Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Các mối quan hệ hình thái – đàn hồi sử dụng thông tin kết cấu giảm dần của xương xốp người từ ba vị trí giải phẫu chính
Tóm tắt
Với sự cải thiện của công nghệ quét CT lâm sàng, độ chính xác của các mô hình phần tử hữu hạn (FE) dựa trên CT của bộ xương người có thể được cải thiện thông qua việc mô tả tốt hơn các tính chất cơ học của xương theo mức độ hiện diện. Mô hình phần tử vi mô (μFE) có thể được sử dụng để nghiên cứu hành vi đàn hồi hiện có của xương xốp người. Trong nghiên cứu này, các mẫu từ xương đùi, xương quay và thân đốt sống đã được điều tra để đánh giá sức mạnh dự đoán của các mối quan hệ hình thái – độ đàn hồi và so sánh chúng qua các vùng giải phẫu khác nhau. Các mô hình μFE của 701 khối xương xốp có cạnh dài 5,3 mm đã được phân tích bằng cách sử dụng các điều kiện biên động học. Dựa trên kết quả FE, bốn mô hình hình thái – độ đàn hồi với việc sử dụng tỉ lệ thể tích xương cùng với thông tin kết cấu đầy đủ, hạn chế hoặc không có đã được hiệu chỉnh cho từng vùng giải phẫu. Mô hình 5 tham số Zysset–Curnier với thông tin kết cấu đầy đủ cho thấy sức mạnh dự đoán xuất sắc với các hệ số xác định ($${r_{\rm adj}^2}$$) lần lượt là 0.98, 0.95 và 0.94 cho dữ liệu xương đùi, xương quay và đốt sống, với sai số chuẩn trung bình tổng thể giữa 14 và 20%. Một mô hình orthotropy hằng số và một mô hình đồng vị hằng số, nơi độ dị hướng đàn hồi được định nghĩa bằng các tham số mô hình, đã thu được các hệ số xác định từ 0.90 đến 0.98 với sai số chuẩn tổng thể từ 16 đến 25%. Việc bỏ qua thông tin kết cấu và sử dụng mô hình đồng nhất đã dẫn đến $${r_{\rm adj}^2}$$ từ 0.73 đến 0.92 với sai số chuẩn tổng thể từ 38 đến 49%. Việc so sánh hồi quy mô hình đã tiết lộ sự khác biệt nhỏ nhưng có ý nghĩa (p<0.01) cho các tham số mô hình kết cấu – độ đàn hồi được hiệu chỉnh cho các vùng giải phẫu khác nhau. Các mô hình được đề xuất và các tham số được xác định có thể được sử dụng trong các nghiên cứu tương lai để tính toán các tính chất đàn hồi hiện có của xương xốp người cho các mô hình FE đồng nhất.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Arbenz P, van Lenthe G, Mennel U, Muller R, Sala M (2008) A scalable multi-level preconditioner for matrix-free μ-finite element analysis of human bone structures. Int J Numer Methods Eng 73(7): 927–947
Bougherara H, Zdero R, Mahboob Z, Dubov A, Shah S, Schemitsch EH (2010) The biomechanics of a validated finite element model of stress shielding in a novel hybrid total knee replacement. Proc Inst Mech Eng H 224(10): 1209–1219
Charlebois M, Pretterklieber M, Zysset PK (2010) The role of fabric in the large strain compressive behavior of human trabecular bone. J Biomech Eng 132(12): 121006.1–121006.10
Chevalier Y, Pahr D, Allmer H, Charlebois M, Zysset P (2007) Validation of a voxel-based fe method for prediction of the uniaxial apparent modulus of human trabecular bone using macroscopic mechanical tests and nanoindentation. J Biomech 40(15): 3333–3340
Chevalier Y, Quek E, Borah B, Gross G, Stewart J, Lang T, Zysset P (2010) Biomechanical effects of teriparatide in women with osteoporosis treated previously with alendronate and risedronate: results from quantitative computed tomography-based finite element analysis of the vertebral body. Bone 46(1): 41–48
Cowin SC (1985) The relationship between the elasticity tensor and the fabric tensor. Mech Mater 4(2): 137–147
Cristofolini L, Schileo E, Juszczyk M, Taddei F, Martelli S, Viceconti M (2010) Mechanical testing of bones: the positive synergy of finite element models and in vitro experiments. Philos Trans A Math Phys Eng Sci 368(1920): 2725–2763
Curnier A, He QC, Zysset P (1994) Conewise linear elastic materials. J Elast 37: 1–38
Gibson L (1985) The mechanical behaviour of cancellous bone. J Biomech 18(5): 317–328
Goulet R, Goldstein S, Ciarelli M, Kuhn J, Brown M, Feldkamp L (1994) The relationship between the structural and orthogonal compressive properties of trabecular bone. J Biomech 27(4): 375–389
Graeff C, Timm W, Nickelsen TN, Farrerons J, Marin F, Barker C, Gluer CC (2007) Monitoring teriparatide-associated changes in vertebral microstructure by high-resolution CT in vivo: results from the EUROFORS study. J Bone Miner Res 2007(22): 1426–1433 (J Bone Miner Res 22914261433)
