Análises Computacionais e Experimentais Guiadas por Imagem de Osso de Paciente Fraturado (GAP) (GAP)

O estudo dos mecanismos de dano ósseo, que ocorrem na multiescala, é de fundamental importância para a compreensão dos processos de fratura. Em particular, as fraturas relacionadas à idade estão aumentando continuamente devido ao aumento da idade média e doenças generalizadas, como a osteoporose. Eles resultam em altos encargos econômicos, morbidade (incluindo psicológica, por exemplo, fragilidade) e aumento da mortalidade. Para reduzir o impacto das fraturas ósseas na saúde e na economia, o diagnóstico precoce é fundamental. Nesse contexto, deve-se considerar que o osso é caracterizado por uma complexa estrutura hierárquica. Tanto o corte cortical quanto o trabecular consistem em lamelas micrométricas, compostas por fibrilas de colágeno, dentro das quais se encontram os osteócitos. Eles residem em cavidades submicrométricas chamadas lacunas, que são conectadas por uma densa rede de canalículos. Na nanoescala, as fibrilas consistem principalmente em cristais de colágeno e hidroxiapatita. Essa arquitetura complexa se reflete em padrões de fratura: o dano, de fato, ocorre em multiescala. No entanto, os padrões de fratura e seus fenômenos físicos associados ainda não são compreendidos, especialmente em microescala.

Recentemente, técnicas de imagem em microescala foram combinadas com modelos numéricos específicos do assunto, que são capazes de calcular valores locais de tensão e tensão óssea. Estudos preliminares têm se concentrado em avaliar uma possível interação entre microfissuras e porosidade microestrutural. Esta pesquisa em particular enfoca a rede lacunar, que supostamente afeta significativamente a resistência óssea à fratura, embora o papel real da rede lacunar ainda não tenha sido elucidado. Primeiro, as lacunas são áreas de concentração de estresse, que aparentemente levam ao enfraquecimento da estrutura óssea. No entanto, na maioria dos casos, as lacunas contribuem positivamente para a tenacidade ao desviar a frente da trinca. A conexão entre as lacunas, determinada pela rede de canalículos, também é reduzida em indivíduos com osteoporose, impedindo o retardo do dano. Nesse sentido, o osso pode ser considerado um material tolerante a danos. Donaldson et al desenvolveram modelos computacionais e estimaram um limite para iniciação e propagação de microdanos. Eles usaram microtomografia computadorizada de fêmures de murinos e avaliaram a influência de diferentes algoritmos na propagação de danos in silico. Outros resultados mostraram que o dano sempre ocorre nas superfícies dos vasos sanguíneos ou porosidades e não começa nas lacunas. No entanto, mais simulações e modelos seriam necessários para verificar a eficácia dos modelos de dano.

Modelos de danos computacionais também requerem validação experimental. Estudos preliminares foram conduzidos em duas direções principais: técnicas de imagem in vivo e avaliação de falha guiada por imagem (IGFA). A primeira abordagem permite o monitoramento não destrutivo de dano ósseo em animais vivos. A segunda abordagem, implementada por A. Levchuk et al. (8), apresenta enorme potencial ao permitir o estudo da iniciação e propagação de microtrincas com resolução sub-micrométrica, mas apenas em pequenos animais.

A pesquisa atual pretende, pela primeira vez, realizar testes em amostras de ossos humanos aplicando técnicas de IGFA.

Apesar de vários estudos sobre a caracterização de modelos de dano em microescala, ainda falta uma validação de modelos computacionais de fratura em seres humanos. Além disso, o papel das características morfológicas em microescala nas amostras ainda é desconhecido.

Esses estudos em microescala podem melhorar a compreensão clínica da fratura óssea e a previsão do risco de fratura. Atualmente, os médicos usam a densidade mineral óssea, que é um parâmetro de macroescala, como o preditor mais comum de fratura óssea. No entanto, estudos recentes demonstram a importância de uma caracterização minuciosa das características geométricas e morfológicas da microarquitetura.

OBJETIVOS

Objetivo Geral O estudo visa a validação experimental de modelos computacionais de dano ósseo em microescala. O objetivo geral é perseguido por danos controlados em uma máquina de microcompressão em amostras de ossos humanos da cabeça femoral. O maquinário é colocado dentro de um síncrotron.

Objetivo Primário O objetivo primário do presente estudo é avaliar a diferença na atração do dano ósseo em relação aos gaps nos dois grupos considerados (osteoporóticos e não osteoporóticos) após o teste de microcompressão.

O parâmetro discriminante escolhido acabou sendo o número de lacunas ósseas encontradas por microdanos. Esperamos observar um tamanho de efeito de 0,4 entre os dois grupos em relação ao parâmetro escolhido.

Objetivos Secundários

• Determinação do papel das lacunas, canalículos e outras microestruturas ósseas no dano. Amostras de osso humano são escaneadas por microtomografia para definição de parâmetros morfológicos microestruturais e realização e análise de modelos numéricos.
• Validação destes modelos numéricos de dano por testes de microcompressão realizados in situ em um síncrotron de resolução adequada
• Quantificação de danos em amostras de ossos humanos afetados pela osteoporose
• Definição de índices de fratura em microescala, úteis para o diagnóstico precoce da osteoporose