Smoothing surfaces in voxel based finite element analysis of trabecular bones

Abstract. The (micro-)finite element analysis based on three-dimensional computed tomography (CT) data of human bone takes place on complicated domains composed of often hundreds of millions of voxel elements. The finite element analysis is used to determine stresses and strains at the trabecular level of bone. It is even used to predict fracture of osteoporotic bone. However, the computed stresses can deteriorate at the jagged surface of the voxel model. There are algorithms known to smooth surfaces of voxel models. Smoothing however can distort the element geometries. In this study we investigate the effects of smoothing on the accuracy of the finite element solution, on the condition of the resulting system matrix, and on the effectiveness of the smoothed aggregation multigrid preconditioned conjugate gradient method.

Improving quality of care: development of a risk-adjusted perioperative morbidity model for vaginal hysterectomy

OBJECTIVE: We sought to develop and evaluate a risk-adjusted perioperative morbidity model for vaginal hysterectomy. STUDY DESIGN: Medical records of women who underwent vaginal hysterectomy during 2004 and 2005 were retrospectively reviewed. Morbidity included hospital readmission, reoperation, and unplanned medical intervention or intensive care unit admission; urinary tract infections were excluded. Multivariate logistic regression identified factors associated with perioperative morbidity (adjusted for urinary tract infection). The resulting model was validated using a random 2006 sample. RESULTS: Of 712 patients, 139 (19.5%) had morbidity associated with congestive heart failure or prior myocardial infarction, perioperative hemoglobin decrease >3.1 g/dL, preoperative hemoglobin <12.0 g/dL, and prior thrombosis (c-index = 0.68). Predicted morbidity was similar to observed rates in the validation sample. CONCLUSION: History of congestive heart failure or myocardial infarction, prior thrombosis, perioperative hemoglobin decrease >3.1 g/dL, or preoperative hemoglobin <12.0 g/dL were associated with increased perioperative complications. Quality improvement efforts should modify these variables to optimize outcome

Body mass index as a predictor of fracture risk: A meta-analysis

Low body mass index (BMI) is a well-documented risk factor for future fracture. The aim of this study was to quantify this effect and to explore the association of BMI with fracture risk in relation to age, gender and bone mineral density (BMD) from an international perspective using worldwide data. We studied individual participant data from almost 60,000 men and women from 12 prospective population-based cohorts comprising Rotterdam, EVOS/EPOS, CaMos, Rochester, Sheffield, Dubbo, EPIDOS, OFELY, Kuopio, Hiroshima, and two cohorts from Gothenburg, with a total follow-up of over 250,000 person years. The effects of BMI, BMD, age and gender on the risk of any fracture, any osteoporotic fracture, and hip fracture alone was examined using a Poisson regression model in each cohort separately. The results of the different studies were then merged. Without information on BMD, the age-adjusted risk for any type of fracture increased significantly with lower BMI. Overall, the risk ratio (RR) per unit higher BMI was 0.98 (95% confidence interval [CI], 0.97-0.99) for any fracture, 0.97 (95% CI, 0.96-0.98) for osteoporotic fracture and 0.93 (95% CI, 0.91-0.94) for hip fracture (all p 0.30). After adjusting for BMD, these RR became 1 for any fracture or osteoporotic fracture and 0.98 for hip fracture (significant in women). The gradient of fracture risk without adjustment for BMD was not linearly distributed across values for BMI. Instead, the contribution to fracture risk was much more marked at low values of BMI than at values above the median. This nonlinear relation of risk with BMI was most evident for hip fracture risk. When compared with a BMI of 25 kg/m(2), a BMI of 20 kg/m(2) was associated with a nearly twofold increase in risk ratio (RR=1.95; 95% CI, 1.71-2.22) for hip fracture. In contrast, a BMI of 30 kg/m(2), when compared with a BMI of 25 kg/m(2), was associated with only a 17% reduction in hip fracture risk (RR=0.83; 95% CI, 0.69-0.99). We conclude that low BMI confers a risk of substantial importance for all fractures that is largely independent of age and sex, but dependent on BMD. The significance of BMI as a risk factor varies according to the level of BMI. Its validation on an international basis permits the use of this risk factor in case-finding strategies

