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Bibliographic Metadata

Title
Fracture load prediction in patients with metastatic lesions in the femur using finite element analysis / submitted by Emir Benca
Additional Titles
Abschätzung der femoralen Bruchlast bei Patienten mit metastatischen Läsionen unter Anwendung der Finite-Elemente-Methode
AuthorBenca, Emir
Thesis advisorMayr, Winfried
PublishedWien, January 2017
DescriptionXVIII, 108 Seiten : Illustrationen
Institutional NoteMedizinische Universität, Dissertation, 2017
Annotation
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Femur / pathologische Fraktur / metastatische Läsion / finite Elemente / Simulation / Bruchlast / femoraler Schenkelhals / Metastase / Knochenmetastase / Frakturrisiko
Keywords (EN)femur / pathologic fracture / metastatic lesion / finite element / simulation / failure load / femoral neck / metastasis / bone metastasis / fracture risk
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-9688 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
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Fracture load prediction in patients with metastatic lesions in the femur using finite element analysis [9.78 mb]
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Abstract (English)

Pathologic femoral fractures in patients with metastatic cancer are associated with high morbidity and mortality. Clinical predictions of impending fractures are inaccurate and often lead to overtreatment or underestimation. If the specific fracture risk could be assessed, patients with an impendingfracture could be saved from a traumatic event, while others with a non-impending fracture could be spared from unnecessary prophylactic treatment.

This study was aiming to investigate the effect of metastatic lesions on the biomechanical behaviour of the proximal femur. In more detail, a quantitative computed tomography (QCT)-based homogenized voxel finite element (hvFE) model was developed allowing a patient-specific pathologicfracture prediction.

First, regions in the femur, most affected by metastatic lesions, were identified by reviewing clinical data of patients, who suffered a pathologic fracture. Sixteen pairs human femora were used for data collection of the study. One femur of each pair remained intact while a defined lesion, based on clinical findings, was milled out in either the superolateral or inferomedial portion of theneck of the contralateral femur. Prior to the biomechanical experiment, the femora were scanned with QCT. All femora were loaded in a mechanical setup mimicking one-legged stance. Stiffness, ultimate load, and fracture location were evaluated. In parallel, nonlinear hvFE models were generated from QCT images of the specimens and loaded in the same way as in the experiments. Data from the experiments and simulations were compared statistically to validate the hvFE model. A first finding was that the most affected region in reviewed patients was the superolateral- and inferomedial femoral neck, causing a higher stiffness reduction in specimens with the inferomediallesion. The mean ultimate load in experiments was 40% and 75% lower for specimen with the superolateral and inferomedial lesions, respectively, compared to intact specimens. The hvFEmodel predicted both stiffness and ultimate load for tested specimens in high correlation with experimental data and with higher accuracy than clinical guidelines. In addition, the model predicted qualitatively well the failure location.

Lesions in the femoral neck lead to a reduction of structural integrity, whereby their site has a predominant effect on the magnitude of the reduction, underlining the inaccuracy of current predictive clinical guidelines. The automated subject-specific QCT-based hvFE model could predict the effectof metastatic lesions in the proximal femur better than clinical guidelines. Furthermore, it provided qualitative information about stiffness, ultimate load, and failure location in pathologic femora.

Abstract (German)

Pathologische Frakturen bei Patienten mit metastasierendem Krebs führen zu einer erhöhten Morbidität und Mortalität. Aktuelle Vorhersagemethoden bevorstehender Frakturen sind ungenau und führen oft zum Übertherapieren oder zur Unterschätzung. Die Bestimmung des individuellen Frakturrisikos könnte Patienten mit einer drohenden Fraktur vor einem Trauma bewahren, während anderen Patienten eine unnötiger prophylaktische operative Behandlung erspart werden könnte.

Das Ziel dieser Arbeit war es den Einfluss von metastatischen Läsionen auf das biomechanischeVerhalten des proximalen Femurs zu untersuchen. Des Weiteren wurde ein auf quantitativer Computertomographie(QCT) basierendes homogenisiertes nichtlineares Voxel-Finite-Elemente-Modell(hvFE) erstellt um die patientenindividuelle pathologische Frakturabschätzung zu ermöglichen.

Als Erstes wurden klinische Daten von Patienten mit metastatischen Läsionen am Femur, welcheproximal eine pathologische Fraktur erlitten haben, ausgewertet um die Lagen, welche am häufigsten von den Läsionen betroffen sind zu bestimmen. Insgesamt wurden für die Datengewinnungder Studie 16 Paare humane Femora verwendet. Ein Femur jeden Paares wurde intaktbelassen, während am Femur der kontralateralen Seite eine definierte Läsion, basierend auf klinischer Verteilung, im superolateralen- bzw. inferomedialen Schenkelhalsbereich aufgebracht wurde. Vor dem biomechanischen Experiment wurden die Femora mit QCT gescannt. Alle Femora wurdenin einem Standlastfall belastet und die Steifigkeit, Festigkeit, sowie Bruchstelle evaluiert. Paralleldazu wurden nichtlineare hvFE Modelle aus QCT-Daten der Präparate generiert und den gleichen Belastungsbedingungen wie im biomechanischen Experiment unterzogen. Experimentelle Simulationsdatenwurden statistisch korreliert um das hvFE Modell zu validieren.

Der superolaterale und inferomediale Schenkelhals waren die von Metastasen am meisten betroffenen Regionen mit einer höheren Steifigkeitsreduktion bei inferomedialen Läsionen. Die mittlereexperimentelle Festigkeit war um 40% bzw. 75% niedriger bei Präparaten mit superolateraler bzw. inferomedialer Läsion im Vergleich zu gesunden Präparaten. Die QCT-basierende hvFE Modellekonnten die Steifigkeit und Festigkeit in hoher Korrelation mit experimentellen Daten vorhersagen und mit höherer Genauigkeit, als klinische Methoden und zusätzlich die Bruchstelle qualitativ gutbestimmen.

Läsionen am femoralen Schenkelhals führten zur Reduktion der strukturellen Integrität, wobei ihreLage einen großen Einfluss auf das Ausmaß dieser Reduktion hat. Präsentierte Daten zeigten einehohe Ungenauigkeit von aktuellen klinischen Methoden zur Frakturrisikoabschätzung. Patientenspezifische hoch-automatisierte hvFE Modelle konnten den Effekt von metastatischen Läsionen auf das biomechanische Verhalten des proximalen Femur besser als klinische Methoden voraussagen und liefern eine qualitative Information über die Steifigkeit, Festigkeit, sowie die Bruchstellein den pathologischen Knochen.

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