Thanks to recent advances in science and engineering, the field of biomaterials stands poised to increase the effectiveness and longevity of established devices as well as to provide new options to biomedical engineers who work at designing future products. From its beginning, the field of bioengineering has focused on providing the best artificial devices - hearing aids, artificial limbs and other prostheses - to replace body parts that are missing, broken, or dysfunctional. Regeneration of body parts requires a biomaterial with a structure, components and chemical signals that allow the body ’s tissue cells to recognize, respond to, and remodel the material without rejecting it as foreign. Bone, cartilage and the major load bearing joints of the body all suffer degenerative changes with age and trauma. This area of research focus will seek solutions to the problems of osteoporosis, the fixation of implants in bone and the replacement of damaged bone and cartilage. This will be achieved through the development of non-metallic biomaterials and resorbable biomaterials that provide appropriate load bearing characteristics and the potential to interact suitably with the biology. The non-metallic materials for bone substitutes serve as scaffolds and may have modified surfaces to encourage natural tissue growth or the ability to be seeded with the hosts own cells before implantation. This will have applications for both bone and cartilage substitute materials. These bone substitutes biomaterials are the second-most implanted of all materials. Resorbable biomaterials, on the other hand, gradually disappear from the body as a result of hydrolysis, because are made from molecules similar to those in the human body, which resorb while the tissue is healing. This eliminates the need for a second surgery. The goal of this thesis is to explain the usefulness of these biomaterials in medical applications and especially in orthopaedics, focusing on the latest acquisitions. The first chapter makes an introduction in biomaterials, with emphasis on orthopaedic biomaterials. The second chapter contains information about: (1) the bone characteristics (anatomy and mechanics), in order to understand the basis for tissue engineered therapies and how damaged bones heal, (2) the non-metallic biomaterials (polymers, biodegradable polymers, ceramics and composites) for bone substitutes, giving examples of modern biomaterials used today and (3) the principles involved in the Modern Cementing Technique. The third chapter is a review of the chemistry of the polymers used in bioresorbable biomaterials, including synthesis and degradation, describe how properties can be controlled by proper synthetic controls such as copolymer composition, highlight special requirements for processing and handling, and presents in detail some of the commercial resorbable biomaterials. / Αυτή η διατριβή εξηγεί τη χρησιμότητα των μη μεταλλικών βιο-υλικών για τα υποκατάστατα οστών και των βιο-απορροφημένων βιο-υλικών στις ιατρικές εφαρμογές και ειδικά στις ορθοπεδικές, που εστιάζουν στις πιό πρόσφατες αποκτήσεις.

- / -

Σκοπός της μελέτης: Ο σκοπός της μελέτης ήταν η διερεύνηση του θεραπευτικού αποτελέσματος και της ασφάλειας του συνδυασμού ακτινοθεραπείας και ιβανδρονικού οξέος, σε ασθενείς με οστικές μεταστάσεις από συμπαγείς όγκους. Το θεραπευτικό αποτέλεσμα διερευνήθηκε τόσο για το σύνολο των ασθενών, όσο και ξεχωριστά για τους ασθενείς με λυτικές, μικτές και σκληρυντικές οστικές μεταστάσεις. Παράλληλα, επιχειρήθηκε ο συσχετισμός της κλινικής ανταπόκρισης των ασθενών με την μέτρηση της μέσης οστικής πυκνότητας των οστικών βλαβών με αξονικό τομογράφο (ΑΤ). Η επανοστεοποίηση διερευνήθηκε και με Μαγνητικό Τομογράφο. Ασθενείς και μέθοδος: 52 ασθενείς (33 άντρες, 19 γυναίκες, μέσης ηλικίας 68.3 έτη) με οστικές μεταστάσεις από διάφορους ιστολογικά επιβεβαιωμένους συμπαγείς όγκους, υποβλήθηκαν σε εξωτερική ακτινοθεραπεία, από τον Νοέμβριο του 2003 μέχρι τον Ιούνιο του 2005. Η συνολική δόση κυμαινότανε από 30 έως 40 Gy και η ημερήσια δόση από 1.8 έως 2.0 Gy. Κατά την πρώτη ημέρα της ακτινοθεραπείας οι ασθενείς υποβάλλονταν και σε