Non-Invasive Evaluation of In Vivo Intervertebral Disc Mechanical Function

体内椎间盘机械功能的无创评估

基本信息

  • 批准号:
    10537592
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 4.41万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-07-16 至 2025-07-15
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Project Summary The intervertebral disc has a mechanical function, with degeneration and aging the disc structure and function are altered which can cause low back pain. Imaging is often used to evaluate disc structure and health via disc grading schemes but fail to identify clinically relevant disc changes. This may be due to the lack of mechanical function assessment in static MRI imaging. There is a critical need to measure disc mechanical function in vivo and evaluate disc health by functional capacity to diagnose and treat spine pathology. Mechanical function has been evaluated in cadaver models, but the relationship between the in vivo and cadaveric states is purely speculative, due to the lack of common reference state and unknown differences between them. The boundary and loading conditions of the in vivo condition have not been quantified and therefore cannot be replicated in cadaveric tests or finite element models (FEM). The objective of this proposal is to quantify the disc’s mechanical function in vivo, establish a function-based disc grading scheme, and create an in vivo human disc FEM. I will measure in vivo disc strain, use an animal model to establish a translational matrix between in vivo and cadaveric conditions, and use a FEM to predict the disc’s internal mechanical state in vivo. Aim 1: Quantify Mechanical Function of Human In Vivo Disc with Degeneration and Aging Current disc grading schemes are structure-based and cannot distinguish normal aging and degeneration from disc pathology; I will use multi-positional MRI to assess in vivo disc function and a statistical model to establish a novel multi-factorial disc grading scheme. Aim 2: Establish a Translational Matrix Between In Vivo and Cadaver States in a Porcine Model An animal model will be used to conduct paired MRI quantifications between in vivo and cadaver conditions. Ex vivo mechanical testing and paired in vivo FEM will enable further comparison between conditions. These quantifications will allow me to establish a translation matrix between the in vivo and cadaveric states. Aim 3: Create and Validate In Vivo Human Disc FEM MRI loading data from Aim 1, transformation matrix from Aim 2 and a previously validated disc model will be used to create and validate an in vivo human disc FEM for evaluating the internal mechanics of the in vivo disc. This study will yield a function-based disc grading scheme to replace prior structure-based schemes. It will establish a transformation matrix between in vivo and cadaveric states, an essential step for interpreting research data in the in vivo context and for appropriate setup for ex vivo mechanical testing and FEM. The main impact of this work will be the methods and techniques needed for research to investigate disc pathology and in the long term, clinical tools for the diagnosis and assessment of treatment options for low back pain.
项目概要 椎间盘具有机械功能,随着椎间盘结构和功能的退变和老化 可能导致腰痛的影像学通常用于通过椎间盘评估椎间盘结构和健康状况。 分级方案但未能识别临床相关的椎间盘变化,这可能是由于缺乏机械性。 静态 MRI 成像中的功能评估 迫切需要测量椎间盘的体内机械功能。 通过诊断和治疗脊柱病理的功能能力来评估椎间盘健康状况。 机械功能已在尸体模型中进行了评估,但体内和机械功能之间的关系 由于缺乏共同的参考状态和未知的差异,尸体状态纯粹是推测 它们之间的体内条件的边界和载荷条件尚未被量化和 因此不能在尸体测试或有限元模型 (FEM) 中复制 本提案的目标。 是量化椎间盘在体内的机械功能,建立基于功能的椎间盘分级方案, 并创建体内人体椎间盘有限元模型,我将测量体内椎间盘应变,使用动物模型建立一个 体内和尸体条件之间的平移矩阵,并使用 FEM 来预测椎间盘的内部 体内机械状态。 目标 1:量化人体椎间盘退化和老化的机械功能 目前的椎间盘分级方案是基于结构的,无法区分正常老化和退化 椎间盘病理学;我将使用多位置 MRI 来评估体内椎间盘功能并建立统计模型 一种新颖的多因素光盘分级方案。 目标 2:在猪模型中建立体内和尸体状态之间的转化矩阵 动物模型将用于在体内和尸体条件之间进行配对 MRI 定量。 离体机械测试和配对的体内有限元分析将能够在条件之间进行进一步比较。 量化将使我能够建立体内状态和尸体状态之间的转换矩阵。 目标 3:创建并验证体内人体椎间盘有限元法 来自目标 1 的 MRI 加载数据、来自目标 2 的变换矩阵以及之前验证的椎间盘模型将被 用于创建和验证体内人体椎间盘有限元模型,以评估体内椎间盘的内部力学。 这项研究将产生一种基于功能的光盘分级方案,以取代先前基于结构的方案。 建立体内状态和尸体状态之间的转换矩阵,这是解释的重要步骤 研究体内环境中的数据以及体外机械测试和 FEM 的适当设置。 这项工作的主要影响将是研究椎间盘病理学所需的方法和技术 从长远来看,用于诊断和评估腰痛治疗方案的临床工具。

项目成果

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