不同灰度阈值的骨质疏松性骨小梁3D模型的力学性能差异

doi:10.12307/2023.759

中国组织工程研究 ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (36): 5766-5770.doi: 10.12307/2023.759

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不同灰度阈值的骨质疏松性骨小梁3D模型的力学性能差异

吴敏辉1，唐昌烨1，代越星1，郑利钦1，2，李志鸿1，李少彬1，林梓凌3

1广州中医药大学第一临床医学院，广东省广州市 510405；2广州中医药大学岭南医学研究中心数字骨科与生物力学实验室，广东省广州市 510405；3广州中医药大学第一附属医院创伤骨科，广东省广州市 510405

收稿日期:2022-10-18 接受日期:2022-12-09 出版日期:2023-12-28 发布日期:2023-03-24
通讯作者: 林梓凌，博士，主任医师，教授，博士生导师，广州中医药大学第一附属医院创伤骨科，广东省广州市 510405
作者简介:吴敏辉，男，1996 年生，宁夏回族自治区永宁县人，汉族，广州中医药大学在读硕士，医师，主要从事骨与关节生物力学方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81673996)，项目负责人：林梓凌

Difference in mechanical properties of osteoporotic bone trabecular 3D models with different gray thresholds

Wu Minhui1, Tang Changye1, Dai Yuexing1, Zheng Liqin1, 2, Li Zhihong1, Li Shaobin1, Lin Ziling3

1First Clinical Medical College, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China; 2Laboratory of Digital Orthopedics and Biomechanics, Lingnan Medical Research Center, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China; 3Department of Orthopedic Trauma, First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China

Received:2022-10-18 Accepted:2022-12-09 Online:2023-12-28 Published:2023-03-24
Contact: Lin Ziling, MD, Chief physician, Professor, Doctoral supervisor, Department of Orthopedic Trauma, First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
About author:Wu Minhui, Master candidate, Physician, First Clinical Medical College, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81673996 (to LZL)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

骨小梁：是骨皮质在松质骨内的延伸部分，即骨小梁与骨皮质相连接，在骨髓腔中呈不规则立体网状结构，如丝瓜络样或海绵状，起支持造血组织的作用。

灰度阈值：是将图像中的所有亮度值根据指定的亮度值(即阈值)分成高于阈值和低于阈值的两类。用这种方法产生的黑白掩膜图像可以分开对比度差异较大的地物，如陆地和水体，从而对陆地或水体分别作进一步的处理。

背景：骨质疏松患者多伴有脆性骨折的发生，国内外很少利用3D骨小梁仿真模型压缩实验来阐明其发生发展机制。
目的：建立不同灰度阈值的骨质疏松性骨小梁3D模型，通过机械压缩实验比较分析其骨小梁微结构、力学性能的差异。
方法：选择1例老年骨质疏松性单侧股骨颈骨折患者，女性，69岁，采用GE64排螺旋CT对双侧髋关节自髋臼至股骨中上段行CT扫描，借助Micro-CT重建，建立不同灰度阈值的三维骨小梁模型，获取其微结构参数，通过机械压缩实验得出相关力学性能参数并进行比较。

结果与结论：①成功建立不同灰度阈值的骨质疏松性骨小梁3D模型，随着灰度阈值的增加，骨体积分数降低，骨表面积密度降低，骨小梁数量减少，骨小梁分离度增大；②随着骨小梁灰度阈值的增加其弹性模量降低，可以看出屈服强度、压缩强度及最大抗压力也呈现出这样的趋势；③提示不同灰度阈值所打印的3D骨小梁仿真模型，其骨微细结构参数及力学性能参数有明显差异，可为骨质疏松脆性骨折的发生发展机制在材料力学方面提供一种新的研究方法。

https://orcid.org/0000-0002-5300-4908(吴敏辉)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 骨质疏松, 3D打印, 骨小梁, 灰度阈值, 骨体积分数

