A törött beteg csontjának (GAP) képvezérelt számítógépes és kísérleti elemzése (GAP)

A törési folyamatok megértése szempontjából alapvető fontosságú a többléptékű csontkárosodás mechanizmusainak vizsgálata. Különösen az életkorral összefüggő törések száma folyamatosan növekszik az átlagéletkor növekedése és a széles körben elterjedt betegségek, például a csontritkulás miatt. Magas gazdasági terheket, morbiditást (beleértve a pszichológiai, például gyarlóságot is) és megnövekedett mortalitást eredményeznek. A csonttörések egészségre és gazdaságra gyakorolt ​​hatásának csökkentése érdekében kulcsfontosságú a korai diagnózis. Ebben az összefüggésben figyelembe kell venni, hogy a csontot összetett hierarchikus struktúra jellemzi. Mind a kortikális, mind a trabekuláris szakasz mikrometrikus lamellákból áll, amelyek kollagén fibrillákból állnak, és amelyeken belül osteociták találhatók. Szubmikrométeres üregekben, úgynevezett lacunákban laknak, amelyeket sűrű csatornahálózat köt össze. Nanoméretben a fibrillumok elsősorban kollagén és hidroxiapatit kristályokból állnak. Ez az összetett architektúra a törési mintákban tükröződik: a károsodás valójában többléptékű. A törési mintázatok és a hozzájuk kapcsolódó fizikai jelenségek azonban még mindig nem ismertek, különösen mikroskálán.

A közelmúltban a mikroméretű képalkotó technikákat egyesítették alany-specifikus numerikus modellekkel, amelyek képesek kiszámítani a csontfeszültség és -feszültség helyi értékeit. Az előzetes tanulmányok a mikrorepedések és a mikroszerkezeti porozitás közötti lehetséges kölcsönhatás értékelésére összpontosítottak. Ez a konkrét kutatás a lacunáris hálózatra összpontosít, amelyről feltételezhető, hogy jelentősen befolyásolja a csontok törésekkel szembeni ellenálló képességét, bár a lacunáris hálózat tényleges szerepe még nem tisztázott. Először is, a hézagok a stresszkoncentráció területei, amelyek nyilvánvalóan a csontszerkezet gyengüléséhez vezetnek. A legtöbb esetben azonban a rések pozitívan járulnak hozzá a szívóssághoz azáltal, hogy eltérítik a repedésfrontot. A csatornák hálózata által meghatározott rések közötti kapcsolat csontritkulásos betegekben is csökken, megakadályozva a károsodás lassulását. Ebben az értelemben a csont sérüléstűrő anyagnak tekinthető. Donaldson és munkatársai számítási modelleket dolgoztak ki, és megbecsülték a mikrokárosodások kezdetének és terjedésének küszöbét. Az egér combcsontjainak számítógépes mikrotomográfiáját alkalmazták, és értékelték a különböző algoritmusok hatását az in-silico károsodás terjedésére. További eredmények azt mutatták, hogy a károsodás mindig az erek felületén vagy a porozitásokon jelentkezik, és nem a résekből indul ki. A kármodellek hatékonyságának ellenőrzéséhez azonban további szimulációkra és modellekre lenne szükség.

A számítási kármodellek kísérleti validálást is igényelnek. Az előzetes tanulmányokat két fő irányban végezték: in vivo képalkotás és képvezérelt hibaértékelés (IGFA) technikák. Az első megközelítés lehetővé teszi élő állatok csontkárosodásának roncsolásmentes megfigyelését. A második megközelítés, amelyet A. Levchuk et al. (8), óriási potenciált mutat azáltal, hogy lehetővé teszi a mikrorepedés keletkezésének és terjedésének vizsgálatát szubmikrométeres felbontással, de csak kis állatokon.

A jelenlegi kutatás most először kíván emberi csontmintákon végezni IGFA technikával végzett vizsgálatokat.

Annak ellenére, hogy számos tanulmány készült a károsodási modellek mikroméretű jellemzésére, az emberi alanyokon végzett törési modellek validálása még mindig hiányzik. Ezen túlmenően a morfológiai jellemzők szerepe a mintákban a mikroméretben még nem ismert.

Ezek a mikroléptékű vizsgálatok javíthatják a csonttörés klinikai megértését és a törési kockázat előrejelzését. Jelenleg a klinikusok a csont ásványianyag-sűrűségét, amely egy makroskálás paraméter, a csonttörés leggyakoribb előrejelzőjeként használják. A legújabb tanulmányok azonban bizonyítják a mikroarchitektúra geometriai és morfológiai jellemzőinek alapos jellemzésének fontosságát.

CÉLKITŰZÉSEK

Általános célkitűzés A tanulmány célja a csontkárosodás mikroléptékű számítógépes modelljeinek kísérleti validálása. Az általános cél a combcsontfejből származó emberi csontminták mikrokompressziós gépben történő ellenőrzött károsodása. A gépezet egy szinkrotron belsejében van elhelyezve.

Elsődleges célkitűzés Jelen tanulmány elsődleges célja a csontkárosodás vonzásában mutatkozó különbségek értékelése a két vizsgált csoportban (osteoporotikus és nem csontritkulásos) a mikrokompressziós teszteket követően.

A választott megkülönböztető paraméter a mikrokárosodás által tapasztalt csontrések száma. A két csoport között 0,4-es hatásméretet várunk a választott paraméter tekintetében.

Másodlagos célok

• A rések, csatornák és egyéb csontmikrostruktúrák károsodásban betöltött szerepének meghatározása. A humán csontmintákat mikro-tomográffal szkenneljük a mikrostrukturális morfológiai paraméterek meghatározása, valamint a numerikus modellek megvalósítása és elemzése céljából.
• Ezeknek a numerikus károsodási modelleknek a validálása mikrokompressziós tesztekkel, amelyeket in situ végeznek megfelelő felbontású szinkrotronban
• A csontritkulás által érintett emberi csontminták károsodásának számszerűsítése
• A csontritkulás korai diagnosztizálásához hasznos mikroméretű törésmutatók meghatározása