文摘

客观的。提出参数量化水泥分布和提高决策准确性的预测vertebroplasty术后并发症。方法。有限元分析被用于生物力学评估椎力学( )后经皮vertebroplasty (PVP)或kyphoplasty (PKP)。椎空间分为27部分。水泥的数量占据cement-endplate接触部分和数字部分被定义为总体布局(oDN)数量和整体终板联系电话(oEP),分别。和水泥分布被oDN和oEP参数化。椎力学和参数的确定系数( )可以验证的相关性提出了与脊椎的力学参数。结果。oDN和oEP失败主要是与负载( )和刚度( ),分别。oDN, oEP、破坏载荷和刚度有明显区别PVP组和PKP组( )。区域终板在前面列联系电话是最与脊椎僵硬( )在所有区域的参数。水泥体积和体积分数不是椎的主导因素,他们不适合术后骨折风险预测。结论。提出高相关椎力学参数有前途的临床效用。oDN oEP可以强烈影响增强椎力学因此适用于术后骨折风险预测。决策过程的参数是有益的修正手术的必要性。参数化方法也有利于手术的术前计划。临床图像识别方法可以鼓舞人心的发展和辅助诊断。

1。介绍

骨质疏松压缩骨折椎(OCVF)是一个椎体压缩骨折或多个椎体引起的骨矿物质密度(BMD)的减少。它会导致背部疼痛,脊椎畸形,降低流动性在老年人1),和年龄调整死亡率的风险更高2),所有这些增加公共卫生的压力。在大多数情况下,经皮vertebroplasty (PVP)或kyphoplasty (PKP)是用来稳定伤员椎骨防止进一步损害(3]。这种微创手术提高了患者的生活质量的OCVF促使减少疼痛和流动性恢复(4]。巩固了椎衰竭能导致许多并发症,研究发现不同的水泥分布和体积因素很大程度上决定椎机械稳定性和出现并发症(5]。水泥分布可以在很大程度上影响椎再压缩的预测风险并决定修改差增强脊椎手术。

体积因素提出了量化intravertebral水泥分布和评估影响vertebroplasty并发症,如intravertebral水泥体积(CV)、水泥高度在x光片,水泥形态,体积分数(6- - - - - -8]。体积分数(VF)被定义为intravertebral水泥体积分数的椎体体积和旨在量化水泥充填的程度给出不同椎大小。尽管参数化这两个风险因素可以量化的水泥、相互矛盾的结果对这些因素提出了几项研究[9,10]。

研究表明,水泥的机械支持减少不均匀增强脊椎的力量(11,12]。水泥是一种风险因素的密实度描述水泥分布形态,通常由x线或CT片。在这种情况下,水泥密实度只是分为肿块和互相交叉的类型。块分布模式被发现是一个有害的分布增强椎骨。因为在这种情况下,椎骨更容易再次崩溃(6,7]。一些临床研究进行了用参数表示水泥形态,表明更广泛的和互相交叉分布将增加从OCVFs复原的速度8,13,14]。紧性因素的明显缺点是参数化两类不能用参数表示分布水泥。此外,二维x光片的形态信息是难以复制的。因此,三维水泥分布与椎力学之间的数值关系尚不清楚,由于水泥分布和新方法是必要的。

针对病人经由计算机断层扫描(MDCT)基于有限元分析(FEA)是一种很有前途的工具来评估临床相关的参数。vertebroplasty,一些均匀有限元分析研究不同的注入量,研究水泥弹性模量,cement-endplate联系人等等15,16]。kyphoplasty,研究水泥位置和对称的云(11),作者指出,水泥的对称分布云是有利的。异构非线性有限元分析的一些研究进行了解使用不同模量的水泥的机械效应。一个延时microcomputed断层扫描(μ- ct)有限元分析研究表明,VF %与刚度增益比例(17]。骑士et al。15发现不同的cement-endplate接触模式可以主导的硬化和强化效果增强。排除上面的研究中,有限元分析的研究集中在水泥形态学参数化如何影响了椎力学是罕见的。另一方面,它缺乏大量增量化评估方法。参数关联和增强椎力学是必要的。

