基于无辐射成像技术构建脊柱站立位有限元模型

《Journal of Biomechanics》：Generating standing posture finite element models of the spine with radiation-free imaging

　　

有限元（FE）建模是研究脊柱生物力学的有力工具。脊柱的受试者特异性有限元模型通常基于CT图像获取的仰卧位数据构建，存在辐射危害且缺乏软组织信息。然而，更准确地评估椎体和椎间盘载荷需要分析受试者直立姿势。本研究提出一种无辐射的替代方案，通过结合仰卧位MRI与基于超声的站立位三维脊柱曲率评估来创建受试者特异性站立位有限元模型。研究人员从8名儿童的合成CT（由MRI经人工智能生成）构建了T3-L5的受试者特异性仰卧位有限元模型。使用专用脊柱超声检测椎板位置，将其作为输入将有限元模型从仰卧位转换为站立位。拟合椎体节段均方根误差（RMSE）在1 mm以内。与传统放射学测量验证表明，两种成像方式在腰椎和中下胸椎参数的矢状面排列上无统计学差异。此外，放射片与直立位有限元模型测量的椎体质心在矢状面和冠状面距离在拟合节段均小于6 mm。总之，研究人员证明了使用完全无辐射成像作为CT和双平面X射线替代方案来构建受试者特异性、直立位、详细有限元模型的可行性。

研究背景方面，受试者特异性脊柱有限元（FE）模型常用于评估椎体载荷、脊柱治疗效果及脊柱畸形。此类模型通常基于CT扫描构建，有时结合配准的MRI扫描，通过分割流程从CT图像中提取骨几何与密度，从MRI中提取椎间盘几何与内容物。随着机器学习分割技术和网格模板变形技术的发展，此类受试者特异性FE模型的自动生成已成为可能。然而该方法的主要局限性在于模型反映的是仰卧位脊柱几何形态，因为图像是在该体位下采集的。对于椎体和椎间盘载荷的真实评估，站立或行走时的脊柱几何形态更为相关。直立位CT需要电离辐射且可及性有限，直立位MRI图像质量有限。为此，研究人员采用了不同的替代方法来获取站立位三维脊柱模型，包括基于位移驱动的方法、立体放射成像（EOS）或双平面放射成像方法等。但基于CT或放射片的方法涉及辐射暴露，这在很大程度上限制了其在儿童中的应用，尤其在研究脊柱畸形（如脊柱侧弯）时，通常仅MRI可行，使得骨分割更加困难。近年来的进展是利用机器学习将MRI转换为合成CT图像，除无电离辐射外，还具有软组织和骨组织在同一次扫描中获取的优势。然而，仍需要放射学技术将这些模型转换为站立姿势。一种相对较新的无辐射获取三维脊柱曲率的技术利用专用三维脊柱超声推导三维脊柱曲率，可识别棘突、横突和椎板等椎体标志点。因此，本研究的目标是开发一种基于MRI和三维脊柱超声的无辐射方法，生成受试者特异性站立位三维脊柱模型，并利用直立位放射片验证该方法。研究在8名无法获取CT扫描的儿童队列中测试了该方法，这些儿童具有仰卧位MRI、直立位超声以及用于验证的放射片。

研究人员开展了以下研究：纳入8名年龄8至13岁患有22q11.2缺失综合征（22q11.2DS）的女性受试者，无先天性椎体异常，来自EARLYBIRD研究。采集了直立位前后位和侧位放射片、脊柱超声和MRI。使用临床1.5 T MRI扫描仪获取胸腰椎MRI，其中包括三维矢状位射频扰流多回波梯度回波"BoneMRI"序列，用于通过商业软件生成人工智能合成的CT图像。超声扫描使用Scolioscan系统，采用线性超声探头进行自由手扫描，传感器跟踪探头位置和三维方向。利用先前开发的方法自动生成椎体和椎间盘（IVDs）的网格，椎体通过预训练神经网络从基线合成CT图像中自动分割，椎间盘分割在8名受试者手动分割后训练nnU-Net神经网络完成。将基于24岁健康女性（1.50 m，48 kg）的模板网格通过贝叶斯相干点漂移（BCPD）算法变形至T3-L5分割。在有限元模型中选择与椎板位置对应的估计节点。从三维超声数据中提取双侧椎板坐标，取左右椎板坐标平均值获得矢状面和冠状面曲率的中线，通过5阶多项式曲线在三维空间中拟合。将仰卧位有限元模型刚性旋转至站立姿势方向，通过自定义MATLAB函数计算从源（有限元模型）到目标（超声曲线）的平移向量和旋转矩阵，采用最近点搜索算法最小化模型椎板节点与5阶多项式曲线之间的欧几里得距离。将有限元模型与曲线之间的剩余距离设为椎板点的规定位移，在有限元分析中使模型变形至站立曲率。在前-后轴和内-外侧轴上规定位移，上-下轴位移不受约束。所有椎体允许旋转。在T12水平，平移位移在所有方向上完全约束，旋转运动不受约束。上位胸椎水平（T3-T4-T5）未纳入拟合过程，原因是该区域超声数据图像质量欠佳。由于仅对有限元模型规定位移以强制实现直立脊柱曲率，且关注的是计算位移场而非应力，材料属性不十分关键，所有组件均建模为线弹性，采用基于文献的广义模量。进行了几何非线性分析。将变形后的几何导出并重新初始化为无应力状态，作为进一步研究直立姿势的新参考几何。所有模拟使用Abaqus标准求解器求解。在获得无应力直立模型后，进行额外有限元分析以证明变形模型可成功求解并产生与文献相比合理范围内的结果。分析包括分别对胸椎区域（T6–T12）施加5 Nm力矩和腰椎区域（L1–L5）施加7.5 Nm力矩模拟屈伸、侧弯和轴向旋转，力矩施加于上端，下端固定。提取每个椎体节段的节段运动范围并与Wilke等人的研究进行比较。为公平比较，在变形分析中使用真实的非线性材料属性。

