MODELLI E TECNOLOGIE PER LE PATOLOGIE SCHELETRICHE

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1 MODELLI E TECNOLOGIE PER LE PATOLOGIE SCHELETRICHE Luca Cristofolini Dipartimento di Ingegneria Industriale Scuola di Ingegneria e Architettura Alma Mater Studiorum - Università di Bologna

2 INTRODUZIONE Patologia ossea frattura ossea Figure 1: Burden of diseases estimated as disability-adjusted life years (DALYs) in 2002 in the Americas and Europe combined

3 INTRODUZIONE Patologia ossea frattura ossea 9 milioni fratture nell anziano nel 2000 Fratture osteoporotiche su scala mondiale: 1 donna su 3 sopra i 50 anni 1 uomo su 5 sopra i 50 anni

4 LE FRATTURE SONO DEMOCRATICHE Danimarca Svezia Norvegia Maschi Svizzera USA (caucasici) Austria Taiwan Slovacchia Inghilterra Malta Canada Malesia Cina Repubblica Ceca Belgio Giappone India Italia Hong Kong Corea del Sud Argentina Germania Finlandia Sri Lanka Ungheria Messico USA (ispanici) Femmine Cause: Maschi femmine Longevità Etnia Dieta Stile di vita USA (asiatici) Olanda Giordania Turchia Francia Romania Nuova Zelanda Polonia Australia Spagna USA (neri) Colombia Libano Cina Filippine Ecuador Tunisia Probabilità in 10 anni (%)

5 INTRODUZIONE Fratture più frequenti: Femore: 1.66 milioni /anno nel milioni /anno nel 2050 Radio (e arto superiore) 1.7 milioni /anno nel 2010 Vertebra 1.4 milioni /anno nel 2010 (??)

6 FENOMENO MULTISCALA Livello sub-tessuto: Grado mineralizzazione Organizzazione collagene Livello di tessuto: Rimodellamento osseo Resistenza meccanica e tenacità Diradamento trabecole osso spugnoso Assottigliamento osso corticale Livello d organo: FRATTURA Livello di organismo: Carichi imposti Dieta Condizioni generali di salute Visus, equilibrio, etc Fattori ambientali: Disorientamento Inclusione sociale vs isolamento Situazione familiare Rischi ambientali

7 COME SI INTEGRANO OSSO SPUGNOSO E CORTICALE? Osso corticale è denso: Resistente e rigido meccanicamente Pesante e costoso in termini metabolici Osso spugnoso è poco denso: In sé, non garantisce sufficiente resistenza meccanica Leggero e poco costoso in termini metabolici Guscio di corticale riempito di spugnoso è struttura complementare ottimale dal punto di vista meccanico: Corticale resiste e distribuisce carichi Spugnoso sostiene e previene instabilità

8 LE OSSA: STRUTTURA MACROSCOPICA Ossa lunghe Femore, tibia perone Omero, radio, ulna Falangi, metacarpo, metatarso Tratto centrale, circa cilindrico (diafisi): Struttura tubolare: Corticale all esterno e osso spugnoso all interno Ottimizzato per flessione/torsione Estremità articolari allargate (metafisi): Strato di corticale che avvolge spugnoso Spugnoso molto denso Ottimizzato per carichi articolari

9 Corpo tozzo e massiccio: Carpi, tarsi, vertebre LE OSSA: STRUTTURA MACROSCOPICA Ossa tozze e osse irregolari Funzione biomeccanica: Lunghezza limitata => flessione trascurabile Prevale compressione e carichi tra superfici articolari Struttura: Prevalentemente osso spugnoso (denso) Sottile guscio corticale Carichi distribuiti Sezione orizzontale di corpo di vertebra lombare

10 RIMODELLAMENTO OSSEO Tessuto si adatta a sollecitazione: Stato di tensione/deformazione fisiologico Sollecitazioni minori di quelle fisiologiche causano: Geometria osso corticale: Assottigliamento sia endosteale, che periosteale => riduzione sezione resistente Geometria osso spugnoso: Assottigliamento trabecole Riduzione numero trabecole Qualità tessuto osso corticale e osso spugnoso Riduzione mineralizzazione matrice ossea => riduzione modulo elastico e tensione rottura Opposto per sollecitazioni superiori a fisiologico

11 COSA CAMBIA CON L ETA

12 COSA CAMBIA CON L ETA Col passare degli anni, nell osso corticale: Il tessuto si impoverisce di calcio (cala resistenza meccanica specifica del tessuto) Aumentano dimensioni interne ed esterne dell osso (parziale compensazione per riduzione resistenza) Variazione sezione osso cor,cale Giovane Anziano Tensione Rottura (MPa) Variazione proprietà osso cor,cale Modulo Elastico Tensione Rottura Modulo Elastico (GPa) Età (anni)

