Bildstyrda beräknings- och experimentella analyser av frakturerat patientben (GAP) (GAP)

Studiet av mekanismerna för benskador, som uppstår i multiskalan, är av grundläggande betydelse för förståelsen av frakturprocesser. I synnerhet åldersrelaterade frakturer ökar kontinuerligt på grund av den ökade medelåldern och utbredda sjukdomar som benskörhet. De resulterar i höga ekonomiska bördor, sjuklighet (inklusive psykologisk, t.ex. svaghet) och ökad dödlighet. För att minska påverkan av benfrakturer på hälsa och ekonomi är tidig diagnos nyckeln. I detta sammanhang måste man tänka på att ben kännetecknas av en komplex hierarkisk struktur. Både de kortikala och trabekulära sektionerna består av mikrometriska lameller, sammansatta av kollagenfibriller, inom vilka osteocyter finns. De bor i sub-mikrometer håligheter som kallas lakuner, som är förbundna med ett tätt nätverk av canaliculi. På nanoskala består fibrillerna främst av kollagen- och hydroxiapatitkristaller. Denna komplexa arkitektur återspeglas i sprickmönster: skador uppstår i själva verket på multiskalan. Men sprickmönster och deras associerade fysiska fenomen är fortfarande inte förstått, särskilt i mikroskala.

På senare tid har mikroskala avbildningstekniker kombinerats med ämnesspecifika numeriska modeller, som kan beräkna lokala värden av benstress och belastning. Preliminära studier har fokuserat på att utvärdera en möjlig interaktion mellan mikrosprickor och mikrostrukturell porositet. Denna speciella forskning fokuserar på det lakunära nätverket, som antas signifikant påverka benmotståndet mot frakturer även om den faktiska rollen för det lakunära nätverket ännu inte är klarlagd. För det första är luckor områden med stresskoncentration, vilket uppenbarligen leder till försvagning av benstrukturen. I de flesta fall bidrar dock lakunerna positivt till segheten genom att avleda sprickfronten. Sambandet mellan lakunerna, som bestäms av nätverket av canaliculi, reduceras också hos patienter med osteoporos, vilket förhindrar att skadan saktar ner. I denna mening kan ben betraktas som ett skadetolerant material. Donaldson et al utvecklade beräkningsmodeller och uppskattade en tröskel för initiering och förökning av mikroskada. De använde datoriserad mikrotomografi av murina lårben och utvärderade inverkan av olika algoritmer på spridningen av in-silicoskada. Ytterligare resultat visade att skadan alltid uppstår på ytan av blodkärl eller porositeter och inte istället utgår från luckorna. Ytterligare simuleringar och modeller skulle dock behövas för att verifiera skademodellernas effektivitet.

Beräkningsskademodeller kräver också experimentell validering. Preliminära studier har utförts i två huvudsakliga riktningar: in vivo-avbildning och bildstyrda felbedömningstekniker (IGFA). Det första tillvägagångssättet tillåter oförstörande övervakning av benskador hos levande djur. Det andra tillvägagångssättet, implementerat av A. Levchuk et al. (8), visar enorm potential genom att tillåta studier av mikrosprickinitiering och förökning med submikrometerupplösning, men endast på små djur.

Den aktuella forskningen vill för första gången utföra tester på mänskliga benprover med tillämpning av IGFA-tekniker.

Trots flera studier om karakterisering av skademodeller i mikroskala, saknas fortfarande en validering av beräkningsmodeller av frakturer på mänskliga försökspersoner. Dessutom är rollen av morfologiska egenskaper på mikroskalan i prover fortfarande okänd.

Dessa mikroskaliga studier kan förbättra den kliniska förståelsen av benfraktur och förutsägelse av frakturrisk. För närvarande använder kliniker bentäthet, som är en parameter i makroskala, som den vanligaste prediktorn för benfraktur. Nya studier visar dock vikten av en grundlig karakterisering av mikroarkitekturens geometriska och morfologiska egenskaper.

MÅL

Allmänt mål Studien syftar till experimentell validering av beräkningsmodeller av benskador i mikroskala. Det allmänna målet eftersträvas genom kontrollerad skada i en mikrokompressionsmaskin på mänskliga benprover från lårbenshuvudet. Maskineriet är placerat inuti en synkrotron.

Primärt mål Det primära syftet med den här studien är att utvärdera skillnaden i attraktion av benskador med avseende på luckor i de två grupperna (osteoporotiska och icke-osteoporotiska) efter mikrokompressionstestning.

Den särskiljande parametern som väljs visar sig vara antalet benluckor som uppstår vid mikroskada. Vi förväntar oss att observera en effektstorlek på 0,4 mellan de två grupperna med avseende på den valda parametern.

Sekundära mål

• Bestämning av rollen av luckor, canaliculi och andra benmikrostrukturer vid skada. Mänskliga benprover skannas med mikrotomograf för definition av mikrostrukturella morfologiska parametrar och förverkligande och analys av numeriska modeller.
• Validering av dessa numeriska modeller av skada genom mikrokompressionstester utförda på plats i en synkrotron med adekvat upplösning
• Kvantifiering av skador i mänskliga benprover påverkade av osteoporos
• Definition av frakturindex i mikroskala, användbart för tidig diagnos av osteoporos