Beeldgestuurde computationele en experimentele analyses van gebroken patiëntbot (GAP) (GAP)

De studie van de mechanismen van botschade, die optreden op de multischaal, is van fundamenteel belang voor het begrijpen van fractuurprocessen. Met name leeftijdsgerelateerde fracturen nemen voortdurend toe als gevolg van de toename van de gemiddelde leeftijd en wijdverbreide ziekten zoals osteoporose. Ze leiden tot hoge economische lasten, morbiditeit (waaronder psychologische, bijv. kwetsbaarheid) en verhoogde mortaliteit. Om de impact van botbreuken op gezondheid en economie te verminderen, is vroege diagnose de sleutel. In deze context moet men bedenken dat bot wordt gekenmerkt door een complexe hiërarchische structuur. Zowel de corticale als de trabeculaire secties bestaan ​​uit micrometrische lamellen, samengesteld uit collageenfibrillen, waarin osteocyten worden aangetroffen. Ze bevinden zich in holtes van minder dan een micrometer, lacunes genaamd, die zijn verbonden door een dicht netwerk van canaliculi. Op nanoschaal bestaan ​​de fibrillen voornamelijk uit collageen- en hydroxyapatietkristallen. Deze complexe architectuur wordt weerspiegeld in breukpatronen: schade treedt in feite op op de multischaal. Breukpatronen en de bijbehorende fysische verschijnselen worden echter nog steeds niet begrepen, vooral niet op microschaal.

Onlangs zijn beeldvormingstechnieken op microschaal gecombineerd met onderwerpspecifieke numerieke modellen, die lokale waarden van botspanning en -belasting kunnen berekenen. Voorlopige studies hebben zich gericht op het evalueren van een mogelijke interactie tussen microscheuren en microstructurele porositeit. Dit specifieke onderzoek richt zich op het lacunaire netwerk, waarvan wordt aangenomen dat het de botweerstand tegen breuk aanzienlijk beïnvloedt, hoewel de feitelijke rol van het lacunaire netwerk nog niet is opgehelderd. Ten eerste zijn lacunes gebieden van spanningsconcentratie, die blijkbaar leiden tot verzwakking van de botstructuur. In de meeste gevallen leveren de lacunes echter een positieve bijdrage aan de taaiheid door het scheurfront af te buigen. De verbinding tussen de lacunes, bepaald door het netwerk van canaliculi, is ook verminderd bij osteoporotische personen, waardoor het vertragen van de schade wordt voorkomen. In die zin kan bot worden beschouwd als een schadetolerant materiaal. Donaldson et al. ontwikkelden computermodellen en schatten een drempel voor het initiëren en verspreiden van microschade. Ze gebruikten gecomputeriseerde microtomografie van muriene dijbenen en evalueerden de invloed van verschillende algoritmen op de verspreiding van in-silico-schade. Verdere resultaten toonden aan dat de schade altijd optreedt op de oppervlakken van bloedvaten of porositeiten en niet in plaats daarvan begint bij de lacunes. Er zijn echter verdere simulaties en modellen nodig om de effectiviteit van de schademodellen te verifiëren.

Computationele schademodellen vereisen ook experimentele validatie. Er zijn voorbereidende onderzoeken uitgevoerd in twee hoofdrichtingen: in-vivo beeldvorming en beeldgeleide foutbeoordelingstechnieken (IGFA). De eerste benadering maakt niet-destructieve monitoring van botschade bij levende dieren mogelijk. De tweede benadering, geïmplementeerd door A. Levchuk et al. (8), toont een enorm potentieel door de studie van de initiatie en voortplanting van microscheuren mogelijk te maken met een resolutie van minder dan een micrometer, maar alleen op kleine dieren.

Het huidige onderzoek wil voor het eerst tests uitvoeren op menselijke botmonsters met behulp van IGFA-technieken.

Ondanks verschillende onderzoeken naar de karakterisering van schademodellen op microschaal, ontbreekt er nog steeds een validatie van computermodellen van breuken bij mensen. Bovendien is de rol van morfologische kenmerken op microschaal in monsters nog onbekend.

Deze microschaalstudies zouden het klinische begrip van botbreuken en de voorspelling van het risico op breuken kunnen verbeteren. Momenteel gebruiken clinici botmineraaldichtheid, een parameter op macroschaal, als de meest voorkomende voorspeller van botbreuken. Recente studies tonen echter het belang aan van een grondige karakterisering van de geometrische en morfologische kenmerken van de microarchitectuur.

DOELSTELLINGEN

Algemene doelstelling De studie beoogt de experimentele validatie van computermodellen van botschade op microschaal. Het algemene doel wordt nagestreefd door gecontroleerde schade in een microcompressiemachine op menselijke botmonsters van de heupkop. De machine is in een synchrotron geplaatst.

Primair doel Het primaire doel van de huidige studie is het evalueren van het verschil in de aantrekkingskracht van botbeschadiging met betrekking tot openingen in de twee beschouwde groepen (osteoporotisch en niet-osteoporotisch) na microcompressietesten.

De gekozen discriminerende parameter blijkt het aantal botspleten te zijn dat wordt aangetroffen door microschade. We verwachten een effectgrootte van 0,4 tussen de twee groepen waar te nemen met betrekking tot de gekozen parameter.

Secundaire doelstellingen

• Bepaling van de rol van openingen, kanaaltjes en andere botmicrostructuren bij schade. Menselijke botmonsters worden gescand met een microtomograaf voor de definitie van microstructurele morfologische parameters en de realisatie en analyse van numerieke modellen.
• Validatie van deze numerieke schademodellen door microcompressietests die in situ worden uitgevoerd in een synchrotron met voldoende resolutie
• Kwantificering van schade in menselijke botmonsters aangetast door osteoporose
• Definitie van fractuurindexen op microschaal, nuttig voor de vroege diagnose van osteoporose