLAB中实现。这个过程允许用户确认发现的边缘半自动的算法与骨大纲,而不是虚假的小梁细节或射线工件。接下来,一个场景中重新创建虚拟空间匹配最x光照片收购协议,与x射线源在72英寸的探测器和5°的角度,10°,或15°尾角,根据原始射线收购的细节。射线探测器代表几乎是一个矩形的两个相邻多边形场景中的适当位置。分段骨骼模型的空间坐标然后从核磁共振成像坐标空间变成一个名义上的位置源和探测器之间的虚拟场景。

射线从x射线源铸造模型的轮廓边缘和交叉与电影飞机,创建一个点集,定义边界顶点投影到这部电影。这些预测被连接使用一个画线算法创建一个连续的轮廓代表骨边缘。这个轮廓相对于骨固定弯曲射线照片的边缘轮廓。对比ray-casted轮廓和分段射线边缘提供了一个基础成本函数使骨骼模型。

协方差矩阵的适应进化策略(CMA-ES [25]),meta-heuristic全球优化器,需要一些参数被选中一个先天,是利用迭代操作骨模型在三维空间实现所需的最佳排列(图2)。把骨头带进所需的平移和旋转加载附加软件的输出。CMA-ES是启发式算法和这个特定的问题是高度非凸,三分的算法被处决,结果都被记录下来。在最近的工作类似的对齐方法,建立了优秀的测量精度与翻译精确到0.5毫米和旋转在0.7°(21]。

每个两根骨头(股骨和胫骨)分别是对齐的,而不是独立。首先,股骨是对齐,然后最终的最佳计算转换应用股骨胫骨将它移动到一个初始姿势。一个额外的组件被添加到成本函数惩罚的运动远离股骨胫骨。从这个位置开始接近最后的最好的股对齐允许胫骨对齐进行更加迅速。

对齐后,关节接触应力计算使用之前验证DEA算法,用MATLAB编写(12]。应力分析认为僵化的软骨下骨,统一合并胫股的6毫米厚度线性弹性软骨层。这种假设统一的软骨厚度是必要的因为扫描resolution-related问题;软骨厚度的精确测量是不可行的。对合并后的软骨厚度最小;试验用4和8毫米厚度显示峰值接触应力的变化(< 10%12]。

DEA算法允许快速计算两个维度之间接触应力的表面,没有体积啮合步骤的必要性,如有限元分析。该算法首先使用space-partitioning算法快速计算最近的邻居之间不是表面的方面。每一对最近邻查询识别对经历了明显的渗透和创造之间的弹簧对。接触压力然后使用弹簧模型计算(13]相关的弹簧变形产生接触应力(12]。计算是基于总软骨厚度、软骨弹性模量和泊松比(选择代表软骨行为生理相关加载率),以及计算弹簧变形位移与应用相关的骨骼。使用软骨的弹性模量是12 MPa (26),和泊松比为0.4227]。

整体接触力是矢量求和的计算正常的力量作用于每个三角形(接触应力三角形面积)。负荷控制的模拟运行,利用垂直加载1000 N。基于计算接触力、胫股的并列是调整以迭代的方式获取所需的翻译达到静力平衡。接触应力的峰值和平均值,作用在每个隔间(内侧和外侧)DEA-computed每个膝盖被报道的接触应力分布。

2.2。建模方法的可靠性

来确定我们的建模方法的可靠性,我们评估了DEA的再现性接触应力措施从(1)获得的多个独立分割十大部分参与者的膝盖基于一组注册以及(2)基于一组分割多个独立注册,如下详细描述。

评估的可靠性分割步骤,三人从顺序手动分割骨表面MRI片nonconsecutive两天。每个独立分割当时受到相同的空间矩阵变换位置加载并置。DEA方法是用来估计为每个膝盖接触应力分布。分割步骤(日常和评分者间信)的可靠性评估计算组内相关系数(ICC 2, 1)胫股的接触应力的峰值和平均值,使用Shrout-Fleiss single-score方法(28]。

评估的可靠性注册步骤,四个人注册3 d模型基于一组骨表面分割(即。,所有人都使用相同的分割)相同的十大最膝盖负重射线照片。一个人重复任务在稍后的时间点。上述登记方法被用来对齐MRI-derived 3 d骨模型骨片的边缘。因此,注册可靠性总结了接触应力的估计之间的协议,考虑到总变化从用户交互式地选择相关影像学骨边缘和可变性的差异结果的三分CMA-ES对齐算法。注册步骤(日常和评分者间信)的可靠性评估计算组内相关系数(ICC 2, 1)胫股的接触应力的峰值和平均值,使用Shrout-Fleiss single-score方法(28]。

