Uso del mef basado en mallados cartesianos para evaluar riesgo de fractura por osteoporosis a partir de imágenes 2d obtenidas mediante densitometría ósea

Abstract

[EN] Osteoporosis is a bone illness characterized by a reduction in the bone mineral density. This is responsible of millions of fractures every year making necessary to control the bone density to prevent risks. The technique commonly used for this is the bone densitometry where the diagnosis, based on statistical results obtained in the test from a radiographic image, establishes the fracture risk of the patient. Despite it is considered the reference test for this illness, the results are not accurate enough as about 40% of the patients that are diagnosed with a low fracture risk suffer a fracture by osteoporosis. On the other hand, the images obtained by the densitometry report are not used to diagnose the fracture risk discarding the data that it contains. In this Master’s Thesis, a new version of the software cgFEM, created in the Department of Mechanical and Materials Engineering, has been developed to process and analyse this images by means of the Finite Element Method. The objective is to make use of the data that is not used and to help to improve the osteoporosis diagnosis techniques.

The technique developed in this thesis is focused on hip densitometries, specifically on the upper part of the femur, as this is the zone where more fractures happen. Using the images, a femur model is created defining its geometry and the load, specified by the user, that will be applied. The Finite Element Method is the technique used to analyse the model. The presence of local defects that cannot be appreciated in the densitometry report, where the results are the average of the analysed zone, can be detected by the Finite Element solution, as well as the effect of the femur geometry. In addition, the possibility of selecting the applied load allows for including the weight as a variable to extract new conclusions that are not considered in the current densitometry test.

[ES] La osteoporosis es una enfermedad de los huesos caracterizada por una disminución de la densidad mineral ósea. Esta es responsable de millones de fracturas anuales haciendo necesario realizar un control de la densidad ósea para prevenir riesgos. La técnica comúnmente utilizada para llevar a cabo este control es la densitometría donde los diagnósticos que se ofrecen se basan en parámetros estadísticos obtenidos en la prueba a partir de una imagen radiográfica que determinan el riesgo de fractura al que está expuesto el paciente. Pese a ser considerada la prueba de referencia para esta enfermedad, los resultados no son lo suficientemente precisos ya que alrededor del 40% de los pacientes a los que se les ha diagnosticado un riesgo de fractura bajo terminan sufriendo una fractura por osteoporosis. Por otra parte, las imágenes proporcionadas en los informes de las densitometrías se usan únicamente para determinar dichos parámetros estadísticos que pueden entenderse como una densidad media y no tienen otros usos en el diagnóstico del paciente teniendo información en ellas que no se aprovecha. Es por ello que en la presente Tesis de Máster se ha desarrollado una versión del software cgFEM del Departamento de Ingeniería Mecánica y Materiales que permite procesar y analizar mediante elementos finitos estas imágenes. El objetivo es poder dar una utilidad a información que se está desperdiciando y ayudar a realizar unos diagnósticos más precisos en casos de osteoporosis. La versión realizada en este proyecto se centra en las densitometrías de cadera, concretamente en la parte superior del fémur, ya que es donde más roturas se producen. A partir de las imágenes se realiza un modelo del fémur definiendo su geometría y la carga que se le aplicará, el valor de la cual será escogido por el usuario, para posteriormente realizar el análisis mediante elementos finitos. En los resultados obtenidos se podrá ver el efecto de diversos factores que la densitometría no recoge como la geometría del cuello del fémur o si existen defectos locales en alguna zona del hueso. Además, la posibilidad de elegir la carga aplicada permite incluir el peso como variable pudiendo extraer nuevas conclusiones que no se contemplan al realizar la densitometría.

[CA]

La osteoporosi és una malaltia dels ossos caracteritzada per una disminució de la densitat mineral òssia. Aquesta es responsable de milions de fractures anuals fent necessari realitzar un control de la densitat òssia per a previndre riscos. La tècnica comunment utilitzada per a controlar la densitat òssia es la densitometria on els diagnòstics que s’oferixen es basen en paràmetres estadístics obtesos en la prova a partir d’una imatge radiogràfica que determinen el risc de fractura al que està exposat el pacient. Pese a ser considerada la prova de referència per a aquesta malaltia, els resultats no són suficientment precisos ja que al voltant del 40% dels pacients als que se’ls ha diagnosticat un risc de fractura baix acaben sofrint una fractura per osteoporosi. Per altra part, les imatges proporcionades en els informes de les densitometries s’utilitzen únicament per a determinar els paràmetres estadístics que poden entendres com una densitat mitja i no tenen altres ús en el diagnòstic del pacient tenint en elles informació que no s’aprofita. És per açò que en la present Tesi de Màster s’ha desenvolupat una versió del software cgFEM del Departament d’Enginyeria Mecànica i Materials que permet processar i analitzar mitjançant elements finits aquestes imatges. Amb aquesta tècnica es pretén poder donar una utilitat a informació que s’està malgastant i ajudar a realitzar uns diagnòstics més precisos en casos de osteoporosi. La versió realizatada en aquest projecte està centrada en les densitometries de maluc, concretament en la part superior del fèmur, ja que és on més trencaments es produeixen. A partir de les imatges es realitza un model del fèmur definint la seua geometria i la càrrega que s’aplicarà, la qual será escollida per l’usuari, per a posteriorment realitzar l’analisi mitjançant elements finits. En els resultats obtinguts es podrá veure l’efecte de diversos factors que la densitometria no recull com la geometria del coll del fémur o si existeixen en defectes locals alguna zona del os. Ademés, la possibilitat d’elegir la càrrega aplicada permet incloure el pes com a variable podent extraure noves conclusions que no es contemplaven al realitzar la densitometria.