Development of a patient-specific finite element model for augmented vertebral bodies

Abstract

Wirbelkörperfrakturen in Folge von Osteoporose betreffen jährlich etwa 700,000 Patienten in den USA und 1.4 Millionen in Europa.<br />Die perkutane Injektion von Knochenzement in den Wirbelkörper, bekannt als Vertebroplastie, kann die Steifigkeit und Festigkeit nach einer Fraktur wiederherstellen und führt meist zu rascher und dauerhafter Schmerzlinderung. Bedenklich ist jedoch das erhöhte Frakturrisiko benachbarten Wirbel und die veränderte Spannungsübertragung, die mit der Vertebroplastie verbunden sind. Ziel war deshalb die Entwicklung und Validierung eines patientenspezifischen, homogenisierten Finite Elemente (hsFE) Modelles für Vertebroplastie, das zur Verbesserung der klinischen Ergebnisse und zur Vermeidung der erwähnten Komplikationen beitragen kann.<br />In der ersten Studie wurden neunundvierzig Wirbelkörperschichten (WKS) durch Entfernen der kortikalen Endplatten präpariert und wurden mit standard oder low-modulus Knochenzement auf Polymethylmethacrylat (PMMA) Basis augmentiert. Alle WKS wurden vor und nach dem Augmentieren mit einem hochauflösenden CT gescannt und in Druckversuchen getestet. Die apparente Steifigkeit und Festigkeit sowie die Kontaktdruckverteilungen zwischen Druckplatten und WKS wurden gemessen. Die Daten wurden verwendet um die Auswirkungen der Augmentierung zwischen beiden Zementen zu vergleichen, als Grundlage für die hsFE Modelle und um diese zu validieren. Ziel des zweiten Arbeitspakets war die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften des PMMA/Knochen-Verbunds in der augmentierten Region. Biopsien wurden aus dem augmentierten Bereich entnommen, mit einem mikro-CT gescannt und in Druckversuchen getestet um ein nichtlineares Materialmodell zu entwickeln. Nichtlineare mikro-FE Modelle der Biopsien wurden verwendet um verschiedene Parameter, die das mechanische Verhalten des PMMA/Knochen-Verbunds beeinflussen, zu untersuchen. Im letzten Schritt wurden die experimentellen Daten verwendet um die hsFE Modelle zu entwickeln und zu validieren. Die Modelle enthielten ein nichtlineares, morphologiebasiertes Materialverhalten für Knochen, eine patientenspezifische Geometrie mit expliziter Modellierung der Kortikalis sowie reale Zementverteilungen und das nichtlineare PMMA/Knochen Materialmodell. Die entwickelten Methoden erlaubten eine vollautomatische Generierung der hsFE Modelle aus CT Bildern.<br />Die Studien zeigten (1) dass low-modulus Zement das Potential hat Komplikationen zu reduzieren und trotzdem eine ausreichende Festigkeit zu gewähleisten, (2) dass die Materialeigenschaften der augmentierten Region hauptsächlich von die Porosität abhängen, (3) aber auch durch Polymerisationsschwund und die Eigenschaften des PMMA/Knochen-Interfaces beeinflusst werden und (4) dass die hsFE Modelle eine gute Prädiktion des apparenten sowie lokalen mechanischen Verhaltens ermöglichen.<br />Die Entwicklungen und Untersuchungen trugen zu einem besseren Verständnis der Biomechanik der Vertebroplastie bei, erklärten das mechanische Verhalten der augmentierten Region und stellten ein neuartiges, präzises Simulationswerkzeug für zukünftige, präklinische Studien bereit.<br />

Vertebral compression fractures due to osteoporosis affects approximately 700,000 patients in the US and 1.4 million in Europe. The percutaneous injection of bone cement into the vertebral body, known as vertebroplasty, is able to restore the stiffness and strength of fractured vertebral bodies and leads to immediate and lasting pain relief in the majority of cases. Of concern, however are the increased risk of adjacent level fractures and the alteration of stress transfer associated with vertebroplasty. Therefore, the objective of this thesis was to develop and validate a patient-specific, homogenized finite element (hsFE) model for vertebroplasty that can be used to improve clinical outcomes and to reduce the mentioned complications.<br />In the first study, forty-nine human vertebral body sections were prepared by removing the cortical endplates and were augmented with either standard or low-modulus poly-methyl-methacrylate (PMMA) bone cement. All specimens were scanned with a high-resolution CT system and were tested in compression before and after augmentation. Apparent stiffness and strength as well as contact pressure distributions between the specimens and both loading plates were obtained. This data was used to compare the effects of standard and low-modulus cement augmentation, to generate the hsFE models and to validate them. The second work package aimed at characterizing and understanding the mechanical behaviour of the PMMA/bone composite in the augmented region. Biopsies were extracted from the augmented region, scanned with a micro-CT system and tested in compression to develop a non-linear material model for PMMA/bone composites. Non-linear micro-FE models of the biopsies were used to investigate various parameters affecting the mechanical behaviour of PMMA/bone composites. In the final work step, the previously obtained data and results were used to develop and validate the hsFE approach. The hsFE models featured non-linear, morphology based material behaviour of bone, patient-specific geometry with explicit modelling of the cortical shell as well as real cement distributions and the non-linear PMMA/bone material model. The developed methods allowed fully automatic generation of the hsFE models from CT images.<br />The studies of this thesis showed (1) that low-modulus cement has the potential to reduce complications while providing sufficient strengthening of the vertebral body, (2) that the material properties of the augmented region are mainly determined by the porosity, (3) but are also influenced by polymerization shrinkage and PMMA/bone interface properties and (4) that the developed hsFE models provided good qualitative and quantitative predictions of the apparent as well as of the local mechanical behaviour.<br />In conclusion, the developments and investigations of this thesis contributed to a better understanding of the biomechanics of vertebroplasty, explained the material behaviour of the augmented region and provided a novel, accurate simulation tool for future use in pre-clinical studies.