Автоматизированная обработка результатов механических экспериментов по одноосному сжатию губчатой кости

Автоматизированная обработка результатов механических экспериментов по одноосному сжатию губчатой кости

Автор: Сидоренко Д.А., Доль А.В., Бессонов Л.В., Магомедов И.М., Островский Н.В., Иванов Д.В.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 4 (106) т.28, 2024 года.

Бесплатный доступ

Расчет механических характеристик губчатой костной ткани является актуальной задачей ортопедии, так как позволяет оценить риск расшатывания имплантируемых конструкций при различных типах корректирующих операций. Недостаточное качество костной ткани, определяемое ее минеральной плотностью, является одним из возможных предикторов нестабильности фиксации установленной конструкции. В литературе часто встречаются статьи, посвящённые взаимосвязи прочностных свойств костной ткани с её плотностью. Описывается разработанный алгоритм для автоматической обработки результатов экспериментов по определению механических характеристик губчатой костной ткани головок бедра человека, а также коленного сустава и позвонков крупного рогатого скота. Для первичной обработки данных использовался метод скользящей средней. Первичная обработка необходима для исключения из анализа избыточных данных на кривой деформации. После первичной обработки предел прочности определялся по диаграмме «напряжение – деформация» как глобальный максимум, то есть максимальное значение напряжения в МПа. Определение модуля Юнга сводится к поиску линейного участка графика «напряжение – деформация». Поиск осуществляется на участке от первой точки до точки с максимальной нагрузкой. Ось абсцисс, соответствующая данному участку, делится на N равных отрезков. Методом наименьших квадратов рассчитывается угол наклона прямой, аппроксимирующей кривую на каждом отрезке. Из полученного множества отрезков с подсчитанными углами наклона выбирается пара соседних с наибольшей суммой углов. Отрезок из выбранной пары, рассчитанный угол для которого является наибольшим, соответствует искомому линейному участку кривой. Автоматизация позволила обработать большое количество результатов экспериментов в короткие сроки, а также провести кластеризацию результатов, полученных ранее. Для пределов прочности и модулей Юнга губчатой костной ткани головок бедра, а также коленного сустава и позвонков крупного рогатого скота были получены регрессионные зависимости, позволяющие рассчитать данные характеристики по числам Хаунсфилда и минеральной плотности кости.

Еще

Модуль Юнга, предел прочности, одноосное сжатие, одноосное растяжение, экспериментальный стенд

Короткий адрес: https://sciup.org/146283003

IDR: 146283003   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.4.10

Список литературы Автоматизированная обработка результатов механических экспериментов по одноосному сжатию губчатой кости

