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Towards a Patient-Specific Vertebral Finite Element Model Using Dual-Energy Radiography Imaging to Improve Pedicle Screw Fixation: a Feasibility Study

Carolina Solorzano Barrera

Master's thesis (2022)

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Abstract

Around 1.4 to 32% of adults over the age of 60 will experience a spine deformity, which is represented by an abnormal curvature in one or more sections of the vertebral column. When treating this issue, instrumentation with pedicle screws and rods are used to realign and stabilize the spine, in order to lead to fusion. However, between 0.8 to 27% of the cases of pedicle screw fixation fail and are mainly associated with the screw trajectory and vertebra deformity, the forces involved and the mechanical properties of the bone tissue. To evaluate the fixation of pedicle screws, standard pullout testing is used in experimental testing with cadaveric or synthetic samples. This, however, limits the representation of in vivo human vertebral characteristics. Finite element modeling offers an alternative solution that provides detailed biomechanical analysis of the spine and can numerically simulate pullout tests to evaluate pedicle screw fixation. Several studies have developed single vertebra or full spine finite element models (FEMs) to evaluate vertebral strength, predict vertebral fracture and even screw failure. These models are generally designed with a generic geometry and average mechanical properties, generally acquired using medical imaging modalities such as computed tomography (CT) or quantitative computed tomography (qCT). Patient-specific properties can be obtained via these modalities but impose a high risk of ionizing radiation exposure to the patient, limiting their use. A great variability of bone density has been observed in the trabecular vertebral bone. Bone mineral density seems to be higher in the peripheral regions, whereas the central regions present lower values. Because bone quality greatly varies between the vertebral region and between individuals, the concept of patient-specific modeling of bone properties has grown interest in finite element modeling. A new low-dose imaging system is presented in this project and has the capacity of providing dual-energy (DE) bi-planar (lateral and frontal) radiographs, which are acquired simultaneously on a standing patient. A dual-energy modality allows the analysis of bone density of the vertebrae as it calibrates the radiographs accordingly with the density of hydroxyapatite (HA). Thus, the objective of this research project is to develop and validate the feasibility of integrating patient-specific mechanical properties of the bone tissue using dual-energy radiography in a 3D vertebral FEM to improve pedicle screw fixation. An image simulator provided by the company of the imaging system was used to generate bi-planar radiographs, in order to work in a controlled environment. Using a test case of a patient CT scan from an open access database, the image simulator generated bi-planar polymethyl-methacrylate (PMMA)- and aluminum-calibrated radiographs to simulate soft and bone tissue, respectively, as well as HA-calibrated radiographs to simulate bone mineral density. Therefore, pixels values from the images were calibrated in g/cm². Four isotropic FEMs of the 3rd lumbar (L3) vertebra were created with two different trabecular bone distributions derived from the DE radiographs or from published trabecular bone mineral densities: 1) averaged (homogeneous) and 2) averaged over small regions of interest (heterogenous). The latter allows an individual visualization of the different subregions of the vertebral body and the posterior elements, as well as of the pedicle regions. Geometrical measurements allowed the estimation of volumetric bone mineral density (vBMD) for each region of the vertebra. After evaluating several mathematical relationships that relate the Young's modulus and the vBMD, the power-law equation of Keller et al., (1994) was selected. Other mechanical properties such as the yield stress or Poisson's ratio were obtained from previous studies on experimental tests. Pedicle screw pullout simulation was performed on the four models in which the screw was placed in right pedicle. The internal maximum stress distribution, the bone-screw interface initial stiffness and the peak pullout force were calculated and compared between the models. Results showed that models with properties derived from DE radiographs, when compared to the reference models, respectively increase the bone-screw interface stiffness on the homogeneous (5262 vs. 2232 N/mm) and the heterogeneous (4830 vs. 2314 N/mm) models. The peak pullout force also increases for the homogeneous (418 vs. 298 N) and heterogeneous (511 vs. 371 N) models. Additionally, a higher stress distribution was observed around the screw threads on the models with properties derived from DE radiographs. The posterior elements, the pedicles and the posterior regions of the vertebral body, reported higher stiffness and peak pullout force on the heterogeneous models compared to the heterogeneous models. These results are attributed to the posterior subregions of the vertebral body which provide better resistance at the first quarter of the pedicle screw length during simulated pullout. This can be confirmed as well with the lower stress values found around the screw threads on the heterogeneous model with properties derived from DE radiographs. All results were within acceptable range when compared to experimental and numerical studies. Integrating patient-specific mechanical properties in a vertebral FEM with a heterogeneous distribution allows a realistic perspective for orthopedical surgical planning to otherwise underestimated results in a homogeneous distribution. The novel low-dose imaging system has the advantage of providing HA density-calibrated radiographs allowing detailed quantification of the mechanical properties of the vertebral bone. Further research should concentrate on evaluating the imaging system's feasibility on other regions of the body such as the pelvis or limbs. Automatic algorithms that allow fast and accurate calculation of the bone mineral density from patient-specific radiographs would provide better results to integrate into numerical models.

