اعتبار سنجی آزمایشی مدل های المان محدود مبتنی بر DXA برای پیش بینی مقاومت فمور
چکیده
شکستگی های مرتبط با پوکی استخوان یکی زا مهم ترین مشکلات بالینی و ابزار تشخیصی هستند که درصد آن ها تنها 50% می باشد. هدف این مطالعه اعتبار سنجی المان محدود مبتنی بر DXA طیف سنجی اشعه x دو گانه (FE) برای پیش بینی مقاومت فمور در پیکربندی های بارگذاری دوگانه می باشد.
سی و شش جفت از فمور های پروگزیمال یخ زده ی تازه با استفاده از DXA و مقطع نگاری های کامپیوتری کمی (QCT) اسکن شدند. برای هر جفت از فمور نیز تا زمانی که شکست در حالت ایستایی بر روی یک پا (STANCE) و سقوط بر روی برآمدگی بزرگتر فمور (SIDE) تست ها ادامه پیدا کرد. مدل های FE خطی مبتنی بر DXA دو بعدی خاص هر سوژه و مدل های FE غیر خطی مبتنی بر QCT سه بعدی برای هر نمونه ایجاد شده و سپس از آن ها برای پیش بینی مقاومت اندازه گیری شده ی فمور، استفاده شد . خروجی این مدل ها با اندازه گیری های تراکم مواد معدنی استخوان در فمور (aBMD) برای پیش بینی مورد استفاده قرار گرفت.
برای پیکربندی حالت ایستایی ، مدل های FE مبتنی بر مدل DXA (R2=0.74, SEE=1473N) از شاخص های پیش بینی تراکم سنجی، عملکرد بهتری داشتند (Neck_aBMD, R2=0.66, SEE=1687N) اما از مدل های FE مبتنی بر QCT عملکردشان پایین تر بود (R2=0.80, SEE=1314N). برای پیکربندی حالت سقوط هر دوی مدل های FE مبتنی بر QCT (R2=0.85, SEE=455N) و مدل aBMD گردنی DXA (R2=0.77, SEE=529N) عملکرد بهتری از مدل های FE مبتنی بر DXA داشته است (R2=0.80, SEE=502N) . در هر دو پیکربندی ، مدل های FE مبتنی بر DXA یک تطابق خوب 1:1 با داده های آزمایشی داشت ( CG=0.87 برای حالت سقوط و CG=0.86 برای حالت ایستایی) و یک معیار بهینه سازی خوب برای حالت شکست ایجاد کرد.
در نهایت ما نشان دادیم که مدل های FE مبتنی بر DXA یک شاخص خوب از مقاومت فمور می باشد که تطابق خوبی با داده های آزمایشی دارد. اما، هنوز ما باید این مدل را بررسی کنیم که آیا این روش جدید می تواند پیش بینی شکست استخوان را در محیط طبیعی پیش بینی کند یا خیر.
1. مقدمه
شکستگی های ایجاد شده در فمور در اثر پوکی استخوان یکی از مهم ترین مشکلات بالینی با خطر مرگ و آسیب هستند. بهبود پیش بینی خطر شکستگی یکی از مهم ترین موضوعات برای بهبود کیفیت زندگی بیماران و کاهش هزینه های مرتبط با پیری جامعه می باشد.
تراکم مواد معدنی استخوانی (BMD) که در لگن اندازه گیری می شود به عنوان مهم ترین پارامتر نشان دهنده ی مقاومت استخوان می باشد و ازین رو، ما از این پارامتر برای تشخیص بیماران پوکی استخوان استفاده می شود. طیف سنجی دو گانه ی اشعه ی X (DXA) رایج ترین روش برای ارزیابی لگن و BMD می باشد زیرا دوز تشعشع آن بسیار پایین می باشد و هزینه ی استفاده از آن هم کم می باشد. حتی با وجود این که می توان aBMD را در نواحی مختلف از لگن انجام داد، این تکنیک تنها به ما امکان اندازه گیری های دو بعدی بدون اطلاعات در رابطه با پارامتر های ساختاری مهم مانند ریز ساختار های استخوانی و میزان ضخامت استخوان متراکم را می دهد. علاوه براین، با وجود این که BMD به عنوان پارامتر مقاومت استخوان در نظر گرفته می شود، به سختی میتوان بین آن و ویژگی های مکانیکی ارتباطی را تشخیص داد.
Abstract
Osteoporotic fractures are a major clinical problem and current diagnostic tools have an accuracy of only 50%. The aim of this study was to validate dual energy X-rays absorptiometry (DXA)-based finite element (FE) models to predict femoral strength in two loading configurations.
Thirty-six pairs of fresh frozen human proximal femora were scanned with DXA and quantitative computed tomography (QCT). For each pair one femur was tested until failure in a one-legged standing configuration (STANCE) and one by replicating the position of the femur in a fall onto the greater trochanter (SIDE). Subject-specific 2D DXA-based linear FE models and 3D QCT-based nonlinear FE models were generated for each specimen and used to predict the measured femoral strength. The outcomes of the models were compared to standard DXA-based areal bone mineral density (aBMD) measurements.
For the STANCE configuration the DXA-based FE models (R2=0.74, SEE=1473N) outperformed the best densitometric predictor (Neck_aBMD, R2=0.66, SEE=1687N) but not the QCT-based FE models (R2=0.80, SEE=1314N). For the SIDE configuration both QCT-based FE models (R2=0.85, SEE=455N) and DXA neck aBMD (R2=0.80, SEE=502N) outperformed DXA-based FE models (R2=0.77, SEE=529N). In both configurations the DXA-based FE model provided a good 1:1 agreement with the experimental data (CC=0.87 for SIDE and CC=0.86 for STANCE), with proper optimization of the failure criteria.
In conclusion we found that the DXA-based FE models are a good predictor of femoral strength as compared with experimental data ex vivo. However, it remains to be investigated whether this novel approach can provide good predictions of the risk of fracture in vivo.
1. Introduction
Osteoporotic femoral fractures are a major clinical problem with high morbidity and mortality (Cummings and Melton, 2002; Mnif et al., 2009). Improvement of fracture risk prediction is fundamental in order to improve the patients’ quality of life and to reduce the costs associated to the ageing of our society.
Bone mineral density (BMD) measured at the hip is considered the main clinical surrogate of bone strength and, therefore, is used to discriminate osteoporotic patients. Dual energy X-rays absorptiometry (DXA) is most frequently used to evaluate hip areal BMD (aBMD) for its low radiation dose and its low cost (Griffith and Genant, 2008). Even though aBMD can be measured in a number of regions of the hip, this technique allows only 2D measurements without information about a number of important structural parameters such as bone microarchitecture and cortical thickness. Furthermore, although BMD is considered as a surrogate of bone strength, it is difficult to associate it to any mechanical properties.
چکیده
1. مقدمه
2. روش ها و مواد مورد استفاده
2.1 آماده سازی نمونه
2.2 اسکن های DXA و QCT
2.3 تست های مکانیکی
2.4 تحلیل المان محدود مبتنی بر QCT سه بعدی
2.5 تحلیل المان محدود مبتنی بر روش دو بعدی DXA
2.6 آمار
3. نتایج
4. مباحث
Abstract
1. Introduction
2. Materials and methods
2.1. Sample preparation
2.2. QCT and DXA scanning
2.3. Mechanical tests
2.4. 3D QCT based finite element analysis
2.5. 2D DXA based finite element analysis
2.6. Statistics
3. Results
4. Discussion
- اصل مقاله انگلیسی با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه