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Prediction of bone strength by μCT and MDCT-based finite-element-models: How much spatial resolution is needed?

Bauer, Jan S. und Sidorenko, Irina und Mueller, Dirk und Baum, Thomas und Issever, Ahi Sema und Eckstein, Felix und Rummeny, Ernst J. und Link, Thomas M. und Räth, Christoph (2014) Prediction of bone strength by μCT and MDCT-based finite-element-models: How much spatial resolution is needed? European Journal of Radiology, 83 (1), e36-e42. Elsevier. doi: 10.1016/j.ejrad.2013.10.024. ISSN 0720-048X.

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Offizielle URL: https://doi.org/10.1016/j.ejrad.2013.10.024

Kurzfassung

OBJECTIVES: Finite-element-models (FEM) are a promising technology to predict bone strength and fracture risk. Usually, the highest spatial resolution technically available is used, but this requires excessive computation time and memory in numerical simulations of large volumes. Thus, FEM were compared at decreasing resolutions with respect to local strain distribution and prediction of failure load to (1) validate MDCT-based FEM and to (2) optimize spatial resolution to save computation time. MATERIALS AND METHODS: 20 cylindrical trabecular bone specimens (diameter 12 mm, length 15-20mm) were harvested from elderly formalin-fixed human thoracic spines. All specimens were examined by micro-CT (isotropic resolution 30 μm) and whole-body multi-row-detector computed tomography (MDCT, 250 μm × 250 μm × 500 μm). The resolution of all datasets was lowered in eight steps to ~ 2,000 μm × 2000 μm × 500 μm and FEM were calculated at all resolutions. Failure load was determined by biomechanical testing. Probability density functions of local micro-strains were compared in all datasets and correlations between FEM-based and biomechanically measured failure loads were determined. RESULTS: The distribution of local micro-strains was similar for micro-CT and MDCT at comparable resolutions and showed a shift toward higher average values with decreasing resolution, corresponding to the increasing apparent trabecular thickness. Small micro-strains (εeff<0.005) could be calculated down to 250 μm × 250 μm × 500 μm. Biomechanically determined failure load showed significant correlations with all FEM, up to r=0.85 and did not significantly change with lower resolution but decreased with high thresholds, due to loss of trabecular connectivity. CONCLUSION: When choosing connectivity-preserving thresholds, both micro-CT- and MDCT-based finite-element-models well predicted failure load and still accurately revealed the distribution of local micro-strains in spatial resolutions, available in vivo (250 μm × 250 μm × 500 μm), that thus seemed to be the optimal compromise between high accuracy and low computation time.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/95410/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Prediction of bone strength by μCT and MDCT-based finite-element-models: How much spatial resolution is needed?
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Bauer, Jan S.Technische Universität München, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Sidorenko, IrinaMax Planck Institut für extraterrestriesche Physik, Garching, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Mueller, DirkUniversität Köln, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Baum, ThomasTechnische Universität München, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Issever, Ahi SemaUniversity of California, San Francisco, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Eckstein, FelixParacelsus Medical University, Salzburg, AustriaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Rummeny, Ernst J.Technische Universität München, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Link, Thomas M.University of California, San Francisco, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Räth, ChristophDLR Research Group Complex Plasma, OberpfaffenhofenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2014
Erschienen in:European Journal of Radiology
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:83
DOI:10.1016/j.ejrad.2013.10.024
Seitenbereich:e36-e42
Verlag:Elsevier
ISSN:0720-048X
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Bone structure, FEM, data analysis
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Forschung unter Weltraumbedingungen
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R FR - Forschung unter Weltraumbedingungen
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Komplexe Plasmen / Datenanalyse (alt)
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Forschungsgruppe Komplexe Plasmen
Hinterlegt von: Räth, Christoph
Hinterlegt am:03 Mär 2015 09:32
Letzte Änderung:13 Jun 2023 12:42

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