تحلیل المان‌محدود و مقایسه توزیع تنش در مدل مفصل مچ‌پا با استفاده از تصاویر سی‌تی‌اسکن و سی‌تی مجازی مبتنی بر داده‌های ام‌آرآی: مطالعه موردی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه پژوهشی ارتوئدی-بیومکانیک، گروه مهندسی مکانیک ، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند،خراسان جنوبی،ایران

2 گروه پژوهشی ارتوپدی-بیومکانیک، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، خراسان جنوبی، ایران

10.22037/sjrm.2025.117511.3409

چکیده

مقدمه و اهداف

تحلیل به روش المان‌محدود به یکی از روش‌های متداول در پیش‌بینی توزیع بار میان پا و تکیه‌گاه‌های مختلف تبدیل شده است و اطلاعات مفیدی درباره تنش‌های درونی ساختارهای استخوانی ارائه می‌دهد. ساخت مدل‌های دقیق در این روش، وابسته به داده‌های تصویربرداری پزشکی برای بازسازی هندسه استخوان‌ها و بافت‌ها است. سی‌تی‌اسکن رایج‌ترین روش برای تصویربرداری از استخوان و مبنای اصلی مدل‌سازی بیومکانیکی مفاصل است. با این حال، نگرانی‌های مرتبط با پرتوزایی، به طور خاص در تصویربرداری‌های مکرر از افراد، تصویربرداری از کودکان و یا جمعیت‌های حساس، لزوم استفاده از گزینه‌های ایمن‌تر و بدون تابش مانند ام‌آرآی را پررنگ می‌کند. با وجود مزایای ام‌آرآی نظیر کیفیت مناسب بافت نرم و ایمنی پرتویی، استخراج مستقیم هندسه استخوانی از آن، به‌دلیل وضوح پایین مرزهای ساختاری استخوان، به‌ویژه در مفاصل پیچیده‌ای مانند مچ‌پا، با چالش مواجه است. نوع دیگری از تصاویر وجود دارند که تصاویر شبیه به سی‌تی‌اسکن با استفاده از تصاویر ام‌آرآی با بکار بردن هوش مصنوعی تولید می‌شوند و به نام سی‌تی مجازی شناخته می‌شوند. هدف این پژوهش، ارزیابی دقت و قابلیت جایگزینی مدل‌های استخوانی حاصل از دو روش نوین شامل ام‌آرآی استخوانی و سی‌تی مجازی که هر دو مبتنی بر ام‌آرآی هستند، در مقایسه با سی‌تی‌اسکن مرجع در تحلیل‌های تنش مفصل مچ‌پا است.



مواد و روش ها

در این پژوهش، به‌منظور بررسی امکان‌سنجی کاربرد روش‌های مختلف تصویربرداری در مدل‌سازی بیومکانیکی مفصل مچ‌پا، از تصاویر سی‌تی‌اسکن، ام‌آرآی و سی‌تی مجازی استفاده شد. برای سه مفصل مچ‌پای سالم، در مجموع شش مدل سه‌بعدی از ترکیب این تصاویر تولید گردید. فرآیند بخش‌بندی استخوان‌ها در نرم‌افزار میمیکس انجام شد و مدل‌های سه‌بعدی این استخوان‌ها به منظور تعیین موقعیت استاندارد قرارگیری، تولید غضروف‌ها، صیقل‌دادن جزئی سطوح نوک تیز، و مش‌بندی به نرم‌افزار تری‌متیک منتقل شدند. در نهایت شبیه‌سازی مکانیکی با روش المان‌محدود جهت تحلیل توزیع تنش و جابجایی مفصل در نرم‌افزار آباکوس صورت گرفت.

