laurea triennale (b.sc.)

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


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


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


Whole


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


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

laurea triennale (b.sc.)

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