Abstract: BACKGROUND: Brittle fractures occur in patients with osteoporosis, and the 3D bone trabecular simulation model compression test is rarely used to elucidate the mechanism of its occurrence and development.
OBJECTIVE: To establish 3D models of osteoporotic bone trabeculae with different gray thresholds, and to compare and analyze the differences in microstructure and mechanical properties of osteoporotic bone trabeculae through mechanical compression experiments.
METHODS: A 69-year-old elderly female patient with osteoporotic unilateral intertrochanteric fracture was selected. Three-dimensional bone trabecular models with different gray thresholds were established by GE64 slice spiral CT scanning of bilateral hip joints from the acetabulum to the upper middle femur and micro-CT reconstruction. Its microstructure parameters were obtained. Mechanical properties were obtained by mechanical compression experiment and compared.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) 3D models of osteoporotic bone trabeculae with different gray thresholds were successfully established. With the increase of gray thresholds, the bone volume fraction decreased; the bone surface area density decreased; the trabecular number decreased, and trabecular separation increased. (2) With the increase of the gray threshold of the bone trabecula, its elastic modulus diminished. It could be seen that the yield strength, compressive strength and maximum pressure also exhibited such a trend. (3) It is indicated that the 3D bone trabecular simulation model printed with different gray threshold values has significant differences in the bone fine structure parameters and mechanical property parameters, which provides a new method for the occurrence and development of brittle fractures in osteoporosis in terms of material mechanics.

Key words: osteoporosis, 3D printing, bone trabecula, gray threshold, bone volume fraction

中图分类号:

吴敏辉, 唐昌烨, 代越星, 郑利钦, 李志鸿, 李少彬, 林梓凌. 不同灰度阈值的骨质疏松性骨小梁3D模型的力学性能差异[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(36): 5766-5770.

Wu Minhui, Tang Changye, Dai Yuexing, Zheng Liqin, Li Zhihong, Li Shaobin, Lin Ziling. Difference in mechanical properties of osteoporotic bone trabecular 3D models with different gray thresholds[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(36): 5766-5770.

图/表（结果） 3

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计材料仿真实验，单因素方差分析。

1.2 时间及地点实验于2022年4-5月在广州中医药大学国家重点学科中医骨伤科学数字骨科与生物力学实验室完成。

1.3 材料主要实验仪器及软件：CT Analyser软件(Bruker公司，比利时)，Geomagic Studio 2017软件(美国Geomagic公司)，Materialise Magics 21.0软件(Materialise公司，比利时)HP Jet Fusion工业级3D打印机(美国惠普公司)，万能材料试验机(扬州市精卓试验机械厂)由广州中医药大学国家重点学科中医骨伤科学数字骨科与生物力学实验室提供；GE 64排螺旋CT，由广州中医药大学第一附属医院提供。
1.4 对象选择2022年1-3月在广州中医药大学第一附属医院骨科住院治疗的老年单侧股骨颈骨折患者1例，女性，69岁，经X射线片检查诊断为单侧股骨颈骨折，并且符合骨质疏松症的诊断标准，采用GE64排螺旋CT对双侧髋关节自髋臼至股骨中上段行CT扫描，扫描条件：155 mA，120 kV，层厚2 mm，层距4 mm，以Dicom格式保存影像资料。患者和家属均知情同意，并签署知情同意书，实验方案获得广州中医药大学第一附属医院伦理委员会批准(伦理号： JY2021260)。
1.5 方法
1.5.1 建立不同灰度阈值的三维骨小梁模型将选择的1例骨质疏松单侧股骨颈骨折患者的CT影像资料导入CT Analyser软件中进行数据重建(图1)，选取股骨头部松质骨骨小梁厚度为5 mm的区域为感兴趣区域(region of interest，ROI)进行三维重建(图2)，其灰度阈值依次设置为40，45，50，55，60，65六组，构造不同灰度阈值的骨小梁模型，并获取ROI骨小梁骨微结构参数：骨体积分数(bone volume/total volume，BV/TV)、骨表面积密度(bone surface/trabecular volume，BS/TV)、骨小梁数量(trabecular number，Tb.N)、骨小梁分离度(trabecular separation，Tb.Sp)、骨矿物质密度等，导出数据为STL格式。

1.5.2 骨小梁3D打印将上述导出的STL 格式文件在Geomagic Studio 2017软件中进行光滑处理，光滑步骤包括网格医生、快速光滑、松弛及网格重新划分等，再次保存为STL格式文件备用。将经光滑处理的ROI骨小梁模型导入 Materialise Magics 21.0 软件，模型尺寸放大4倍(边长为2 cm的正方体)。打印线材选择棕色聚丙交酯，打印层厚范围0.8-1.0 mm(图3)，6组灰度阈值组各打印4个模型。
1.5.3 抗压缩性能测试将上述3D骨小梁模型置于万能材料试验机进行压缩测试，试件预加载5 N垂直力使试件接触良好，测试加载速度为2 mm/min，直到样品碎裂或产生裂纹，测试完成后导出弹性模量(E)、抗压强度(Strength)、最大抗压力(Force)、屈服强度等参数，见图4。