本研究旨在调查和由于不同水泥分布模式。相关的风险与失败了椎骨,这些参数可以利用有效的术后评估尺度与其他诊所术后风险因素,如血管评分、脊柱后凸的恢复和椎体高度恢复。因此,它应该作为早期翻修手术的决策参考。针对病人的有限元分析测试是用来评估巩固了脊椎的力学性能。intravertebral空间划分成27个部分(立方体)根据脊椎解剖学、水泥形态和分布在椎骨是参数化的。回归与椎力学研究显示参数相关。不同类型的水泥也评估在这个研究。

2。材料和方法

2.1。数据收集

OCVF患者的多层螺旋ct数据集进行了vertebroplasty收集从当地诊所2017年4月至2020年12月。执行数据收集临床伦理委员会的监督下,所有的数据集都匿名保护隐私。多层螺旋ct扫描是由西门子Somatom定义扫描仪(西门子、莫尔文、PA),拥有120千伏峰值管电压,电流210毫安,0.4毫米像素大小和切片厚度1毫米。重建内核设置为标准(B30S)。

入选标准收集如下:(1)单个或多个椎水平诊断出患有OCVFs T10和L4之间病人接受PKP或PVP;(2)OVCFs没有受损椎体后壁,神经病变,或intravertebral结晶(ivc);和(3)清晰的可视化水泥云在医学数字成像和通信(DICOM)集。收集的排除标准如下:(1)严重的水泥渗漏到邻近的水平或脊髓压缩;(2)完成爆裂骨折在巩固水平由于其完整性,没有资格获得建立一个常规的有限元分析模型;(3)椎骨和后固定结构。共有51个椎骨的39例患者符合包容和下面的研究(表中进行调查1)。

2.2。异构有限元模型的发展

工作流模型的开发是描绘在图1。短暂,多层螺旋ct数据导入到医学三维重建软件模拟(实现NV、Harislee、比利时)来执行水平分割和骨重建和面具的椎骨和不透射线的骨水泥分别生成。后韧带的复杂(PLC)、椎弓根、椎体横突、关节过程被抹去在这个阶段减少计算工作。屏蔽和模型生成后,水泥和椎骨的STL模型出口预处理软件3-Matic(实现NV、Harislee、比利时)来生成网格。根据Anitha et al。18),胸腰椎椎MDCT-FEA是可以接受的啮合敏感性错误减少不到10%。验证后的网格质量敏感性在标准(图三种随机模型2),这项研究的体积网格大小设置为最大2毫米椎骨和水泥、和整体体积网格元素类型被设置为四面体C3D10。

胡元素机械属性转换方程是列在表中2。胡锦涛的转换表观密度( ,克/厘米³根据先前的有限元分析文献[执行)19,20.]。这种转变从弹性到postyield骨和水泥的力学行为被定义为双线性各向同性硬化。弹性模量( ,MPa)从表观密度转换根据凯勒(21),和屈服应力( ,MPa)获得表观密度根据摩根和Keveany [22]。postyield模量( ,MPa)双线性各向同性硬化模型的元素设置为5%弹性模量(22]。虽然回顾性研究无法收集足够数量的定量ct (QCT)扫描DICOM文件符合校准幻影,一些phantom-less异构与一致的有限元分析表明,扫描和扫描参数,机械结果一致,幻影校准(一个23,24]。回归测试在我们的研究中只需要相对精度骨骼力学(力学性能之间的差异不同的椎骨标本),和我们的DICOM数据从一致的CT扫描仪获得了一致的参数在整个扫描,如千伏峰值、x光管电流,重建内核,以及像素大小。这是足以运行回归测试和其他的测试在我们的研究中。

