Comparison of peri-implant loading in screw-bone constructs predicted by homogenized and micro FE models

Abstract

Eine wichtige Art der Frakturbehandlung ist die interne Fixierung komplizierter Knochenfrakturen durch Platten und Schrauben oder durch Knochenschrauben. Eine besonders häufige Fraktur ist die distale Radiusfraktur. Bei instabilen Frakturen hat sich die interne Stabilisierung mit einer volaren Verriegelungsplatte zu einer Standardmethode entwickelt. Eine unzureichende Verankerung der Schraube im Knochen kann jedoch zu einer Lockerung führen. Simulationen von Schrauben-Knochen-Konstrukten ermöglichen es, Forschungsfragen mit relativ geringen Kosten und ohne die Notwendigkeit wertvoller Gewebeproben, wie sie in Experimenten notwendig sind, zu untersuchen. Besonders Simulationen mit Finite-Elemente (FE)-Modellen haben dabei an Popularität gewonnen. Zwei häufig verwendete Arten von FE-Modellen sind Mikro-Finite-Elemente-Modelle (μFE) und homogenisierte Finite-Elemente-Modelle (hFE). μFE-Modelle sind genau und relativ einfach zu erstellen, erfordern jedoch mehr Rechenleistung. hFE-Modelle hingegen bieten einen recheneffizienten Modellierungsansatz. Die Mikroarchitektur des trabekulären Knochens wird jedoch nicht berücksichtigt (mm Elementgröße) und Materialeigenschaften werden basierend auf homogenisierten Materialeigenschaften abgeschätzt. Diese Studie untersucht die Beziehung der periimplantären volumengemittelten Verzerrungsenergiedichte (SED) zwischen hFE und μFE von Einzelschrauben-Knochen Konstrukten. Der Vergleich sollte mit verschiedenen hFE-Modellierungsstrategien unter verschiedenen Lastfällen erfolgen. Neun μCT-Scans von distalen Radiusabschnitten dienten als Grundlage dieser Studie. Aus den Radiusabschnitten wurde eine zylindrische Knochenprobe virtuell entnommen und eine Schraube virtuell implantiert. Für jede Knochenprobe wurden zwei unterschiedliche Belastungsfälle (axialer Auszug und Scherung) analysiert. Nach dem Lösen der FE-Modelle wurden benutzerdefinierte Skripte verwendet, um die Ausgabe auszuwerten. Die Ausgabe umfasste: 1) Steifigkeit, 2) Verzerrungsenergiedichten, gemittelt in einem zylindrischen Volumen um die Schraube. Die Ausgabe wurde für jede der neun Knochenproben, beide Lastfälle und beide Modelltypen (hFE, μFE) ausgewertet. In einem klinischen Szenario (inklusive eines Kortex) eines einzelnen Schrauben-Knochen-Konstrukts am distalen Radius wurde eine signifikante Korrelation zwischen den durchschnittlichen Verzerrungsenergiedichten (SED) des periimplantären Volumens und zwischen der Federsteifigkeit von hFE und μFE-Modelle in zwei Lastfällen gefunden. hFE-Modelle überschätzten die Steifigkeit und unterschätzten die volumengemittelten Verzerrungsenergiedichten. Der Unterschied zwischen hFE und μFE zeigte eine Abhängigkeit von knochenmorphometrischen Parametern und war besonders hoch bei Proben mit geringem Knochenvolumenanteil. Eine Teilstudie zur Modellierungsstrategie des trabekulären Knochenmaterials in den hFE-Modellen zeigte, dass die lokale Orthotropie des trabekulären Knochens die Genauigkeit und Präzision der Vorhersage der SED-Verteilung nur geringfügig verbesserte. Insgesamt zeigte diese Studie, dass hFE-Modelle volumengemittelte periimplantäre SEDs von Schraubknochenkonstrukten in guter Übereinstimmung mit μFE-Ergebnissen vorhersagen können, aber diese Übereinstimmung kann sich bei Knochenproben mit geringer Knochenvolumenqualität drastisch verschlechtern.

An important mode of fracture treatment is the internal fixation of complicated bone fractures with plates and screws or with bone screws. A particularly common fracture is the distal radius fracture. For unstable fractures, internal stabilization with a volar locking plate has become a standard method. However, insufficient anchoring of the screw in the bone can lead to loosening. Simulations of screw-bone constructs allow research questions to be addressed at relatively low cost and without the need for valuable tissue samples such as are necessary in experiments. In particular, simulations with finite element (FE) models have gained popularity. Two commonly used types of FE models are micro finite element models (μFE) and homogenized finite element models (hFE). μFE models are accurate and relatively easy to create, but require more computational power. hFE models, on the other hand, offer a computationally efficient modeling approach. However, trabecular bone microarchitecture is not considered (mm element size) and material properties are estimated based on homogenized material properties. This study investigates the relation of peri-implant volume-average strain energy density (SED) between hFE and μFE of single-screw bone constructs. The comparison should be made with different hFE modelling strategies under different load cases. Nine μCT scans of distal sections of the radius served as the basis of this study. A cylindrical bone sample was taken virtually from the radius sections and a screw was virtually implanted. Two different load cases (axial pull-out and shear) were analyzed for each bone sample. After solving the FE models, custom scripts were used to evaluate the output. The output included: 1) stiffness, 2) strain energy densities averaged in a cylindrical volume around the screw. The output was evaluated for each of the nine bone samples, both load cases and both model types (hFE, μFE). In a clinical scenario (i.e., including both trabecular bone and cortex) of a single screw-bone construct at the distal radius, a significant correlation was found between the mean strain energy densities (SED) of the peri-implant volume and between that of the spring stiffness of hFE and μFE models in two load cases. hFE models overestimated stiffness and underestimated volume-average strain energy densities. The difference between hFE and μFE showed a dependence on bone morphometric parameters and was particularly high in samples with low bone volume fraction. A sub-study on the modeling strategy of the trabecular bone material in the hFE models showed that the local orthotropy of the trabecular bone improved the accuracy and precision of the prediction of the SED distribution only slightly. Overall, this study showed that hFE models can predict volume-averaged peri-implant SEDs of screw bone constructs in good agreement with μFE results, but this agreement can degrade dramatically in bone samples with low bone volume quality.