Analisi di osso trabecolare da immagini di micro-CT ad alta risoluzione e quantificazione dell'effetto di patologie sulle proprietà meccaniche macroscopiche

Osteoporosis (OP) is a skeletal disorder responsible for the weakening of the bone structure and, consequently, for an increased risk of fracture especially in the older population. In the past, estimating the change in a patient's bone mineral density (BMD) using dual-energy X-ray absorptiometry (DEXA) was considered the best OP indicator. However, since this approach presents many problems and osteoporosis is a pathology that weakens the bone tissue, especially at the trabecular level, reducing overall strength and rigidity, recently the attention has shifted to the variation of microstructural bone parameters. In the context of computational analysis and on the basis of high resolution micro-CT scans, in this work it was performed a modeling of ex vivo samples of physiological trabecular bone (extracted from a lumbar vertebra and two human femoral heads) on which, following a process of erosion of the trabeculae, altered conditions were simulated that came as close as possible to being osteoporotic conditions. A characterization of the most relevant morphological properties was then carried out on the control and altered samples (software used ImageJ FIJI version) and a calculation grid (mesh) was obtained using the FEBio Studio open-source software. simulated tests for the estimation of macroscopic mechanical properties (elastic properties and compressive strength stresses). For all the samples analyzed, a comparison was made between the morphometric and mechanical parameters obtained from the analyzes carried out and the parameters obtained experimentally present in the literature, with the aim of both understanding how realistic the osteoporotic conditions generated on the physiological starting samples were, and how much the finite element analyzes performed had been correctly simulated. In addition, correlation analyzes were carried out between the morphometric indices and the mechanical parameters obtained, in order to evaluate and quantify the effects of a pathology such as osteoporosis on physiological trabecular bone tissue. From the morphological results obtained it was possible to conclude that the method of trabecular erosion chosen was able to correctly simulate the actual osteoporotic conditions only on some samples. Furthermore, from the comparison with the literature it emerged that, due to the poor quality of the starting micro-CT images relating to the vertebra, there were errors of overestimation of the values of the macroscopic Young's modulus and of the values of macroscopic resistance to compression. Conversely, consistency of results was found in bone samples extracted from the femoral heads. Finally, from the correlation analyzes the volumetric fraction parameter was found to be, to a greater extent than the average trabecular thickness, a critical and robust determinant of the mechanical properties of trabecular bone samples.

L'osteoporosi (OP) è un disturbo scheletrico responsabile dell'indebolimento della struttura ossea e, di conseguenza, di un aumentato rischio di frattura soprattutto nella popolazione più anziana. In passato, la stima della variazione della densità minerale ossea (BMD) del paziente tramite assorbimetria a raggi X a doppia energia (DEXA) era considerata il miglior indicatore di OP. Tuttavia, dal momento che questo approccio presenta non poche problematiche e l’osteoporosi è una patologia che indebolisce il tessuto osseo soprattutto a livello trabecolare riducendone complessivamente resistenza e rigidità, recentemente l'attenzione si è spostata sulla variazione dei parametri ossei microstrutturali. Nel contesto dell’analisi computazionale e sulla base di scansioni micro-CT ad alta risoluzione, in questo lavoro è stata eseguita una modellizzazione di campioni ex vivo di osso trabecolare fisiologico (estratti da una vertebra lombare e da due teste femorali umane) su cui, a seguito di un processo di erosione delle trabecole, sono state simulate delle condizioni alterate che il più possibile si avvicinassero ad essere delle condizioni di tipo osteoporotico. Sui campioni di controllo ed alterati è stata quindi effettuata una caratterizzazione delle proprietà morfologiche più rilevanti (software usato ImageJ versione FIJI) ed è stata ottenuta, tramite il software open-source FEBio Studio, una griglia di calcolo (mesh) su cui sono stati eseguiti test simulati per la stima delle proprietà meccaniche macroscopiche (proprietà elastiche e sforzi di resistenza a compressione). Per tutti i campioni analizzati è stato eseguito un confronto tra i parametri morfometrici e meccanici ottenuti dalle analisi effettuate ed i parametri ottenuti sperimentalmente presenti in letteratura, con lo scopo sia di comprendere quanto le condizioni osteoporotiche generate sui campioni fisiologici di partenza fossero realistiche, sia quanto le analisi agli elementi finiti eseguite fossero state correttamente simulate. Inoltre, sono state effettuate delle analisi di correlazione tra gli indici morfometrici ed i parametri meccanici ottenuti, al fine di valutare e quantificare gli effetti di una patologia come l’osteoporosi sul tessuto osseo trabecolare fisiologico. Dai risultati morfologici ottenuti si è potuto concludere che il metodo di erosione trabecolare scelto è stato in grado di simulare correttamente delle effettive condizioni osteoporotiche solamente su alcuni campioni. Inoltre, dal confronto con la letteratura è emerso che, a causa della scarsa qualità delle immagini micro-CT di partenza relative alla vertebra, si sono verificati errori di sovrastima dei valori di modulo di Young macroscopico e dei valori di resistenza macroscopica a compressione. Al contrario, una coerenza dei risultati è stata riscontrata nei campioni ossei estratti dalle teste femorali. Infine, dalle analisi di correlazione il parametro di frazione volumetrica è risultato essere, in misura maggiore rispetto allo spessore trabecolare medio, un determinante critico e robusto delle proprietà meccaniche dei campioni ossei trabecolari.