Obrazem řízené výpočetní a experimentální analýzy zlomeniny kosti pacienta (GAP) (GAP)

Studium mechanismů poškození kosti, ke kterému dochází v mnoha měřítcích, má zásadní význam pro pochopení lomových procesů. Zejména počet zlomenin souvisejících s věkem neustále přibývá v důsledku zvyšování průměrného věku a rozšířených onemocnění, jako je osteoporóza. Vedou k vysoké ekonomické zátěži, nemocnosti (včetně psychické, např. křehkosti) a zvýšené úmrtnosti. Aby se snížil dopad zlomenin kostí na zdraví a ekonomiku, je klíčová včasná diagnostika. V této souvislosti je třeba vzít v úvahu, že kost se vyznačuje složitou hierarchickou strukturou. Kortikální i trabekulární řezy se skládají z mikrometrických lamel, složených z kolagenních fibril, ve kterých se nacházejí osteocyty. Sídlí v submikrometrických dutinách nazývaných lakuny, které jsou spojeny hustou sítí kanálků. V nanoměřítku se fibrily skládají především z krystalů kolagenu a hydroxyapatitu. Tato složitá architektura se odráží ve vzorcích zlomenin: poškození ve skutečnosti nastává v mnoha měřítcích. Modely lomů a jejich související fyzikální jevy však stále nejsou pochopeny, zejména v mikroměřítku.

V poslední době jsou zobrazovací techniky v mikroměřítku kombinovány s oborově specifickými numerickými modely, které jsou schopny vypočítat lokální hodnoty napětí a deformace kosti. Předběžné studie se zaměřily na vyhodnocení možné interakce mezi mikrotrhlinami a mikrostrukturální porézností. Tento konkrétní výzkum se zaměřuje na lakunární síť, u které se předpokládá, že významně ovlivňuje odolnost kosti vůči zlomenině, ačkoli skutečná role lakunární sítě není dosud objasněna. Za prvé, lakuny jsou oblasti koncentrace stresu, které zřejmě vedou k oslabení kostní struktury. Ve většině případů však mezery pozitivně přispívají k houževnatosti tím, že vychylují čelo trhliny. Spojení mezi lakunami, určované sítí kanálků, je také redukováno u osteoporotických subjektů, což zabraňuje zpomalení poškození. V tomto smyslu lze kost považovat za materiál odolný vůči poškození. Donaldson et al vyvinuli výpočetní modely a odhadli práh pro iniciaci a šíření mikropoškození. Použili počítačovou mikrotomografii myších femurů a vyhodnotili vliv různých algoritmů na šíření poškození in-silico. Další výsledky ukázaly, že poškození vždy nastává na povrchu krevních cév nebo porozit a nezačíná místo toho od mezer. K ověření účinnosti modelů poškození by však byly potřeba další simulace a modely.

Výpočtové modely poškození také vyžadují experimentální ověření. Předběžné studie byly provedeny ve dvou hlavních směrech: zobrazování in vivo a techniky hodnocení selhání podle obrazu (IGFA). První přístup umožňuje nedestruktivní sledování poškození kostí u živých zvířat. Druhý přístup, implementovaný A. Levchukem a kol. (8), ukazuje obrovský potenciál tím, že umožňuje studium iniciace a šíření mikrotrhlin se submikrometrickým rozlišením, ale pouze na malých zvířatech.

Současný výzkum chce poprvé provést testy na vzorcích lidských kostí pomocí technik IGFA.

Navzdory několika studiím o charakterizaci modelů poškození v mikroměřítku stále chybí ověření výpočtových modelů zlomenin na lidských subjektech. Kromě toho je stále neznámá úloha morfologických znaků na mikroměřítku ve vzorcích.

Tyto studie na mikroúrovni by mohly zlepšit klinické porozumění zlomeninám kostí a predikci rizika zlomenin. V současné době lékaři používají kostní minerální hustotu, což je makroměříkový parametr, jako nejčastější prediktor zlomeniny kosti. Nedávné studie však ukazují důležitost důkladné charakterizace geometrických a morfologických charakteristik mikroarchitektury.

CÍLE

Obecný cíl Studie je zaměřena na experimentální ověření výpočtových modelů poškození kosti v mikroměřítku. Obecný cíl je sledován řízeným poškozením na mikrokompresním stroji na vzorcích lidské kosti z hlavice stehenní kosti. Strojní zařízení je umístěno uvnitř synchrotronu.

Primární cíl Primárním cílem této studie je vyhodnotit rozdíl v přitažlivosti poškození kosti s ohledem na mezery ve dvou uvažovaných skupinách (osteoporotické a neosteoporotické) po mikrokompresním testování.

Ukázalo se, že vybraným rozlišujícím parametrem je počet kostních mezer, se kterými se setká mikropoškození. Očekáváme, že zaznamenáme velikost účinku 0,4 mezi těmito dvěma skupinami s ohledem na zvolený parametr.

Sekundární cíle

• Stanovení role mezer, kanálků a dalších kostních mikrostruktur při poškození. Vzorky lidské kosti jsou skenovány mikrotomografem pro definici mikrostrukturálních morfologických parametrů a realizaci a analýzu numerických modelů.
• Validace těchto numerických modelů poškození pomocí mikrokompresních testů prováděných in situ v synchrotronu s odpovídajícím rozlišením
• Kvantifikace poškození ve vzorcích lidských kostí postižených osteoporózou
• Definice indexů zlomenin v mikroměřítku, užitečné pro včasnou diagnostiku osteoporózy