Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Математика. Механика. Информатика

ISSN 1816-9791 (Print)
ISSN 2541-9005 (Online)


Для цитирования:

Bessonov L. V., Голядкина А. А., Дмитриев П. О., Dol A. V., Золотов В. С., Ivanov D. V., Kirillova I. V., Kossovich L. Y., Титова Ю. И., Ульянов В. Ю., Kharlamov A. V. Constructing the dependence between the Young’s modulus value and the Hounsfield units of spongy tissue of human femoral heads [Бессонов Л. В., Голядкина А. А., Дмитриев П. О., Доль А. В., Золотов В. С., Иванов Д. В., Кириллова И. В., Коссович Л. Ю., Титова Ю. И., Ульянов В. Ю., Харламов А. В. Построение зависимости между значением модуля Юнга и числами Хаунсфилда губчатой кости головок бедра] Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Математика. Механика. Информатика. 2021. Т. 21, вып. 2. С. 182-193. DOI: 10.18500/1816-9791-2021-21-2-182-193


Опубликована онлайн: 
31.05.2021
Полный текст:
(downloads: 35)
Язык публикации: 
английский
Рубрика: 
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
539.3/617.547
DOI: 
10.18500/1816-9791-2021-21-2-182-193

Constructing the dependence between the Young’s modulus value and the Hounsfield units of spongy tissue of human femoral heads
[Построение зависимости между значением модуля Юнга и числами Хаунсфилда губчатой кости головок бедра]

Авторы: 
Бессонов Леонид Валентинович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского
Голядкина Анастасия Александровна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского
Дмитриев Павел Олегович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского
Доль Александр Викторович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского
Золотов Владислав Сергеевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского
Иванов Дмитрий Валерьевич, Образовательно-научный институт наноструктур и биосистем Саратовского государственного университета
Кириллова Ирина Васильевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского
Коссович Леонид Юрьевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского
Титова Юлия Ивановна, Саратовский государственный медицинский университет имени В. И. Разумовского
Ульянов Владимир Юрьевич, Саратовский государственный медицинский университет имени В. И. Разумовского
Харламов Александр Владимирович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Пациент-ориентированное биомеханическое моделирование требует знаний не только о геометрической модели исследуемого объекта конкретного пациента, но и о механических свойствах его тканей. Количественная компьютерная томография предоставляет исходные данные для геометрического моделирования, а также данные о рентгеновской плотности (числах Хаунсфилда) исследуемого объекта. Известно, что числа Хаунсфилда коррелируют с минеральной плотностью сканируемых объектов, а также с их прочностными свойствами. Цель исследования состояла в определении зависимости между числами Хаунсфилда и значениями модуля Юнга губчатой ткани головок бедренных костей человека. Данное исследование проведено на образцах губчатой костной ткани бедренных костей пациентов, перенесших тотальное эндопротезирование тазобедренного сустава по поводу коксартроза. Образцы сканировали на компьютерном томографе Toshiba Aquilion 64 и затем подвергали одноосному сжатию на универсальной испытательной машине Instron 5944. В результате исследования для каждого образца были получены средние числа Хаунсфилда, а также значения модулей Юнга. Были рассчитаны регрессионные зависимости, связывающие числа Хаунсфилда и значения модуля Юнга образцов губчатой ткани головок бедренных костей при разных типах заболеваний. Полученные зависимости позволяют неинвазивно определить значение модуля Юнга губчатой кости головок бедренной кости для конкретного пациента в зависимости от его заболевания и использовать его в процессе предоперационного планирования. Также полученные зависимости могут быть использованы при биомеханическом моделировании вариантов лечения заболеваний и повреждений позвоночно-тазового комплекса конкретного пациента и внедрены в систему поддержки принятия врачебных решений в хирургии позвоночно-тазового комплекса.