یافته ها

یافته‌ها نشان دادند که مدل‌های سی‌تی‌ مجازی، از نظر مقادیر حداکثر تنش و الگوی توزیع تنش، تطابق خوبی با مدل‌های مرجع سی‌تی‌اسکن داشته و اختلاف حداکثر 5% در مقدار تنش تماسی ایجاد کردند. در مقابل، ام‌آرآی استخوانی علاوه بر تفاوت در مدل توزیع تنش، به ترتیب تفاوت 12% و 45% در مقدار حداکثر تنش تماسی و تنش فون‌مایسز را نشان داد.

نتیجه گیری

این نتایج بیانگر آن است که در شرایط فعلی، مدل‌سازی مستقیم از ام‌آرآی استخوانی برای تحلیل‌های تنش مکانیکی فاقد دقت کافی است؛ اما تولید تصاویر سی‌تی مجازی با روش‌های هوش مصنوعی از ام‌آرآی استخوانی، مسیری امیدوارکننده برای جایگزینی سی‌تی‌اسکن در مدل‌سازی‌های بیومکانیکی آینده فراهم می‌سازد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Finite Element Analysis and Stress Distribution Comparison in Ankle Joint Models Using CT-Scan and MRI-based AI Generated CT Images: A Case Study

نویسندگان [English]

  • Vahid Arbabi 1
  • Ali Rohani 2
1 Orthopaedic-BioMechanics Research Group, Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, University of Birjand, South Khorasan, Iran.
2 Department of Mechanical Engineering/ Orthopaedic-Biomechanics Research Group,Faculty of Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran.
چکیده [English]

Background and Aims: Finite element analysis has become one of the common approaches for predicting load distribution between the foot and different supporting structures, providing valuable insights into the internal stresses of bone structures. The construction of accurate models using this method relies on medical imaging data to reconstruct the geometry of bones and tissues. CT scanning is the most widely used imaging modality for bone visualization and serves as the main basis for biomechanical joint modeling. However, radiation-related concerns, particularly in repeated imaging of individuals, children, or sensitive populations, highlight the need for safer and radiation-free alternatives such as MRI. Despite the advantages of MRI, including superior soft tissue quality and radiation safety, direct extraction of bone geometry from MRI remains challenging due to the low contrast of bone boundaries, especially in complex joints such as the ankle. Recently, another imaging approach known as AI generated CT has emerged, in which CT-like images are generated from MRI data using artificial intelligence techniques. The aim of this study was to evaluate the accuracy and substitution capability of bone models obtained from a specific MRI sequence and AI generated CT, in comparison with reference CT scans for ankle joint stress analysis.

Materials and Methods: For this purpose, CT scans, MRI data, and AI generated CT images were acquired from three healthy ankle joint samples. A total of six three-dimensional models were constructed based on these imaging modalities. Bone segmentation was performed using Mimics software, and the resulting three-dimensional models were further processed in 3-matic for standardized positioning, cartilage generation, minor surface smoothing, and mesh generation. Finite element modeling and mechanical simulations were then conducted in the Abaqus software environment. Contact stress distribution and von Mises stresses in the talus bone and cartilage were analyzed and compared across the different imaging-based models.

Results: The findings demonstrated that AI generated CT models exhibited good agreement with reference CT scans in terms of maximum stress values and stress distribution patterns, with a maximum difference of 5% in contact stress. In contrast, bone MRI-based models showed noticeable deviations in stress distribution patterns, as well as differences of 12% in maximum contact stress and 45% in von Mises stress.

Conclusion: These results indicate that, under current conditions, direct modeling from bone MRI lacks sufficient accuracy for mechanical stress analysis. Nevertheless, generating AI generated CT images from bone MRI using artificial intelligence methods provides a promising pathway for replacing CT scans in future biomechanical modeling of the ankle joint.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biomechanical Modeling
  • AI Generated CT
  • MRI
  • Ankle Joint
  • Stress Analysis

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 09 دی 1404
  • تاریخ دریافت: 07 مهر 1404
  • تاریخ بازنگری: 26 آذر 1404
  • تاریخ پذیرش: 09 دی 1404
  • تاریخ اولین انتشار: 09 دی 1404