Modelowanie remodelowania kości
Szkielet człowieka jest złożonym, hierarchicznym układem, w którym zmiany przestrzenne ujawniają się z czasem od poziomu komórki do poziomu całego ciała. Ta wieloskalowa natura procesu remodelowania kości wymaga metody modelowania, która pozwala uchwycić liczne procesy zachodzące w różnych skalach czasowych i przestrzennych. Taki opis matematyczny jest niezbędny nie tylko w celu zrozumienia adaptacyjnego charakteru kości, ale również do tworzenia modeli, projektowania implantów kostnych i rozpoznawania chorób. W tym celu naukowcy finansowani przez UE analizowali nowe narzędzi do oceny ilościowej zniekształceń na poziomie komórki i tkanki. W ramach projektu MAMBO (Methodologically accurate modelling of bone: New experimental methods for the validation of cortical bone tissue computer models) naukowcy przygotowali preparaty tkanki kostnej od zwierząt. Następnie wykonano obrazy 3D tych próbek, przeprowadzono wieloetapowy proces ładowania i dokonano cyfrowej korelacji objętości (DVC), aby śledzić miejscowe przemieszczenia i zniekształcenia. Jedną z wielu zalet DVC jest możliwość korzystania z obrazów tomografii mikrokomputerowej o wysokiej rozdzielczości w celu pozyskania wektora przemieszczenia w pełnym polu 3D. Następnie pola przemieszczenia różnicowano metodami różnicowania numerycznego, aby uzyskać mapy obciążenia. Przetestowano trzy różne strategie działania: dwie metody lokalne na bazie bezpośredniej korelacji i szybkiej transformacji Fouriera oraz metoda globalna na bazie zestawu narzędzi do rejestracji obrazu opracowanego w Sheffield (ShIRT) zintegrowanego z systemem rozwiązywania metodą elementów skończonych. Zarówno średni błąd, jak i błąd wpływający na poszczególne komponenty przemieszczenia i obciążenia wyliczono jako funkcję parametrów rejestracji. Nowe podejście globalne na bazie ShIRT umożliwiło dokładniejsze wyliczenie obciążenia tkanki kości gąbczastej i zbitej. Ten algorytm jest obecnie uważany za najbardziej wiarygodny spośród wzmiankowanych w źródłach literaturowych. Zniekształcenia można wyliczać z dużą dokładnością, zwykle około 500 μm, jednak nie zawsze będzie to wystarczające. W projekcie MAMBO nakreślono więc schemat doświadczalnej walidacji nowych modeli komputerowych kości na poziomie tkankowym. Tą metodą zwalidowano modele komputerowe istoty gąbczastej kości poprzez zastosowanie dwóch niezależnych, kilkuetapowych protokołów testowych z użyciem tego samego skanera do tomografii mikrokomputerowej. Wyniki ukazują doskonałą korelację między pomiarami przemieszczenia metodą DVC a prognozami postawionymi na podstawie modeli elementów skończonych wykorzystującymi obrazowanie tomografii mikrokomputerowej określonych preparatów kostnych. Jest to ważny krok w kierunku walidacji modeli komputerowych, które mogą zostać wykorzystane w badaniu remodelowania kości, siły tkanki kostnej i zachowania kości podczas złamań.
Słowa kluczowe
Remodelowanie kości, szkielet człowieka, MAMBO, tkanka kostna, złamanie kości