Благодарности: 
Работа выполнена при поддержке Фонда перспективных исследований.
Список источников: 
  1. Patel S. P., Lee J. J., Hecht G. G., Holcombe S. A., Wang S. C., Goulet J. A. Normative vertebral Hounsfield unit values and correlation with bone mineral density. Journal of Clinical & Experimental Orthopaedics, 2016, vol. 2, no. 14, pp. 1–7. https://doi.org/10.4172/2471- 8416.100014
  2. Kim K. J., Kim D. H., Lee J. I., Choi B. K., Han I. H., Nam K. H. Hounsfieldunits on lumbar computed tomography for predicting regional bone mineral density. Open Medicine, 2019, vol. 14, pp. 545–551. https://doi.org/10.1515/med-2019-0061
  3. Khan S. N., Warkhedkar R. M., Shyam A. K. Analysis of Hounsfield unit of human bones for strength evaluation. Procedia Materials Science, 2014. vol. 6, pp. 512–519. https://doi.org/10.1016/j.mspro.2014.07.065
  4. Giambini H., Dragomir-Daescu D., Huddleston P. M., Camp J. J., An K. N., Nassr A. The effect of quantitative computed tomography acquisition protocols on bone mineral density estimation. Journal of Biomechanical Engineering, 2015, vol. 137, no. 11, pp. 114502. https://doi.org/10.1115/1.4031572
  5. Cyganik L., Binkowski M., Kokot G., Rusin T., Popik P., Bolechala F., Nowak R. Wrobel Z., John A. Prediction of Young’s modulus of trabeculae in microscale using macro-scale’s relationships between bone density and mechanical properties. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2014, vol. 36, pp. 120–134. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2014.04.011
  6. Michalski A. S., Edwards W. B., Boyd S. K. The influence of reconstruction kernel on bone mineral and strength estimates using quantitative computed tomography and finite element analysis. Journal of Clinical Densitometry, 2019, vol. 22, iss. 2, pp. 219–228. https://doi.org/10.1016/j.jocd.2017.09.001
  7. Andersen H. K., Jensen K., Berstad A. E., Aalokken T. M., Kristiansen J., von Gohren Edwin B, Hagen G., Martinsen A. C. Choosing the best reconstruction technique in abdominal computed tomography: A systematic approach. Journal of Computer Assisted Tomography, 2014, vol. 38, iss. 6, pp. 853–858. https://doi.org/10.1097/RCT.0000000000000139
  8. Birnbaum B. A., Hindman N., Lee J., Babb J. S. Multi-detector row CT attenuation measurements: Assessment of intra- and interscanner variability with an anthropomorphic body CT phantom. Radiology, 2007, vol. 242, no. 1, pp. 109–119.
  9. Ivanov D. V., Kirillova I. V., Kossovich L. Yu., Bessonov L. V., Petraikin A. V., Dol A. V., Ahmad E. S., Morozov S. P., Vladzymyrskyy A. V., Sergunova K. A., Kharlamov A. V. Influence of convolution kernel and beam-hardening effection the assessment of trabecular bone mineral density using quantitative computed tomography. Izvestiya of Saratov University. New Series. Series: Mathematics. Mechanics. Informatics, 2020, vol. 20, iss. 2, pp. 205–219. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2020-20-2-205-219
  10. Currey J. D. Tensile yield in compact bone is determined by strain, post-yield behaviour by mineral content. Journal of Biomechanics, 2004, vol. 37, iss. 4, pp. 549–556. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2003.08.008
  11. Chen W.-P., Hsu J.-T., Chang C.-H. Determination of young’s modulus of cortical bone directly from computed tomography: A rabbit model. Journal of the Chinese Institute of Engineers, 2003, vol. 26, no. 6, pp. 737–745. https://doi.org/10.1080/02533839.2003.9670828
  12. Giambini H., Dragomir-Daescu D., Nassr A., Yaszemski M. J., Zhao C. Quantitative computed tomography protocols affect material mapping and quantitative computed tomography-based finite-element analysis predicted stiffness. Journal of Biomechanical Engineering, 2016, vol. 138, iss. 9, pp. 091003-1–091003-7. https://doi.org/10.1115/1.4034172
  13. Helgason B., Perilli E., Schileo E., Taddei F., Brynjolfsson S., Viceconti M. Mathematical relationships between bone density and mechanical properties: A literature review. Clinical Biomechanics, 2008, vol. 23, no. 2, pp. 135–146. https://doi.org/10.1016/j.clinbiomech.2007.08.024
  14. Witt R. M., Cameron J. R. Improved Bone Standard Containing Dipotassium Hydrogen Phosphate Solution for The Intercomparison of Different Transmission Bone Scanning Systems. United States: N. p., 1971. 6 p. https://doi.org/10.2172/4054820
  15. Omelchenko T. M., Buryanov O. A., Lyabakh A. P., Mazevich V. B., Shidlovsky M. S., Musienko O. S. Correlation of elastic modulus and x-ray bone density in the area of the ankle joint. Orthopedics, Traumatology and Prosthetics, 2018, no. 3, pp. 80–84 (in Ukraine). http://dx.doi.org/10.15674/0030-59872018380-84
  16. Dmitriev P. O., Golyadkina A. A., Bessonov L. V., Kirillova I. V., Kossovich L. Yu., Falkovich A. S. The dependence of Young’s modulus of trabecular bony tissue on its density according to computed tomography. Progress in Biomedical Optics and Imaging — Proceedings of SPIE, 2019, vol. 11229, article no. 112291L. https://doi.org/10.1117/12.2545077
  17. Petraikin A. V., Ivanov D. V., Akhmad E. S., Sergunova K. A., Nizovtsova L. A., Petryaykin F. A., Ruzov S. A., Kirilova I. V., Kossovich L. Yu., Bessonov L. V., Dol A. V., Vladzymyrskyy A. V., Harlamov A. V. Phantom modeling for selection of optimum reconstruction filters in the quantitative computer tomography. Meditsinskaya Fizika [Medical Physics], 2020, vol. 86, no. 2, pp. 34–44 (in Russian).
  18. Glanc S. Mediko-biologicheskaya statistika [Medical and Biological Statistics]. Moscow, Praktika, 1998. 459 р. (in Russian).
  19. Kobzar’ A. I. Prikladnaya matematicheskaya statistika: Dlya inzhenerov i nauchnyh rabotnikov [Applied Mathematical Statistics: For Engineers and Scientists]. Moscow, Fizmatlit, 2006. 816 p. (in Russian).
  20. Free J., Eggermont F., Derikx L., van Leeuwen R., van der Linden Y., Jansen W., Raaijmakers E., Tanck E., Kaatee R. The effect of different CT scanners, scan parameters and scanning setup on Hounsfield units and calibrated bone density: A phantom study. Biomedical Physics & Engineering Express, 2018, vol. 4, no. 5, pp. 12. https://doi.org/10.1088/2057- 1976/aad66a
Поступила в редакцию: 
21.09.2020
Принята к публикации: 
03.11.2020
Опубликована: 
31.05.2021