Diagnosi radiologica delle fratture da osteoporosi

Nella pratica clinica la valutazione delle fratture vertebrali si basa comunemente sulla lettura dei radiogrammi da parte del radiologo, prima essenziale tappa per la diagnosi differenziale delle varie cause di deformità vertebrale . Tale approccio è soggettivo e trova spesso in disaccordo due radiologi sul considerare frattura una data deformità vertebrale per vari motivi relativi alla mancanza di un “gold standard” radiologico, alla presentazione clinica variabile delle fratture, al fatto che la loro storia naturale è sconosciuta, e alle diverse esigenze della pratica clinica rispetto alla ricerca. Per rendere più precisa la identificazione delle fratture vertebrali sono stati proposti negli ultimi 20 anni vari metodi in grado di fornire una valutazione più o meno quantitativa del rachide. Tali metodi si possono suddividere in due gruppi, visivi semiquantitativi e morfometrici quantitativi. Metodi visivi semiquantitativi Questi metodi prevedono che il radiologo esperto con la semplice valutazione visiva dei radiogrammi non si limiti ad identificare le fratture vertebrali, ma assegni loro un punteggio in base alla gravità della deformazione del corpo vertebrale, senza comunque effettuare la misurazione delle dimensioni vertebrali. Tra tutti i metodi proposti in passato, quello ancora utilizzato è il metodo di semiquantitativo di H.K. Genant, il quale sottolinea l’importanza della lettura dei radiogrammi da parte di un radiologo esperto per poter discriminare le varie cause di deformità vertebrali. Una volta diagnosticata la natura osteoporotica della frattura vertebrale il radiologo esperto esegue una valutazione visiva semiquantitativa, classificando le vertebre in “normali”, “borderline”, “fratture lievi”, “fratture moderate” e “fratture gravi” Valutare la severità della deformità come riduzione delle altezze vertebrali rende possibile anche l’accertamento dell’insorgenza di nuove fratture nel follow-up del paziente in base alla riclassificazione di una data vertebra rispetto alla valutazione basale. Questo metodo permette di raggiungere una elevata concordanza di giudizio tra due radiologi esperti dimostrandosi altamente riproducibile per la diagnosi sia di prevalenza che di incidenza delle fratture vertebrali . La precisione di questo metodo è tuttavia dipendente dalla esperienza dei radiologi e, comunque, diminuisce per la identificazione delle fratture di grado lieve (“mild”). La morfometria vertebrale è una metodica che si basa sulla misura delle altezze anteriore, centrale e posteriore dei corpi vertebrali, per stabilire quale di queste sia ridotta oltre un certo valore soglia così da poter diagnosticare una frattura vertebrale. La morfometria vertebrale può essere eseguita sulle immagini ottenute con apparecchio radiologico tradizionale e successivamente digitalizzate (MRX: morphometric X-ray radiography) sia su quelle ottenute con gli apparecchi per densitometria utilizzanti metodica DEXA (MXA: morphometric X-ray absorptiometry). Vari studi comparativi hanno dimostrato che entrambe le tecniche sono dotate di buona precisione, più elevata comunque per la MRX, il cui coefficiente di variabilità, sia intra-che interoperatore, è risultato più basso rispetto alla MXA. Le due tecniche, la MRX e la MXA sono sovrapponibili sia per sensibilità che per specificità nella identificazione delle fratture vertebrali. La MXA avendo il grosso vantaggio di esporre il paziente ad una bassa dose di radiazioni ( <10mSv versus 800mSv della MRX) potrebbe essere proposta come metodica di screening per la iniziale identificazione delle fratture vertebrali da osteoporosi, da confermare o meno con l’esama radiologico tradizionale del rachide. Tale esame può fornire elementi utili per effettuare una diagnosi differenziale tra le varie cause, benigne e maligne delle deformità vertebrali., ricorrendo nei casi dubbi ad esami più complessi, TC o RM. Una volta effettuata la diagnosi di frattura vertebrale da osteoporosi, per valutare l’efficacia della terapia sulla prevenzione delle fratture vertebrali è preferibile utilizzare la MXA, sia per la bassa dose di esposizione, sia per la maggior riproducibilità dovuta al più facile posizionamento del paziente. L’utilità della morfometria vertebrale sta quindi, sia nel consentire di identificare il maggior numero possibile di fratture vertebrali, sia nella possibilità di seguire nel tempo l’andamento delle altezze vertebrali, prevedendo, quindi, l’insorgenza di una frattura vertebrale, intesa come deformazione di grado lieve, asintomatica ed atraumatica. Ciò è molto importante se si considera che la determinazione della massa ossea con la densitometria, pur essendo la principale indagine per la valutazione del rischio fratturativo, in realtà., non sempre ci permette di raggiungere questo scopo. In conclusione, per una completa valutazione del paziente con osteoporosi appare necessario effettuare con la metodica DEXA, durante la stessa seduta , oltre la valutazione della densità ossea, anche l’acquisizione della immagine del rachide al fine di selezionare i soggetti da sottoporre alle radiografie del rachide dorsale e lombare per o meno diagnosi di frattura vertebrale da osteoporosi

Assessment of volumetric bone mineral density of the femoral neck in postmenopausal women with and without vertebral fractures using quantitative multi-slice CT

Objective: To demonstrate the validity and reliability of volumetric quantitative computed tomography (vQCT) with multi-slice computed tomography (MSCT) and dual energy X-ray absorptiometry (DXA) for hip bone mineral density (BMD) measurements, and to compare the differences between the two techniques in discriminating postmenopausal women with osteoporosis-related vertebral fractures from those without. Methods: Ninety subjects were enrolled and divided into three groups based on the BMD values of the lumbar spine and/or the femoral neck by DXA. Groups 1 and 2 consisted of postmenopausal women with BMD changes <−2SD, with and without radiographically confirmed vertebral fracture (n=11 and 33, respectively). Group 3 comprised normal controls with BMD changes ≥−1SD (n=46). Post-MSCT (GE, LightSpeed16) scan reconstructed images of the abdominal-pelvic region, 1.25 mm thick per slice, were processed by OsteoCAD software to calculate the following parameters: volumetric BMD values of trabecular bone (TRAB), cortical bone (CORT), and integral bone (INTGL) of the left femoral neck, femoral neck axis length (NAL), and minimum cross-section area (mCSA). DXA BMD measurements of the lumbar spine (AP-SPINE) and the left femoral neck (NECK) also were performed for each subject. Results: The values of all seven parameters were significantly lower in subjects of Groups 1 and 2 than in normal postmenopausal women (P<0.05, respectively). Comparing Groups 1 and 2, 3D-TRAB and 3D-INTGL were significantly lower in postmenopausal women with vertebral fracture(s) [(109.8±9.61) and (243.3±33.0) mg/cm3, respectively] than in those without [(148.9±7.47) and (285.4±17.8) mg/cm3, respectively] (P<0.05, respectively), but no significant differences were evident in AP-SPINE or NECK BMD. Conclusion: the femoral neck-derived volumetric BMD parameters using vQCT appeared better than the DXA-derived ones in discriminating osteoporotic postmenopausal women with vertebral fractures from those without. vQCT might be useful to evaluate the effect of osteoporotic vertebral fracture status on changes in bone mass in the femoral neck