《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Sensitivity analysis of a patient-specific finite element simulation pipeline incorporating automated vertebral segmentation for predicting vertebral strength of a clinical database
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脊椎转移瘤的有限元建模与自动化分割研究。通过30例脊椎（18转移性，12健康）的有限元分析，比较了完全弹塑性模型与线性弹性模型的预测差异（平均差异-25%），验证了自动化分割流程（与人工分割R2=0.996）在临床应用中的可行性。
路易斯·安扎洛内（Louis Anzalone）|埃米尔·萨亚尔（Emile Saillard）|马克·加尔德加龙（Marc Gardegaront）|莱娅·菲洛（Léa Fillot）|奥雷莉·莱维兰（Aurélie Levillain）|让-巴蒂斯特·皮亚拉（Jean-Baptiste Pialat）|马蒂尔德·普罗里奥尔（Mathilde Proriol）|埃马纽埃尔·马西（Emmanuel Massy）|塞德里克·巴雷（Cédric Barrey）|托马斯·格尼埃（Thomas Grenier）|大卫·米顿（David Mitton）|西里尔·B·康法夫鲁（Cyrille B. Confavreux）|海伦·福莱（Hélène Follet）
里昂大学（Univ Lyon）、克劳德·贝尔纳里昂第一大学（Univ Claude Bernard Lyon 1）、法国国家健康与医学研究院（INSERM）、LYOS UMR 1033实验室，法国里昂69008
摘要
背景
椎体转移会损害骨骼的完整性，可能导致骨折，从而产生重大的临床和经济后果。基于计算机断层扫描（CT）的有限元（FE）建模能够进行个性化的生物力学评估，但由于工作流程的限制，在临床应用中仍然未被充分利用。
目的
评估一种针对患者的有限元（FE）模拟流程的敏感性和准确性，该流程结合了自动椎体分割技术，用于预测转移性病例中的椎体强度。
方法
分析了12名患者的30个椎体（18个转移性椎体，12个健康椎体），使用两种有限元（FE）模型（完全弹性模型与线性弹性模型）在自动分割流程中进行研究。评估了操作者内部和操作者之间的可重复性、对边界条件定义的敏感性以及模型类型的比较。失效载荷被标准化以得出等效应力。
结果
自动分割与手动分割的结果高度一致（R2 = 0.996，p < 0.001；无系统偏差）。对操作者定义的边界条件的敏感性较低（< 1%）。完全弹性模型预测的失效载荷显著低于线性弹性模型（平均低25%）。
结论
本研究支持开发一种完全自动化的基于CT的有限元（FE）流程的可行性，用于评估健康椎体和转移性椎体的骨折风险。
引言
癌症的主要并发症之一是转移灶的形成，即恶性细胞扩散到原发部位以外的器官。骨骼是继肺和肝脏之后第三大常见的转移部位。最容易发生骨转移的癌症包括乳腺癌、前列腺癌、肺癌和消化系统癌症（Marchal等人，2025年）。脊柱，尤其是胸腰段，是主要的受累骨骼部位，约占所有骨转移病例的70%（Amoretti等人，2013年；Coleman等人，2020年；Fornetti等人，2018年；Chambard等人，2018年）。
椎体转移会削弱结构完整性，导致高达50%的患者发生病理性骨折（Confavreux等人，2021年），有时还会伴随神经功能障碍，如截瘫，这会严重影响生活质量并带来巨大的医疗经济负担（Decroisette等人，2011年）。除了临床严重性外，病理性椎体骨折还会导致住院时间延长、康复费用增加以及自主能力丧失，对医疗系统造成不可忽视的负担（Andreas等人，2018年；Verboux等人，2019年）。
在没有神经功能障碍的情况下，手术决策仍然非常复杂，需要综合考虑肿瘤的分子特征、系统治疗选项和患者状况（Confavreux等人，2025年）。现有的工具如脊柱不稳定性肿瘤评分（SINS）（Fisher等人，2010年）虽然基于影像学和主观标准（例如疼痛评估），但缺乏对椎体稳定性的定量评估。此外，SINS主要用于评估稳定性和并发症的神经风险，一些研究认为其效果有限或不确定（Kim等人，2021年；Pezzulla等人，2023年）。
尽管大多数患者会接受计算机断层扫描（CT）以评估脊柱转移灶的位置和进展，但这种评估仍然属于定性分析（Confavreux等人，2021年）。
因此，迫切需要客观的工具来评估肿瘤对骨骼的强度并预测骨折风险，以便更好地制定治疗策略，避免不必要的手术，并在不可逆的神经损伤发生之前及时采取局部治疗措施，如手术、放疗、脊柱支具或介入放射学治疗。最终，这将减少可避免的骨骼并发症，减轻相关的经济负担，促进患者的身体活动，提高生活质量，并提高癌症治疗的坚持性。
有限元（FE）建模作为一种有前景的工具，已被用于定量评估椎体骨骼强度和骨折风险。多项研究证明了其在评估椎体强度和预测失效载荷方面的可行性（Allaire等人，2019年），但这些研究目前仅限于使用健康或转移性椎体的体外模型（Fereydoonpour等人，2025a，2025b；Galbusera等人，2018年；Soltani等人，2024年；Stadelmann等人，2020年），或最近针对前列腺癌患者的研究（Lin等人，2024年；Schwaiger等人，2017年）。然而，针对患者进行建模所需的手动分割是临床工作流程整合的主要瓶颈。为了解决这一问题，自动化椎体分离步骤是实现临床可用工具的关键。