此外,本研究也发现了4种不同的均质水泥类型之间的力学行为的变化。被分配为水泥elastic-perfect塑料模型。水泥强度和杨氏模量的文学被收养来的表3。体积网格文件和material-to-element交叉引用文件被喂以ANSYS workbench 19.0 (ANSYS,宾夕法尼亚州,美国)。

2.3。边界条件和收敛性

单椎单轴压缩已经在许多研究中,采用有限元分析和体外生物力学测试(30.- - - - - -32]。位移加载应用于上终板,如图1,模拟单轴压缩在一个方向垂直于下终板(33,没有约束的自由度。子步骤定义的步骤控制。和最初的子步骤设置为30。最大的子步骤设定在100年。被分配一个固定的支持下终板完全约束,和固定的反应部队期间记录下终板的位移(图上终板仍在继续1)。加载失败定义为产生的轴向反应部队在颅终板的压缩位移等于1.9%的最小距离的两个侧(34)和刚度估计斜率线性范围的力-位移曲线。工作环境是Ansys机械APDL (Ansys®学术研究,19.0版本,宾夕法尼亚州,美国)。

2.4。水泥分布的量化

(1)量化水泥分布的广泛性

量化的整体水泥分布,本研究开发了一个独立的参数称为分布数量(DN),这是独立于水泥体积(CV)和水泥体积分数(VF %)。简单地说,3 d重建椎骨和水泥云分为27(立方体)三个部分解剖平面根据6椎解剖结构分裂表面(图3)。两个冠状分裂表面平行于棘状突起,这是位于十字路口的激素和椎孔。两个矢状分裂表面被安置在冠状分裂表面的三分之一。轴向分裂表面被安置在第三椎前部和后部的高度。cement-occupied方块的数量被指出是总体分布数量(oDN)。为了防止无效的立方体占领,水泥接触三个或更多立方体墙壁或经过认证,皮质骨水泥在立方体占领。(2)量化的终板接触

数量的水泥方块碰了碰终板被定义为整体终板联系电话(oEP),这是一个分布参数对于破坏载荷和刚度的随后的回归分析,分别。(3)intravertebral区域的定义

探索intravertebral水泥分布在不同地区的影响,27个立方体被归类为前沿列,中间列,后列日冕的方向(图3 (b))。在横向方向,27个立方体被列为优等横,中间横,伪劣横向(图3 (c))。在每个地区的椎骨、区域分布数量(rDN),区域终板联系电话(代表),区域体积分数(裂谷热%),和地区水泥体积(rCV)指出。最后,线性回归的简历,VF %, DN和EP破坏载荷和刚度进行了计算。的比较表明,主导因素影响增大。

2.5。统计分析

- - - - - -测试和Wilcoxon等级和测试是用来验证参数PKP和PVP组之间的差异。破坏载荷和刚度的差异之间的不同类型的水泥被Wilcoxon等级测试和测试。在平均测试的区别 - - - - - -测试( )。进行了线性回归分析探讨可能的多个独立和依赖的参数之间的关系,从而产生 。

3所示。结果

3.1。水泥分布在PVP和PKP量化

变量在PVP和PKP组的比较提出了表4。之间没有显著差异在水泥体积PVP和PKP ( )。此外,所有的独立变量(分布参数)和因变量两组之间表现出显著差异。PKP组的椎体体积明显增大( 毫米³)比PVP组( 毫米³),所以它是合理的PVP组表现出明显oVF %比PKP组。

PVP组oEP也明显增大。PKP的松质骨夯实膨胀的气球可能密度和难以穿透的PMMA,从而减少oDN和oEP的价值。典型的水泥的对比数字形态在PVP和PKP组是在图S4。除了中共集团的破坏载荷和刚度的PVP组明显高于PKP组(表4)。因为有显著区别PKP和PVP组的独立变量(分布参数),预测椎破坏载荷和刚度,随后进行了回归分析和Wilcoxon等级和测试与PVP或PKP汇集数据调整。