1.6 主要观察指标不同灰度阈值下，各组骨小梁的骨微细结构参数与力学性能参数的比较。
1.7 统计学分析采用SPSS 20.0对数据进行统计学分析，将各组数据行正态分布及方差齐性检验，采用单因素方差分析进行比较。P < 0.05则代表差异有显著性意义。

讨论

骨质疏松症是以低骨量和骨组织微细结构破坏为特征，导致骨脆性和骨折危险性增加的一种全身骨骼性疾病，其最大的危害是脆性骨折的发生，骨微结构决定骨质量，骨微结构破坏是骨质疏松性骨折发生的直接原因。
3D 打印技术可追溯到1984年，Charles Hull 利用光固化技术发明了历史上第1台3D打印机。直至1986年第1台商用3D打印机问世，随着打印技术进步，开发出熔融沉积成型及选择性激光烧结等打印技术。3D打印技术优点多，不但具有个性化，可以打印不同种类或结构复杂的样本，也能精准打印，模仿蓝本的精细结构，同时由于效率高及节约资源，目前已在临床中应用，如非金属类3D打印技术，多用于手术模拟、医患沟通及医学教学等领域[9]。而金属类3D打印技术多应用于手术导板、内植物及义肢制作等领域。金属3D打印技术在口腔外科、神经外科和骨科的应用相对较多[10]。在金属3D打印技术的骨科临床应用中，传统设计的导板和植入物具有匹配性差、界面愈合能力低及承重能力弱等多项不足，3D 打印技术通过适当的设计和特别的制作方法有效解决了上述不足。目前，3D打印技术已在骨科临床中常见，包括导板的设计和制作、术前模拟，或是手术内植入物的设计与印制等[11]。大范围又复杂的骨缺损由于其局部缺损部分解剖结构复杂，单纯以CT或MRI等影像学手段较难判断局部病变情况，无法精准地设计出最适合的手术方案，此情况明显增加了手术难度与风险，危及患者的病情[12]。
金属快速成形技术基于CT影像学资料仿制出与缺损部分完全相同的模型，不但可以直接探查病变、测量解剖数据、制定手术方案，还能模拟手术操作并作为术中参照指导，从而确保手术操作的安全性和准确性。HURSON等[13]研究结果显示，透过这种技术制备髋臼骨折等复杂部位的模型，有助于手术医生在术前了解患者病情和手术部位的破坏状态，然后精准设计手术方案。基于对3D印制手术内植入物的安全性和力学性能显示比较缺乏多中心研究和长期的随访，所以暂未得到循证医学证据的支持，因此应用于负重骨上的3D打印植入物甚少。有相关的生物力学测试结果亦显示，具有微孔结构的髋臼杯可有效减低假体的应力遮挡。以上研究成果皆显示，具备仿骨小梁的多孔结构假体在界面愈合方面有显著优势。因此，3D打印骨小梁可作为研究力学性能的一种创新性方法，国内并未有相关文献报道，而国外近年有少量关于此技术的报道。BV/TV可单独证明70%以上的骨小梁力学性能的差异，这是已经明确的。因此，有实验选择BV/TV作为唯一可能影响骨小梁刚度和强度的显著自变量。赵小文等[14]通过3D打印成功地构建了兔仿生松质骨微结构，通过使仿生松质骨与天然松质骨骨小梁体积相等，也就是说仿生松质骨与天然松质骨具有同样的孔隙率，并且仿生松质骨与天然松质骨结构达到很高的相似度(可达 95% 以上)。且通过3D打印能复制出多个相同的骨小梁样本，纵使在压缩测试中压缩失败，也可打印相同的骨小梁重新进行压缩测试。因此3D打印的骨小梁具有重复性，防止实验的失败浪费骨样本，影响实验进程；在选择3D打印用材方面，若打印骨小梁模型作力学研究，应考虑与骨小梁的相关性及生物相容性。3D打印骨小梁力学研究模型采用的材料众多，如钛合金、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯或其他树脂类材料[15]。钛合金为骨科假体常用材料，其性质坚硬、生物相容性高，但价格昂贵。但聚丙交酯可作为3D打印骨小梁选用材料的最佳选择，有相关研究表示聚丙交酯力学性能、可塑性、降解性高，能作为骨折内固定材料来使用[16]。因而，此次实验则选用聚丙交酯用于生物力学研究。
