基于图像的机械模拟提高测量的准确性的骨折治疗进展

当你第一次折断骨头,身体发出了炎症反应,细胞开始形成血肿在受伤部位。一两个星期内,血凝块被替换为一个柔软的材料称为愈伤组织形成各种各样的桥梁,把碎片结合在一起。过去几个月,愈伤组织变硬骨,愈合过程就完成了。

但有时,骨头没有之间的桥梁形式,创造一个不愈合。长期患者骨(胫骨骨折、fibia或股骨,例如),骨折不愈合可以特别虚弱,严重影响他们的生活质量和工作能力。外科医生,骨折不愈合很难诊断,因为他们需要主观评估的x射线在六到九个月。困难在于,骨头可以疗愈非常缓慢,在这种情况下,额外的干预可能不是必要的。但如果不治疗,病人已经经历了几个月的痛苦和有限的活动,只有面对额外的手术。

在一个完美的世界中,外科医生会有一个工具可以识别不愈合。

“最终目标是节省患者的时间,金钱,和沮丧,”布伦丹Inglis说,利哈伊大学研究生学院机械工程和力学。“因为如果外科医生回到你说你有一个临床诊断骨折不愈合,你需要进一步干预,这将进一步推迟你回到你的生活的能力。”

英格利斯是最近发表的一篇论文的主要作者科学报告显示,治疗区域的双重性质,既是一个软、硬材料,决定了整个骨的机械刚度。实验室的工作建立在研究汉娜Dailey机械工程助理教授和力学的pc Rossin工程和应用科学学院。之前,该小组展示了使用非侵入性的可行性,成像进行虚拟生物力学测试来评估骨折治疗的进步。此外,该团队已经开发和验证的材料属性赋值方法完整的绵羊的骨头使用虚拟生物力学测试。

Inglis说,问题是,虚拟测试overpredicted骨的力学性能在愈合过程的早期,因为部分愈伤组织建模为骨仍太软。

“当我们应用绵羊的胫骨骨折模型,本质上是一只羊的小腿,力学性能不匹配,”他说。“我们的假设是所有涉及的软组织和软骨骨折愈合的肢体被overpredicted,意义太硬的老茧被分配属性。”

换句话说,前面的模型不准确区分骨和愈伤组织。如果愈伤组织被视为硬比实际是,它可能意味着骨进一步比它实际上是在康复过程。

“愈伤组织是一个高度异构组织,这意味着它包含不止一个密度和刚度值,”英格利斯说。“所以如果你要建模一个肢体操作,你不能把一切当作密集的骨头。你需要想出一些方法治疗愈伤组织不同。但愈伤组织的力学性能仍不清楚,和没有任何文献集合之间的分界点,你开始治疗软组织愈合区,并开始治疗骨。”

确定截止,英格利斯和他的团队与合作者在肌肉骨骼的研究合作单位(MSRU)苏黎世大学。瑞士研究人员使用扭力测试仪测量在切除羊胫骨扭转刚度,和里海团队使用相应的CT扫描和数据复制实际上这些生物力学测试。

英格利斯解释道,在CT骨扫描像素的亮度与密度。更亮的像素区域的硬骨。

“你可以想象,从黑色像素亮白色像素的光谱值的。所以我们所做的就是找到以下截止像素越来越深,应该被视为很软。我们推测,在这项研究之前,这些较暗的像素被校准太高,在模型中假定为太硬。”

利用分段材料模型,他们优化的一个分界点,软组织和骨头。

“当你得到密度截止吧,虚拟模型可以精确地复制刚性从长椅上得到相同的骨生物力学测试,”他说。“一旦你有了一个模型验证的长椅上做测试,你可以预测不同事情的行为治疗骨骼。我们越了解为什么愈合过程失败,更好的机会创建一个工具,它有一天通知医生。这个模型给我们提供了一个立足点在一天之内翻译这项工作到诊所。”

为了说明他们的发现,Inglis创建一个应用程序,允许其他字段与数据交互。

“作为研究人员,我们经常读到一个伟大的论文,遇到一个值,我们会好奇,和引用就点我们另一篇论文,指出了另一篇论文,所以它成为整个兔子洞效应,”他说。“这个程序可视化我们所做的是一个很好的方法,并构建成你自己的研究。我认为在一个理想的世界里,将会有更多这样的分享信息,因为在最后,这是做研究的目的。”