Wilcoxon等级评估的数据和测试;没有明显的机械PMMA水泥被发现不同群体之间的差异。磷酸钙水泥组显著降低破坏载荷和刚度比PMMA水泥集团。 和 。

平均缴纳,oVF, oDN, oEP椎骨(汇集数据) 毫升, %, ,和 ,分别。增强椎骨的破坏载荷预测水泥是四种不同的类型: N, B: N C: N和D: N,分别。增强椎骨的刚度预测水泥是四种不同的类型: N /毫米,B: N /毫米, N /毫米,D: N /毫米,分别。不同的水泥类型无显著影响的预测破坏载荷和刚度增强椎骨除了水泥D型(磷酸钙水泥)Wilcoxon等级和测试(图4)。

3.2。总体分布参数相关性的强度和刚度

椎骨的线性回归分析水泥B型呈现在图5和相应的分析可用的其他三种类型的水泥在补充材料(表中S1)。破坏载荷的oDN表现出最高的相关性( );因此,这个参数有潜力用作术后骨折架预测。低oDN可以增强椎骨的标志危及椎再压缩甚至再骨折。与刚度oEP最相关( )在这项研究中(图5 (f)),这表明cement-endplate接触会强烈影响增强脊椎僵硬。缴纳和oVF %确定系数 和 ,分别指示oDN和oEP更好的术后评估和预测参数。没有发现明显的共线性诊断后这些总体布局参数和体积参数之间(图6)。这个统计证明oDN oEP独立缴纳和oVF %。

3.3。区域参数相关性的强度和刚度

线性回归测试区域独立变量在冠状面与脊椎破坏载荷与水泥B型呈现在图7(一)。前面和中间列rdn表现出相同的决心破坏载荷系数( 对于前面列和 中间一列)。代表的破坏载荷之间密切的前面和中间列。较低的之间的相关性被发现后列rDN和破坏载荷( )。对应分析的其他三种类型的水泥在补充材料(数据是可用的S1一个,S2一个,S3a)。在刚度方面,代表在前面列主导椎刚度变化, (图7 (b))。

横向飞机,水泥B型、水泥优越的伪劣横向飞机产生了类似的影响破坏载荷终板接触发生时(图7 (c))。代表相关刚度最高( )在横向(图低劣7 (d))。对应分析的其他三种类型的水泥在补充材料(数据是可用的S1c,S1d,S2c,S2d,S3c,S3d)。所有区域变量的回归破坏载荷和刚度是重要的( )。

4所示。讨论

许多常见的并发症是由于椎vertebroplasty后机械故障。应该提出合适的参数来描述增强椎力学。在这项研究中,intravertebral空间分为27块,使用一致的量化方法,和水泥分布参数化是总体分布数量(oDN)和整体终板联系电话(oEP)。整体水泥卷(缴纳)和整体水泥体积分数(oVF %)也确定。此外,三个横向分布参数(优越,midtransverse,伪劣)和三冠(前面、中间和post)地区指出地区分布数(rDN)和地区终板联系电话(代表)。这些参数的预测价值评估的相关性与巩固了椎力学。这种分析有助于预测手术后的决定过程中选择合适的参数。

4.1。相关性的分布参数和机械性能

量化水泥椎骨内形态,是直观的将椎骨划分为27个立方体在三维空间中根据特定的脊椎解剖学。方法可以很容易地采取风险参数评价手术后的决策过程之前,像血管得分,脊柱后凸的恢复,和椎体高度恢复,从而提高精度修正手术必要的决策过程。这种椎划分方法一直采用一些最近的椎体骨矿物质异质性研究[35,36]。

