نویسندگان
1 دانشگاه صنعتی امیرکبیر
2 دانشگاه صنعتی امیر کبیر
3 مرکز تحقیقات ارتوپدی
چکیده
پیش زمینه: ناحیه دیستال ران شایع ترین مکان بروز تومور سلول غول آسا است. روش درمان جراحی شامل کورتاژ تومور و سیمان گذاری است. در حالیکه شکستگی یکی از معضلات پس از جراحی است، معیار یا داده بیومکانیکی دقیقی برای مشخص کردن بیمارانی که در معرض خطر بالای شکستگی قرار دارند وجود ندارد.
مواد و روش ها: با توجه به ارتباط تنگاتنگ بین کاهش در استحکام استخوان و خطر شکستگی آن، در این تحقیق با استفاده از روش اجزای محدود بر مبنای تصاویر برش نگاری کمی کامپیوتری، و با در نظر گرفتن مکانیک سطح مشترک سیمان و استخوان، علاوه بر لحاظ خواص ناهمگن و رفتار استخوان پس از رسیدن به تنش تسلیم، به بررسی استحکام استخوان پس از جراحی پرداخته میشود. صحت و دقت مدل های اجزای محدود در پیش بینی استحکام استخوان با مقایسه نتایج آنها با داده های آزمایشگاهی روی 14 نمونه انسانی و روی یک گروه داده مستقل به کمک آزمون های آماری ارزیابی می شود.
یافته ها: ازمون t زوجی تفاوت معناداری بین بار شکست محاسبه شده از تحلیل اجزای محدود و ثبت شده در آزمایشگاه را نشان نداده است. همچنین شیب بدست آمده در رابطه خطی بین دو بار شکست، محاسبه شده توسط روش اجزای محدود و ثبت شده در آزمون مکانیکی آزمایشگاهی، از تحلیل رگرسیون خطی تفاوت معناداری را از 1 نشان نداده است.
نتیجه گیری: نتایج حاصل، توانایی روش اجزای محدود بر مبنای تصاویر برش نگاری کمی را در پیش بینی استحکام استخوان دیستال ران پس از جراحی تومور سلول غول آسا نشان میدهد. این مدل ها همچنین میتوانند برای بررسی بیشتر جنبه های نامشخص مسائل سیمان-استخوان مورد استفاده قرار بگیرند.
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
Prediction of mechanical strength of distal femur following GCT surgery using quantitative computed tomography based finite element method
نویسندگان [English]
- Gholamreza Rouhi 1
- Azadeh Ghouchani 2
- Mohammad Hossein Ebrahimzadeh 3
1
2
3
چکیده [English]
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.
کلیدواژه‌ها [English]
- Quantitative Computed Tomography (QCT)
- Finite element method
- Distal Femur Strength
- Giant cell tumor
- In-Vitro Mechanical Test
Hallaj-Moghaddam M, Ebrahimzadeh MH. Clinical
outcome of en-block resection and reconstruction with
nonvascularized fibular autograft for the treatment of
giant cell tumor of distal radius. J Res Med Sci.
2014;19:117-21.
2. Toy PC, France J, Randall RL, Neel MD, Shorr RI, Heck
RK. Reconstruction of noncontained distal femoral
defects with polymethylmethacrylate and crossed-screw
augmentation: a biomechanical study. J Bone Joint Surg
Am. 2006;88:171-8.
3. Puri A, Agarwal M. Treatment of giant cell tumor of
bone: Current concepts. Indian J Orthop. 2007;41:101-8.
4. Ghouchani A, Ebrahimzadeh MH, Rouhi G. The most
appropriate reconstruction method following giant cell
tumor curettage: A biomechanical approach. Arch Bone
Jt Surg. 2018;6:85-9.
5. Ghouchani A, Rouhi G. The great need of a
biomechanical-based approach for surgical methods of
giant cell tumor: A critical review. J Med Biol Eng.
2017;37(4):454-67.
6. Yu X, Xu M, Xu S, Su Q. Clinical outcomes of giant cell
tumor of bone treated with bone cement filling and
internal fixation, and oral bisphosphonates. Oncol Lett.
2013;5(2):447-51.
7. Keyak JH, Kaneko TS, Tehranzadeh J, Skinner HB.
Predicting proximal femoral strength using structural
engineering models. Clin Orthop Relat Res. 2005:219-28.
8. Chitsazan A, Herzog W, Rouhi G, Abbasi M. Alteration
of strain distribution in distal tibia after triple
arthrodesis: Experimental and finite element
invesƟgaƟons. J Med Biol Eng. 2018;38(3):469-81.
9. Haase K, Rouhi G. A discussion on plaƟng factors that
affect stress shielding using finite element analysis.
