مدل سازي بافت اسفنجي مهره ي ستون فقرات به منظور تخمين خطر شكست استخواني در بيماري پوكي استخوان بر اساس چگالي و خصوصيات ريزساختاري استخوان اسفنجي

A parametrical model of trabecular core of vertebrae in order to assess risk of fracture in osteoporosis based on density and micro structural parameters of trabecular bone

چكيده زمينه و هدف: امروزه يكي از مهم ترين مسايل بهداشتي در جوامع به خصوص در ميان سالمندان، پوكي استخوان مي باشد. كاهش چگالي استخواني در بافت را تحت عنوان پوكي استخوان مي شناسند كه موجب افزايش خطر شكستگي به علت كاهش استحكام و سفتي، در ساختارهاي استخواني مي گردد. يكي از نواحي مستعد پوكي و متعاقب آن شكستگي ناشي از پوكي، مهره هاي ستون فقرات مي باشند. در حال حاضر روش هايي براي پيش بيني خطر شكست در مهره‏ها وجود دارند كه از آن بين مي توان به جذب سنجي دوگانه اشعه ايكس و برش نگاري كمي كامپيوتري اشاره نمود. تمامي اين روش ها بر اساس سنجش چگالي استخواني بوده و توجه چنداني به ديگر عوامل موثر در خواص مكانيكي بافت هاي استخواني اسفنجي مانند كيفيت مادي اجزاي اسفنجي و كيفيت اتصال بندي ندارند. ريزساختار بافت اسفنجي بر اساس سن و جنس و نژاد متفاوت مي باشد. هدف اين پروژه مدل سازي پارامتري بافت اسفنجي بر اساس تيوري جامدات سلولي به صورت ساختاري متخلخل و ميله اي شكل است. روش بررسي: به منظور مدل سازي بافت اسفنجي،-مشابه آن چه در تنه ي مهره وجود دارد-برنامه اي در نرم افزار ANSYS، نوشته شد كه قابليت توليد شبكه هاي مختلف را چه از نظر خواص مادي و چه از نظر چگالي ساختاري(پارامتر قابل اندازه گيري در روش هاي تصوير برداري) داراست. سپس هر كدام از اين شبكه هاي تحت بار گذاري جابه جايي فشاري قرار گرفته و با ترسيم منحني تنش-كرنش براي هر يك، مشخصه هاي استحكام و سفتي محوري محاسبه مي شوند. به منظور مقايسه جواب هاي مدل با جواب هاي حاصل از داده هاي آزمايشگاهي، مدل براي 6 نمونه ي استخراج شده از مهره-هاي جسد يك زن اهدا كننده 78 ساله و يك مرد اهدا كننده 91 ساله بازسازي و پيش بيني سفتي و استحكام نمونه ها انجام شده است. يافتهها: پاسخ هاي حاصل از تست مكانيكي نمونه ها، بين دو جواب مدل در دو حالت اتصال بندي ضعيف و اتصال بندي متوسط، خواهد افتاد و اين امر به دليل مجهول بودن كيفيت اتصال بندي در نمونه هاي حاصل از تست مكانيكي نشانه قدرت مدل براي ارايه ي محدوده اي از خواص مكانيكي مي-باشد. به علاوه پاسخ هاي مدل در مقايسه با جواب هاي حاصل از رابطه ي صرفا مبتني بر چگالي نزديكي بيشتري به جواب هاي حاصل از تست دارد. نتيجهگيري: بر طبق مدل پيشنهادي مي توان گفت سفتي و استحكام و يا ديگر خواص مكانيكي در مهره ها به صورت قابل توجهي تابع خواص مادي اجزاي اسفنجي تشكيل دهنده و خصوصيات ساختار شناسانه مانند كيفيت اتصال بندي مي باشد. بنابراين خطر شكست در مهره ها تنها به عامل چگالي كه توسط روش هاي برش نگاري كامپيوتري كمي و يا جذب سنجي دوگانه ي اشعه ايكس قابل اندازه گيري است، بستگي ندارد. نتايج مدل سازي حاكي از آن است كه مدل پيشنهادي حال حاضر بر اساس نظريه جامدات سلولي با در نظر گرفتن اين مجموعه عوامل مي تواند ارزيابي بهتري از خواص مكانيكي ساختارهاي اسفنجي داشته باشد. كليد واژهها: تيوري جامدات سلولي، خطر شكستگي، مهره ي ستون فقرات، استخوان اسفنجي، مدل اجزاي محدود

Abstract Background and aim: One of the important health problems in societies, especially among aged population is osteoporosis. Loss of bone density in bone structures is called osteoporosis which increases the risk of fracture due to a decrease of bone stiffness and bone strength. One of the most common sites for osteoporosis-related fractures is the spine. Current assessment of osteoporosis status is based on bone densitometry tools like QCT (Quantitative Computed Tomography) or DEXA (Dual Energy X-ray absorptionmetry). With these methods it is only possible to estimate density regardless of the morphology of trabecular constructing parts (rods and plates). The microstructure of cancellous bone in the vertebrae can be varied based on age, sex, race, etc. The cellular solids theory is a common procedure to model porous materials and we have attempted to present a model parametrical for trabecular bone as a rod like structure based on cellular solids method.. Materials & Methods: In order to model trabecular bone as foam, like what exists in vertebrae core, a finite element code has been written by APDL capability in ANSYS. This parametric code can produce different lattices that can represent various structural and material properties. Then each cubic sample was loaded under compression displacement to failure point to obtain the stress-strain curve. The stress-strain curve is used to calculate mechanical properties of simulated bone model. In order to compare with experimental results, the model has been reconstructed for 6 bone samples were taken from two different vertebrae donors; one has 78 years old and the other one has 91 years old then stiffness and strength predictions have been done. Results: The results have shown that the mechanical properties of experimental results fall between lower and upper limits of model output and it is due to unknown connectivity level for all samples. The model is capable of presenting a band for mechanical properties. Plus the lattices that simulated bone samples taken from cadavers can predict stiffness and strength better than density-based relationships for mechanical properties. Conclusion: According to the findings of the current study, the strength and stiffness or other mechanical properties of trabecular tissues in vertebrae are highly affected by many parameters like material specification of bone tissue and morphology characteristics like connectivity. It can be concluded that risk of fracture in vertebrae is a function of various factors beyond the bone mineral density that is evaluated by measurements such as DEXA and QCT. This has been shown that our cellular solid model may improve the assessments of mechanical properties of trabecular bone structures. Keywords: Cellular solids, Risk of fracture, Vertebrae, Trabecular bone, Finite element model