Gross T, Pahr DH, Peyrin F, Zysset PK (2012) Mineral heterogeneity has a minor influence on the apparent elastic properties of human cancellous bone: a SRμCT-based finite element study. Comput Methods Biomech Biomed Eng http://dx.doi.org/10.1080/10255842.2011.581236
Harrigan TP, Jasty M, Mann RW, Harris WH (1988) Limitations of the continuum assumption in cancellous bone. J Biomech 21(4): 269–275
Hildebrand T, Laib A, Muller R, Dequeker J, Ruegsegger P (1999) Direct three-dimensional morphometric analysis of human cancellous bone: microstructural data from spine, femur, iliac crest, and calcaneus. J Bone Miner Res 14(7): 1167–1174
Hipp JA, Jansujwicz A, Simmons CA, Snyder BD (1996) Trabecular bone morphology from micro-magnetic resonance imaging. J Bone Miner Res 11(2): 286–292
Hollister S (1994) A homogenization sampling procedure for calculating trabecular bone effective stiffness and tissue level stress. J Biomech 27(4): 433–444
Jones AC, Wilcox RK (2008) Finite element analysis of the spine: towards a framework of verification, validation and sensitivity analysis. Med Eng Phys 30(10): 1287–1304
Kabel J, Van Rietbergen B, Odgaard A, Huiskes R (1999) Constitutive relationships of fabric, density, and elastic properties in cancellous bone architecture. Bone 25(4): 481–486
Keyak J, Sigurdsson S, Karlsdottir G, Oskarsdottir D, Sigmarsdottir A, Zhao S, Kornak J, Harris T, Sigurdsson G, Jonsson B, Siggeirsdottir K, Eiriksdottir G, Gudnason V, Lang T (2011) Male-female differences in the association between incident hip fracture and proximal femoral strength: a finite element analysis study. Bone 84(6): 1239–1245
Mulder L, van Rietbergen B, Noordhoek N, Ito K (2012) Determination of vertebral and femoral trabecular morphology and stiffness using a flat-panel C-arm-based CT approach. Bone 50(1): 200– 208
Odgaard A, Andersen K, Melsen F, Gundersen HJG (1990) A direct method for fast three-dimensional serial reconstruction. J Microsc 159(3): 335–342
Pahr D, Zysset P (2008) Influence of boundary conditions on computed apparent elastic properties of cancellous bone. Biomech Model Mechanobiol 7(6): 463–476
Pahr D, Zysset P (2009) A comparison of enhanced continuum FE with micro FE models of human vertebral bodies. J Biomech 42(4): 455–462
Pahr DH, Dall’ara E, Varga P, Zysset PK (2012) HR-pQCT-based homogenised finite element models provide quantitative predictions of experimental vertebral body stiffness and strength with the same accuracy as μ FE models. Comput Methods Biomech Biomed Eng 15(7): 711–720
Roychowdhury A (2009) Application of the finite element method in orthopedic implant design. J Long-Term Eff Med Implants 19(1): 55–82
Ruegsegger P, Koller B, Muller R (1996) A microtomographic system for the nondestructive evaluation of bone architecture. Calcif Tissue Int 58(1): 24–29
Silva MJ, Keaveny TM, Hayes WC (1998) Computed tomography-based finite element analysis predicts failure loads and fracture patterns for vertebral sections. J Orthop Res 16(3): 300–308
Taddei F, Cristofolini L, Martelli S, Gill H, Viceconti M (2006) Subject-specific finite element models of long bones: An in vitro evaluation of the overall accuracy. J Biomech 39(13): 2457–2467
Turner CH, Cowin SC, Rho JY, Ashman RB, Rice JC (1990) The fabric dependence of the orthotropic elastic constants of cancellous bone. J Biomech 23(6): 549–561
Varga P, Dall’Ara E, Pahr DH, Pretterklieber M, Zysset PK (2011) Validation of an hr-pqct-based homogenized finite element approach using mechanical testing of ultra-distal radius sections. Biomech Model Mechanobiol 10(4): 431–444
Varga P, Zysset PK (2009) Assessment of volume fraction and fabric in the distal radius using hr-pqct. Bone 45(5): 909–917
Whitehouse WJ (1974) The quantitative morphology of anisotropic trabecular bone. J Microsc 101(Pt2): 153–168
Wolfram U, Wilke HJ, Zysset P (2010) Valid μ finite element models of vertebral trabecular bone can be obtained using tissue properties measured with nanoindentation under wet conditions. J Biomech 43(9): 1731–1737
Zysset P (2003) A review of morphology–elasticity relationships in human trabecular bone: theories and experiments. J Biomech 36(10): 1469–1485
Zysset P, Edward Guo X, Edward Hoffler C, Moore K, Goldstein S (1999) Elastic modulus and hardness of cortical and trabecular bone lamellae measured by nanoindentation in the human femur. J Biomech 32(10): 1005–1012