پيش بيني استحكام استخوان ديستال فمور پس از كورتاژ تومور و سيمان گذاري با استفاده از روش اجزاي محدود(FEA) بر مبناي برش نگاري كمي كامپيوتري

Prediction of mechanical strength of distal femur following GCT surgery using quantitative computed tomography based finite element method

پيش زمينه: ناحيه ديستال ران شايع ترين مكان بروز تومور سلول غول آسا است. روش درمان جراحي شامل كورتاژ تومور و سيمان گذاري است. در حاليكه شكستگي يكي از معضلات پس از جراحي است، معيار يا داده بيومكانيكي دقيقي براي مشخص كردن بيماراني كه در معرض خطر بالاي شكستگي قرار دارند وجود ندارد. مواد و روش ها: با توجه به ارتباط تنگاتنگ بين كاهش در استحكام استخوان و خطر شكستگي آن، در اين تحقيق با استفاده از روش اجزاي محدود بر مبناي تصاوير برش نگاري كمي كامپيوتري، و با در نظر گرفتن مكانيك سطح مشترك سيمان و استخوان، علاوه بر لحاظ خواص ناهمگن و رفتار استخوان پس از رسيدن به تنش تسليم، به بررسي استحكام استخوان پس از جراحي پرداخته ميشود. صحت و دقت مدل هاي اجزاي محدود در پيش بيني استحكام استخوان با مقايسه نتايج آنها با داده هاي آزمايشگاهي روي 14 نمونه انساني و روي يك گروه داده مستقل به كمك آزمون هاي آماري ارزيابي مي شود. يافته ها: ازمون t زوجي تفاوت معناداري بين بار شكست محاسبه شده از تحليل اجزاي محدود و ثبت شده در آزمايشگاه را نشان نداده است. همچنين شيب بدست آمده در رابطه خطي بين دو بار شكست، محاسبه شده توسط روش اجزاي محدود و ثبت شده در آزمون مكانيكي آزمايشگاهي، از تحليل رگرسيون خطي تفاوت معناداري را از 1 نشان نداده است. نتيجه گيري: نتايج حاصل، توانايي روش اجزاي محدود بر مبناي تصاوير برش نگاري كمي را در پيش بيني استحكام استخوان ديستال ران پس از جراحي تومور سلول غول آسا نشان ميدهد. اين مدل ها همچنين ميتوانند براي بررسي بيشتر جنبه هاي نامشخص مسائل سيمان-استخوان مورد استفاده قرار بگيرند.

Background: Distal femur is the most frequently affected site by giant cell tumor (GCT). Surgery including tumor curettage and defect reconstruction with bone cement is a widely-used treatment. While post-operative fracture is a common complication, no criteria and/or biomechanical data are available to identify patients at high risk of fracture. Methods and materials: Since there is a strong correlation between bone strength and its fracture risk, in this study, bone strength following GCT surgery was predicted using quantitative computed tomography (QCT)-based finite element method (FEM). Mechanical properties of bone-cement interface, along with non-linear and non-homogeneous, as well as post-yield properties of bone were taken into account in the FE models. The accuracy and precision of FE models in predicting bone strength were evaluated using statistical tests by comparing the FE results with the results obtained using in-vitro mechanical tests on 14 cadaveric specimens and an independent data set. Results: According to paired t-test analysis, no significant difference was observed between the bone strengths predicted by FEM and those calculated by in-vitro tests . In addition, based on the results of regression analysis, there was a linear relationship between and with a slope not different from 1. Discussion: The obtained results show the capability of QCT-based FEM in predicting bone strength in distal femur following GCT surgery, and thus they can be employed to investigate various features of the bone-cement construct with the hope of shedding light on the obscure aspects of the problem.