Для цитирования:
Bessonov L. V., Golyadkina A. A., Dmitriev P. O., Dol A. V., Zolotov V. S., Ivanov D. V., Kirillova I. V., Kossovich L. Y., Titova Y. I., Ulyanov V. Y., 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] // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Математика. Механика. Информатика. 2021. Т. 21, вып. 2. С. 182-193. DOI: 10.18500/1816-9791-2021-21-2-182-193, EDN: SNBJNB
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]
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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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).
- Glanc S. Mediko-biologicheskaya statistika [Medical and Biological Statistics]. Moscow, Praktika, 1998. 459 р. (in Russian).
- 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).
- 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
- 2181 просмотр