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.
Christopher Muhr (Wed,) studied this question.