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P. Varga:
"Prediction of Distral Radius Fracture Load Using HR-pQCT-Based Finite Element Analysis";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): P.K. Zysset, Harry van Lenthe; Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik, TU Wien, 2009; Rigorosum: 11.10.2009.

Osteoporose ist eine Krankheit des Skeletts, welche die Knochenmasse reduziert,
die Mikroarchitektur der Knochen verändert und ihre Brüchigkeit erhöht. Distale Radiusfrakturen (Colles Frakturen) treten in früheren Lebensjahren auf als Osteoporosefrakturen. Die effiziente, nicht invasive Beurteilung des Frakturrisikos des distalen Radius kann deshalb helfen, gefährdete Patienten zu identifizieren, die Notwendigkeit einer Behandlung anzuzeigen und das Auftreten einer möglichen Fraktur zu vermeiden. Der aktuelle klinische Standard für diesen Zweck ist Densitometrie (DXA), deren Vorhersagefähigkeit sich als begrenzt herausgestellt hat, da die Kochenmasse nicht der einzige Einflussfaktor auf die Knochenfestigkeit ist. Das Aufkommen der 'High Resolution peripheral Quantitative Computed Tomography' (HR-pQCT) ermöglicht die Beurteilung von detaillierten Rekonstruktionen der trabekulären Mikrostruktur und der Kortikalis der distalen Extremitäten in vivo. HR-pQCT basierende, Anatomie-spezifische Finite Elemente (FE) Modelle können DXA bei der Prädiktion des Frakturrisikos des distalen Radius ablösen.

Die nach einem einleitenden Kapitel in dieser Arbeit präsentierten Studien untersuchen, ob die derzeit verfügbaren, auf HR-pQCT basierenden FE Methoden (1) auf den distalen Radius angewandt werden können, (2) präzise Vorhersagen der ex vivo Colles Frakturlasten liefern und (3) auf die in vivo Situation anwendbar sind.
In der zuerst präsentierten Studie wird das derzeit entwickelte 'smooth-surface-based homogenized continuum FE' (hFE) Modell auf den distalen Radius angewandt und anhand von experimentellen Colles Fraktur-Versuchen validiert. Es werden zahlreiche Fragestellungen aufgeworfen, welche in den folgenden Studien behandelt werden.

In der zweiten Studie wird eine alternative Methode, basierend auf Grauwert-Bildern (SSOD), für die Bestimmung der strukturellen Anisotropie (fabric) von trabekulärem Knochen eingeführt, mit dem Ziel, die Segmentierung der Bilder zu umgehen, welche die größte Schwachstelle der derzeit existierenden Methoden (z.B. MIL) darstellt.

In der dritten Studie wird ermittelt, wie präzise HR-pQCT Bildgebung in der Lage ist, die Eingangsparameter der homogenisierten FE (hFE) Modelle, Volumenanteil und fabric vorauszusagen. Ein Kalibrierungsgesetz für diese beiden Größen wird identifiziert, um sie an den aktuellen Goldstandard (auf µCT basierender Volumenanteil und fabric) anzupassen.

Die vierte Studie zeigt, dass auf HR-pQCT basierende hFE Modelle in Verbindung mit den zuvor ermittelten Verbesserungen in der Lage sind, die experimentell bestimmten Bruchlasten von distalen Radius-Sektionen präzise vorherzusagen und vergleichbare Genauigkeit bei geringerer erforderlicher Rechnerleistung als der aktuelle Goldstandard µFE-Modelle zu liefern.

Zuletzt demonstriert die fünfte Studie, dass FE Modelle von distalen Radius-Sektionen, welche entsprechend dem in vivo HR-pQCT Protokoll ausgewählt werden, exzellente Prädiktoren für die in der ersten Studie bestimmten in vitro Colles Frakturlasten darstellen und in dieser Hinsicht bessere Ergebnisse als Densitometrie oder morphologische Analysen liefern.

Die hiermit abgeschlossene Forschungsarbeit trägt zu einem besseren Verständnis der Biomechanik von Colles Frakturen bei. Darüber hinaus legen die präsentierten Ergebnisse nahe, dass patientenspezifische, HR-pQCT basierende FE Simulation ein verbessertes Werkzeug für die Vorhersage von in vivo Colles Frakturlasten darstellt, was eine genauere Bestimmung des individuellen Frakturrisikos als die derzeit verfügbaren, auf DXA basierenden Methoden ermöglicht.

Osteoporosis is a skeletal disease of reduced bone mass, degraded micro-architecture and increased fragility. Distal radius (Colles') fractures occur earlier in lifetime than other osteoporotic fractures. Efficient non-invasive assessment of fracture risk in the distal radius may therefore help to identify patients at risk early in time, indicate the need for treatment and prevent them from sustaining the predicted fragility fracture. The current gold standard clinical tool for this purpose is densitometry (DXA), predictive capability of which was however shown to be limited as bone mass is not the single contributor to bone strength. The emergence of High Resolution peripheral Quantitative Computed Tomography (HR-pQCT) allows for in vivo assessment of detailed reconstructions of the trabecular microstructure and the cortical shell in the peripheral skeleton. HR-pQCT-based anatomy-specific finite element (FE) modeling may succeed to DXA in predicting fracture risk in the distal radius.

Following an introductory chapter, the studies presented in this Thesis examine if the currently available HR-pQCT-based FE approaches (1) provide adequate predictions of ex vivo Colles' fracture load and (2) are applicable in the in vivo case.

The first study applies the recently developed smooth-surface-based homogenized continuum FE (hFE) approach on the distal radius, validate it with experimental Colles' fracture tests and raises numerous research questions which are then addressed in the following studies.

The second study introduces an alternative, grayscale image-based approach (SSOD) for assessment of structural anisotropy (fabric) in trabecular bone, aiming to circumvent the need of image segmentation, which is the main weakness of the current methods (e.g. MIL).

The third study evaluates how precisely HR-pQCT imaging is able to predict input parameters of the homogenization approach used in the hFE models, volume fraction and fabric, and identifies calibration laws for both of these quantities to match their gold standard (µCT) equivalents.

The fourth study shows that HR-pQCT-based hFE modeling incorporating the determined improvements is able to precisely predict experimental fracture load of distal radius sections and have comparable accuracy but lower computational needs than the µFE approach.
Finally, the fifth study demonstrates that the FE models of distal radius sections sized according to the in vivo HR-pQCT protocol are excellent predictors of the in vitro Colles' fracture load obtained in the first study and perform better in this sense than densitometry or morphological analysis. Moreover, distal shift of the standard HR-pQCT region of analysis is shown to increase the power of the prediction.

The herein accomplished research work provides better understanding of the biomechanics of Colles' fractures. Furthermore, the results suggest that the patient-specific HR-pQCT-based FE simulation represent an improved tool for in vivo fracture risk prediction, which will provide more accurate identification of individuals at risk than the currently available DXA-based approach.

Projektleitung Philippe K. Zysset:
Voraussage des Bruchrisikos beim distalen Radius