当前研究的结果表明,有很强的正相关关系( )oDN和破坏载荷(图之间的关系5(一个))。作者的理解,oDN评估延伸的空间被水泥和水泥机械支持的均匀分布。多个临床研究已经指出,互相交叉水泥分布而不是块可以显著减少术的机会(6,7),和一些研究强调术水平增强可能是由于不均匀加载,这是由水泥的不均匀分布11,12]。与更广泛的水泥分布(oDN更高),水泥的机械支撑一般,和较少的intravertebral空间仍然不支持的。研究中的oDN可以有效地量化这一延伸。高oDN的破坏载荷( )该参数用于术后椎再压缩的预测。oDN的低价值表示更增强椎骨失败的风险。oEP被视为量化参数的终板接触,并与脊椎僵硬( ),和最高的所有变量(图5 (f))。考虑到脊椎僵硬与邻新椎骨折(37,38),oEP可以利用新的邻近节段椎骨折术后的预测。术前,低oEP水泥插入策略严重的骨质疏松症患者可能防止新的邻近节段椎骨折。

简历和VF %调查作为水泥分布参数,但这些因素能否主导巩固了脊椎的力学行为仍然是矛盾(9]。缴纳和oVF %比较oDN和oEP oVF %和缴纳获得相对较低值预测破坏载荷和刚度,这表明增强脊椎的力学性能没有直接受到VF %或简历(数据5 (c),5 (d),5 (g),5 (h))。的原因是不同的色散抗性不同的弹道导弹防御系统在椎骨可以在很大程度上影响最终水泥形态相同数量的简历或VF %39]。因此,简历和VF %不一致和不可靠的尺度来验证,和这些参数可以混淆手术后的决策。不同的水泥不能显著减少刚度模量(图4 (b)在我们的研究中。

4.2。机械PVP和PKP之间的差异

分组信息PVP和PKP收集以及DICOM从诊所在这项研究。没有发现显著差异在缴纳在两组之间,但oDN oEP,力学PVP和PKP组表现出显著的差异。

之间的显著差异在oDN PVP和PKP组可能是由于松质骨膨胀的气球的夯实PKP组,使松质骨的密度和难以穿透的PMMA。肿块分布格局表现出较低的oDN在这项研究中,和PVP互相交叉分布(14,40可以实现oDN的显著增加。类似的情况观察之间的oEP PVP和PKP组,和更多的保留PVP中的多孔的结构更容易水泥分散到终板(14,41]。与PKP组相比,oVF % PVP组明显更高,这主要是因为边境椎高度通常是高通货膨胀的气球比PVP PKP组在许多研究[40,41),这可能导致椎PKP组的体积增加在掩蔽过程(图1)。量化的水泥分布在这项研究中,oDN和oEP都显著的高于PVP组,表明水泥分散更好的PVP组。

预计的破坏载荷在PVP组显著高于PKP组,这对应于先前的研究[40,41]。PKP组表现出更强的再骨折发生率或损失的前沿高度,和不同的水泥分布模式是关键因素根据先前的研究,这项研究的结果相对应。因此,PVP的分化和PKP技术是至关重要的,在手术后的评估过程,因为PKP组显著降低破坏载荷。在类似的情况下对刚度,互相交叉分布在PVP oDN和力量增加,同时增加了oEP。的oEP的刚度( )建议oEP表明更高更大的刚度在PVP组(表4)。对应之前的临床研究[7,41),“应力梯级”效应发生在PVP在PKP比这更强烈,导致更多的邻椎压缩。