13 COSA CAMBIA CON L ETA Col passare degli anni, nell osso spugnoso: Le trabecole spugnoso si diradano Trabecole si assottigliano Si riduce interconnessione Ottimizzazione, ma anche perdita di robustezza complessiva Giovane Anziano: osteopenico Anziano: osteoporo1co

14 COSA CAMBIA CON L ETA Invecchiamento (non patologico): Ottimizzazione: minore massa per stessa funzione fisiologica Ma aumenta il rischio di rottura, anche con carichi para-fisiologici

15 COME SI MISURA LA QUALITA DELL OSSO? scusi signora mi dà il suo femore così le dico se è resistente?

16 COME SI MISURA LA QUALITA DELL OSSO? Ash density ó proprietà meccaniche

17 COME SI MISURA LA QUALITA DELL OSSO? Densità radiografica ó proprietà meccaniche

18 COME SI MISURA LA QUALITA DELL OSSO? Dual Energy X-ray absorptiometry (DXA): Pro: bassa dose; costi accessibili Contro: immagine 2D (integrale attraverso spessore) Quantitative Computed Tomography (QCT): Pro: ricostruzione 3D Contro: dose di radiazione; costo Peripheral QCT (pqct): Pro: alta risoluzione Contro: dose di radiazione; costo; disponibilità limitata Risonanza magnetica (MRI): Pro: no radiazione; ok per morfologia Contro: costo; poco precisa per densità minerale Ecografia quantitativa: Pro: no radiazione Contro: accede solo certi distretti anatomici

19 OSTEOPENIA vs OSTEOPOROSI Decadimento proprietà tessuto è fisiologico Criteri WHO basati su bone mineral density (BMD): Osteopenia (fisiologico): -1SD T-score -2.5 SD Osteoporosi (patologico): T-score -2.5 SD): Circa 22M donne e 5.5M uomini di anni in EU nel 2010 Uomini + donne con osteoporosi nel 2025: 33.9M (+23%)

20 DUE SCENARI DI FRATTURA Fratture da trauma: impatto ad energia superiore rispetto a limite Fratture spontanee: carichi / task motori fisiologici o para-fisiologici

21 UN CASO PARADIGMATICO: LE FRATTURE DI FEMORE 1.66 milioni di fratture di femore nel 2010 Severità dipende da: Numero frammenti Vascolarizzazione Composta/scomposta Interessamento legamenti Qualità osso 31-C A1 31-B3 31-C3 31-A1 31-A1 31-B3 31-B3 31-C3 31-C3

22 UN CASO PARADIGMATICO: LE FRATTURE DI FEMORE Ciò determina trattamento: Sintesi con chiodo Placca e viti Chiodo-placca Protesi

23 COME CAMBIA IL FEMORE? Classificazione secondo Singh VI V IV III II I

24 L UOVO O LA GALLINA? Frattura da trauma ( 90%) SONO CADUTA E MI SON ROTTA IL FEMORE Frattura spontanea ( 10%) HO SENTITO UNA FITTA ALL ANCA, POI SONO CADUTA Spesso MI SON FATTA MALE NON HO CAPITO COSA E SUCCESSO Stato confusionale Perdita di conoscenza Demenza...

25 RISPETTO A CHE CARICHI E OTTIMIZZATO IL FEMORE? Range di carichi da deambulazione: 24 Micro e macro-struttura portano tensioni principali ad essere allineate con massima resistenza

26 FRATTURA SPONTANEA DI FEMORE Il femore si comporta: - Elastico-lineare - Rottura di schianto (<<1ms)

27 FEMORE: FRATTURE SPONTANEE Ridotta competenza meccanica Dieta Inattività Età Metabolismo Osteoporosi Potenziale di sovraccarico Deficit neuromotorio Potenza muscolare Instabilità Evento para-fisiologico (sovraccarico) Perdita equilibrio momentanea Inciampo Carico > Resistenza Frattura spontanea

28 FEMORE: FRATTURE SPONTANEE Ridotta competenza meccanica Dieta Inattività Età Metabolismo Osteoporosi Potenziale di sovraccarico Deficit neuromotorio Potenza muscolare Instabilità Evento para-fisiologico (sovraccarico) Perdita equilibrio momentanea Inciampo Carico > Resistenza Frattura spontanea

29 FEMORE: FRATTURE DA TRAUMA X Direzione forza: Posa arto Direzione caduta Strategia protettiva Intensità forza: Altezza Massa Tipo suolo Tessuti molli Strategia protettiva

30 FEMORE: FRATTURE DA TRAUMA ma il femore non è ottimizzato per questo! Forza articolare Forza bacino Muscoli abduttori Inerzia arto distale Reazione suolo Carichi fisiologici Caduta postero-laterale

