Análisis computacionales y experimentales guiados por imágenes del hueso del paciente fracturado (GAP) (GAP)

El estudio de los mecanismos de daño óseo, que ocurren en la multiescala, es de fundamental importancia para la comprensión de los procesos de fractura. En particular, las fracturas relacionadas con la edad aumentan continuamente debido al aumento de la edad promedio y enfermedades generalizadas como la osteoporosis. Dan como resultado cargas económicas elevadas, morbilidad (incluida la psicológica, p. ej., fragilidad) y aumento de la mortalidad. Para reducir el impacto de las fracturas óseas en la salud y la economía, el diagnóstico precoz es la clave. En este contexto, se debe considerar que el hueso se caracteriza por una estructura jerárquica compleja. Tanto la sección cortical como la trabecular consisten en laminillas micrométricas, compuestas de fibrillas de colágeno, dentro de las cuales se encuentran los osteocitos. Residen en cavidades submicrométricas llamadas lagunas, que están conectadas por una densa red de canalículos. A nanoescala, las fibrillas consisten principalmente en cristales de colágeno e hidroxiapatita. Esta arquitectura compleja se refleja en los patrones de fractura: el daño, de hecho, ocurre en la multiescala. Sin embargo, los patrones de fractura y sus fenómenos físicos asociados aún no se comprenden, especialmente a microescala.

Recientemente, las técnicas de imagen a microescala se han combinado con modelos numéricos específicos del sujeto, que pueden calcular valores locales de tensión y tensión ósea. Los estudios preliminares se han centrado en evaluar una posible interacción entre las microfisuras y la porosidad microestructural. Esta investigación en particular se centra en la red lacunar, que se supone que afecta significativamente la resistencia ósea a la fractura, aunque aún no se ha dilucidado el papel real de la red lacunar. Primero, las lagunas son áreas de concentración de estrés, que aparentemente conducen al debilitamiento de la estructura ósea. Sin embargo, en la mayoría de los casos, las lagunas contribuyen positivamente a la tenacidad al desviar el frente de la fisura. La conexión entre las lagunas, determinada por la red de canalículos, también se reduce en sujetos osteoporóticos, impidiendo la ralentización del daño. En este sentido, el hueso puede considerarse un material tolerante al daño. Donaldson et al desarrollaron modelos computacionales y estimaron un umbral para la iniciación y propagación de microdaños. Utilizaron microtomografía computarizada de fémures murinos y evaluaron la influencia de diferentes algoritmos en la propagación del daño in-silico. Otros resultados mostraron que el daño siempre ocurre en las superficies de los vasos sanguíneos o porosidades y no comienza en las lagunas. Sin embargo, se necesitarían más simulaciones y modelos para verificar la efectividad de los modelos de daños.

Los modelos de daño computacional también requieren validación experimental. Los estudios preliminares se han llevado a cabo en dos direcciones principales: imágenes in vivo y técnicas de evaluación de fallas guiadas por imágenes (IGFA). El primer enfoque permite el seguimiento no destructivo del daño óseo en animales vivos. El segundo enfoque, implementado por A. Levchuk et al. (8), muestra un enorme potencial al permitir el estudio de la iniciación y propagación de microfisuras con resolución submicrométrica, pero solo en animales pequeños.

La investigación actual por primera vez quiere realizar pruebas en muestras de huesos humanos aplicando técnicas IGFA.

A pesar de varios estudios sobre la caracterización de modelos de daño a escala micro, aún falta una validación de modelos computacionales de fractura en sujetos humanos. Además, aún se desconoce el papel de las características morfológicas a microescala en las muestras.

Estos estudios a microescala podrían mejorar la comprensión clínica de la fractura ósea y la predicción del riesgo de fractura. Actualmente, los médicos utilizan la densidad mineral ósea, que es un parámetro a macroescala, como el predictor más común de fractura ósea. Sin embargo, estudios recientes demuestran la importancia de una caracterización minuciosa de las características geométricas y morfológicas de la microarquitectura.

OBJETIVOS

Objetivo General El estudio tiene como objetivo la validación experimental de modelos computacionales de daño óseo a escala micro. El objetivo general se persigue mediante el daño controlado en una máquina de microcompresión sobre muestras óseas humanas de cabeza femoral. La maquinaria se coloca dentro de un sincrotrón.

Objetivo principal El objetivo principal del presente estudio es evaluar la diferencia en la atracción del daño óseo con respecto a las brechas en los dos grupos considerados (osteoporóticos y no osteoporóticos) después de la prueba de microcompresión.

El parámetro de discriminación elegido resulta ser el número de espacios óseos encontrados por microdaño. Esperamos observar un tamaño del efecto de 0,4 entre los dos grupos con respecto al parámetro elegido.

Objetivos secundarios

• Determinación del papel de los gaps, canalículos y otras microestructuras óseas en el daño. Muestras de huesos humanos son escaneadas por micro-tomógrafo para la definición de parámetros morfológicos microestructurales y la realización y análisis de modelos numéricos.
• Validación de estos modelos numéricos de daño mediante ensayos de microcompresión realizados in situ en un sincrotrón de resolución adecuada
• Cuantificación del daño en muestras óseas humanas afectadas por osteoporosis
• Definición de índices de fractura a microescala, útiles para el diagnóstico precoz de la osteoporosis