discusión
en apoyo de la idea de que las propiedades de distribución del esfuerzo trabecular del hueso esponjoso explican la fragilidad de las vértebras T12-L1, investigamos la variación de la magnitud y variabilidad del esfuerzo trabecular (así como los parámetros arquitectónicos) en el hueso esponjoso a lo largo de la misma columna vertebral., Hemos demostrado que las distribuciones de estrés trabecular causadas por una compresión uniforme del tejido esponjoso y los parámetros microestructurales esponjosos se asocian con el nivel de la columna vertebral en el hueso vertebral humano, siendo los resultados significativos solo para las muestras transversales. De acuerdo con nuestra observación preliminar , cuando se promedió sobre dos muestras de la misma vértebra, el máximo de amplificación media del esfuerzo cortante trabecular y el mínimo de BV/TV promedio se encontraron en el tejido esponjoso de la localización T12 (Tabla 1)., El mínimo BV / TV y la amplificación máxima del esfuerzo cortante trabecular en el tejido de las vértebras T12 son consistentes con los informes de que la mayor incidencia de fracturas vertebrales se observa en las vértebras T12 y L1 y sugieren que el hueso esponjoso de las ubicaciones críticas T12-L1 es inherentemente débil en comparación con el hueso esponjoso de otras vértebras.
Cuando se analizaron las muestras de SI Y TR por separado, no encontramos, en contraste con nuestra hipótesis inicial, que la estructura ósea esponjosa de la ubicación anterior central de los cuerpos vertebrales fuera diferente entre los niveles de la columna vertebral., Sin embargo, encontramos que la arquitectura del hueso esponjoso de las partes postero-laterales del cuerpo vertebral varía con el nivel de la columna vertebral, de modo que los valores mínimos de BV/TV y MIL3 (Longitud media de intersección en la dirección terciaria) y el valor máximo de amplificación de corte corresponden al nivel T12., Debido a que los especímenes del SI fueron extraídos de la ubicación anterior en la dirección supero-inferior y los especímenes del TR fueron extraídos de las ubicaciones postero-laterales en una dirección transversal, las diferencias entre los especímenes del SI y del TR podrían deberse a la anisotropía del hueso esponjoso o a diferencias en el sitio anatómico dentro de la vértebra., Sin embargo, los parámetros microestructurales son independientes de la orientación de la muestra, lo que indica que la dependencia del nivel de la columna vertebral de la microestructura encontrada para las muestras de TR se debe a la variabilidad dentro de la vértebra de las propiedades del tejido esponjoso. Las fuertes relaciones encontradas entre la amplificación de la tensión y BV/TV (Figura 5) para muestras de SI Y TR sugieren que la amplificación de la tensión seguiría tendencias similares a la de BV/TV para otras combinaciones de orientación de la muestra y ubicación dentro de la vértebra., Por lo tanto, sospechamos que la amplificación del estrés en la dirección supero-inferior seguiría tendencias similares a las de la dirección transversal para las ubicaciones postero-laterales en la vértebra. Por lo tanto, mientras que los valores de módulo y tensiones serían diferentes entre la carga supero-inferior y transversal de una muestra de la misma ubicación, se pueden hacer discusiones válidas con respecto a las diferencias relativas entre las ubicaciones dentro de la vértebra y entre las vértebras., La capacidad explicativa de MIL2 para la dependencia significativa de las propiedades de estrés y rigidez en el nivel de la columna vertebral sugiere que los procesos que afectan el grosor trabecular y el espaciamiento en la dirección estructural secundaria son importantes para determinar la organización estructural de las vértebras en cada nivel. La conversión de la geometría trabecular de placa a varilla sería uno de estos procesos., En otras situaciones de alto riesgo de fractura , como en la tibia proximal envejecida, en la cresta ilíaca de las mujeres durante el período transmenopáusico y en la cresta ilíaca de las mujeres con fracturas vertebrales prevalentes y que continuaron perdiendo hueso durante tres años, se ha observado una transición de tipo placa a bastón . Debido a que reabsorber las trabéculas en su dirección más delgada (es decir, reabsorberlas en la dirección MIL3) puede resultar en la desconexión de la red trabecular, parece una mejor estrategia de adaptación para eliminar el material de las direcciones gruesas., Sin embargo, la reducción en MIL2 podría reducir eventualmente la resistencia de la estructura al pandeo, así como a las cargas fuera del eje. Además, las estructuras en forma de placa tienen direcciones de pandeo más predecibles. Los cambios en la dirección del espesor secundario del hueso esponjoso harían que el pandeo de la estructura fuera más probable en direcciones que normalmente se evitarían., Otros estudios sobre este tema deben centrarse en parámetros que cuantifican la geometría anisotrópica de trabéculas individuales, como el índice del modelo de estructura, que se introdujo para cuantificar cómo se encuentran las trabéculas en forma de placa o varilla en un volumen de hueso esponjoso .
