Abstract

Osteoporosis significantly increases the risk of bone fracture. Falls are the leading cause of osteoporotic fracture among elderly people. The incidence of low-energy acetabular fracture among the elderly population has been increasing in developed countries in recent decades. Low-energy acetabular fractures mostly happen due to falling from a standing height. While the mechanism of proximal femur fracture due to low-energy falls has been investigated widely owing to higher incidence and the associated morbidities and mortalities, the biomechanical mechanism responsible for acetabular fracture has remained underexplored. Through developing comprehensive finite element models as a reliable and cost-effective method of study, this thesis aims to evaluate the effects of various biomechanical factors contributing to the occurrence, severity, and type of acetabular fracture during low-energy sideways falls.

The finite element models were based on abdominal computed tomography (CT) images of a median male without acetabular fracture history, retrieved from a large clinical dataset. While the bony parts and trochanteric soft tissue were reconstructed directly from the CT images, cartilages and ligaments were added manually according to anatomy and literature. The material models able to simulate the behavior of tissues during the impact loading condition were considered. Initial/boundary conditions, loads, contacts, interactions, and controlling parameters were applied according to the literature. By varying the corresponding variables in the model, the effects of body configuration, impact velocity, flooring material, trochanteric soft tissue stiffness, and bone loss on the risk the acetabular fracture were investigated.

Results of the current study showed that the effects of body configuration, impact velocity, and bone loss on the risk of acetabular fracture are substantial. However, the effects of flooring material and trochanteric soft tissue stiffness remained marginal. This study suggests a horizontal trunk and femur at the impact, the impact velocity higher than 3.17 m/s, and severe bone loss increase the risk of acetabular fracture considerably.

In conclusion, it appears that among studied biomechanical factors, those related to the bone quality and kinematics of the fall have a significant effect on the risk of acetabular fracture.

Tiivistelmä

Luukato eli osteoporoosi lisää merkittävästi luunmurtuman riskiä. Kaatuminen on tärkein osteoporoottisten murtumien syy ikääntyvillä. Matalaenergisten lonkkamaljan murtumien esiintyvyys on kasvanut kehittyneissä maissa viime vuosikymmeninä. Useimmiten matalaenergiset lonkkamaljan murtumat ovat seurausta kaatumisesta. Kaatumisen aiheuttamien lonkkamurtumien mekamismia on tutkittu runsaasti, koska niitä esiintyy enemmän ja niihin liittyy korkea sairastavuus ja kuolleisuus. Sen sijaan lonkkamaljan biomekaanista mekanismia on toistaiseksi tutkittu vain vähän. Tämän väitöstutkimuksen tavoitteena oli arvioida erilaisten biomekaanisten tekijöiden vaikutusta matalaenergisen kaatumisen aiheuttaman lonkkamaljan murtuman esiintymiseen, vakavuuteen ja murtumatyyppiin, kehittäen siihen soveltuvia luotettavia, kustannustehokkaita elementtimalleja.

Elementtimallit perustuivat tietokonetomografiakuviin (TT), jotka oli valikoitu laajasta kliinisestä aineistosta edustamaan sellaisten miesten mediaania, joilla ei ole lonkkamaljan murtumaa. Luut ja pehmytkudos rekonstruoitiin suoraan TT-kuvista. Rustokudos ja nivelsiteet lisättiin manuaalisesti niiden anatomian ja kirjallisuuden perusteella. Materiaalimallit valittiin niin, että niillä voidaan simuloida kudosten käyttäytymistä törmäyskuormitustilanteessa. Alku- ja reunaehdot, kuormitukset, rajakontaktit, vuorovaikutukset ja säätöparametrit valittiin kirjallisuuden perusteella. Kehon asennon, törmäysnopeuden, lattiamateriaalin, pehmytkudoksen jäykkyyden ja luukadon vaikutusta lonkkamaljan murtumariskiin tutkittiin vaihtelemalla kyseisiä muuttujia.

Tutkimuksen tulokset osoittivat, että kehon asento, törmäysnopeus ja luukato vaikuttavat oleellisesti lonkkamaljan murtumariskiin. Sen sijaan lattiamateriaalin ja pehmytkudoksen jäykkyyden vaikutus jäi vähäiseksi. Tutkimuksen perusteella törmäyshetkellä vaakasuorassa olevat vartalo ja reisi, yli 3,17 m/s törmäysnopeus sekä merkittävä luukato lisäävät huomattavasti lonkkamaljan murtumariskiä.

Loppupäätelmänä voidaan todeta, että tutkituista suureista niillä, jotka liittyvät luun laatuun sekä kaatumistapahtuman kinematiikkaan, on merkittävä vaikutus riskiin saada lonkkamaljan murtuma.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Khakpour, S., Tanska, P., Saarakkala, S., Korhonen, R. K., & Jämsä, T. (2021). The effect of body configuration on the strain magnitude and distribution within the acetabulum during sideways falls: A finite element approach. Journal of Biomechanics, 114, 110156. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2020.110156

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Khakpour, S., Tanska, P., Esrafilian, A., Mononen, M. E., Saarakkala, S., Korhonen, R. K., & Jämsä, T. (2021). Effect of impact velocity, flooring material, and trochanteric soft-tissue quality on acetabular fracture during a sideways fall: A parametric finite element approach. Applied Sciences, 11(1), 365. https://doi.org/10.3390/app11010365

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Khakpour, S., Esrafilian, A., Tanska, P., Mononen, M. E., Korhonen, R. K., & Jämsä, T. (2021). Effect of osteoporosis-related reduction in the mechanical properties of bone on the acetabular fracture during a sideways fall: A parametric finite element approach. Manuscript in preparation.