目前在骨组织研究领域中，Micro-CT可早期发现骨质疏松症骨小梁骨微结构变化，在微米级高清晰扫描骨小梁立体结构中，不仅可精确计量标本整体骨量参数，还可测试大量骨结构参数[17]，能够很好地研究骨结构和骨密度的数量性指标及微细改变[18]。常用通用参数包括以下几项：骨矿物质密度表示感兴趣区域骨组织中骨矿物质密度的多少；BV/TV表示骨组织体积与组织体积比值，可直接反映骨量变化情况；BS/TV又称为骨表面积密度，可以间接反映骨量变化情况；Tb.N代表感兴趣区域中每毫米骨组织与非骨组织交点数量的平均值；Tb.Sp表示骨小梁之间髓腔的平均宽度。到目前为止，仍然缺乏对整体骨强度的精确测量。骨密度是骨量的一种量度，在临床上被广泛用于骨质疏松症的诊断和治疗效果评估，在认识到骨密度的局限性后，建议通过两个主要方面的结合来确定骨强度：骨量和骨质量。骨量可以通过如上所述的骨密度(即每面积或体积的矿物质克数)或骨体积比(即骨组织体积与总体积之比，BV/TV)来测量。然而，这里的骨质量只是一个与骨量相关的模糊概念，涵盖了骨量无法解释的所有骨特征，包括结构、矿化、重塑率、损伤累积等[19]。因此，骨质量很难通过单一测量来进行定量。从复合力学的角度来看，松质骨可以被视为两相复合物：一相为骨组织，另一相为孔隙。因此，根据复合理论，可以计算出3个主要方面：BV/TV、微结构和骨组织特性。骨量(此处通过BV/TV测量)是决定骨力学性能的最重要因素之一[20-21]，类似于增强体积分数在确定复合材料力学性能中的作用。然而，在骨质疏松症的实际情况下，骨量和微结构通常一起变化，因此很难研究和阐明它们对骨骼机械退化的单独影响。许多研究清楚表明，松质骨的微结构对其力学行为有很大影响[22]。得益于高分辨率微计算机断层扫描(μCT)，一些研究对μCT数据进行体视学分析和力学测试。CIARELLI等[23]对比研究了髋部骨折女性和女性尸体对照股骨近端松质骨的结构和力学性能，发现骨折组的BV/TV、TbN明显较低，并且相应地具有较低的弹性模量和最大应力；此外，他们的回归分析还表明，骨折组和对照组在弹性模量、骨体积分数之间以及弹性模量和骨小梁数量之间表现出不同的关系，可以表明骨小梁的三维空间排列存在差异。最近，针对局部微结构更详细的研究表明，松质骨中杆状小梁的百分比和方向对骨力学性能有显著影响[24-25]。STAUBER等[26]提出了一种基于元素描述骨微结构的新框架，将松质骨分解为两种基本体积元素——杆和板，他们将该方法应用于328个人体松质骨样本并得出结论，板主导结构强度由横跨整个结构的主要元素决定，而杆主导结构中的强度由一整套元素的排列和几何形状决定。
此外，更年期松质骨重塑动态过程的计算模拟表明，微结构板穿孔是更年期骨丢失的主要原因，导致小梁板越来越少，小梁杆越来越细[27-28]。还进行了基于μCT的有限元模拟，以研究小梁板和杆在压缩下人体椎体松质骨破坏行为中的作用，并揭示小梁杆在破坏起始中起重要作用，而小梁板在确定屈服强度中起关键作用[29]。
毫无疑问，骨微结构对松质骨的力学性能有很大影响，骨质疏松性骨在微结构中表现出明显的退化。而此文则研究了不同阈值的骨质疏松性骨小梁骨微结构及力学性能的差异，并且这种差异是显著的。
此次研究的主要不足在于，在进行力学实验时只包含抗压缩试验(纵向力)，但日常生活中造成骨质疏松病理性骨折的还有剪切力、扭转力，这将是日后研究的另外一种方向。
结论：此次研究比较了不同阈值的骨质疏松性骨小梁的骨体积分数、微结构和力学性能，不同的灰度阈值所打印的3D骨小梁仿真模型的骨微细结构参数及力学性能参数具有明显差异，这将为骨质疏松脆性骨折的发生发展机制在材料力学方面提供一种新的研究方法。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

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