laurea triennale (b.sc.)
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Caratterizzazione della struttura dell’osso trabecolare umano e sua correlazione con
proprietà meccaniche
Elaborato in
Comportamento Meccanico dei Materiali L-A
Relatore:Prof. Ing. Luca Cristofolini
Correlatori:Prof. Ing. Marco VicecontiIng. Simone TassaniDott. Fabio Baruffaldi
Presentata da:Davide Monari
Svolta presso:Laboratorio Tecnologia Medica, Istituti Ortopedici Rizzoli(Bologna)
OSSO TRABECOLARE: Introduzione
OSSO TRABECOLARE
250 μm
ORIENTAMENTO IN DIREZIONE PRINCIPALE CARICO F (RIMODELLAMENTO):
t
Simulazione rimodellamento al PC*
(*) Tsubota, K. and T. Adachi (2004). "Changes in the fabric and compliance tensors of cancellous bone due to trabecular surface remodeling, predicted
by a digital image-based model."
OSSO TRABECOLARE: Proprietà morfometriche
Caratteristiche di interesse:
2) Coseno Direttore Primario (CDP):
CDP = cos ( )
Volume Osso (BV)
VOI (TV)1) BV/TV =
3) DA1 = asse max
asse min
VOI
DIREZIONE ASSI → ORIENTAMENTO MEDIO TRABECOLE
LUNGHEZZA ASSI → DISTANZA MEDIA TRABECOLE
CT:
Proprietà morfometriche
Materiali
2 gruppi di provini cilindrici (osso trabecolare di testa di femore umana):
Proprietà meccaniche VS Proprietà morfometriche LOCALI e GLOBALI:
Gruppo 1: 17 provini GLOBALMENTE ALLINEATI rispetto all’asse
a
1 cm
2 cm
Gruppo 2: 17 provini GLOBALMENTE DISALLINEATI rispetto all’asse.
d
1 cma < 10°
d > 10°
Metodi:
h = 1 mmVOI 100
Step = 20 m
E
σu
BV/TV;
Ellissoide → CDP, DA1
VOI 300h = 1 mm
VOI i h = 1 mm
Normalizzazioni BV/TV:
BV/TV norm 1 = BV/TV * CDPBV/TV norm 2 = BV/TV * DA1BV/TV norm 3 = BV/TV * CDP * DA1
Tview.exe
Aggiunta al Protocollo
VOI globale
R̂ 2 for su Whole
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
T O T A L I 0.748 0.804 0.788 0.822
A L L I N 0.823 0.820 0.822 0.819
N O N A L L I N 0.695 0.774 0.776 0.813
BV/TV BV/TV norm 1 BV/TV norm 2 BV/TV norm 3
BV/TV norm 1 = BV/TV * CDPBV/TV norm 2 = BV/TV * DA1BV/TV norm 3 = BV/TV * CDP * DA1
R̂ 2 for su Min
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
T O T A L I 0.911 0.940 0.912 0.920
A L L I N 0.977 0.978 0.960 0.951
N O N A L L I N 0.898 0.915 0.914 0.906
BV/TV BV/TV norm 1 BV/TV norm 2 BV/TV norm 3
Risultati più significativi (σu):
Indici di correlazione:
Probabile dipendenza di σu da sezione critica
R̂ 2 for E Middle
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
T O T A L I 0.780 0.820 0.794 0.813
A L L I N E A T I 0.911 0.906 0.901 0.896
N O N A L L I N 0.683 0.736 0.724 0.731
BV/TV BV/TV norm 1 BV/TV norm 2 BV/TV norm 3
Whole
BV/TV norm 1 = BV/TV * CDPBV/TV norm 2 = BV/TV * DA1BV/TV norm 3 = BV/TV * CDP * DA1
R̂ 2 for E Min
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
1.00
T O T A L I 0.790 0.827 0.772 0.813
A L L I N E A T I 0.816 0.814 0.790 0.793
N O N A L L I N 0.789 0.845 0.781 0.835
BV/TV BV/TV norm 1 BV/TV norm 2 BV/TV norm 3
Risultati più significativi (E):
Indici di correlazione:
Proprietà morfometriche minime:
???
Sviluppi futuri:E vs. morfometria ALLINEATI
≠
E vs. morfometria DISALLINEATI ?
Conclusioni:Precedente protocollo:
- Prop. meccaniche
- Prop. morfometriche globali (non normalizzate)
NORMALIZZAZIONI BV/TV globali e locali
Normalizzazioni Incremento descrittivo per frazioni di osso globali
σu vs. BV/TV min: R^2 > 0.91 !!!
Normalizzazione migliore: BV/TV norm 1
BV/TV minime solo per DISALLINEATI !!!
(sviluppi futuri)
Calcolo proprietà morfometriche LOCALI
σu
E
Sezioni con morfometria critica (BV/TV min 1, BV/TV norm min) Zona di rottura ?
Ringraziamenti:
Simone Tassani
Luca Cristofolini
Fabio Baruffaldi
Tutto lo staff del Laboratorio di Tecnologia Medica degli Istituti Ortopedici Rizzoli
L = lunghezza linea; N = numero linee griglia; I = intersezioni osso/non osso;
MIL(Θ, ) = L * N / I(Θ, )
MIL (Mean Intercept Length): distanza media tra due trabecole in una certa direzione (Θ, )
L
N = 3 I = 10
MIL = L * 3/10
> MIL(Θ, )
> orientamento delle trabecole lungo (Θ, )
MIL(Θ, ) in coordinate sferiche
Ellissoide di struttura
MIL:
Altri grafici …
E vs DA1 Middle Spec (A and M)
0
1000
2000
3000
4000
5000
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
DA1 Middle Spec
E (M
Pa)
A M
su vs DA1 Whole Spec (P)
0
10
20
30
40
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
DA1 Whole Spec
su
(MP
a)
P
su vs Primary Director Cosine Min Whole (P)
y = 15,659x2,757
R2 = 0,248
0
10
20
30
40
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Primary Director Cosine Min Whole
s u (M
Pa)
P Power (P)
OSSO TRABECOLARE: Proprietà biomeccaniche
σ
Diagramma tensione (σ) – deformazione
Prova di compressione meccanica osso trabecolare:
Dipendenza dall’architettura trabecolare, dalla patologia ossea, dall’età del paziente…
- Tensione di rottura σu (Pa)
- Modulo di Young E (Pa)
σu
E
comportamento elastico lineare
rottura rete trabecolare
Proprietà meccaniche a compressione:
- Tensione di rottura σu 10 MPa
- Modulo di Young E GPa
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