31 FEMORE: FRATTURE DA TRAUMA Ridotta competenza meccanica Dieta Inattività Età Metabolismo Osteoporosi Propensione a cadere Deficit visivo Mancanza equilibrio Fattori ambientali Rigidezza superfici Gradini, ostacoli Scarsa illuminazione Evento traumatico Rigidezza superfici Tessuti molli Altezza Massa Prontezza riflessi carico > resistenza Frattura da trauma

32 FEMORE: FRATTURE DA TRAUMA Rottura: Prima lesione: parziale Poi rottura completa

33 FEMORE: FRATTURE DA TRAUMA Rottura: 1 lesione << risp. a direzione fisiologica 2 lesione < risp. a direzione fisiologica Ma maggiore lavoro

34 DISTRIBUZIONE FRATTURE DI FEMORE Max rischio: donne bianche scandinave Caucasici più rischio di afro e asiatici: Stile di vita Predisposizione Variabilità geografica: donne > uomini USA: più fratture a sud-est, meno a nord e ovest Più in contesto urbano che rurale: Esposizione al sole Attività fisica Frequenza frattura anca (normalizzato al valore per USA) North America Northern Europe Southern Europe or Africa Asia South Pacific Nord America Nord Europa Sud Europa e Africa Asia Sud Pacifico White Black Asian Asiatica White Black Asian Caucasica Afro- Americana Donne Caucasico Afro- Americano Uomini Asiatico

35 DISTRIBUZIONE FRATTURE DI FEMORE Popolazioni a basso rischio: Donne uomini Popolazioni ad alto rischio: Donne 2x uomini alto rischio concentrato nelle donne Danimarca Svezia Austria Norvegia Svizzera Irlanda Iran Slovacchia Taiwan Argentina Islanda Repubblica Ceca Ungheria Turchia Belgio Malta Inghilterra Slovenia Germania Italia Singapore Grecia Hong Kong Libano Oman Finlandia France Canada Nuova Zelanda Lituania Malesia Corea del Sud Portogallo Giappone Israele USA Australia Russia Olanda Kuwait Spagna Messico Estonia Polonia Cile Thailandia Brasile Romania Giordania Croazia Indonesia Cina India Arabia Saudita Filippine Colombia Marocco Equador Tunisia Sud Africa Nigeria Incidenza (rate/100,000)

36 POSSIAMO PREVEDERE LE FRATTURE DI FEMORE? Misurando i determinanti della frattura: Densità ossea (BMD) tramite DXA o QCT Stabilità posturale Con modelli predittivi basati: Combinazione di parametri causali Parametri associati Fracture Risk Assessment software (FRAX): diagnostic tool to evaluate the 10-year probability of bone fracture intended to provide guidance for determining access to treatment in healthcare systems Modello multipiattaforma Usato in: Belgio, Canada, Giappone, USA Paesi Bassi, Polonia, Svezia, Svizzera, UK Modelli subject-specific: Multiscala Immagini cliniche del paziente e/o scalate

37 POSSIAMO PREVEDERE LE FRATTURE DI FEMORE? Fattori di rischio popolazione caucasica Corretti e non corretti in base a storia di fratture precedenti densità minerale calcagno Rischi relativi (95% intervallo di confidenza) Modello + Modello base fratture dopo 50 anni + densità ossea calcagno Età (ogni 5 anni) 1,5 (1,3 1,7) 1,4 (1,2 1,6) Storia materna di frattura dell anca (no frattura) 2,0 (1,4 2,9) 1,8 (1,2 2,7) Aumento peso a partire dai 25 anni (ogni 20%) 0,6 (0,5 0,7) 0,8 (0,6 0,9) Altezza all età di 25 anni (ogni 6 cm) 1,2 (1,1 1,4) 1,3 (1,1 1,5) Autovalutazione stato di salute (per ogni punto in meno)* 1,7 (1,3 2,2) 1,6 (1,2 2,1) Precedente ipertiroidismo (non ipertiroidismo) 1,8 (1,2 2,6) 1,7 (1,2 2,5) Assunzione benzodiazepina (no assunzione) 1,6 (1,1 2,4) 1,6 (1,1 2,4) Assunzione anticonvulsivi (no assunzione) 2,8 (1,2 6,3) 2,0 (0,8 4,9) Consumo caffeina (ogni 190mg/giorno) 1,3 (1,0 1,5) 1,2 (1,0 1,5) Attività fisica (no attività fisica) 0,7 (0,5 0,9) 0,7 (0,5 1,0) Stare in piedi <4 ore/giorno (> 4 ore/giorno 1,7 (1,2 2,4) 1,7 (1,2 2,4) Difficoltà ad alzarsi dalla sedia (nessuna difficoltà) 2,1 (1,3 3,2) 1,7 (1,1 2,7) Quartile più basso acuità visiva (rispetto agli altri tre ) 1,5 (1,1 2,0) 1,4 (1,0 1,9) Sensibilità visiva al contrasto basse frequenze (ogni riduzione di 1 SD) 1,2 (1,0 1,5) 1,2 (1,0 1,5) Frequenza cardiaca a riposo> 80 battiti/min (<80 battiti/min) 1,8 (1,3 2,5) 1,7 (1,2 2,4) Fratture dopo i 50 anni (nessuna) 1,5 (1,1 2,0) Densità ossea calcagno (ogni riduzione di 1 SD) 1,6 (1,3 1,9)

