پيش‌بيني محل شكستگي استخوان ران با استفاده از تحليل المان محدود مدل حاصل از تصاوير دستگاه سنجش تراكم استخوان

Prediction of femoral fracture pattern using finite element analysis of dual-energy X-ray absorptiometry -based model

شكستگي استخواني ناشي از پوكي استخوان، يكي از مشكلات اصلي سلامت عمومي است به همين دليل، اين موضوع توجه بسياري از پزشكان و محققان زيست پزشكي را به خود جلب كرده است. در همين راستا هدف اصلي از اين مطالعه، پيش‌بيني محل شكستگي استخوان ران تحت شرايط بارگذاري مختلف مي‌باشد.امروزه استفاده از دستگاه‌هاي سنجش تراكم استخوان در كلينيك‌ها براي ارزيابي و پيش‌بيني پوكي استخوان گسترش‌يافته است. ازاين رو در اين پژوهش تحليل‌هاي المان محدود با به‌كارگيري مدل‌هايي بر مبناي تصاوير و گزارش دستگاه جذب‌سنجي دوگانه اشعه ايكس براي پيش‌بيني الگوي شكستگي انجام گرديده است. مدل‌هاي المان محدود در ابتدا بر مبناي تراكم مواد معدني گزارش‌شده درچهارناحيه مشخص شامل گردن، تروكانتر بزرگ، تروكانتر مياني و كل استخوان ران مدل تهيه شد. پس‌ از آن به ‌منظور بهبود دقت پيش‌بيني‌هاي انجام‌شده، نقشه تراكم مواد معدني استخواني به ‌صورت پيكسل به پيكسل با توجه به داده‌هاي خام دستگاه سنجش تراكم استخوان هولوژيك استخراج گرديد. تحليل‌هاي خطي المان محدود با استفاده از معيار حداكثر فاكتور خطر تعريف‌شده براساس نرخ چگالي انرژي كرنشي به چگالي انرژي كرنشي نهايي انجام شد و بدين ترتيب محل المان‌هاي بحراني به ‌عنوان محل شكستگي استخوان ران مشخص گرديد. نتايج به‌‌دست‌آمده حاكي از آن است كه استفاده از توزيع غير همگن تراكم مواد معدني استخواني در تحليل المان محدود مدل‌هاي دوبعدي مبتني بر روش جذب‌سنجي دوگانه اشعه ايكس مي‌تواند به‌ عنوان يك ابزار كارآمد جهت پيش‌بيني محل بروز شكستگي استخوان محسوب گردد.

Osteoporotic bone fracture is a significant public health problem. Therefore, it has attracted several physicians' and biomedical researchers' attention. The main objective of this study is to predict hip fracture location under various loading conditions. The use of bone densitometry in clinics to evaluate and predict osteoporosis has been expanded. Therefore, in this research, finite element analysis is carried out using models based on images and reports of dual-energy X-ray absorptiometry system to predict the femoral fracture pattern. Initially, the finite element models were created based on the bone mineral density reported in four distinct regions including neck, greater trochanter, inter trochanter, and total hip. To improve the accuracy of predictions, the pixel by pixel bone mineral density map was extracted based on the raw data of the HOLOGIC bone densitometry device. Linear finite element analysis was performed using the maximum risk factor, which has been defined based on the ratio of the strain energy density to the yield strain energy density, and thus the location of femoral fractures was determined based on the location of critical elements. The results demonstrate that using the non-homogeneous distribution of bone mineral density in a finite element analysis of the 2D models based on dual-energy X-ray absorptiometry can be considered as a useful tool for predicting the location of the bone fracture.