  • Average lumbar Hounsfield units predicts osteoporosis-related complications following lumbar spine fusion / J.D. St Jeor, T.J. Jackson, A.E. Xiong, B.A. Freedman, A.S. Sebastian, B.L. Currier, J.L. Fogelson, M. Bydon, A. Nassr, B.D. Elde // The Spine Journal. – 2022. – Vol. 12. – P. 851–857.
  • Zaidi, Q. Techniques and utility of hounsfield unit values for assessment of bone quality prior to spinal instrumentation: A review of current literature / Q. Zaidi, O.A. Danisa, W. Cheng // Spine. – 2019. – Vol. 44. – P. E239–E244.
  • Risk factors for cage subsidence and clinical outcomes after transforaminal and posterior lumbar interbody fusion / T. Amorim-Barbosa, C. Pereira, D. Catelas, C. Rodrigues, P. Costa, R. Rodrigues–Pinto, P. Neves // Eur J Orthop Surg Traumatol. – 2022. – Vol. 32. – P. 1291–1299.
  • Risk factors of cage subsidence in patients received minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion / Y.C. Yao, P.H. Chou, H.H. Lin, S.T. Wang, C.L. Liu, M.C. Chang // Spine. – 2020. – Vol. 45. – P. E1279–E1285.
  • Association of osteopenia and osteoporosis with higher rates of pseudarthrosis and revision surgery in adult patients undergoing single–level lumbar fusion / S.I. Khalid, R.S. Nunna, S. Maasarani, E. Belmont, P. Deme, S. Chilakapati, C. Eldridge, R. Singh, C.A. Bagley, O. Adogwa // Neurosurg Focus. – 2020. – Vol. 49. – P. E6.
  • Structural determinants of vertebral fracture risk / L.J. Melton, B.L. Riggs, T.M. Keaveny, S.J. Achenbach, P.F. Hoffmann, J.J. Camp, P.A. Rouleau, M.L. Bouxsein, S. Amin, E.J. Atkinson, R.A. Robb, S. Khosla. // Journal of Bone and Mineral Research. – 2007. – Vol. 22. – P. 1885–1892.
  • Vertebral size, bone density, and strength in men and women matched for age and areal spine BMD / A.G. Bruno, K.E. Broe, X. Zhang, E.J. Samelson, C.A. Meng, R. Manoharan, J. D’Agostino, L.A. Cupples, D.P. Kiel, M.L. Bouxsein // Journal of Bone and Mineral Research. – 2014. – Vol. 29. – P. 562–569.
  • Density and mechanical properties of vertebral trabecular bone-A review / C. Öhman-Mägi, O. Holub, D. Wu, R.M. Hall, C. Persson // JOR Spine. – 2021. – Vol. 4. – P. E1176.
  • Correlation of mechanical properties of vertebral trabecular bone with equivalent mineral density as measured by computed tomography / S.M. Lang, D.D. Moyle, E.W. Berg, N. Detorie, A.T. Gilpin, N.J. Jr Pappas, J.C. Reynolds, M. Tkacik, R.L. 2nd Waldron // J Bone Joint Surg Am. – 1988. – Vol. 70. – P. 1531–1538.
  • Kopperdahl, D.L. Yield strain behavior of trabecular bone / D.L. Kopperdahl, T.M. Keaveny // J Biomech. – 1998. – Vol. 31. – P. 601–608.
  • A numerical study to determine the effect of ligament stiffness on kinematics of the lumbar spine during flexion / M. Putzer, S. Auer, W. Malpica, F. Suess, S. Dendorfer // BMC Musculoskelet Disord. – 2016. – Vol. 17. – P. 95.
  • Comparison of eight published static finite element models of the intact lumbar spine: predictive power of models improves when combined together / M. Dreischarf, T. Zander, A. Shirazi–Adl, C.M. Puttlitz, C.J. Adam, C.S. Chen, V.K. Goel, A. Kiapour, Y.H. Kim, K.M. Labus, J.P. Little, W.M. Park, Y.H. Wang, H.J. Wilke, A. Rohlmann, H. Schmidt // J Biomech. – 2014. – Vol. 47. – P. 1757–66.
  • Доль, А.В. Биомеханическое моделирование вариантов хирургического реконструктивного лечения спондилолистеза позвоночника на уровне L4–L5 / А.В. Доль, Е.С. Доль, Д.В. Иванов // Российский журнал биомеханики. – 2018. – Т. 22, № 1. – С. 31–44.
