Comparison of MRI- and CT-based finite element models of the proximal femur

Abstract

Motivation: Computertomographie (CT)-basierte Finite-Elemente (FE)-Analyse ist ein etabliertes Verfahren in der Knochenbiomechanik, beinhaltet jedoch ionisierende Strahlung. Magnetresonanztomographie (MRT) stellt eine strahlungsfreie Alternative dar, deren Einsatz für FE-Analyse bereits demonstriert wurde. Ein direkter Vergleich mit CT-basierten FE-Modellergebnissen fehlt jedoch. Das Ziel war der Vergleich der FE-Resultate basierend auf beiden Messmethoden von proximalen Femora im Einbeinstand sowie die Verbesserung MRT-basierter FE-Vorhersagen durch die Etablierung eines Kalibrierungsgesetzes aus elementspezifischen Aschedichte-unterschieden.Methodik: Drei linke proximale Femora einem männlichen und von zwei weiblichen Körperspendern wurden ex vivo mit klinischen MRT- und CT-Scannern untersucht. Basierend auf der Knochensegmentierung der MRT- und CT-Bilder wurde ein Tetraeder-FE-Netz erstellt und der Knochen wurde als elastoplastisches, isotropes, aschedichte-abhängiges Material modelliert. Es wurden vier Modelle erstellt: ein state-of-the-art CT-Modell (in dem die Aschedichte direkt aus CT-Bildern berechnet wurde), ein literatur-basiertes MRT-Modell (unter Verwendung von Aschedichten, die eine lineare Skalierung der MRT-Signalintensitäten darstellen), ein theoretisch ideales proben-spezifisches MRT-Modell (in dem die Aschedichte mit entsprechenden CT-Aufnahmen kalibriert wurde) und ein praktisch mögliches gepooltes MRT-Modell (mit einer gepoolten Kalibrierung der Aschedichte über alle Aufnahmen). Randbedingungen wurden angewendet und eine FE-Analyse durchgeführt.Ergebnisse: Die FE-Vorhersagen der drei verschiedenen MRT-Modelltypen wurden mit den CT-Modellen der drei Oberschenkelknochen verglichen. Das literaturbasierte MRT-Modell überschätzte den mittleren relativen Fehler der maximalen Kraft und der Steifigkeit um 67.13 % (min/max = 26.43/104.33 %) bzw. 34.41 % (min/max = 5.06/59.57 %). Das theoretisch ideale proben-spezifische MRT-Modell zeigte das Potenzial von MRT-basierten FE-Modellen mit einem sehr niedrigen mittleren relativen Fehler für die maximale Kraft von -0.46 % (min/max = -5.00/4.66 %) und für die Steifigkeit um -6.46 % (min/max = -13.32/4.16 %). Auch das praktisch mögliche gepoolte MRT-Modell stimmte weitgehend mit dem CT-basierten Modell überein, was sich in einem niedrigen mittleren relativen Fehler für die maximale Kraft von -6.61 % (min/max = -31.45/11.02 %) und für die Steifigkeit von -10.08 % (min/max = -34.31/5.88 %) widerspiegelte. In allen vier MRT- und CT-basierten FE-Modelltypen wurde das Versagen im subkapitalen Bereich beobachtet und auch die von Mises-Spannungsverteilungen stimmten qualitativ überein. Der Oberflächenvergleich zeigte eine hohe geometrische Übereinstimmung, die sich in einem mittleren absoluten Flächenabstand von 0.49 mm (min/max = 0.47/0.52 mm) widerspiegelte. Die kalibrierten MRT-Modelle wiesen im Vergleich zu den CT-Modellen einen mittleren absoluten Fehler von 84–114 mg/cm3 für die Aschedichte auf. Beide Messgrößen waren mit den Fehlern synthetischer CT-Scans vergleichbar.Fazit: MRT-basierte FE-Modelle können die maximalen Kräfte und Steifigkeiten des proximalen Femurs in guter Übereinstimmung mit CT-basierten FE-Modellen vorhersagen, erfordern jedoch eine sorgfältige Kalibrierung der Aschedichte. Nach einer Kalibrierung könnten dies Methode eine praktikable Alternative für Fälle darstellen, in denen die ionisierende Strahlung des CT-Scanners nicht akzeptabel ist, beispielsweise bei gesunden Studienteilnehmern oder Kindern.

Motivation: Computed tomography (CT)-based finite element (FE) analysis is a standard method in bone biomechanics but involves ionising radiation. Magnetic resonance imaging (MRI) offers a safer alternative. MRI based FE workflow have been validated in literature, yet a direct comparison with CT derived models is missing. The goal of this thesis was to compare FE results of MRI and CT based proximal femur FE models in a single-leg stance loading scenario and to enhance FE predictions by establishing a calibration law from element specific ash density differences.Methodology: Three human proximal femora from one male and two female donors were scanned ex vivo using clinical MRI and CT scanners. Tetrahedral FE meshes were generated from bone segmentations of both modalities and bone was modelled as an elasto plastic, isotropic, ash density dependent material. Four different models were generated: A state-of-the-art CT model (where ash densities were computed directly from CT scans), a literature-based MRI model (using ash densities that were a linear scaling of MRI signal intensities), an theoretically ideal specimen-specific MRI model (where ash densities were calibrated with corresponding CT scans) and a practically feasible pooled MRI model (with a pooled ash density calibration across all scans). Boundary conditions were applied, and FE analysis was performed.Results: The FE predictions of the three different MRI model types were compared with the state-of-the-art CT models for three femora. The literature-based MRI model overestimated maximum force and stiffness with average relative errors of 67.13 % (min/max = 26.43/104.33 %) and 34.41 % (min/max = 5.06/59.57 %), respectively. The theoretically ideal specimen-specific MRI model demonstrated the potential of MRI-based FE models with a very low average relative error for maximum force of -0.46 % (min/max = -5.00/4.66 %) and -6.46 % (min/max = -13.32/4.16 %) for stiffness. The practically feasible pooled MRI model was also in great agreement with the CT-based reference, reflected by a low average relative error for maximum force of -6.61 % (min/max = -31.45/11.02 %) and -10.08 % (min/max = -34.31/5.88 %) for stiffness. In all four MRI- and CT-based FE model types, failure was observed in the subcapital region, and the von Mises stress distributions also showed qualitative agreement. Surface comparison demonstrated a high level of geometric agreement, reflected by an average mean absolute surface distance of 0.49 mm (min/max = 0.47/0.52 mm). The specimen-specific and pooled MRI models had a mean absolute error of 84 – 114 mg/cm3 for the calibrated ash density values compared to the CT models. The errors of both measures were comparable to those of synthetic CT scans.Conclusion: MRI-based FE models can predict maximum forces and stiffnesses of proximal femora in good agreement with CT-based FE models, but careful calibration for ash density is required. Once calibrated, they could offer a viable alternative in cases where ionizing radiation caused by CT imaging is unacceptable, such as healthy study subjects or children.