Sterowane obrazem analizy obliczeniowe i eksperymentalne złamanej kości pacjenta (GAP) (GAP)

Badanie mechanizmów uszkodzeń kości zachodzących w wielu skalach ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia procesów złamań. W szczególności liczba złamań związanych z wiekiem stale wzrasta z powodu wzrostu średniego wieku i powszechnych chorób, takich jak osteoporoza. Powodują one duże obciążenia ekonomiczne, chorobowość (w tym psychiczną, np. słabość) oraz zwiększoną śmiertelność. Aby zmniejszyć wpływ złamań kości na zdrowie i ekonomię, kluczowa jest wczesna diagnoza. W tym kontekście należy wziąć pod uwagę, że kość charakteryzuje się złożoną strukturą hierarchiczną. Zarówno przekroje korowe, jak i beleczkowe składają się z blaszek mikrometrycznych, składających się z włókienek kolagenowych, w których znajdują się osteocyty. Rezydują w submikrometrowych zagłębieniach zwanych lukami, które są połączone gęstą siecią kanalików. W nanoskali fibryle składają się głównie z kryształów kolagenu i hydroksyapatytu. Ta złożona architektura znajduje odzwierciedlenie we wzorach pęknięć: w rzeczywistości uszkodzenia występują w wielu skalach. Jednak wzory pęknięć i związane z nimi zjawiska fizyczne nadal nie są poznane, zwłaszcza w mikroskali.

Ostatnio techniki obrazowania w mikroskali zostały połączone z modelami numerycznymi specyficznymi dla danego przedmiotu, które są w stanie obliczyć lokalne wartości obciążenia i odkształcenia kości. Wstępne badania skupiły się na ocenie możliwej interakcji między mikropęknięciami a porowatością mikrostruktury. Te szczególne badania koncentrują się na sieci lakunarnej, która przypuszczalnie znacząco wpływa na odporność kości na złamania, chociaż rzeczywista rola sieci lakunarnej nie została jeszcze wyjaśniona. Po pierwsze, luki są obszarami koncentracji naprężeń, które najwyraźniej prowadzą do osłabienia struktury kostnej. Jednak w większości przypadków luki mają pozytywny wpływ na wytrzymałość poprzez odchylanie czoła pęknięcia. Połączenie między lukami, określone przez sieć kanalików, jest również zmniejszone u osób z osteoporozą, co zapobiega spowolnieniu uszkodzeń. W tym sensie kość można uznać za materiał odporny na uszkodzenia. Donaldson i wsp. opracowali modele obliczeniowe i oszacowali próg inicjacji i propagacji mikrouszkodzeń. Wykorzystali komputerową mikrotomografię mysich kości udowych i ocenili wpływ różnych algorytmów na propagację uszkodzeń in silico. Dalsze wyniki wykazały, że uszkodzenie zawsze występuje na powierzchni naczyń krwionośnych lub porowatości, a nie zaczyna się od luk. Potrzebne byłyby jednak dalsze symulacje i modele, aby zweryfikować skuteczność modeli uszkodzeń.

Obliczeniowe modele uszkodzeń również wymagają walidacji eksperymentalnej. Badania wstępne zostały przeprowadzone w dwóch głównych kierunkach: obrazowanie in vivo oraz techniki oceny uszkodzeń sterowane obrazem (IGFA). Pierwsze podejście umożliwia nieniszczące monitorowanie uszkodzeń kości u żywych zwierząt. Drugie podejście, wdrożone przez A. Levchuka i in. (8), wykazuje ogromny potencjał, umożliwiając badanie inicjacji i propagacji mikropęknięć z rozdzielczością poniżej mikrometra, ale tylko na małych zwierzętach.

Obecni badacze po raz pierwszy chcą przeprowadzić badania na próbkach ludzkiej kości z wykorzystaniem technik IGFA.

Pomimo kilku badań nad charakteryzacją modeli uszkodzeń w skali mikro, nadal brakuje walidacji modeli obliczeniowych pęknięć na ludziach. Ponadto rola cech morfologicznych w skali mikro w próbkach jest nadal nieznana.

Te badania w mikroskali mogą poprawić kliniczne zrozumienie złamań kości i przewidywanie ryzyka złamań. Obecnie klinicyści wykorzystują gęstość mineralną kości, która jest parametrem w skali makro, jako najczęstszy predyktor złamań kości. Jednak ostatnie badania pokazują, jak ważna jest dokładna charakterystyka geometrycznych i morfologicznych cech mikroarchitektury.

CELE

Cel ogólny Celem pracy jest eksperymentalna walidacja modeli obliczeniowych uszkodzeń kości w mikroskali. Ogólny cel jest realizowany poprzez kontrolowane niszczenie w maszynie do mikrokompresji na próbkach ludzkiej kości z głowy kości udowej. Maszyna umieszczona jest w synchrotronie.

Główny cel Głównym celem niniejszego badania jest ocena różnicy w przyciąganiu uszkodzeń kości w odniesieniu do luk w dwóch rozważanych grupach (osteoporotycznych i nieosteoporotycznych) po teście mikroucisku.

Wybranym parametrem dyskryminacyjnym okazała się liczba szczelin kostnych napotykanych przez mikrouszkodzenia. Spodziewamy się zaobserwować wielkość efektu 0,4 między dwiema grupami w odniesieniu do wybranego parametru.

Cele drugorzędne

• Określenie roli szczelin, kanalików i innych mikrostruktur kości w uszkodzeniach. Próbki kości ludzkich są skanowane za pomocą mikrotomografu w celu określenia mikrostrukturalnych parametrów morfologicznych oraz wykonania i analizy modeli numerycznych.
• Walidacja tych numerycznych modeli uszkodzeń za pomocą testów mikrokompresji przeprowadzonych in situ w synchrotronie o odpowiedniej rozdzielczości
• Kwantyfikacja uszkodzeń w ludzkich próbkach kości dotkniętych osteoporozą
• Definicja wskaźników złamań w skali mikro, przydatnych we wczesnej diagnostyce osteoporozy