  • Biomechanical evaluation of a novel anatomical plate for oblique lumbar interbody fusion compared with various fixations: a finite element analysis / W. Huang, Y. Tian, X. Ma, F. Lv, H. Wang, J. Jiang // Ann Transl Med. – 2022. – Vol. 10. – P. 871.
  • Kopperdahl, D.L. Quantitative computed tomography estimates of the mechanical properties of human vertebral trabecular bone / D.L. Kopperdahl, E.F. Morgan, T.M. Keaveny // J Orthop Res. – 2002. – Vol. 20. – P. 801–805.
  • Compressive mechanical properties of bovine cortical bone under varied loading rates / B. Yu, G.F. Zhao, J.I. Lim, Y.K. Lee // Proc Inst Mech Eng H. – 2011. – Vol. 225, iss. 10. – P. 941–7.
  • Structural strength of cancellous specimens from bovine femur under cyclic compression / K. Endo, S. Yamada, M. Todoh, M. Takahata, N. Iwasaki, S. Tadano // PeerJ. – 2016. – Vol. 25, iss. 4. – P. 1562.
  • Juvenile bovine bone is an appropriate surrogate for normal and reduced density human bone in biomechanical testing: a validation study / J.W.A. Fletcher, S. Williams, M.R. Whitehouse, H.S. Gill, E. Preatoni // Sci Rep. – 2018. – Vol. 8. – P. 10181.
  • Quantification of long-term nonlinear stress relaxation of bovine trabecular bone / T. Gersie, T. Bitter, D. Wolfson, R. Freeman, N. Verdonschot, D. Janssen // J Mech Behav Biomed Mater. – 2024. – Vol. 152. – P. 106434.
  • Compressive behaviour of bovine cancellous bone and bone analogous materials, microCT characterisation and FE analysis / T. Guillén, Q.H. Zhang, G. Tozzi, A. Ohrndorf, H.J. Christ, J. Tong // J Mech Behav Biomed Mater. – 2011. – Vol. 4. – P. 1452–1461.
  • Constructing the dependence between the young’s modulus value and the hounsfield units of spongy tissue of human femoral heads / L.V. Bessonov, A.A. Golyadkina, P.O. Dmitriev, A.V. Dol, V.S. Zolotov, D.V. Ivanov, I.V. Kirillova, L.Y. Kossovich, Yu.I. Titova, V.Yu. Ulyanov, A.V. Kharlamov // Izvestiya of Saratov University. Mathematics. Mechanics. Informatics. – 2021. – Vol. 21, no. 2. – P. 182–193.
  • Instron Bluehill Calculation Reference, Reference Manual – Software, Help Version 1.1 [Элекстронный ресурс]. – URL: https://www.nmt.edu/academics/mtls/faculty/mccoy/ docs/instron/bluehill_calculation_reference_manual_-_en.pdf (дата обращения: 21.10.2024).
  • Акулич, Ю.В. Предоперационное определение индивидуальных физических характеристик губчатой костной ткани проксимального отдела бедра человека / Ю.В. Акулич, А.Ю. Акулич, А.С. Денисов // Российский журнал биомеханики. – 2011. – Т. 15, № 1. – C. 33–41.
  • О физических уравнениях деформируемого тела на шаге нагружения с реализацией на основе смешанного МКЭ / Н.А. Гуреева, Р.З. Киселева, Ю.В. Клочков, А.П. Николаев, В.В. Рябуха // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Меха-ника. Информатика. – 2023. – Т. 23, № 1. – С. 70–82.
  • Сидоренко, Д.А. Разработка алгоритма автоматизированной обработки результатов механических экспериментов по одноосному сжатию губчатой кости головок бедра / Д.А. Сидоренко, Д.В. Иванов // Математическое моделирование и биомеханика в современном университете: сборник тезисов докладов XVIII Всероссийской школы, пос. Дивноморское, 27–31 мая 2024 года. – Ростов-на-Дону: Южный федеральный университет, 2024. – С. 98.
  • Hanusz, Z. Normalization of the Kolmogorov–Smirnov and Shapiro–Wilk tests of normality / Z. Hanusz, J. Tarasińska // Biometrical Letters. – 2015. – Vol. 52. – P. 85–93
  • Nachar, N. The Mann-Whitney U: A test for assessing whether two independent samples come from the same distribution / N. Nachar // Tutorials in Quantitative Methods for Psychology. – 2008. – Vol. 4. – P. 1–13.
