概述
骨小梁是一种海绵状的各向异性材料，将载荷从关节表面转移到更为致密的皮质骨。皮质骨的密度和刚度更为一致，处理重复的拉伸和压缩负载产生的压力。在模型中准确地定义这些材料的特性对于将医疗器械设计和手术原理转化为临床应用至关重要。骨科医疗器械通过提供骨骼愈合或关节功能的环境帮助患者康复，外科医生需要根据患者的骨质量、合并症及自身经验，为最佳植入物做出最准确的预测。
精准的计算模型可以使外科医生和医疗器械工程师能够模拟患者骨骼内每种植入物类型的性能，以便就植入物的设计、选择和手术技术做出更为明智的决策。本研究开发了一个利用骨矿物质密度通过定量计算机断层扫描（QCT）确定有限元分析（FEA）中材料属性的插件程序，与图像处理软件 Simpleware 结合简化了该方法的工作流程，可更方便于临床和研究的应用。
亮点
- 使用 Simpleware ScanIP 的图像处理和 Python 脚本编辑工具对 CT 扫描数据进行预处理。
- 将单个 CT 体素的灰度值转换为杨氏模量
- 开发的插件程序（PIP）以开源的方式共享
灰度值转换为杨氏模量的流程
- 输入骨小梁/皮质骨的截断密度及相应的灰度和 QCT 密度值
- 将医学数字成像和通信（DICOM）格式的 QCT 值转换为湿表观密度
- 湿表观密度值根据相应的组织转换为杨氏模量
- 使用调整后的 DICOM 文件创建 3D 模型
方法
将扫描的体模 DICOM 图像数据导入 Simpleware 软件中，经过图像处理后分割为包含每个样本的圆柱体/圆盘。使用 Simpleware ScanIP 的灰度测量功能获取每个样本的平均灰度值，以 HU 为单位测量并将结果转换为 DICOM 存储的灰度值。通过对整个体模体积的 HU 进行采样（需要定义为组织等效电子密度样本），可以减少噪声的影响，并且结果可以更准确地表示整个体模的测量放射密度。
使用 ScanIP 的 Profile Line 测量工具对每个灰度值进行采样，通过在样本中画线即可导出其灰度值。启动插件程序（PIP）后，提示输入灰度值和体模对应制造商定义的 QCT 密度，跟每个用户的 CT 扫描仪和体模相关。
PIP 先使用 QCT 密度和 DICOM 灰度值进行线性回归，将 QCT 密度值转换为湿表观密度。
然后 PIP 利用以下定义将湿表观密度转换为杨氏模量：
这里选择 1 g/cc 作为截断密度，非常接近骨小梁和皮质骨的密度差异。但在 PIP 中，用户还可以自定义设置皮质截断密度。
结果与讨论
通过 CIRS 的组织模拟和体模技术获得体模的 CT 扫描。使用 GE 的 LightSpeed VCT 扫描仪获取一位 70 岁、身高为 167 cm 老人的股骨图像数据。
由此产生的校准 CT 扫描包含每个体素的杨氏模量，可以更灵活地使用患者的成像数据来对植入物进行个性化的生物力学 FEA 模拟。虽然幂律方程适用于骨小梁，但不适用于皮质骨的恒模量。与使用现有从密度到杨氏模量的幂律转换相比，此方法创建的皮质骨模型更为准确。
使用局限
在检查 CT 扫描值时，必须要考虑两个因素：扫描仪的变化和噪声。噪声描述了均匀样本中测量 HU 的随机方差，可能导致同一组织的两个体素被测量为具有不同的 HU。扫描仪之间的差异也会影响测量的 HU，不同型号的扫描仪通常会将同一样品记录为不同的 HU 值。扫描仪的变化可以考虑将使用的特定扫描仪校准到体模以及同时扫描样本和体模。
插件获取方式与使用要求
项目名称：Yale Material Properties ScanIP Plug-In.
项目主页：https://sourceforge.net/projects/yale-scanip-plug-in/files/
编程语言：Python.
使用要求：Simpleware ScanIP 软件
使用许可：Simpleware ScanIP License
参考
- Roytman G R, Cutler M, Milligan K, et al. An open-access plug-in program for 3D modelling distinct material properties of cortical and trabecular bone[J]. BMC Biomedical Engineering, 2022, 4(1): 8.