38 FRATTURE DEGLI ARTI SUPERIORI Sono quasi sempre da trauma Tipiche di soggetti più reattivi Classificazione: - Osso/a interessate - Frammentazione - Interessamento legamenti

39 FRATTURE DEGLI ARTI SUPERIORI Trattamento: - Mezzi di sintesi Meno invalidanti rispetto a femore: - Allettamento più breve - Generalmente chirurgia meno invasiva

40 FRATTURE DEGLI ARTI SUPERIORI Incidenza fratture avambraccio distale e con età >35 anni N fratture su persone, per anno Donne Uomini Oslo, Norvegia Malmö, Norvegia Stoccolma, Norvegia Rochester, MN, USA Trent, UK Oxford-Dundee, UK Ex-Jugoslavia: Area ricca di calcio Ex-Jugoslavia: Area povera di calcio Tottori, Giappone Singapore Adebaja, Nigeria

41 FRATTURE DEGLI ARTI SUPERIORI Come stimare il rischio di frattura? Meno invalidanti rispetto a femore => esistono meno modelli predittivi Densità ossea: - Densità ossea (DXA, pqct, ultrasuoni) Polso è meglio accessibile di altri distretti anatomici - Spesso BMD polso è usata come predittore di anca/rachide

42 FRATTURE VERTEBRALI Cuneo Biconcavo Schiacciamento minimo (perdita altezza 20-25%) moderato serio Riduzione lordosi Fra$ure a cuneo

43 FRATTURE VERTEBRALI Vertebre cambiano con l età Vertebra sana Incidenza fratture cresce significativamente negli anni Donne> uomini OSTEOPOROSIS I Incidenza Incidence fra2ure per 1000 vertebrali (ogni 1000 person persone years * anno) , 3 6, Men Uomini Women Donne 5 5, 5 5, 4 8, 9 5, 6 3, 12 3, 8 7, 17 9, 13 6, 29 3, Gruppi Age per group età (anni) (years) Figure 2: Incidence of vertebral fractures in women and men 48 Vertebra osteoporotica

44 FRATTURE VERTEBRALI Fratture da compressione T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 L1 L2 L3 L4 L5 Distribuzione % fratture toraco-lombari

45 FRATTURE VERTEBRALI Come si rompe? Compressione Anterior wedge Trauma <25% Cadute Spontanee >75% Sollevamento peso Starnuto Idiopatico Spesso non diagnosticate Sintomo non netto Frattura progressiva (sequenza microtraumi)

46 FRATTURE VERTEBRALI Incidenza fratture toraco-lombari, donne (accertamento radiografico) Età (anni) Europa Minnesota Hawaii Hiroshima Taiwan Pechino ,5 4,7 0 5,4 4,5 4, ,6 5,8 0 4,1 4, ,8 6, ,9 6,7 16, ,5 13,2 6,1 8,2 13, ,2 15,0 14,8 24,8 20,7 19, ,8 22,2 25,0 36,8 24, ,8 26,3 42,9 29,7 36, ,8 25,0

47 MEGLIO NON FRATTURARSI Costo terapia Degenza e convalescenza: Non-produttività Inattività Rischio di altre patologie (cardiovascolari) Probabilità di soppravivenza 1 0, 0 8, 0 6, 0 4, 0 2, 0 Women DONNE Hip Popolazione fractureglobale Vertebral Fra/ura vertebrale and other e major altre fra/ure fracture rilevan4 General Fra/ura anca population Mortalità Età (anni) Men UOMINI

48 Thank You! Colleagues & co-workers & students: M. Viceconti, E. Schileo, F. Taddei, S. Martelli, M. Pani, M.M. Juszczyk, E. Bialoblocka, G. Conti, F. Pallini, E. Varini, P. Erani, M. Palanca, V. Danesi, F. Innocente, G. Tozzi, E. Angeli, L. Zaccara, K. Ozog, M. Marco, B. Savas Sponsors & funding agencies: Stryker, Aesculap, Tecres, Johnson & Johnson, DePuy, Adler Ortho EU FP7 & H2020, Italian Ministry of University, Ministry of Healthcare, Emilia-Romagna region

49 Prof. Luca Cristofolini Dipartimento di Ingegneria Industriale Scuola di Ingegneria e Architettura luca.cristofolini@unibo.it