Billedstyrede beregningsmæssige og eksperimentelle analyser af brækket patientens knogle (GAP) (GAP)

Studiet af mekanismerne for knogleskader, som opstår på multiskalaen, er af fundamental betydning for forståelsen af ​​frakturprocesser. Især aldersrelaterede frakturer stiger kontinuerligt på grund af stigningen i gennemsnitsalderen og udbredte sygdomme som osteoporose. De resulterer i høje økonomiske byrder, sygelighed (herunder psykologisk, f.eks. skrøbelighed) og øget dødelighed. For at reducere virkningen af ​​knoglebrud på sundhed og økonomi er tidlig diagnose nøglen. I denne sammenhæng skal man overveje, at knogle er karakteriseret ved en kompleks hierarkisk struktur. Både de kortikale og trabekulære sektioner består af mikrometriske lameller, sammensat af kollagenfibriller, inden for hvilke osteocytter findes. De bor i sub-mikrometer hulrum kaldet lakuner, som er forbundet med et tæt netværk af canaliculi. På nanoskalaen består fibrillerne primært af kollagen- og hydroxyapatitkrystaller. Denne komplekse arkitektur afspejles i brudmønstre: skade opstår faktisk i multiskalaen. Imidlertid er brudmønstre og deres tilhørende fysiske fænomener stadig ikke forstået, især på mikroskalaen.

For nylig er mikroskala billeddannelsesteknikker blevet kombineret med emnespecifikke numeriske modeller, som er i stand til at beregne lokale værdier af knoglebelastning og belastning. Foreløbige undersøgelser har fokuseret på at evaluere en mulig interaktion mellem mikrorevner og mikrostrukturel porøsitet. Denne særlige forskning fokuserer på det lakunære netværk, som formodes at påvirke knoglemodstanden over for fraktur væsentligt, selvom den faktiske rolle for det lakunære netværk endnu ikke er klarlagt. For det første er lakuner områder med stresskoncentration, som tilsyneladende fører til svækkelse af knoglestrukturen. Men i de fleste tilfælde bidrager lakunerne positivt til sejheden ved at afbøje revnefronten. Forbindelsen mellem lakunerne, bestemt af netværket af canaliculi, er også reduceret hos osteoporotiske emner, hvilket forhindrer opbremsningen af ​​skaden. I denne forstand kan knogle betragtes som et skadetolerant materiale. Donaldson et al udviklede beregningsmodeller og estimerede en tærskel for mikroskadeinitiering og -udbredelse. De brugte computeriseret mikro-tomografi af murine lårben og evaluerede indflydelsen af ​​forskellige algoritmer på udbredelsen af ​​in-silico-skader. Yderligere resultater viste, at skaden altid opstår på overfladen af ​​blodkar eller porøsiteter og ikke i stedet starter fra lakunerne. Der vil dog være behov for yderligere simuleringer og modeller for at verificere effektiviteten af ​​skadesmodellerne.

Beregningsskademodeller kræver også eksperimentel validering. Foreløbige undersøgelser er blevet udført i to hovedretninger: in vivo billeddannelse og billedstyrede fejlvurderingsteknikker (IGFA). Den første tilgang tillader ikke-destruktiv overvågning af knogleskader hos levende dyr. Den anden tilgang, implementeret af A. Levchuk et al. (8), viser et enormt potentiale ved at tillade undersøgelse af mikrorevnestart og -udbredelse med sub-mikrometer opløsning, men kun på små dyr.

Den nuværende forskning ønsker for første gang at udføre test på menneskelige knogleprøver ved at anvende IGFA-teknikker.

På trods af adskillige undersøgelser af karakterisering af skadesmodeller på mikroskala, mangler der stadig en validering af beregningsmodeller for fraktur på mennesker. Derudover er rollen af ​​morfologiske træk på mikroskalaen i prøver stadig ukendt.

Disse mikroskalastudier kan forbedre den kliniske forståelse af knoglebrud og forudsigelse af frakturrisiko. I øjeblikket bruger klinikere knoglemineraltæthed, som er en parameter i makroskala, som den mest almindelige forudsigelse for knoglebrud. Nylige undersøgelser viser imidlertid vigtigheden af ​​en grundig karakterisering af mikroarkitekturens geometriske og morfologiske karakteristika.

MÅL

Generelt formål Studiet sigter mod den eksperimentelle validering af beregningsmodeller for knogleskader på mikroskala. Det generelle formål forfølges af kontrolleret beskadigelse i en mikrokompressionsmaskine på prøver af menneskelige knogler fra lårbenshovedet. Maskineriet er placeret inde i en synkrotron.

Primært mål Det primære formål med denne undersøgelse er at evaluere forskellen i tiltrækningen af ​​knogleskader med hensyn til huller i de to betragtede grupper (osteoporotiske og ikke-osteoporotiske) efter mikrokompressionstest.

Den valgte parameter viser sig at være antallet af knoglegab, som mikroskader støder på. Vi forventer at observere en effektstørrelse på 0,4 mellem de to grupper med hensyn til den valgte parameter.

Sekundære mål

• Bestemmelse af rollen af ​​huller, canaliculi og andre knoglemikrostrukturer i skader. Menneskelige knogleprøver scannes med mikrotomograf til definition af mikrostrukturelle morfologiske parametre og realisering og analyse af numeriske modeller.
• Validering af disse numeriske skademodeller ved mikrokompressionstest udført in situ i en synkrotron med passende opløsning
• Kvantificering af skader i humane knogleprøver påvirket af osteoporose
• Definition af frakturindekser i mikroskala, nyttige til tidlig diagnose af osteoporose