Radiation therapy and training effects on the mechanical performance of bone

Abstract

Med stadig stigende forventet levealder oppstår nye aldersrelaterte utfordringer. Eksponering for både osteoporotiske brudd og kreft øker med alder, og flere tilfeller oppdages siden ny teknologi for medisinsk undersøkelse utvikles. Siden osteoporose har blitt relatert til kreftbehandling, utføres undersøkelser på hvordan dette kan bli forhindret. Det er generell enighet om at enkelte typer kreftbehandling forårsaker tap av beinmineral og at fysisk trening styrker skjelettet. Et spørsmål er hvordan kreftpasienter kan utføre fysisk trening for å lindre på skadelige bivirkninger fra deres behandling.

Målet for denne tredelte studien har vært å analysere noen mekaniske aspekter av kortikal bein og hvordan stråling og trening påvirker enkelte beinegenskaper. Flere studier har vært utført på skjelettets adaptasjon til belasting, men samtidig introduksjon av ioniserende stråling er lite forsket på. Videre har muligheten for mekanisk testing med elementmetode blitt undersøkt.

I første del ble to separate eksperimenter utført for å måle rottefemurs respons til stråling og trening. Det ble målt en generelt svakere mekanisk kvalitet i strålet bein enn i kontrollgruppen, men ingen signifikante forskjeller ble funnet. Strålet og trent bein så også noe forbedring fra strålet og ikke-trent bein. Likevel ble ingen konklusjon fastslått.

Det andre målet for studien var å virtuelt reprodusere de fysiske testene utført i første del. Elementmetodemodeller med spesifikk geometri og tetthetsfordeling ble hentet fra microCT-skanning, og empiriske modeller ble anvendt for å tilegne tetthetsavhengige materialegenskaper. Korrelasjon mellom eksperimentell og virtuell test ble evaluert, og enkelte kritiske utfordringer ble oppdaget. Det ble konkludert at målinger fra trepunkts bøyetesting er svært avhengig av størrelsesforholdet til prøven, og at elementer må være små nok til å presist representere inhomogent bein.

Til slutt ble en skriptet trening/stråling-modell presentert. Laster fra muskler ble definert fra dynamiske beregninger og påført i statiske analyser. En modell for adaptasjon ble anvendt, og et uttrykk for strålingsskade ble foreslått. Ved sammenligning med eksperimentell testprosedyre i første del viste simuleringene tilfredsstillende korrelasjon, men videre utvikling er anbefalt. Modellen kan ansees som en innledende konseptutprøving, som i fremtiden kan forbedre evaluering av pasientspesifikk treningsbehandling.

As life expectancy steadily rises, new age-related challenges arise. Exposure to both osteoporotic fracture and cancer increases with age, and more cases are revealed as new technologies for medical examination are developed. Since bone loss has been related to cancer treatment, investigations on how this can be prevented are conducted. There is a general consensus that some forms of cancer therapy induce loss in bone mineral density and that physical training strengthens the skeleton. The question at hand is how cancer patients can perform exercises to attenuate the detrimental side effects of their treatment.

The aim of this three-part study has been to analyze some mechanical aspects of cortical bone physiology and how radiation and exercise affect certain bone qualities. Several studies have been conducted on skeletal response adaptation to loading. However, simultaneous introduction of ionizing radiation is little investigated. Further, finite element analysis as a tool for virtual testing of mechanical properties has been assessed.

In the first part, two separate experiments were conducted to measure rat femur response to radiation and training. An overall weaker mechanical performance was measured in radiated bone than in the control, but no significant differences were obtained. Radiated and trained femurs did also see some improvement over the radiated untrained specimens. However, the experiment results were inconclusive.

The second goal of the study was to virtually reproduce the physical bending tests conducted in the first part. Finite element models with specimen-specific geometry and density distribution were obtained by micro-CT imaging, and empirical relationships were employed to assign density-dependent intrinsic material properties. Correlation between experimental and virtual tests was assessed, and some critical challenges were unveiled. It was concluded that three-point bending test measurements are highly dependent on specimen aspect ratio, and that small elements are essential for accurate representation of inhomogeneous bone.

Finally, a scripted training/radiation model was presented. Muscle loads were defined from dynamics calculations and applied in static analyses. An adaptation model was employed to simulate bone evolution, and an expression for radiation damage was proposed. By comparison with the experimental setup in the first part, simulations yielded pleasing correlation, but further development is advised. The model can be considered as a preliminary proof of concept, which in future can help improve evaluations of patient-specific exercise treatment.