Project

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A Fragility Fracture Integrative Risk Model for CT Recycling (AFFIRM-CT)

Applicant Zysset Philippe
Number 183584
Funding scheme Sinergia
Research institution Institut für chirurgische Technologien und Biomechanik (ISTB) Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Interdisciplinary
Start/End 01.08.2019 - 31.07.2023
Approved amount 1'433'628.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Interdisciplinary
Geriatrics
Biomedical Engineering

Keywords (5)

fall risk; fracture risk; finite element analysis; osteoporosis; bone strength

Lay Summary (German)

Lead
Osteoporose bedingte Frakturen betreffen über 30% der Frauen und über 20% der Männer der über 50 Jährigen und tragen zur Erhöhung der Gesundheitskosten in unserer älter werdenden Bevölkerung bei. Neuere Studien zeigen, dass die Mehrheit der betroffenen Personen weder identifiziert noch behandelt wird und deshalb eine Verbesserung von Diagnose und Behandlung dringend angestrebt werden muss.
Lay summary
Epidemiologische Daten und Knochendensitometrie stellen die Säulen der heutigen Evaluation des durch Osteoporose bedingten Hüftfrakturrisikos dar. Eine grosse Anzahl Frakturen treten jedoch bei Personen mit einem, nach diesem Evaluationsprinzip, moderaten Frakturrisikos auf. Dieses Projekt zielt deshalb darauf ab, ein neues Prognosewerkzeug zu entwickeln und zu prüfen, welches eine Computersimulation der Knochenfestigkeit basierend auf verschiedenen medizinischen Bildgebungssystemen mit dem individuellen Sturzrisiko kombiniert. Zuerst soll in einer klinischen Studie gemeinsam mit den Universitätsspitälern Genf und Bern ein "Recycling Konzept" für Computertomographie-Bilder der Hüfte entwickelt werden, welche aus anderen medizinischen Gründen verordnet worden sind. Die CT-Bilder werden einerseits wiederverwendet um die Festigkeit der Hüfte zu bestimmen und andererseits um eine ähnliche Berechnung basierend auf den Bildern der klassischen Densitometrie (DXA) zu ermöglichen. Auf Seiten des Ingenieurwesens, werden neue Bildverarbeitungsmethoden und biomechanische Computersimulationen entwickelt, um die Anatomie der Hüfte aus Knochendensitometrie Bildern zu rekonstruieren und die Festigkeit der Hüfte genauer zu berechnen. In einer letzten Phase, wird eine biomechanische Analyse der Stürze durchgeführt, um die Schlüsselvariablen zu identifizieren, welche die Schätzung des individuellen Sturzrisikos sowie die Intensität des Aufpralls auf dem Boden ermöglichen. Die Synergie dieser Ansätze wird es erlauben, ein neues prognostisches Werkzeug für Hüftfrakturen aufzubauen und dessen klinischen Nutzen zu prüfen.
Direct link to Lay Summary Last update: 10.12.2018

Lay Summary (French)

Lead
Les fractures liées à l'ostéoporose affectent plus de 30% des femmes et plus de 20% des hommes de plus de 50 ans et contribuent à l'augmentation des coûts de la santé dans nos populations vieillissantes. De récentes études suggèrent que la majorité des personnes affectées par cette fragilité osseuse ne sont ni identifiées ni traitées et qu'une amélioration du diagnostic et des traitements devient une tâche urgente pour la médecine.
Lay summary
Les facteurs épidémiologiques et la densitométrie osseuse représentent les piliers actuels de l'évaluation du risque de fracture de la hanche, mais une majorité de ces fractures sont observées chez des personnes présentant un risque modéré. Le projet vise donc à développer et à tester un nouvel outil pronostique intégrant le risque de chute avec une simulation numérique de la résistance osseuse à partir de différentes techniques d'imagerie médicale. Une étude clinique sera d'abord mise sur pied conjointement dans les hôpitaux universitaires de Berne et de Genève pour développer le concept du recyclage d'examens scanner de la hanche, réalisés pour d'autres raisons médicales. Les images seront ainsi réutilisées pour estimer la résistance mécanique de la hanche et exploitées pour effectuer une estimation similaire à partir d'un examen densitométrique traditionnel. Sur le plan de l'ingénierie, de nouvelles techniques d'analyse d'image et de simulation numérique seront développées pour reconstruire l'anatomie de la hanche à partir d'images densitométriques et pour calculer la résistance de la hanche de manière personnalisée. Dans une dernière phase, une analyse biomécanique des chutes permettra d'identifier les variables clés permettant une estimation personnalisée du risque de chute ainsi que de l'intensité de l'impact de la hanche sur le sol. La synergie de ces approches fournira un nouvel outil pronostique de la fragilité de la hanche et entamera son évaluation clinique.
Direct link to Lay Summary Last update: 10.12.2018