4.3。分布在不同地区的Intravertebral空间

不同的rDN和代表在三列反映破坏载荷的承载机理椎骨(图7(一))。结果是不仅有利于手术后的评价和决策,也有利于注射针位置和针运动等技术。三列理论(42]表明,前面列熊大多数脊椎轴向载荷和前面列的三列的理论是类似于前面和中间列的椎骨在这项研究中,与加载失败。这一结论与之前的x射线回顾性研究是一致的:一个大水泥分布在中间列是一种保护性因素对重复手术后崩溃(8]。此外,终板接触在前面列可以积极影响脊椎僵硬(图7 (b))。为了防止相邻椎体骨折,这个地区的代表应控制在一个合理的范围内,和过于高代表在这个区域可以为新警报邻近节段骨折手术后的检查。postcolumn分布在这项研究中几乎没有显示任何相关破坏载荷和刚度;然而,这并不表明这个地区的水泥分散不重要。相反,据报道,basivertebral孔的存在表明椎承载的弱点和失败可能导致上终板破裂裂缝(43];因此,postcolumn地区的增加是不容忽视的。不同的横向区域(图7 (d)),代表上级伪劣横向展示类似的刚度和强劲的影响。Gustafson et al。44)报道说,当一个大压缩应变发展优势和劣势终板附近地区经历了轴向压缩时,cement-endplate联系这两个地区的可以减轻压力,从而提高增强椎骨的刚度。

有一些缺点在这项研究。首先,样本容量有限的病人的数量,和病人的CT数据很难获得,因为vertebroplasty后即时疼痛减少这种类型的手术后,病人会不会回到诊所,并进行CT检查。第二,幻影CT校准需要QCT扫描;不幸的是,这种回顾性研究无法收集足够数量的QCT扫描DICOM文件包含校准的幻影。说完这些,DICOM数据得到一致的CT扫描仪,使用一致的参数在整个扫描,如千伏峰值、x光管电流、像素大小,和重建的内核。因此,预测机械椎骨之间的差异是可靠的,因此足够的计算水泥与椎力学性能分布。

4.4。进一步的应用提出的方法和参数

拟议中的参数,oDN oEP,代表前面列,也与椎力学,和这些参数的组合IoHT(物联网健康)系统是很有前途的(图8)。vertebroplasty执行,术后对患者CT图像存储在pac(图像存档和通信系统)进行了分析,并生成诊断参数通过提出的方法。这些参数可以通过IoHT-based从术后CT图像中提取图像识别系统(45- - - - - -48),可以通过本地或云GPU(图形处理器)不需要特定的硬件和用户知识(49- - - - - -51]。在最近的一些研究中,深入学习算法,CNN(卷积神经网络),和其他技术已经采用医学图像处理(52- - - - - -55),和一些专门为CT图像识别算法开发(56]。这种解决方案可以采用骨水泥自动参数化。oDN和oEP提取图像识别算法,这些参数可以输入到具体经验公式IoHT生成风险指标作为辅助诊断。因此,医学专家可以提出一个低延迟、准确诊断修正手术的必要性。与此同时,提出了参数也可以帮助外科医生术前降低水泥在注射过程中泄漏的风险。另一方面,低oEP严重骨质疏松患者可以防止新的邻近节段椎骨折。

5。结论

基于多层螺旋ct三维巩固了脊椎模型重建数据。除以intravertebral空间为27部分(立方体),一个独立的方法量化intravertebral水泥形态。不同的值表明intravertebral水泥(oDN)的广泛分布在增强椎力学性能发挥了重要作用。oDN和oEP大部分与破坏载荷和刚度,分别。地区,rDN前面列伪劣横向与力学行为表现出显著相关性。提出参数有可能被用作术后评价规模从而提高临床决策的质量,通过这种方式提高老年人的生活质量,减少了公共卫生的压力。

数据可用性

使用的数据集和分析在当前研究可从相应的作者以合理的要求。

伦理批准

本研究进行了符合赫尔辛基宣言的原则。伦理委员会的批准被授予云南省第三人民医院(2020 ky008)。

的利益冲突

作者没有利益冲突声明本文的相关内容。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(批准号51871163)。

补充材料

补充文件包括回归结果不同类型的骨水泥在有限元分析研究。表S1显示了决心的总体参数对破坏载荷和刚度系数四种类型的水泥。图S1显示决心区域参数对破坏载荷和刚度系数在水泥类型a图S2显示决心区域参数对破坏载荷和刚度系数在水泥类型c图S3显示决心区域参数对破坏载荷和刚度系数在水泥类型d图S4显示对比典型的水泥形态在PVP和PKP组。(补充材料)