골절된 환자의 뼈(GAP)에 대한 영상 유도 전산 및 실험적 분석 (GAP)

다중 척도에서 발생하는 뼈 손상 메커니즘에 대한 연구는 골절 과정을 이해하는 데 근본적으로 중요합니다. 특히, 평균 연령의 증가와 골다공증과 같은 광범위한 질병으로 인해 연령 관련 골절이 지속적으로 증가하고 있습니다. 그들은 높은 경제적 부담, 이환율(심리적, 예를 들어 허약함 포함) 및 사망률 증가를 초래합니다. 골절이 건강과 경제에 미치는 영향을 줄이려면 조기 진단이 중요합니다. 이러한 맥락에서 뼈는 복잡한 계층 구조로 특징지어진다는 점을 고려해야 합니다. 피질 및 섬유주 섹션은 골세포가 발견되는 콜라겐 피브릴로 구성된 마이크로메트릭 라멜라로 구성됩니다. 그것들은 세관의 조밀한 네트워크로 연결된 소공이라고 불리는 마이크로미터 이하의 구멍에 있습니다. 나노스케일에서 피브릴은 주로 콜라겐과 하이드록시아파타이트 결정으로 구성됩니다. 이 복잡한 구조는 골절 패턴에 반영됩니다. 실제로 손상은 다중 규모에서 발생합니다. 그러나 균열 패턴 및 관련 물리적 현상은 특히 마이크로 스케일에서 아직 이해되지 않았습니다.

최근에는 마이크로스케일 이미징 기술이 뼈 응력 및 변형의 국지적 값을 계산할 수 있는 피험자별 수치 모델과 결합되었습니다. 예비 연구는 미세 균열과 미세 구조 다공성 간의 가능한 상호 작용을 평가하는 데 중점을 두었습니다. 이 특정 연구는 lacunar network에 초점을 맞추고 있는데, lacunar network의 실제 역할은 아직 해명되지 않았지만 골절에 대한 뼈의 저항에 상당한 영향을 미치는 것으로 추정됩니다. 첫째, lacunae는 응력이 집중되는 영역으로, 분명히 뼈 구조의 약화로 이어집니다. 그러나 대부분의 경우 균열은 균열 전면을 편향시켜 인성에 긍정적인 기여를 합니다. 소관 네트워크에 의해 결정되는 소공 사이의 연결도 골다공증 대상자에서 감소되어 손상이 느려지는 것을 방지합니다. 이런 의미에서 뼈는 손상에 강한 재료로 간주될 수 있습니다. Donaldson 등은 계산 모델을 개발하고 미세 손상 시작 및 전파에 대한 임계값을 추정했습니다. 그들은 쥐 대퇴골의 전산화된 미세단층촬영을 사용했고 in-silico 손상의 전파에 대한 다양한 알고리즘의 영향을 평가했습니다. 추가 결과는 손상이 항상 혈관이나 공극의 표면에서 발생하며 대신 열공에서 시작되지 않는다는 것을 보여주었습니다. 그러나 손상 모델의 효율성을 확인하려면 추가 시뮬레이션과 모델이 필요합니다.

전산 손상 모델도 실험적 검증이 필요합니다. 예비 연구는 두 가지 주요 방향인 생체 내 이미징 및 이미지 유도 실패 평가(IGFA) 기술에서 수행되었습니다. 첫 번째 접근 방식은 살아있는 동물의 뼈 손상을 비파괴적으로 모니터링할 수 있습니다. 두 번째 접근법은 A. Levchuk et al. (8)은 작은 동물에 대해서만 마이크로미터 이하의 분해능으로 미세 균열 시작 및 전파에 대한 연구를 허용함으로써 엄청난 잠재력을 보여줍니다.

현재 연구는 처음으로 IGFA 기술을 적용한 인간 뼈 샘플에 대한 테스트를 수행하고자 합니다.

미세 규모에서 손상 모델의 특성화에 대한 여러 연구에도 불구하고 인간 피험자에 대한 전산 골절 모델의 검증은 여전히 ​​부족합니다. 또한 샘플의 마이크로 스케일에서 형태학적 특징의 역할은 아직 알려지지 않았습니다.

이러한 마이크로 스케일 연구는 골절에 대한 임상적 이해와 골절 위험 예측을 향상시킬 수 있습니다. 현재 임상의들은 골절의 가장 일반적인 예측 인자로 거시적 척도인 골밀도를 사용합니다. 그러나 최근 연구는 마이크로아키텍처의 기하학적 및 형태적 특성의 철저한 특성화의 중요성을 보여줍니다.

목표

일반적인 목적 이 연구는 미세 규모에서 뼈 손상의 전산 모델을 실험적으로 검증하는 것을 목표로 합니다. 일반적인 목표는 인간의 대퇴골두 뼈 샘플에 대한 미세 압축 기계의 제어된 손상에 의해 추구됩니다. 기계는 싱크로트론 내부에 배치됩니다.

1차 목적 현재 연구의 1차 목적은 미세압박 테스트 후 고려되는 두 그룹(골다공증 및 비골다공증)의 간격과 관련하여 뼈 손상 유인의 차이를 평가하는 것입니다.

선택된 식별 매개변수는 미세한 손상으로 인해 발생하는 뼈 틈의 수로 밝혀졌습니다. 선택한 매개변수와 관련하여 두 그룹 간에 0.4의 효과 크기를 관찰할 것으로 예상합니다.

보조 목표

• 간극, 소관 및 기타 뼈 미세 구조의 손상 역할 결정. 인간의 뼈 샘플은 미세 구조적 형태학적 매개변수의 정의와 수치 모델의 실현 및 분석을 위해 미세 단층 촬영기로 스캔됩니다.
• 적절한 분해능의 싱크로트론에서 현장에서 수행된 미세 압축 테스트에 의한 손상의 수치 모델 검증
• 골다공증의 영향을 받는 인간 뼈 샘플의 손상 정량화
• 골다공증 조기진단에 유용한 미세골절지수의 정의