Kuvaohjatut laskennalliset ja kokeelliset analyysit murtuneen potilaan luusta (GAP) (GAP)

Monimittakaavaisten luuvaurioiden mekanismien tutkiminen on olennaisen tärkeää murtumaprosessien ymmärtämisen kannalta. Erityisesti ikään liittyvät murtumat lisääntyvät jatkuvasti keski-iän nousun ja laajalle levinneiden sairauksien, kuten osteoporoosin, vuoksi. Ne aiheuttavat korkeita taloudellisia rasitteita, sairastuvuutta (mukaan lukien psykologinen, esimerkiksi heikkous) ja lisääntynyttä kuolleisuutta. Varhainen diagnoosi on avainasemassa, jotta voidaan vähentää luunmurtumien vaikutuksia terveyteen ja talouteen. Tässä yhteydessä on otettava huomioon, että luulle on ominaista monimutkainen hierarkkinen rakenne. Sekä aivokuoren että trabekulaariset osat koostuvat mikrometrisistä lamelleista, jotka koostuvat kollageenifibrilleistä, joista löytyy osteosyyttejä. Ne sijaitsevat submikrometrisissä onteloissa, joita kutsutaan lacunaeiksi, joita yhdistää tiheä kanavaverkosto. Nanomittakaavassa fibrillit koostuvat pääasiassa kollageeni- ja hydroksiapatiittikiteistä. Tämä monimutkainen arkkitehtuuri heijastuu murtumakuvioihin: vaurioita tapahtuu itse asiassa monimittakaavaisessa. Murtumakuvioita ja niihin liittyviä fyysisiä ilmiöitä ei kuitenkaan vieläkään ymmärretä, etenkään mikromittakaavassa.

Viime aikoina mikromittakaavaisia ​​kuvantamistekniikoita on yhdistetty aihekohtaisiin numeerisiin malleihin, jotka pystyvät laskemaan paikallisia luun rasituksen ja venymän arvoja. Alustavissa tutkimuksissa on keskitytty arvioimaan mahdollista vuorovaikutusta mikrohalkeamien ja mikrorakenteen huokoisuuden välillä. Tämä erityinen tutkimus keskittyy lakunaariseen verkkoon, jonka oletetaan vaikuttavan merkittävästi luun vastustuskykyyn murtumia vastaan, vaikka lakunaarisen verkon todellista roolia ei ole vielä selvitetty. Ensinnäkin aukot ovat stressin keskittymisalueita, jotka ilmeisesti johtavat luurakenteen heikkenemiseen. Useimmissa tapauksissa aukot vaikuttavat kuitenkin positiivisesti sitkeyteen kääntämällä halkeaman eturintamaa. Osteoporoottisilla koehenkilöillä myös kanaaliverkoston määräämä aukkojen välinen yhteys vähenee, mikä estää vaurioiden hidastumisen. Tässä mielessä luuta voidaan pitää vaurioita kestävänä materiaalina. Donaldson ym. kehittivät laskennallisia malleja ja arvioivat kynnyksen mikrovaurion alkamiselle ja leviämiselle. He käyttivät hiiren reisiluun tietokoneistettua mikrotomografiaa ja arvioivat eri algoritmien vaikutusta in-silico-vaurion leviämiseen. Lisätulokset osoittivat, että vaurio esiintyy aina verisuonten pinnoilla tai huokoisuuksilla eikä ala sen sijaan aukoista. Lisäsimulaatioita ja -malleja tarvittaisiin kuitenkin vahinkomallien tehokkuuden tarkistamiseksi.

Laskennalliset vahinkomallit vaativat myös kokeellisen validoinnin. Alustavia tutkimuksia on tehty kahdella pääsuunnassa: in vivo -kuvantaminen ja kuvaohjattu vikaarviointi (IGFA) -tekniikoilla. Ensimmäinen lähestymistapa mahdollistaa elävien eläinten luuvaurioiden tuhoamattoman seurannan. Toinen lähestymistapa, jonka toteuttavat A. Levchuk et ai. (8), osoittaa valtavasti potentiaalia sallimalla mikrohalkeamien alkamisen ja leviämisen tutkimisen submikrometrin resoluutiolla, mutta vain pienillä eläimillä.

Nykyinen tutkimus haluaa ensimmäistä kertaa tehdä testejä ihmisen luunäytteistä IGFA-tekniikoilla.

Huolimatta useista tutkimuksista vauriomallien karakterisoinnista mikromittakaavassa, ihmisten murtumien laskennallisten mallien validointi puuttuu edelleen. Lisäksi näytteiden mikromittakaavassa olevien morfologisten piirteiden roolia ei vielä tunneta.

Nämä mikromittakaavatutkimukset voisivat parantaa luunmurtuman kliinistä ymmärrystä ja murtumariskin ennustamista. Tällä hetkellä kliinikot käyttävät luun mineraalitiheyttä, joka on makromittakaavaparametri, yleisimpänä luunmurtuman ennustajana. Viimeaikaiset tutkimukset osoittavat kuitenkin mikroarkkitehtuurin geometristen ja morfologisten ominaisuuksien perusteellisen karakterisoinnin tärkeyden.

TAVOITTEET

Yleinen tavoite Tutkimuksen tavoitteena on luuvaurioiden laskennallisten mallien kokeellinen validointi mikromittakaavassa. Yleistavoitteena pyritään kontrolloidulla vauriolla mikropuristuskoneella reisiluun päästä otettuihin luunäytteisiin. Kone on sijoitettu synkrotroniin.

Ensisijainen tavoite Tämän tutkimuksen ensisijainen tavoite on arvioida eroa luuvaurion vetovoimassa suhteessa aukkoihin kahdessa tutkitussa ryhmässä (osteoporoottinen ja ei-osteoporoottinen) mikrokompressiotestien jälkeen.

Valittu erottava parametri osoittautuu mikrovaurion kohtaamien luurakojen lukumääräksi. Odotamme havaitsevan vaikutuksen koon 0,4 näiden kahden ryhmän välillä suhteessa valittuun parametriin.

Toissijaiset tavoitteet

• Rakojen, kanavan ja muiden luun mikrorakenteiden roolin määrittäminen vaurioissa. Ihmisen luunäytteet skannataan mikrotomografilla mikrorakenteen morfologisten parametrien määrittelyä sekä numeeristen mallien toteuttamista ja analysointia varten.
• Näiden numeeristen vauriomallien validointi mikrokompressiotesteillä, jotka suoritetaan in situ riittävän resoluution synkrotronissa
• Osteoporoosiin vaikuttaneiden ihmisen luunäytteiden vaurioiden kvantifiointi
• Mikromittakaavaisten murtumaindeksien määritelmä, hyödyllinen osteoporoosin varhaisessa diagnosoinnissa