Design and development of a multiscale model for the osteoporotic fracture prevention: a preclinical tool

Se espera que la osteoporosis sea partícipe de más de 9 millones de nuevas fracturas en todo el mundo en un futuro no muy lejano, ya que es una de las enfermedades con mayor índice de impacto entre la población de los países desarrollados. Se define como una enfermedad sistémica caracterizada por la pérdida de masa ósea y una alteración de su microestructura interna con la consiguiente susceptibilidad a la fractura. Actualmente, la estimación del riesgo de fractura se lleva a cabo mediante tomografía axial computerizada (TAC), Rayos X o densitometrías. Sin embargo, las simulaciones por elementos finitos para un paciente determinado, pueden contener una gran cantidad de información que permitirían unas predicciones más precisas. Una metodología multiescala ayudaría al desarrollo y caracterización de modelos de fractura más robustos que permitirían conocer de una manera más detallada el comportamiento del hueso. Además, dichos modelos podrían incorporar parámetros relacionados con la edad, el grado de osteoporosis o el tratamiento mediante fármacos. De hecho, debido a que el hueso trabecular interviene, en gran medida, en las fracturas de cadera osteoporóticas, un tratamiento preventivo alternativo para reducir el riesgo de fractura osteoporótica consistiría en la inyección de cemento óseo (PMMA) en el fémur osteoporótico.Por lo tanto, el principal objetivo de esta tesis doctoral es el desarrollo de un modelo multiescala para la prevención de la fractura ósea osteoporótica. Este modelo nos permitirá conocer más acerca de los mecanismos de fallo asociados a la osteoporosis desde el nivel tisular hasta el nivel macroscópico a fin de evaluar la factibilidad de la femoroplastia. Para alcanzar este objetivo, en primer lugar, se ha llevado a cabo una caracterización in vitro e in silico de estructuras artificiales de hueso artificial, denominadas open-cell (Sawbones, Malmö, Sweden), con propiedades próximas al hueso sano y osteoporótico, de manera que permita elucidar mecanismos de fractura asociados a la osteoporosis desde el nivel tisular. De esta manera, se han empleado métodos experimentales y computacionales basados en el procesado de imagen con el fin de estimar el módulo elástico y las porosidades de las diferentes estructuras open-cell. Las resultados computacionales y experimentales fueron comparados con los datos aportados por el fabricante. Se apreciaron importantes diferencias no sólo en términos del módulo de Young sino también en las porosidades. Posteriormente, se desarrolló un modelo discreto de partículas basado en la Teoría del Movimiento Aleatorio para simular la infiltración de cemento a través de las estructuras open-cell, previamente caracterizadas. Los parámetros del modelo incluyeron no sólo la viscosidad del cemento (alta o baja) sino la dirección de inyección (vertical o diagonal). De nuevo, se llevó a cabo una caracterización in vitro e in silico de las estructuras cementadas, validando el modelo computacional mediante ensayos experimentales. Dichos resultados mostraron que el modelo discreto de partículas era suficientemente robusto para su aplicación en la escala macroscópica. También, se inyectó cemento in vivo en fémures de conejo a fin de evaluar la factibilidad de la femoroplastia. Finalmente, se utilizaron fémures sanos y osteoporóticos para la predicción computacional del grado de mejora de las propiedades mecánicas cuando se inyectaba cemento de alta o baja viscosidad. El cemento de baja viscosidad mejoraba notablemente las cargas de fractura con respecto a los fémures no cementados. Los resultados finales mostraron que el cemento óseo mejora definitivamente las propiedades del hueso osteoporótico y la metodología propuesta puede llegar a utilizarse como una herramienta preclínica para un diagnóstico más preciso.<br /

Caracterización in vitro e in silico de estructuras open-cell para hueso trabecular. Prevención de la fractura osteoporótica

Se espera que la osteoporosis sea partícipe de más de 9 millones de nuevas fracturas en todo el mundo, ya que es una de las enfermedades con mayor índice de impacto entre la población de los países desarrollados. Se define como una enfermedad ósea caracterizada por la pérdida de masa ósea con un aumento de la fragilidad y susceptibilidad a la fractura. Se sabe, además, que el hueso trabecular interviene, en gran medida, en las fracturas de cadera osteoporóticas. De hecho, numerosos estudios han intentado resolver las limitaciones derivadas de su morfología en la predicción del fallo óseo. Un tratamiento preventivo alternativo para reducir el riesgo de fractura osteoporótica incluye la inyección de cemento óseo (PMMA) en el fémur osteoporótico. Por lo tanto, el objetivo final de este TFM es conocer más los mecanismos de fallo asociados a la osteoporosis y poder usar los resultados obtenidos para ayudar a prevenir las fracturas osteoporóticas introduciendo cemento. Para alcanzar este objetivo, en este TFM se utilizan métodos experimentales y computacionales basados en el procesado de imagen con el fin de estimar el módulo elástico y las porosidades de diferentes estructuras open-cell (Sawbones, Malmö, Sweden). Por un lado, se caracterizaron experimentalmente tres tipos de estructuras de diferente densidad. Por otro lado, parte de esas estructuras se escanearon en un microCT, y a partir de las imágenes de tomografía computerizada se pudo predecir el módulo elástico, desarrollando para ello modelos de elementos finitos basados en elementos voxels y tetraedros. Se llevó a cabo una reconstrucción 3D usando MIMICs y 3-MATIC (Materialise NV, Lovaina, Bélgica), lo que permitió ejecutar análisis basados en el método de los elementos finitos en ABAQUS (Dassault Systèmes Simulia Corp., Suresnes Francia). Seguidamente, se llevó a cabo un análisis comparativo entre las tipologías de mallas empleadas (mallas basadas en tetraedros lineales y cuadráticos, así como mallas de voxels), de los resultados computacionales con los experimentales, así como con los datos de propiedades mecánicas dados por el fabricante de las estructuras. Así, se obtuvieron diferencias importantes tanto en el módulo elástico como en las porosidades asociadas. Se observó que los elementos basados en tetraedros lineales presentaban mayores correlaciones en aquellos especímenes con menor porosidad. Por el contrario, los elementos cuadráticos representaban de una manera más adecuada aquellos especímenes con mayores porosidades. Además se ha desarrollado un modelo de difusión de cemento basado en la Teoría del Movimiento Aleatorio para predecir la difusión del mismo en un medio poroso como es el hueso trabecular osteoporótico. En los resultados obtenidos, se ha observado como la inyección de cemento mejora las propiedades mecánicas de las estructuras porosas

