骨折した患者の骨の画像誘導による計算および実験的分析 (GAP) (GAP)

マルチスケールで発生する骨損傷のメカニズムの研究は、骨折プロセスを理解するために基本的に重要です。 特に、平均年齢の上昇や骨粗鬆症などの病気の蔓延により、加齢に伴う骨折は増加し続けています。 それらは、高い経済的負担、罹患率（虚弱などの心理的疾患を含む）、および死亡率の増加をもたらします。 骨折による健康と経済への影響を軽減するには、早期診断が鍵となります。 これに関連して、骨は複雑な階層構造によって特徴づけられることを考慮する必要があります。 皮質部分と小柱部分は両方とも、コラーゲン原線維で構成されるマイクロメートルのラメラで構成されており、その中に骨細胞が存在します。 それらは、小管の密なネットワークによって接続されている、小腔と呼ばれるサブミクロンの空洞に存在します。 ナノスケールでは、フィブリルは主にコラーゲンとヒドロキシアパタイトの結晶から構成されます。 この複雑な構造は破壊パターンに反映されており、実際、損傷はマルチスケールで発生します。 しかし、破壊パターンとそれに関連する物理現象は、特にミクロスケールではまだ理解されていません。

最近、マイクロスケールのイメージング技術が被験者固有の数値モデルと組み合わされ、骨の応力と歪みの局所的な値を計算できるようになりました。 予備研究は、微小亀裂と微小構造の多孔性との間の可能性のある相互作用を評価することに焦点を当ててきた。 この特別な研究は、ラクナネットワークに焦点を当てており、ラクナネットワークの実際の役割はまだ解明されていませんが、骨折に対する骨の抵抗に大きな影響を与えると推定されています。 まず、裂孔は応力が集中する領域であり、明らかに骨構造の弱体化につながります。 しかし、ほとんどの場合、隙間は亀裂の前面をそらせることで靭性にプラスの影響を与えます。 小管のネットワークによって決定される小腔間の接続も、骨粗鬆症の被験者では減少しており、損傷の進行が遅くなります。 この意味で、骨は損傷に強い材料と考えることができます。 Donaldson らは計算モデルを開発し、微小損傷の開始と伝播の閾値を推定しました。 彼らは、マウスの大腿骨のコンピューター化されたマイクロ断層撮影法を使用し、インシリコ損傷の伝播に対するさまざまなアルゴリズムの影響を評価しました。 さらなる結果は、損傷は常に血管または気孔の表面で発生し、裂孔から始まるわけではないことを示しました。 ただし、損傷モデルの有効性を検証するには、さらなるシミュレーションとモデルが必要になります。

計算ダメージモデルには実験による検証も必要です。 予備研究は、生体内イメージングと画像誘導故障評価 (IGFA) 技術という 2 つの主な方向で実施されています。 最初のアプローチでは、生きている動物の骨損傷を非破壊的にモニタリングできます。 2 番目のアプローチは、A. Levchuk らによって実装されました。 (8) は、サブマイクロメートルの分解能での微小亀裂の発生と伝播の研究を可能にすることで、大きな可能性を示していますが、対象は小動物に限られます。

現在の研究では、初めて、IGFA 技術を適用して人骨サンプルのテストを実行したいと考えています。

ミクロスケールでの損傷モデルの特性評価に関するいくつかの研究にもかかわらず、人間の被験者における骨折の計算モデルの検証はまだ不足しています。 さらに、サンプルにおけるミクロスケールでの形態学的特徴の役割はまだ不明です。

これらのミクロスケールの研究は、骨折の臨床的理解と骨折リスクの予測を向上させる可能性があります。 現在、臨床医は、骨折の最も一般的な予測因子として、マクロスケールのパラメーターである骨塩密度を使用しています。 しかし、最近の研究では、マイクロアーキテクチャの幾何学的および形態学的特徴を徹底的に特徴付けることが重要であることが示されています。

目的

一般的な目的 この研究は、ミクロスケールでの骨損傷の計算モデルを実験的に検証することを目的としています。 一般的な目的は、大腿骨頭から採取した人骨サンプルに対してマイクロ圧縮機で制御された損傷を与えることで達成されます。 機械はシンクロトロン内に設置されます。

主な目的 本研究の主な目的は、微小圧迫試験後の検討対象の 2 つのグループ (骨粗鬆症および非骨粗鬆症) におけるギャップに関する骨損傷の魅力の違いを評価することです。

選択された識別パラメータは、微小損傷が発生した骨の隙間の数であることがわかります。 選択したパラメーターに関して、2 つのグループ間で 0.4 の効果サイズが観察されることが予想されます。

二次的な目的

• 損傷における隙間、小管、その他の骨の微細構造の役割の決定。 人骨サンプルは、微細構造の形態学的パラメーターの定義と数値モデルの実現と分析のために、マイクロトモグラフィーによってスキャンされます。
• 適切な分解能のシンクロトロン内でその場で実行される微小圧縮試験による損傷の数値モデルの検証
• 骨粗鬆症による人骨サンプルの損傷の定量化
• 骨粗鬆症の早期診断に役立つミクロスケールの骨折指標の定義