Estimations of mechanical properties of intact and damaged bone from high resolution CT-images

Abstract

Esta tesis investigó hasta qué punto el análisis de micro-FE basado en imágenes de TC de alta resolución puede estimar con precisión las propiedades materiales del tejido óseo intacto y dañado. Para alcanzar este objetivo, primero se probó la capacidad del análisis de micro-FE para estimar la rigidez a la compresión de muestras de hueso esponjoso después de una fractura. Posteriormente, se midió la rigidez tras la cementación de una muestra fracturada y se comparó con la situación fracturada y no fracturada. También se utilizó la micro-FE para comprobar si puede predecir la rigidez del hueso cementado. La segunda parte se centró en la predicción de la resistencia del hueso. Esto se hizo en modelos de animales pequeños. La resistencia ósea se midió mediante ensayos de flexión de tres puntos, cuyos resultados se analizaron mediante la teoría de vigas. Luego se analizó mecánicamente la resistencia del hueso humano basado en escaneos in-vivo de HR-pQCT. Aunque este método ha sido validado en varios estudios para la primera generación de este tipo de escáner, aún no se ha validado para la segunda generación de dispositivos HR-pQCT. Para ello se establecieron los parámetros óptimos para análisis de micro-FE y FE homogeneizado.

This thesis investigated to what extent micro-FE analysis based on high-resolution CT images can accurately estimate the material properties of intact and damaged bone tissue. To achieve this goal, the ability of micro-FE analysis to estimate the compressive stiffness of cancellous bone specimens after fracture was first tested. Subsequently, the stiffness after cementation of a fractured sample was measured and compared with the fractured and non-fractured situation. Micro-FE was also achieved to see if it can predict the stiffness of cemented bone. The second part focused on the prediction of bone strength. This was done in small animal models. Bone strength was measured by three-point flexion tests, the results of which were analyzed using beam theory. Human bone strength was then mechanically analyzed based on in-vivo HR-pQCT scans. Although this method has been validated in several studies for the first generation of this type of scanner, it has not yet been validated for the second generation of HR-pQCT devices. To this end, the optimal defects for the analysis of micro-FE and homogenized FE are presented.