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DOI: 10.1055/s-0030-1252581
Vergleich der Finite Element Methode (FEM) mit nichtlinearen Strukturparametern in der Vorhersagekraft der mechanischen Knochenfestigkeit der Wirbelsäule
Ziele: Nichtlineare Strukturparameter, basierend auf der 3D-Skalierungsindexmethode (SIM), sowie auch Minkowski-Funktionale (MF) wurden bisher erfolgreich zur Strukturanalyse des trabekulären Knochens angewendet. Ziele dieser in-vitro-Studie waren die Finite Element Methode (FEM) auf Micro-CT (µCT)-Daten von humanen Wirbelkörperpräparaten anzuwenden und diese mit nichtlinearen Knochenstrukturparametern (SIM), den Mikowski-Funktionalen (MF) sowie morphologischen Parametern hinsichtlich der Vorhersagekraft der mechanischen Knochenfestigkeit zu vergleichen. Methode: 130 Wirbelkörperpräparate (Diameter 8mm, Länge 10mm) von humanen Spendern wurden mittels µCT mit einer isotropen Auflösung von 26×26×26µm3 untersucht. Die 3D-Strukturanalyse erfolgte mit mp(α), basierend auf der Skalierungsindexmethode (SIM), den Minkowski-Funktionalen (MF) sowie morphologischen 3D-Parametern. Zusätzlich wurden Parameter basierend auf der Finite Element Methode (FEM) erhoben. Die Bestimmung der maximalen biomechanischen Knochenfestigkeit (MBS) erfolgte anhand einer Materialprüfungsmaschine. Ergebnis: FEM, SIM, MF und morphologische Parameter korrelierten signifikant mit der MBS. Der höchste Korrelationskoeffizient wurde für die FEM berechnet (r=0,76). Niedrigere, hierbei vergleichbare Werte wurden für die SIM (r=0,62), die MF (r=0,65) und die morphologischen Parameter (r=0,66) berechnet. Die Vorhersage der MBS konnte durch eine Kombination der Strukturparameter mittels multivariater Regression bis auf r=0,81 verbessert werden. Schlussfolgerung: Die FEM ist in der Strukturanalyse von µCT-Daten des trabekulären Knochens eine leistungsfähige Methode um biomechnische Eigenschaften zu berechnen. In dieser Studie zeigte die FEM die beste Vorhersagekraft der mechanischen Knochenfestigkeit verglichen mit nichtlinearen Strukturparametern, Minkowski-Funktionalen sowie morphologischen Parametern.
Korrespondierender Autor: Müller D
Klinikum rechts der Isar der TU München, Institut für Röntgendiagnostik, Ismaninger Straße 22, 81675 München
E-Mail: dirk.mueller@roe.med.tum.de
µCT - Strukturanalyse - Finite Element Methode