2010;5:129-41.
10. Haase K, Rouhi G. PredicƟon of stress shielding
around an orthopedic screw: using stress and strain
energy density as mechanical stimuli. Comput Biol Med.
2013;43:1748-57.
11. Nourisa J, Rouhi G. Biomechanical evaluaƟon of
intramedullary nail and bone plate for the fixation of
distal metaphyseal fractures. J Mech Behav Biomed
Mater. 2016;56:34-44.
12. Rouhi G, Tahani M, Haghighi B, Herzog W. PredicƟon
dependent bone remodeling analysis using finite
13. Rouhi G, VahdaƟ A, Li X, Sudak L. A three
dimensional computer model to simulate spongy bone
remodelling under overload using a semi-mechanistic
bone remodelling theory. J Mech Med Biol.
2015;15(04):1550061.
14. Samsami S, Saberi S, Bagheri N, Rouhi G.
Interfragmentary motion assessment for three different
fixation techniques of femoral neck fractures in young
adults. Biomed Mater Eng. 2016;27:389-404.
15. Samsami S, Saberi S, Sadighi S, Rouhi G. Comparison
of three fixation methods for femoral neck fracture in
young adults: Experimental and numerical
invesƟgaƟons. J Med Biol Eng. 2015;35:566-79.
16. Keyak JH, Lee IY, Skinner HB. Correlations between
orthogonal mechanical properties and density of
trabecular bone: use of different densitometric
measures. J Biomed Mater Res. 1994;28:1329-36.
17. Mirzaei M, Keshavarzian M, Alavi F, Amiri P,
Samiezadeh S. QCT-based failure analysis of proximal
femurs under various loading orientations. Med Biol Eng
Comput. 2015;53:477-86.
آزاده قوچانی و همکاران دوره شانزدهم، شماره3) شماره مسلسل 62 ،(تابستان 1397 ،صفحههای 250 -243
18. Nishiyama KK, Gilchrist S, Guy P, Cripton P, Boyd SK.
Proximal femur bone strength estimated by a
computationally fast finite element analysis in a
sideways fall configuraƟon. J Biomech. 2013;46:1231-6.
19. Li J, Wodajo F, Theiss M ,Kew M, Jarmas A.
Computer simulation techniques in giant cell tumor
curettage and defect reconstruction. Comput Sci Eng.
2013;15(2):21-6.
20. Mosleh H, Rouhi G, Ghouchani A, Nourisa J, Bagheri
N. Prediction of the fracture risk of reconstructed bone
with cement using QCT based structural rigidity and
finite element analysis. In: Orthopaedic Research
Society Annual MeeƟng (ORS 2017), San Diego
Convention Center. San Diego, California, March 2017.
21. Lin Y, Ma L, Zhu Y, Lin Z, Yao Z, Zhang Y, et al.
Assessment of fracture risk in proximal tibia with
tumorous bone defects by a finite element method.
Microsc Res Tech. 2017;80:975-84.
22. Keyak JH, Rossi SA. PredicƟon of femoral fracture
load using finite element models: an examination of
stress- and strain-based failure theories. J Biomech.
2000;33:209-14.
23. Vaishya R, Chauhan M, Vaish A. Bone cement. J Clin
Orthop Trauma. 2013;4:157-63.
24. Mirzaei M, Samiezadeh S, Khodadadi A, Ghazavi MR,
editors. Finite element prediction and experimental
using quantitative computed tomography images. World
Academy of Science, Engineering and Technology,
International Journal of Biomedical and Biological
Engineering. 2012;6(6):208-14.
25. Mirzaei M, Keshavarzian M, Naeini V. Analysis of
strength and failure pattern of human proximal femur
using quantitative computed tomography (QCT)-based
finite element method. Bone. 2014;64:108-14.
26. Ayerza MA, Aponte-Tinao LA, Farfalli GL, Restrepo
CA, Muscolo DL. Joint preservation after extensive
curettage of knee giant cell tumors. Clin Orthop Relat
Res. 2009;467:2845-51.
27. Ciarelli MJ, Goldstein SA, Kuhn JL, Cody DD, Brown
MB. Evaluation of orthogonal mechanical properties and
density of human trabecular bone from the major
metaphyseal regions with materials testing and
computed tomography. J Orthop Res. 1991;9:674-82.
28. Dong XN, Guo XE. The dependence of transversely
isotropic elasticity of human femoral cortical bone on
porosity. J Biomech. 2004;37:1281-7.
29. Keyak JH, Skinner HB, Fleming JA. Effect of force
direction on femoral fracture load for two types of
loading condiƟons. J Orthop Res. 2001;19:539-44.
)