Lay Summary (English)

Lead
Osteoporosis related fractures occur in more than 30% of women and 20% of men over 50 years old and contribute to the increase of healthcare costs in our aging societies. Recent studies suggest that the majority of people affected by bone fragility are neither identified nor treated and that improvement of diagnosis and treatment becomes an urgent task for medicine.
Lay summary

Epidemiological factors and bone densitometry are the pillars of the current evaluation of hip fracture risk, but the majority of these fractures are observed in people presenting a moderate risk. The project aims therefore at developing and testing a novel prognostic tool integrating the risk of falls with state-of-the-art computer simulation of bone strength from different medical imaging techniques. A clinical trial will first be set-up together in the university hospitals of Geneva and Bern to develop the concept of CT recycling of computer tomography examinations that were acquired for other medical purposes. The images will be reused to estimate hip strength by finite element analysis and exploited to perform a similar estimation from a classical bone densitometry scan. On the engineering side, novel image analysis techniques will be developed to reconstruct the 3D anatomy of the hip from densitometry scans and compute a personalised strength of the hip. In a last phase, a biomechanical analysis of falls will help identifying the key variables to estimate a personalised risk of falls as well as the impact force of the hip on the ground. The synergy of these approaches will deliver a novel predictive tool for hip fractures and initiate its clinical evaluation.

Direct link to Lay Summary Last update: 10.12.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
143769 Inclusion of fabric in patient-specific finite element modeling of the proximal femur 01.02.2013 Project funding (Div. I-III)
185230 Mechanisms of bone fragility and response to RANK Ligand and Sclerostin inhibitors 01.04.2019 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Osteoporosis (OP) is a silent metabolic bone disease reducing bone mass and leading to increased rates of bone fragility fractures. OP becomes a major challenge for the quality of life and health care costs of our ageing populations. Areal bone mineral density (aBMD) measured by dual energy x-ray absorptiometry (DXA) is the current standard for diagnosis of OP, but this surrogate of bone strength shows limited sensitivity in predicting fragility fractures. In addition, OP is widely under-diagnosed and the current fracture risk calculators do not or only partially account for a personalised risk of falls and severe impact. Accordingly, new strategies and new tools to identify patients at high risk of fractures must urgently be explored.The aim of this project is to develop an integrative fragility fracture prediction model and to validate it with a computer tomography (CT) recycling paradigm that exploits CT examinations of the senior population performed for other medical purposes.Since CT-based finite element analysis (FEA) emerges as the highest standard for the assessment of bone strength ex vivo, a 2D-3D reconstruction algorithm will be validated that allows estimating bone strength by FEA from a single DXA image. Personalised load configurations will be determined and applied to the most advanced FEA methodology. The most significant clinical factors influencing the rate of falls and the intensity of the impact force will be identified in the recent prospective data of the GERICO and Zurich DO-HEALTH cohorts. An integrative probabilistic algorithm based on fall rate, impact force and bone strength will then be formulated for an improved calculation of fracture risk. Simultaneously, an observational prospective study will recruit 800 senior patients who underwent an abdominal or pelvic CT examination for medical reasons other than osteoporosis in order to perform a DXA measurement and assess musculoskeletal function. Their hip strength will be computed by DXA- and QCT-based FEA. The acquired data will serve the validation of the novel integrative fragility fracture risk model.The impact of this project is multiple. A properly validated 2D-3D reconstruction of the proximal femur from DXA to quantitative CT (QCT) images will allow reconciling the current WHO diagnostic criteria based on aBMD with novel surrogates of bone strength computed by FEA. The classical ratio of impact force versus bone strength will reach a further level of personalisation and, most importantly, the propensity and severity of falls will be included in the fracture risk model. The fracture risk model will not only be calibrated on two cohorts, but also validated along a novel CT recycling (CTR) paradigm that will help the cost-effective identification of patients at high risk of fracture in the future. From a health care system point of view, an integrative fragility fracture risk model will allow the direct cost/benefit comparison of exercise aiming at reducing the rate of falls versus pharmacological treatment aiming at increasing bone strength. Finally, the simultaneous acquisition of CT, DXA and health data will provide a highly valuable database for future investigations.
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