Análisis de una herramienta de modelado biomecánico del fémur para la predicción de riesgo de fractura en población general a partir de imágenes radiológicas

Abstract

[ES] El objetivo del presente estudio de investigación ha sido el de perfeccionar y validar el uso de 3DHipFracture, herramienta de modelado biomecánico del fémur para la predicción del riesgo de fractura de cadera. Esta herramienta genera modelos de elementos finitos tridimensionales específicos de paciente a partir de las reconstrucciones en 3D de las imágenes radiológicas de absorciometría de rayos X de energía dual (DXA) y calcula, mediante la simulación de caída lateral o fractura espontánea, variables de interés en la predicción. Los datos clínicos y las reconstrucciones fueron proporcionados por el Grupo Biomédico ASCIRES. La muestra se compuso de 164 sujetos, todos ellos mujeres. A través del software 3D Slicer, se realizó la segmentación del fémur proximal en cada reconstrucción y con 3DHipFracture se simuló la caída lateral. Previamente, se aumentó la precisión de las soluciones mediante la reducción del tamaño del elemento. Con estos resultados se obtuvieron los intervalos de referencia de las variables para distintos grupos de edad. El análisis estadístico realizado confirmó la necesidad de considerar por separado las distintas regiones y tejidos del fémur, ya que se observaron diferencias estadísticamente significativas entre las medias de las variables biomecánicas en las distintas zonas y tejidos. Además, ante la sospecha de que el criterio de fallo actual de la herramienta no era válido, se estudió el valor predictivo de las variables y las relaciones entre ellas. Se concluyó que la variable MxPSN (deformación principal máxima) es la más adecuada para la definición del nuevo criterio de fallo. El último aspecto que se analizó fue la variabilidad intrausuario e interusuario. Como las diferencias obtenidas son elevadas, se sugiere estudiar la automatización completa del proceso. Por último, se creó una base de datos dentro de la herramienta que permite almacenar los resultados de las simulaciones realizadas, facilitando la consulta de los resultados y futuros análisis de la herramienta.

[CAT] L'objectiu del present estudi d'investigació ha sigut el de perfeccionar i validar l'ús de 3DHipFracture, eina de modelatge biomecànic del fèmur per a la predicció del risc de fractura de maluc. Aquesta eina genera models d'elements finits tridimensionals específics de pacient a partir de les reconstruccions en 3D de les imatges radiològiques d'absorciometria de raigs X d'energia dual (DXA) i calcula, mitjançant la simulació de caiguda lateral o fractura espontània, variables d’interès en la predicció. Les dades clíniques i les reconstruccions van ser proporcionats pel Grup Biomèdic ASCIRES. La mostra es va compondre de 164 subjectes, tots dones. A través del programa 3D Slicer, es va realitzar la segmentació del fèmur proximal en cada reconstrucció i amb 3DHipFracture es va simular la caiguda lateral. Prèviament, es va augmentar la precisió de les solucions mitjançant la reducció de la grandària de l'element. Amb aquests resultats es van obtindre els intervals de referència de les variables per a diferents grups d'edat. L'anàlisi estadística realitzada va confirmar la necessitat de considerar per separat les diferents regions i teixits del fèmur, ja que es van observar diferències estadísticament significatives entre les mitjanes de les variables biomecàniques en les diferents zones i teixits. A més, davant la sospita que el criteri de fallada actual de l'eina no era vàlid, es va estudiar el valor predictiu de les variables i les relacions entre elles. Es va concloure que la variable MxPSN (deformació principal màxima) és la més adequada per a la definició del nou criteri de fallada. L'últim aspecte que es va analitzar va ser la variabilitat intrausuari i interusuari. Com les diferències obtingudes són elevades, se suggereix estudiar l'automatització completa del procés. Finalment, es va crear una base de dades dins de l'eina que permet emmagatzemar els resultats de les simulacions realitzades, facilitant la consulta dels resultats i futures anàlisis de l'eina.

[EN] The purpose of this research was to improve and validate the use of 3DHipFracture, a femur biomechanical modelling tool for hip fracture risk prediction. This tool generates patient-specific finite element models based on 3D reconstructions obtained from radiological images of dual-energy X-ray absorptiometry and calculates, through sideways fall or spontaneous fracture simulation, variables of interest for prediction. Clinical data and reconstructions were provided by Biomedical Group ASCIRES. The sample was composed by 164 subjects, all of them were women. By using the software 3D Slicer, the proximal femur was segmented in each reconstruction and the sideways fall was simulated with 3DHipFracture. Previously, accuracy of solutions was increased by reducing the element size. With these results, the reference intervals for the variables were obtained by age. The statistical analysis confirmed the necessity of considering separately different regions and tissues of femur. Statistically significant differences were found between means of the biomechanical variables at the different regions and tissues. In addition, given the suspicion that the existing failure criterion of the tool was not valid, predictive value of the variables and relationships between them were assessed. It was concluded that the most appropriate variable for the definition of a new failure criterion was the variable MxPSN (maximum principal strain). The last aspect analysed was the intraobserver and interobserver variability. As the differences obtained are high, it would be suggested to study the complete automation of the process. Finally, a database was created within the tool that allows to store results of the simulations done, facilitating the visualisation of results and future analysis of the tool.