  • Amirouche, F. Stability and spine pedicle screws fixation strength-A comparative study of bone density and insertion angle / F. Amirouche, G.F. Solitro, B.P. Magnan // Spine Deformity. – 2016. – Vol. 4. – P. 261–267.
  • Ivanov, D. A numerical comparative analysis ofchm and fixion nails for diaphyseal femur fractures / D. Ivanov, Y. Barabash, A. Barabash // Acta of Bioengineering and Biomechanics. – 2016. – Vol. 18, no. 3. – P. 73–81.
  • Construction of customized palatal orthodontic devices on skeletal anchorage using biomechanical modeling / D. Suetenkov, D. Ivanov, A. Dol, E. Diachkova, Y. Vasil'ev, L. Kossovich // Bioengineering. – 2022. – Vol. 9. – P. 12
  • Pазработка системы поддержки принятия врачебных решений в травматологии и ортопедии. Биомеханика как инструмент предоперационного планирования / А.С. Бескровный, Л.В. Бессонов, А.А. Голядкина, А.В. Доль, Д.В. Иванов, И.В. Кириллова, Л.Ю. Коссович, Д.А. Сидоренко // Российский журнал биомеханики. – 2021. – Т. 25, № 2. – С. 118–133.
  • Validation efforts and flexibilities of an eight-year-old hu-man juvenile lumbar spine using a three-dimensional finite element model / D.D. Jebaseelan, C. Jebaraj, N. Yoganandan, S. Rajasekaran // Med Biol Eng Comput. – 2010. – Vol. 48, № 12. – P. 1223–1231.
  • Rho, J.Y. Relations of mechanical properties to density and CT numbers in human bone / J.Y. Rho, M.C. Hobatho, R.B. Ashman // Med Eng Phys. – 1995. – Vol. 17, no. 5. – P. 47–55.
  • Доль, А.В. Механические свойства атеросклеротических бляшек, покрышек и стенок: испытания на мобильном стенде / А.В. Доль // Российский журнал биомеханики. – 2023. – Т. 27, № 3. – С. 81–88.
  • Разработка и апробация мобильного стенда по исследованию механических свойств биологических тканей / И.Ф. Паршина, А.В. Доль, Д.В. Иванов, Л.В. Бессонов, Д.Н. Майстренко, М.И. Генералов // Российский журнал биомеханики. – 2024. – Т. 28, № 3. – С. 39–46.
  • Разработка и апробация мобильного стенда для механических испытаний на одноосное сжатие биологических тканей / А.В. Доль, А.О. Гуляева, А.С. Фалькович, Д.Н. Майстренко, М.И. Генералов, А.В. Соловьев, Д.В. Терин, М.О. Лемешкин // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. – 2023. – Т. 23, № 4. – С. 472–481.
  • Hounsfield unit of screw trajectory as a predictor of pedicle screw loosening after single level lumbar interbody fusion / Y. Sakai, S. Takenaka, Y. Matsuo, H. Fujiwara, H. Honda, T. Makino, T. Kaito // J Orthop Sci. – 2018. – Vol. 23. – P. 734–738.
  • Lee, M. Value of computed tomography Hounsfield units in predicting pedicle screw loosening in the thoracic spine / M. Lee, E. Lee, J.W. Lee // Sci Rep. – 2022. – Vol. 12.
  • The preoperative Hounsfield unit value at the position of the future screw insertion is a better predictor of screw loosening than other methods / J. Li, Z. Zhang, T. Xie, Z. Song, Y. Song, J. Zeng // Eur Radiol. – 2023. – Vol. 33. – P. 1526–1536.
  • CT Hounsfield unit is a reliable parameter for screws loosening or cages subsidence in minimally invasive transforaminal lumbar interbody fusion / Y.C. Yao, H. Chao, K.Y. Kao, H.H. Lin, S.T. Wang, M.C. Chang, C.L. Liu, P.H. Chou // Scientific Reports. – 2023. – Vol. 13, no. 1. – P. 1620.
  • Hounsfield unit value on CT as a predictor of cage subsidence following stand-alone oblique lumbar interbody fusion for the treatment of degenerative lumbar diseases / J. Zhou, C. Yuan, C. Liu, L. Zhou, J. Wang // BMC Musculoskelet Disord. – 2021. – Vol. 22, no. 1. – P. 960.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp