Bildgestützte rechnerische und experimentelle Analysen des gebrochenen Patientenknochens (GAP) (GAP)

Die Untersuchung der Mechanismen der Knochenschädigung, die auf mehreren Ebenen ablaufen, ist für das Verständnis von Frakturprozessen von grundlegender Bedeutung. Insbesondere altersbedingte Frakturen nehmen aufgrund des steigenden Durchschnittsalters und Volkskrankheiten wie Osteoporose kontinuierlich zu. Sie führen zu hohen wirtschaftlichen Belastungen, Morbidität (einschließlich psychischer, z. B. Gebrechlichkeit) und erhöhter Mortalität. Um die Auswirkungen von Knochenbrüchen auf Gesundheit und Wirtschaft zu verringern, ist eine frühzeitige Diagnose der Schlüssel. In diesem Zusammenhang muss berücksichtigt werden, dass Knochen durch eine komplexe hierarchische Struktur gekennzeichnet sind. Sowohl der kortikale als auch der trabekuläre Abschnitt bestehen aus mikrometrischen Lamellen aus Kollagenfibrillen, in denen sich Osteozyten befinden. Sie befinden sich in Hohlräumen im Submikrometerbereich, sogenannten Lakunen, die durch ein dichtes Netzwerk von Kanälen verbunden sind. Im Nanomaßstab bestehen die Fibrillen hauptsächlich aus Kollagen- und Hydroxylapatitkristallen. Diese komplexe Architektur spiegelt sich in Bruchmustern wider: Tatsächlich treten Schäden auf mehreren Ebenen auf. Bruchmuster und die damit verbundenen physikalischen Phänomene sind jedoch immer noch nicht verstanden, insbesondere auf der Mikroskala.

In jüngster Zeit wurden bildgebende Verfahren im Mikromaßstab mit fachspezifischen numerischen Modellen kombiniert, die in der Lage sind, lokale Werte der Knochenspannung und -belastung zu berechnen. Vorläufige Studien konzentrierten sich auf die Bewertung einer möglichen Wechselwirkung zwischen Mikrorissen und mikrostruktureller Porosität. Diese spezielle Forschung konzentriert sich auf das Lacunar-Netzwerk, von dem angenommen wird, dass es die Bruchfestigkeit des Knochens erheblich beeinflusst, obwohl die tatsächliche Rolle des Lacunar-Netzwerks noch nicht geklärt ist. Erstens sind Lücken Bereiche mit Spannungskonzentrationen, die offenbar zu einer Schwächung der Knochenstruktur führen. In den meisten Fällen leisten die Lücken jedoch einen positiven Beitrag zur Zähigkeit, indem sie die Rissfront ablenken. Auch die Verbindung zwischen den Lücken, die durch das Netzwerk der Canaliculi bestimmt wird, ist bei Patienten mit Osteoporose verringert, wodurch eine Verlangsamung der Schädigung verhindert wird. In diesem Sinne kann Knochen als schadenstolerantes Material betrachtet werden. Donaldson et al. entwickelten Rechenmodelle und schätzten einen Schwellenwert für die Entstehung und Ausbreitung von Mikroschäden. Sie verwendeten eine computergestützte Mikrotomographie von murinen Femuren und bewerteten den Einfluss verschiedener Algorithmen auf die Ausbreitung von In-silico-Schäden. Weitere Ergebnisse zeigten, dass die Schädigung immer an der Oberfläche von Blutgefäßen oder Porositäten auftritt und nicht von den Lücken ausgeht. Allerdings wären weitere Simulationen und Modelle erforderlich, um die Wirksamkeit der Schadensmodelle zu überprüfen.

Computergestützte Schadensmodelle erfordern auch eine experimentelle Validierung. Vorläufige Studien wurden in zwei Hauptrichtungen durchgeführt: In-vivo-Bildgebung und bildgestützte Fehlerbewertungstechniken (IGFA). Der erste Ansatz ermöglicht die zerstörungsfreie Überwachung von Knochenschäden bei lebenden Tieren. Der zweite Ansatz, umgesetzt von A. Levchuk et al. (8) zeigt ein enormes Potenzial, da es die Untersuchung der Entstehung und Ausbreitung von Mikrorissen mit einer Auflösung im Submikrometerbereich ermöglicht, jedoch nur an kleinen Tieren.

Die aktuelle Forschung will erstmals Tests an menschlichen Knochenproben unter Verwendung von IGFA-Techniken durchführen.

Trotz mehrerer Studien zur Charakterisierung von Schadensmodellen auf der Mikroskala fehlt immer noch eine Validierung rechnerischer Bruchmodelle an Menschen. Darüber hinaus ist die Rolle morphologischer Merkmale auf der Mikroebene in Proben noch unbekannt.

Diese Mikrostudien könnten das klinische Verständnis von Knochenbrüchen und die Vorhersage des Frakturrisikos verbessern. Derzeit verwenden Ärzte die Knochenmineraldichte, einen Makroparameter, als häufigsten Prädiktor für Knochenbrüche. Neuere Studien zeigen jedoch, wie wichtig eine gründliche Charakterisierung der geometrischen und morphologischen Eigenschaften der Mikroarchitektur ist.

ZIELE

Allgemeines Ziel Die Studie zielt auf die experimentelle Validierung von Computermodellen für Knochenschäden auf der Mikroskala ab. Das allgemeine Ziel wird durch die kontrollierte Schädigung menschlicher Knochenproben aus dem Femurkopf in einer Mikrokompressionsmaschine verfolgt. Die Maschinerie ist in einem Synchrotron untergebracht.

Hauptziel Das Hauptziel der vorliegenden Studie besteht darin, den Unterschied in der Anziehungskraft von Knochenschäden in Bezug auf Lücken in den beiden betrachteten Gruppen (osteoporotisch und nicht osteoporotisch) nach Mikrokompressionstests zu bewerten.

Der gewählte Unterscheidungsparameter ist die Anzahl der durch Mikroschäden verursachten Knochenlücken. Wir erwarten eine Effektgröße von 0,4 zwischen den beiden Gruppen in Bezug auf den gewählten Parameter.

Sekundäre Ziele

• Bestimmung der Rolle von Lücken, Canaliculi und anderen Knochenmikrostrukturen bei Schäden. Menschliche Knochenproben werden mit einem Mikrotomographen gescannt, um mikrostrukturelle morphologische Parameter zu definieren und numerische Modelle zu erstellen und zu analysieren.
• Validierung dieser numerischen Schadensmodelle durch Mikrokompressionstests, die in situ in einem Synchrotron mit ausreichender Auflösung durchgeführt wurden
• Quantifizierung von Schäden in menschlichen Knochenproben, die von Osteoporose betroffen sind
• Definition mikroskaliger Frakturindizes, nützlich für die Frühdiagnose von Osteoporose