curiosamente, cuando se considera la relación SI A TR de parámetros para una vértebra dada, la variación de la arquitectura trabecular y las tensiones con el nivel de la columna vertebral fueron tales que las propiedades del tejido esponjoso se vuelven más homogéneas dentro del centro de la T12-L1 que en otras vértebras., Un estudio clínico informó que la dispersión de los valores del nivel de gris CT de las vértebras L3-L4 podría separar a las mujeres con fractura de aquellas sin fractura mejor que la densidad mineral ósea promedio (DMO) . Coincidiendo con nuestro hallazgo de que las vértebras de localizaciones más frágiles (T12-L1) tienen tejido esponjoso más homogéneo, la variabilidad de los valores de TC (para una DMO dada) en el estudio Dougherty fue menor en el grupo con fractura que en el que no tuvo fractura., Sin embargo , junto con nuestros hallazgos recientes de que el aumento de la variabilidad dentro de la vértebra de las propiedades del tejido esponjoso se asocia con una disminución de la fuerza de la vértebra completa, estos datos indican , en consonancia con informes anteriores, que las vértebras T12-L1 no tienen menos fuerza que otras vértebras y sugieren además que factores mecánicos distintos de la fuerza uniaxial están involucrados en la mayor fragilidad de las vértebras T12-L1.,
los cálculos de elementos finitos en otros estudios estimaron que el hueso esponjoso de los osteoporóticos era más rígido que en los no osteoporóticos en la dirección de carga predominante para una masa ósea dada . El aumento de la homogeneidad del hueso esponjoso en T12-L1 puede deberse a un mayor esfuerzo por mantener la rigidez ósea completa en la dirección de carga predominante. Los donantes en el presente estudio eran ancianos y, aunque no se examinaron para la osteoporosis, probablemente tenían baja masa ósea en comparación con los individuos más jóvenes., En el caso de pérdida ósea, un esfuerzo para mantener la rigidez ósea en una dirección de carga dada requeriría una reorganización de la estructura ósea. Esto puede tener varias consecuencias en relación con las fracturas óseas. Mantener la rigidez en la dirección de carga primaria (nominal) tendría un costo de rigidez reducida en otras direcciones de carga y las cargas de «error» en direcciones de carga no frecuentes serían una fuente potencial de fragilidad como se sugirió anteriormente . Estas cargas de error pueden incluir las cargas de flexión poco frecuentes pero grandes, particularmente las asociadas con el levantamiento de objetos pesados .,
alternativamente, una sobreadaptación para la rigidez ósea completa por homogeneización de las propiedades del hueso esponjoso podría causar un aumento en la fragilidad estructural de los niveles de T12-L1, lo que reduce su tolerancia al daño progresivo, incluso para la misma dirección de carga. Los datos de la literatura son consistentes con la idea de que la fuerza vertebral y la vida de fatiga (relacionada con la tolerancia al daño progresivo) son propiedades claramente diferentes y competidoras ., Una falla progresiva relacionada con el daño es especialmente relevante para las fracturas vertebrales en que i) las vértebras pierden una parte de su rigidez y fuerza cuando se cargan más allá de su carga final , pero aún mantienen una rigidez y fuerza sustanciales cuando se cargan por segunda vez en experimentos de laboratorio, ii) las fracturas vertebrales clínicas parecen estar progresando lentamente, a menudo no se notan hasta que se observan accidentalmente en radiografías tomadas con fines distintos de una fractura ., Si el hueso no es frágil, los procesos biológicos pueden reparar el daño causado por una sobrecarga y retrasar el desarrollo de una fractura clínicamente observable, mientras que una vértebra demasiado rígida, fuerte pero también frágil desarrollará rápidamente una fractura clínica severa si se sobrecarga. Proponemos que la homogeneidad del material a nivel intermedio (es decir, las propiedades aparentes del hueso esponjoso) y, en consecuencia, la fragilidad estructural de las vértebras es un factor potencialmente importante en la fragilidad espinal.
