Bildeveiledet beregningsmessige og eksperimentelle analyser av frakturert pasientens bein (GAP) (GAP)

Studiet av mekanismene for beinskade, som oppstår på multiskalaen, er av grunnleggende betydning for forståelsen av bruddprosesser. Spesielt øker aldersrelaterte frakturer kontinuerlig på grunn av økningen i gjennomsnittsalder og utbredte sykdommer som osteoporose. De resulterer i høye økonomiske byrder, sykelighet (inkludert psykologisk, f.eks. skrøpelighet) og økt dødelighet. For å redusere virkningen av beinbrudd på helse og økonomi, er tidlig diagnose nøkkelen. I denne sammenhengen må man vurdere at bein er preget av en kompleks hierarkisk struktur. Både kortikale og trabekulære seksjoner består av mikrometriske lameller, sammensatt av kollagenfibriller, innenfor hvilke osteocytter finnes. De ligger i sub-mikrometer hulrom kalt lacunae, som er forbundet med et tett nettverk av canaliculi. På nanoskala består fibrillene primært av kollagen- og hydroksyapatittkrystaller. Denne komplekse arkitekturen gjenspeiles i bruddmønstre: skade oppstår faktisk i flerskalaen. Imidlertid er bruddmønstre og deres tilhørende fysiske fenomener fortsatt ikke forstått, spesielt på mikroskala.

Nylig har mikroskala avbildningsteknikker blitt kombinert med fagspesifikke numeriske modeller, som er i stand til å beregne lokale verdier av beinstress og belastning. Foreløpige studier har fokusert på å evaluere en mulig interaksjon mellom mikrosprekker og mikrostrukturell porøsitet. Denne spesielle forskningen fokuserer på det lakunære nettverket, som antas å påvirke beinresistens mot fraktur betydelig, selv om den faktiske rollen til det lakunære nettverket ennå ikke er klarlagt. For det første er lakuner områder med stresskonsentrasjon, som tilsynelatende fører til svekkelse av beinstrukturen. Men i de fleste tilfeller bidrar lakunaene positivt til seighet ved å avlede sprekkfronten. Forbindelsen mellom lakunaene, bestemt av nettverket av canaliculi, reduseres også hos osteoporotiske personer, noe som forhindrer at skaden reduseres. I denne forstand kan bein betraktes som et skadetolerant materiale. Donaldson et al utviklet beregningsmodeller og estimerte en terskel for initiering og forplantning av mikroskader. De brukte datastyrt mikrotomografi av murine femur og evaluerte påvirkningen av forskjellige algoritmer på forplantningen av in-silico-skader. Ytterligere resultater viste at skaden alltid oppstår på overflaten av blodkar eller porøsiteter og ikke i stedet starter fra lakunaene. Det vil imidlertid være behov for ytterligere simuleringer og modeller for å verifisere effektiviteten til skademodellene.

Beregningsskademodeller krever også eksperimentell validering. Foreløpige studier har blitt utført i to hovedretninger: in vivo-avbildning og bildeveiledet feilvurderingsteknikker (IGFA). Den første tilnærmingen tillater ikke-destruktiv overvåking av beinskader hos levende dyr. Den andre tilnærmingen, implementert av A. Levchuk et al. (8), viser et enormt potensiale ved å tillate studiet av mikrosprekkeinitiering og forplantning med sub-mikrometer oppløsning, men bare på små dyr.

Den nåværende forskningen ønsker for første gang å utføre tester på menneskelige beinprøver ved å bruke IGFA-teknikker.

Til tross for flere studier på karakterisering av skademodeller på mikroskala, mangler fortsatt en validering av beregningsmodeller for brudd på menneskelige individer. I tillegg er rollen til morfologiske trekk på mikroskala i prøver fortsatt ukjent.

Disse mikroskalastudiene kan forbedre den kliniske forståelsen av beinbrudd og prediksjon av frakturrisiko. For tiden bruker klinikere beinmineraltetthet, som er en parameter i makroskala, som den vanligste prediktoren for beinbrudd. Nyere studier viser imidlertid viktigheten av en grundig karakterisering av de geometriske og morfologiske egenskapene til mikroarkitekturen.

MÅL

Generelt mål Studien tar sikte på eksperimentell validering av beregningsmodeller for beinskader på mikroskala. Det generelle målet er forfulgt av kontrollert skade i en mikrokompresjonsmaskin på menneskelige beinprøver fra lårbenshodet. Maskineriet er plassert inne i en synkrotron.

Primært mål Hovedmålet med denne studien er å evaluere forskjellen i tiltrekningen av beinskade med hensyn til gap i de to gruppene som vurderes (osteoporotiske og ikke-osteoporotiske) etter mikrokompresjonstesting.

Den diskriminerende parameteren som er valgt viser seg å være antall bengap som oppstår ved mikroskader. Vi forventer å observere en effektstørrelse på 0,4 mellom de to gruppene med hensyn til den valgte parameteren.

Sekundære mål

• Bestemmelse av rollen til gap, canaliculi og andre benmikrostrukturer i skade. Menneskelige beinprøver skannes med mikrotomograf for definisjon av mikrostrukturelle morfologiske parametere og realisering og analyse av numeriske modeller.
• Validering av disse numeriske skademodellene ved mikrokompresjonstester utført in situ i en synkrotron med tilstrekkelig oppløsning
• Kvantifisering av skade i humane beinprøver påvirket av osteoporose
• Definisjon av mikroskala frakturindekser, nyttig for tidlig diagnose av osteoporose