In vitro and in silico characterization of open-cell structures of trabecular bone

This work aimed to perform a detailed in vitro and in silico characterization of open-cell structures, which resemble trabecular bone, to elucidate osteoporosis failure mechanisms. Experimental and image-based computational methods were used to estimate Young's modulus and porosities of different open-cell structures (Sawbones; Malmö, Sweden). Three different open-cell structures with different porosities were characterized. Additionally, some open-cell structures were scanned using a microcomputed tomography system (µCT) to non-destructively predict specimen Young's modulus of the structures by developing voxel-based and tetrahedral finite element (FE) models. A 3D reconstruction and FE analyses were used. The experimental and computational results with different element types (linear and quadratic tetrahedrons and voxel-based meshes) were compared with Sawbones data (Sawbones; Malmö, Sweden) revealing important differences in Young's modulus and porosities. The specimens with high and low volume fractions were best represented by linear and quadratic tetrahedrons, respectively. These results could be used to develop new osteoporosis-prevention strategies

Reducing the environmental impact of surgery on a global scale: systematic review and co-prioritization with healthcare workers in 132 countries

Abstract Background Healthcare cannot achieve net-zero carbon without addressing operating theatres. The aim of this study was to prioritize feasible interventions to reduce the environmental impact of operating theatres. Methods This study adopted a four-phase Delphi consensus co-prioritization methodology. In phase 1, a systematic review of published interventions and global consultation of perioperative healthcare professionals were used to longlist interventions. In phase 2, iterative thematic analysis consolidated comparable interventions into a shortlist. In phase 3, the shortlist was co-prioritized based on patient and clinician views on acceptability, feasibility, and safety. In phase 4, ranked lists of interventions were presented by their relevance to high-income countries and low–middle-income countries. Results In phase 1, 43 interventions were identified, which had low uptake in practice according to 3042 professionals globally. In phase 2, a shortlist of 15 intervention domains was generated. In phase 3, interventions were deemed acceptable for more than 90 per cent of patients except for reducing general anaesthesia (84 per cent) and re-sterilization of ‘single-use’ consumables (86 per cent). In phase 4, the top three shortlisted interventions for high-income countries were: introducing recycling; reducing use of anaesthetic gases; and appropriate clinical waste processing. In phase 4, the top three shortlisted interventions for low–middle-income countries were: introducing reusable surgical devices; reducing use of consumables; and reducing the use of general anaesthesia. Conclusion This is a step toward environmentally sustainable operating environments with actionable interventions applicable to both high– and low–middle–income countries

Discrete particle model for cement infiltration within open-cell structures: Prevention of osteoporotic fracture.

This paper proposes a discrete particle model based on the random-walk theory for simulating cement infiltration within open-cell structures to prevent osteoporotic proximal femur fractures. Model parameters consider the cement viscosity (high and low) and the desired direction of injection (vertical and diagonal). In vitro and in silico characterizations of augmented open-cell structures validated the computational model and quantified the improved mechanical properties (Young's modulus) of the augmented specimens. The cement injection pattern was successfully predicted in all the simulated cases. All the augmented specimens exhibited enhanced mechanical properties computationally and experimentally (maximum improvements of 237.95 ± 12.91% and 246.85 ± 35.57%, respectively). The open-cell structures with high porosity fraction showed a considerable increase in mechanical properties. Cement augmentation in low porosity fraction specimens resulted in a lesser increase in mechanical properties. The results suggest that the proposed discrete particle model is adequate for use as a femoroplasty planning framework

Mean Young’s modulus improvement (%) in all the cases tested in vitro and in silico.

<p>STD indicates standard deviation. Bold numbers in the p-value column indicated a negative (-1) Pearson correlation coefficient.</p

Open-cell specimens, densities, porosities, mean experimental Young’s modulus [34] and the mean computational Young’s modulus [34].

<p>Open-cell specimens, densities, porosities, mean experimental Young’s modulus [<a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0199035#pone.0199035.ref034" target="_blank">34</a>] and the mean computational Young’s modulus [<a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0199035#pone.0199035.ref034" target="_blank">34</a>].</p

Sphericity of the cement cloud in all cases tested in vitro and in silico.

<p>STD indicates standard deviation.</p

Workflow for the in vitro and in silico characterization of open-cell structures: Non-augmented vs. augmented with cement.

<p>Workflow for the in vitro and in silico characterization of open-cell structures: Non-augmented vs. augmented with cement.</p

Mean Young’s modulus improvement (%) in all the cases tested in vitro and in silico: (A) vertical and (B) diagonal directions of injection.

<p>Bars indicate the standard deviation values (see <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0199035#pone.0199035.t002" target="_blank">Table 2</a>).</p