基于这些基础，我们的MEKANOS转化研究合作小组（里昂民间临终关怀医院与INSERM LYOS UMR1033及LBMC UMR_T9406）开发了一种针对患者的FE模型，并通过健康椎体和转移性病例的体外实验数据进行了验证（Allard，2022年；Allard等人，2024年；Follet等人，已提交）。这些模型结合了从CT扫描中获得的骨组织的机械特性，并模拟了轴向压缩失效情况。
然而，在全面临床应用之前，有必要在健康和病理椎体上评估该模型的性能。基于CT扫描的有限元（FE）建模能够进行个性化的生物力学评估，但由于工作流程的限制，在临床应用中仍然未被充分利用。
本研究的目的是评估一种针对患者的有限元模拟流程的敏感性和准确性，该流程结合了自动椎体分割技术，用于预测转移性病例中的椎体强度。
部分内容摘录
研究对象
MEKANOS是一项全国性的多中心研究，旨在利用基于定量CT（QCT）扫描的FE模拟，在单腿站立和单轴压缩条件下，确定股骨近端和脊柱中未发生骨折的继发性溶骨性肿瘤病变的机械强度。
MEKANOS项目于2019年6月30日获得了CPP SUD-EST I伦理委员会的批准（注册编号ID-RCB：2019-A01202-55；clinicaltrials.gov：NCT0417063）（Cyrille）
分割指标
我们提出的自动方法得到的分割结果显示在表2中。这些指标是在使用萨亚尔等人（Saillard等人，2024年）提出的算法自动和手动分割的完整椎体部分之间计算的。自动和手动椎体分割都基于对完整椎体的同一初始自动分割结果。非常高的DICE分数表明自动分割与手动分割之间的相似性非常高。
讨论
本研究评估了使用自动分割技术对临床患者CT数据进行的有限元模拟在预测转移性和健康椎体强度方面的可重复性和敏感性。
我们的结果表明，这种结合了稳健的生物力学建模和自动图像处理的工作流程既具有可重复性又可靠。分析确认了操作者内部和操作者之间的优异可重复性，重复测量之间没有显著差异。
结论
本研究证明了结合自动椎体分割和有限元（FE）模拟的完全集成流程的可行性、可重复性和稳健性，用于从临床CT数据中估计椎体强度。自动分割与专家参考结果几乎完全一致，且预测的失效载荷对操作者定义的边界条件的敏感性较低。组成模型的比较证实了材料选择的重要性
CRediT作者贡献声明
马蒂尔德·普罗里奥尔（Mathilde Proriol）：研究、数据管理。让-巴蒂斯特·皮亚拉（Jean-Baptiste Pialat）：撰写 – 审稿与编辑、数据管理。奥雷莉·莱维兰（Aurélie Levillain）：撰写 – 审稿与编辑。莱娅·菲洛（Léa Fillot）：软件开发、方法学设计。马克·加尔德加龙（Marc Gardegaront）：撰写 – 审稿与编辑、软件开发、方法学设计。海伦·福莱（Helene Follet）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、项目监督、资源管理、方法学设计、研究实施、数据分析、概念化。埃米尔·萨亚尔（Emile Saillard）：撰写
未引用参考文献
Follet等人，2026年；Gardegaront，无日期；Lin等人，2024a年；Lin等人，2024b年；Verboux，2019年。
利益冲突声明
C.C. 是安进法国科学与人类奖（2023年）的获奖者，也是MSD AVENIR项目的获奖者。C.C. 参与了UCB、安进、Fresenius和Celltrion公司的会议和专家委员会。其他作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
数据可用性
里昂提供的模拟数据和自动化分割软件可应要求提供。资助来源的作用
MSD Avenir、LabEX PRIMES（ANR-11-LABX-0063）、INSERM TRANSFERT、克劳德·贝尔纳里昂第一大学和古斯塔夫·埃菲尔大学。利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：MSD Avenir、LabEX PRIMES（ANR-11-LABX-0063）、INSERM TRANSFERT、克劳德·贝尔纳里昂第一大学和古斯塔夫·埃菲尔大学的资助作用。C.B. Confavreux是安进法国科学与人类奖（2023年）的获奖者，也是MSD AVENIR项目的获奖者。C.B. Confavreux参与了相关会议
致谢
作者感谢PMO骨病预防临床研究中心（N Paquin、N Trehet-Mendel、C Planckaert）、里昂民间临终关怀医院癌症研究所（S Calatini、M Roche、A Stuani、J Bérardet）、放射科团队（S Gouttard、N Stacoffe、M Tardy）、临床骨转移多学科会议（A Fontana、P Chaudier）、其他参与研究人员（JP Roux、F Bermond、E Massardier）以及所有MEKANOS研究团队成员（G Larid、F Debiais和PO Duboe CHU）的支持。