3所示。结果与讨论

描述的方法来获得接触应力的估计提供了一种有效的方式在膝盖的研究。手动跟踪骨表面的支出占了大部分的时间,大约2个小时的用户时间/膝盖。膝盖合适的自动分割方法(例如,29日])迅速成为可用,他们会允许大幅度减少用户所需的时间来完成这个任务。

校准完成后大约4分钟骨头,涉及超过8000成本函数评估。正如所料,对齐可变性最高平面的x光照片。使用同步双平面成像技术未来的研究将极大地减少这种可变性,但PA和横向图像是最不幸的是异步获得。接触应力的计算是在大约3分钟完成膝盖和产生的接触应力分布合理,符合这些报道在我们之前的工作与此建模方法(16,17]。

评分者间信(日常)可靠性的分割内侧间室峰值(0.94,0.87),(0.93,0.84),平均接触应力和横向舱(0.99,0.96),(0.98,0.95),(表1)。评分者间信(日常)注册为内侧间室的可靠性(0.93,0.94),峰值和平均接触应力(0.94,0.95),和侧舱(0.95,0.97),(0.96,0.97),(表2)。Bland-Altman块生成的日常和评分者间信度视觉分割的可靠性评估和注册步骤估算的接触应力的峰值和平均值,内侧和外侧的隔间。四个地块进行内侧间室意味着接触应力,膝关节OA的发展好坏的一个关键因素在我们之前的工作16,17),呈现在图3。

接触应力的质量估计方法获得了最终取决于输入数据,这就是为什么可靠性评估。对齐是一个主要问题,但sotoois手动分割的可靠性。都显著影响接触应力的计算值,所以他们的可靠性独立评估。计算接触应力的变化与不同的细分和注册相关评价正是因为计算产生的主要变量显示在我们的临床预测价值其他发表的地方工作的路努力相关的估计接触应力随着膝关节OA的发展。

计算应力分析必然涉及到简化的假设。在加载之前物理测试的结果率符合走(30.之间的等价性,短期两相的和不可压缩弹性材料反应31日,32),证明治疗关节软骨是一个线性弹性材料在现在的环境下。软骨下骨被建模为刚性,基于机械数据显示,其压缩模量几乎是两个数量级高于关节软骨(26,33]。这些看起来可以接受的近似,至少在功能负荷和加载速率。物理验证此之前DEA配方(12)强化这些简化是合理的。其他重要的假设包括单个静态加载条件的建模。微分步态改变整个研究人口可能会影响接触应力的预测。

高接触应力暴露不过是影响因素之一联合办公自动化发展的倾向。据我们所知,不存在大系列数据展示科目的接触应力的值作为预测事件有症状的膝关节OA。小说,它确认了我们之前工作的最大接触应力之间的相关性和风险事件胫股的OA症状的发展,尽管在一个相对较小的主题。建立DEA的能力是关键,相关性,这些功能使研究更大的一系列主题比将由完整可行的张量的使用技术,如应力分析有限元或边界元分析。

由于在模型创建自动化的广泛使用,对齐,和接触应力计算,验证程序必须考虑单个结果的质量。对于本研究结果为每个步骤检查和证实视觉,但这不会是可行的在考虑研究涉及成千上万的建模仿真。出于这个原因,需要开发健壮的和客观的方法来具体确定贫穷的解决方案并将它们返回给分析师进一步考虑。

4所示。结论

描述方法提供一个实用的框架,利用信息从大型流行病学和临床研究来计算均值和关节接触应力峰值曝光的内侧和外侧胫股的隔间。分割和DEA的注册步骤过程似乎有很好的优秀的日常和评分者间信度。这种技术估算compartment-specific胫股的接触应力可能是有用的估计生物力学应力大军团。在一个正在进行的研究中,描述的方法被用来分析200膝盖与大多数科目。未来的自动分割和质量控制方法将显著减少调查员的时间投资,进一步提高预测价值。

信息披露

作者没有任何财务或个人关系与他人或组织可能不适当地影响(偏见)本文中描述他们的工作和结论。资金来源,国家卫生研究院和关节炎基金会,并没有参与这项研究的设计,在收集、分析、和解释的数据,在报告的写作,或决定提交投稿。

确认

布莱克的努力Eyberg,凯尔西麦卡隆,泰勒仓库管理员,基督教安东尼•Kilburg芬德雷和诺艾尔Klocke感激地承认。作者还要感谢多中心膝关节骨关节炎研究的参与者和员工(大多数)。这项研究是由爱荷华大学的生物科学基金项目以及国家卫生研究院的基金(U01AG18832和P50AR055533)爱荷华州立大学,波士顿大学(U01AG18820),阿拉巴马大学(U01AG18947),加州大学旧金山(U01AG19069),通过保罗·b·Beeson老化(K23AG030945),职业发展奖项和关节炎基金会的资助。