se deben tener en cuenta algunas limitaciones., Los modelos FE utilizaron propiedades homogéneas e isotrópicas del material. El módulo aparente calculado a partir de modelos de FE se ve afectado por las distribuciones de módulo de tejido duro (elemento) determinadas por las distribuciones de nivel de gris y se espera que afecte el cálculo de las distribuciones de estrés trabecular. Sin embargo, actualmente no hay un método establecido para convertir los valores de nivel de gris a módulos de tejido duro y la variabilidad de los módulos de tejido duro depende de las fórmulas utilizadas en la conversión., Nuestros análisis sugieren que el cambio en el módulo aparente debido a la variabilidad del módulo solo es pequeño en el hueso esponjoso vertebral humano cuando se utiliza una relación de hasta un tercer orden para convertir los niveles de gris en módulos de elementos . Además, la variación de los niveles de Gris entre las muestras fue baja y no se observó una dependencia significativa de los parámetros del nivel de gris en el nivel de la columna vertebral en el presente estudio. El valor del módulo de tejido duro homogéneo no tiene efecto en las conclusiones porque los modelos se escalan linealmente con este valor., Estas son las mismas condiciones utilizadas en los estudios donde se hicieron nuestras observaciones que motivaron este estudio . Se espera que el uso de propiedades homogéneas tenga efectos menores en nuestros resultados, pero no afecte nuestras conclusiones sobre el hueso esponjoso.
Este estudio también se limitó a una investigación del tejido esponjoso que fue extraído físicamente de las vértebras de regiones seleccionadas. Hubo varias razones para hacer esto en lugar de analizar todo un cuerpo vertebral o centro. En primer lugar, nuestra observación e hipótesis iniciales involucraron la calidad del tejido en lugar de la calidad del hueso entero., En segundo lugar, no queríamos comprometer la resolución de la imagen ampliando el alcance del trabajo. Aunque algunos estudios consideraron el análisis de FE basado en µCT de cuerpos vertebrales humanos, la resolución de la imagen tuvo que ser inferior a la óptima y los análisis se limitaron a unas pocas vértebras, probablemente debido a los costos computacionales . Los análisis de FE basados en Micro-CT de cuerpos vertebrales completos humanos utilizando Voxels suficientemente pequeños (~30µm) comenzaron a aparecer en trabajos más recientes , sin embargo, estos estudios se limitan a los niveles de la columna vertebral que tienen vértebras relativamente pequeñas., La inclusión de las vértebras más grandes en el estudio requeriría tamaños de vóxeles sustancialmente más altos en un sistema de haz cónico para mantener la calidad de imagen consistente entre las muestras de diferentes niveles de columna vertebral en el trabajo actual. Con los avances en las tecnologías de imagen, será posible ampliar el trabajo actual para incluir cuerpos vertebrales enteros en futuros estudios. Una tercera razón para extraer físicamente las muestras de hueso esponjoso fue nuestra intención de examinar las propiedades mecánicas experimentales de estas muestras en relación con el nivel de la columna vertebral. Estos estudios están en curso.,
Los especímenes extraídos de la región anterior estaban en la dirección supero-inferior, mientras que los especímenes extraídos de las regiones postero-laterales estaban en la dirección transversal. La razón original para hacer esto fue estudiar la anisotropía de la fuerza del hueso esponjoso y las distribuciones de estrés en relación con el nivel de la columna vertebral. Debido a las pruebas mecánicas planificadas, las muestras eran cilíndricas y las direcciones radiales no se pudieron registrar con precisión. Esto permitió el análisis de FE de cada región en una sola dirección., Algunas generalizaciones podrían hacerse en base a las relaciones encontradas entre la microestructura y los parámetros de FE para la carga superoinferior y transversal. Sin embargo, es necesario investigar más a fondo las propiedades regionales vertebrales para comprender la naturaleza de la interacción anisotropía-sitio anatómico.
En resumen, demostramos que el tejido esponjoso T12-L1 tiene propiedades únicas que apoyan la forma más general de nuestra hipótesis., Además, encontramos que la variación de las propiedades del hueso esponjoso con el nivel de la columna vertebral depende del sitio dentro de una vértebra, lo que resulta en Propiedades del tejido esponjoso más homogéneas para las vértebras T12-L1 que otras vértebras. En conjunto, las diferencias regionales en la microestructura trabecular y la amplificación del estrés entre los niveles de las vértebras pueden explicar, en parte, la mayor incidencia de colapso vertebral en los niveles críticos de T12-L1.