Résumé

Environ 1,4 à 32 % des adultes de plus de 60 ans présentent une déformation de la colonne vertébrale, représentée par une courbure anormale d'une ou plusieurs sections de la colonne vertébrale. Pour traiter ce problème, on utilise une instrumentation avec des vis pédiculaires et des tiges pour réaligner et stabiliser la colonne vertébrale en vue d'une éventuelle fusion. Cependant, entre 0,8 et 27% des cas de fixation de vis pédiculaires échouent et sont principalement dus au mauvais alignement des trajectoires des vis et des déformations vertébrales, aux forces impliquées et aux propriétés mécaniques du tissu osseux. Pour évaluer la fixation des vis pédiculaires, les tests d'arrachement (pullout) standards ont été utilisés dans les essais expérimentaux avec des échantillons cadavériques ou synthétiques. Cela limite toutefois la représentation des caractéristiques vertébrales humaines in vivo. La modélisation par éléments finis offre une solution alternative qui fournit une analyse biomécanique détaillée de la colonne vertébrale et peut simuler numériquement les tests d'arrachement pour évaluer la fixation des vis pédiculaires. Plusieurs études ont développé des modèles d'éléments finis (MEF) pour une seule vertèbre ou pour l'ensemble du rachis afin d'évaluer la force vertébrale, de prédire la fracture vertébrale et même la défaillance des vis. Ces modèles sont généralement conçus avec une géométrie générique et des propriétés mécaniques moyennes, généralement acquises à l'aide de modalités d'imagerie médicale telles que la tomodensitométrie (CT) ou la tomodensitométrie quantitative (qCT). Les propriétés spécifiques au patient peuvent être obtenues via ces modalités mais imposent un risque élevé d'exposition à la radiation ionisante pour le patient, ce qui limite leur utilisation. Une grande variabilité de la densité osseuse a été observée dans l'os trabéculaire vertébral. La densité minérale osseuse semble être plus élevée dans les régions périphériques, tandis que les régions centrales présentent des valeurs plus faibles. Étant donné que la qualité de l'os varie considérablement d'une région vertébrale à l'autre et d'un individu à l'autre, le concept de modélisation spécifique des propriétés de l'os au patient a suscité un intérêt croissant pour la modélisation par éléments finis. Un nouveau système d'imagerie à faible dose est présenté dans ce projet et a la capacité de fournir des radiographies bi-planaires (latérales et frontales) à double énergie (DE) qui sont acquises simultanément sur un patient debout. Un module de double-énergie permet d'analyser la densité osseuse des vertèbres car elle calibre les radiographies en fonction de la densité de l'hydroxyapatite (HA). Ainsi, l'objectif de ce projet de recherche est de développer et de valider la faisabilité de l'intégration des propriétés mécaniques du tissu osseux spécifiques au patient en utilisant la radiographie à double énergie dans un MEF vertébral 3D pour améliorer la fixation des vis pédiculaires. Un simulateur d'images fourni par la compagnie du système d'imagerie a été utilisé pour générer des radiographies bi-planaires, afin de travailler dans un environnement contrôlé. À l'aide d'un cas d'essai d'un scanner (CT) de patient provenant d'une base de données en libre accès, le simulateur d'images a généré des radiographies bi-planaires calibrées en polyméthacrylate de méthyle (PMMA) et en aluminium pour simuler respectivement les tissus mous et osseux, ainsi que des radiographies calibrées en HA pour simuler la densité minérale osseuse. Par conséquent, les valeurs de pixels des images ont été calibrées en g/cm². Quatre MEFs isotropes de la 3e vertèbre lombaire (L3) ont été créés avec deux distributions différentes de l'os trabéculaire dérivées des radiographies DE ou de la densité minérale osseuse trabéculaire