关键技术方法方面，本研究采用以下主要方法：（1）基于MRI的合成CT生成技术（BoneMRI序列结合AI软件）用于构建仰卧位有限元模型；（2）专用三维脊柱超声系统（Scolioscan）用于站立位椎板位置检测和脊柱曲率评估；（3）贝叶斯相干点漂移（BCPD）算法用于模板网格变形；（4）nnU-Net神经网络用于椎间盘自动分割；（5）5阶多项式曲线拟合与最近点搜索算法用于仰卧位至站立位的位移规定；（6）有限元分析（Abaqus）用于模型变形和验证。样本队列来源为EARLYBIRD研究中的8名22q11.2DS女性儿童。

研究结果方面，验证部分：典型病例的变形展示表明刚性旋转后的模型需要相当大的变形才能将椎板拟合到超声获得的曲线上。所有8名受试者各椎体水平的RMSE表明，施加变形后椎板点位于超声多项式曲线1 mm以内，上位胸椎区域除外（未施加拟合过程）。网格质量评估显示上位胸椎区域无显著变化，最大变化出现在上腰椎区域L1L2和L2L3水平的翘曲度，其他指标变化较小。验证部分：对基于X射线数据的模型进行验证，比较各椎体水平的椎体倾斜角度。非参数配对Wilcoxon符号秩检验显示直立位有限元模型大多数胸椎水平的倾斜角度存在统计学差异（p值<0.05）。放射片与变形模型测量的椎体质心距离在矢状面和冠状面拟合节段（T6–L5）大多数受试者显示矢状面AP和SI方向距离小于6 mm，冠状面距离小于5 mm。两名受试者因MRI与X射线采集时间差异导致的生长而偏差稍大。常规脊柱曲率测量在放射片与变形模型之间总体一致性良好，仅TK-T4（模型低35.1%）和TT-T3（模型高12.2%）存在显著差异。

讨论部分总结了研究的主要发现和局限性。本研究旨在开发一种无辐射方法生成站立位三维脊柱有限元模型并用双平面放射片验证。结果表明结合仰卧位MRI与直立位超声能够生成矢状面曲率精度在1 mm以内的受试者特异性有限元模型，且常规放射学参数一致性良好。该方法的新颖性在于使用无辐射成像：通过强制椎板点遵循超声数据推导的曲线将仰卧位模型变形至站立位。与变形技术不同，该方法确保变形仅发生在椎间盘，考虑了脊柱的自然柔韧性并维持椎体的解剖形状。椎体旋转不受约束，仅规定AP和ML位移，SI运动保持自由。虽然出现了一些网格质量下降，但所有模型在多种载荷模式下均成功求解而无严重单元畸变。验证显示矢状面倾斜和PIT面积一致性良好，但在中胸椎区域椎体倾斜存在显著差异。胸椎后凸和倾斜在使用上位胸椎水平（T4/T3）时也存在显著差异，可能由于无约束边界条件使其跟随T6运动。与常规放射片相比后凸低估（3.3±5.3°）和前凸低估（5.2±5.9°）与先前研究一致。鉴于连续曲率测量之间可接受的±5°变异性，该方法充分再现了直立姿势。椎间盘楔形变保持在生理范围内。椎体质心偏差在矢状面平均6 mm以内，冠状面5 mm以内。与X射线相比更大的偏差与椎体高度或深度的生长有关。局限性包括：由于数据集特定的上位胸椎区域超声图像质量下降，重建限于T6以下椎体水平；排除小关节；使用成人来源模板可能在缩放至儿童解剖结构时引入几何不准确性；所有组件假设为线弹性材料行为；基于将两个椎板点的平均值放置在曲线上的方法无法规定旋转。基于当前超声数据，其他平面的旋转无法规定，这仍是本研究的重要局限性。验证时曲率从放射片而非超声推导，原因是采集时间和姿势不同。放射片上的标志点识别具有挑战性，尤其是上位胸椎区域。此外，队列并非专门为本研究招募，未观察到严重畸形，因此建议在不同人群中进一步研究以探究脊柱疾病。

结论部分翻译：本研究验证了一种利用无辐射超声技术创建直立位有限元模型的方法，并对照放射片进行了验证。采用新型基于建模模板的变形技术从仰卧位MRI和合成CT扫描构建受试者特异性有限元模型。研究结果表明，使用超声数据推导的椎板能够准确代表站立位脊柱排列和形态。此外，超声可以捕捉不同直立位置下的脊柱曲率，从而更好地理解脊柱生物力学。矢状面和冠状面直立曲率的评估对于研究脊柱疾病具有重要意义；因此，对于严重畸形病例需要进一步验证。