publiée dans la littérature : 1) moyenne (homogène) et 2) moyenne sur de petites régions d'intérêt (hétérogène). Cette dernière permet une visualisation individuelle des différentes sous-régions du corps vertébral et des éléments postérieurs, ainsi que des régions pédiculaires. Des mesures géométriques ont permis d'estimer la densité minérale osseuse volumétrique (vBMD) pour chaque région de la vertèbre. Après avoir évalué plusieurs relations mathématiques qui relient le module d'Young et la vBMD, l'équation de puissance de Keller et al., (1994) a été sélectionnée. D'autres propriétés mécaniques telles que la limite d'élasticité ou le coefficient de Poisson ont été obtenues à partir d'études antérieures sur des tests expérimentaux. La simulation de l'arrachement de la vis pédiculaire a été réalisée sur les quatre modèles où la vis était placée dans le pédicule droit. La distribution de la contrainte interne maximale, la rigidité initiale de l'interface os-vis et la force d'arrachement maximale ont été calculées et comparées entre les modèles. Les résultats montrent que les modèles dont les propriétés sont dérivées des radiographies DE, comparés aux modèles de référence, augmentent respectivement la rigidité de l'interface os-vis sur le modèle homogène (5262 vs. 2232 N/mm) et le modèle hétérogène (4830 vs. 2314 N/mm). La force d'arrachement maximale augmente également pour le modèle homogène (418 vs. 298 N) et hétérogène (511 vs. 371 N). De plus, une distribution des contraintes plus importante a été observée autour des filets des vis sur les modèles dont les propriétés sont dérivées des radiographies DE. Les éléments postérieurs, les pédicules et la région postérieure du corps vertébral ont présenté une rigidité et une force d'arrachement maximale plus élevées sur les modèles hétérogènes que sur les modèles hétérogènes. Ces résultats sont attribués aux sous-régions postérieures du corps vertébral qui offrent une meilleure résistance au premier quart de la longueur de la vis pédiculaire pendant l'arrachement simulé. Cela peut être confirmé également par les valeurs de contrainte plus faibles trouvées autour des filets de vis sur le modèle hétérogène avec les propriétés dérivées des radiographies DE. Tous les résultats se situaient dans un intervalle acceptable quand ils ont été comparés avec des études expérimentales et numériques. L'intégration des propriétés mécaniques spécifiques au patient dans un MEF vertébral avec une distribution hétérogène permet une perspective réaliste pour la planification de la chirurgie orthopédique par rapport aux résultats autrement sous-estimés dans une distribution homogène. Le nouveau système d'imagerie à faible dose a l'avantage de fournir des radiographies calibrées en densité de HA permettant une quantification détaillée des propriétés mécaniques de l'os vertébral. Les recherches futures devraient se concentrer sur l'évaluation de la faisabilité du système d'imagerie sur d'autres régions du corps, comme le bassin ou les membres. Des algorithmes automatiques permettant un calcul rapide et précis de la densité minérale osseuse à partir de radiographies spécifiques au patient fourniraient de meilleurs résultats à intégrer dans les modèles numériques.

Department: Institut de génie biomédical
Program: Génie biomédical
Academic/Research Directors: Carl-Éric Aubin and Isabelle Villemure
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10245/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 15 Apr 2024 09:16
Last Modified: 15 Apr 2024 21:34
Cite in APA 7: Solorzano Barrera, C. (2022). Towards a Patient-Specific Vertebral Finite Element Model Using Dual-Energy Radiography Imaging to Improve Pedicle Screw Fixation: a Feasibility Study [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10245/

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