ενδοφλέβια έγχυση με 6mg ιβανδρονικό οξύ. Η χορήγηση διαρκούσε μια ώρα και επαναλαμβανόταν κάθε 4 εβδομάδες, με μέγιστο αριθμό χορηγήσεων τις 10. Όλοι οι ασθενείς υποβάλλονταν σε κλινική και ακτινολογική αξιολόγηση με ΑΤ κατά την πρώτη ημέρα της συνδυασμένης θεραπείας και τρείς, έξι και δέκα μήνες μετά. Η αξιολόγηση της κλινικής ανταπόκρισης ελάμβανε χώρα με την καταγραφή της κλίμακας πόνου (0-10), της ποιότητας ζωής (ερωτηματολόγιο EORTC-QΟL- κλίμακα φυσικής λειτουργικότητας, 0-100), της φυσικής κατάστασης (Karnofsky Performance Status index, 0-100), της κατανάλωσης αναλγητικών, όπως και της συχνότητας επανάληψης της ακτινοθεραπείας, εμφάνισης παθολογικών καταγμάτων και συνδρόμου συμπίεσης νωτιαίου μυελού. Η ακτινολογική αξιολόγηση με ΑΤ περιλάμβανε την μέτρηση της μέσης οστικής πυκνότητας σε κάθε οστική βλάβη, αλλά και κατηγοριοποίηση των οστικών βλαβών σε 3 τύπους: λυτικού, μικτού και σκληρυντικού. Μια οστική μετάσταση χαρακτηριζόταν ως λυτική όταν επικρατούσε η οστεολυτική δραστηριότητα και σκληρυντική όταν επικρατούσε η οστεοβλαστική δραστηριότητα. Σε περιπτώσεις όπου καμία από τις δύο δραστηριότητες δεν επικρατούσε, η βλάβη χαρακτηριζόταν ως μικτού τύπου. Επτά ασθενείς διερευνήθηκαν περαιτέρω με Μαγνητικό Τομογράφο, προ της θεραπείας και τρείς μήνες μετά. Αποτελέσματα: 52 ασθενείς αξιολογήθηκαν κατά το χρονικό σημείο των τριών μηνών, 34 στους έξι μήνες και 30 στους δέκα. Ο μέσος όρος κλίμακας πόνου του συνόλου των ασθενών μειώθηκε από τις 6.3 στις 0.5 μονάδες στους 10 μήνες παρακολούθησης (p<0.001). Στο ίδιο χρονικό σημείο 23/30 ασθενείς, ή ποσοστό 76.7% ανάφεραν ολική ανταπόκριση πόνου (κλίμακα πόνου 0). Ο μέσος όρος ποιότητας ζωής κατά την αρχική αξιολόγηση έφθανε μόλις τις 40.9 μονάδες, ενώ μετά από δέκα μήνες παρακολούθησης ο μέσος όρος ανήλθε στις 88.5 μονάδες (p<0.001). Σημαντική βελτίωση καταγράφηκε και για τη φυσική κατάσταση των ασθενών, αφού δέκα μήνες μετά την έναρξη της συνδυασμένης θεραπείας παρατηρήθηκε αύξηση κατά 23.3 μονάδες (p<0.001). Κατά την έναρξη της συνδυασμένης θεραπείας, 84.6% των ασθενών ήταν υπό αναλγητική αγωγή με οπιοειδή. Το ποσοστό αυτό μειώθηκε στο 10% κατά την αξιολόγηση των δέκα μηνών (p<0.001). Εκτός από τη μείωση της ποσοστιαίας κατανάλωσης οπιοειδών αναλγητικών, σημαντική ήταν και η μείωση στην ημερήσια κατανάλωση. Κατά την αξιολόγηση των δέκα μηνών, η μέση οστική πυκνότητα αυξήθηκε κατά 73.2% (p<0.001) (συγκριτικά με τις μετρήσεις προ της έναρξης της θεραπείας). Η αξιολόγηση των οστικών βλαβών με Μαγνητικό Τομογράφο τρείς μήνες μετά την έναρξη της συνδυασμένης θεραπείας, ανέδειξε μείωση στην ενίσχυση σήματος σε Τ1 TSE ακολουθίες, η οποία ήταν πιο έντονη μετά από έγχυση παραμαγνητικής ουσίας. Πιο συγκεκριμένα, προ της θεραπείας η ποσοστιαία ενίσχυση σήματος με παραμαγνητική ουσία έφθανε το 60%, ενώ τρείς μήνες μετά περιορίστηκε στο 15%. Η κατηγοριοποίηση των ασθενών σύμφωνα με τον τύπο των οστικών μεταστάσεων κατά την αρχική αξιολόγηση, έδειξε πως οι ασθενείς των οποίων οι οστικές βλάβες χαρακτηρίζονταν από λυτική δραστηριότητα (λυτικού τύπου), είχαν τον υψηλότερο μέσο όρο οστικού πόνου (8.1 μονάδες) και το χαμηλότερο μέσο όρο ποιότητας ζωής (29.7 μονάδες) και φυσικής κατάστασης (60.9 μονάδες). Η ομάδα αυτή είχε και την υψηλότερη ποσοστιαία και ημερήσια κατανάλωση οπιοειδών αναλγητικών. Το αντίθετο παρατηρήθηκε για την ομάδα των ασθενών με σκληρυντικού τύπου οστικές μεταστάσεις, οι οποίοι είχαν το μικρότερο αρχικό μέσο όρο οστικού πόνου (4.4 μονάδες) και την υψηλότερη βαθμολογία ποιότητας ζωής (52.5 μονάδες) και φυσικής κατάστασης (69.3 μονάδες). Οι ασθενείς με σκληρυντικού τύπου οστικές βλάβες είχαν επίσης την χαμηλότερη ποσοστιαία και ημερήσια κατανάλωση οπιοειδών αναλγητικών. Οι ασθενείς με μικτού τύπου οστικές μεταστάσεις είχαν ενδιάμεσο μέσο όρο αποτελεσμάτων αξιολόγησης. Η ομάδα των ασθενών με λυτικού τύπου οστικές μεταστάσεις είχαν επίσης το χαμηλότερο μέσο όρο οστικής πυκνότητας και οι ασθενείς με σκληρυντικού τύπου βλάβες τον υψηλότερο. Οι διαφορές μεταξύ των τριών ομάδων κατά την αρχική αξιολόγηση ήταν στατιστικά σημαντικές για όλες τις παραμέτρους που εκτιμήθηκαν. Οι διαφορές αυτές εξομαλύνθηκαν (δηλ. έπαψαν να είναι στατιστικά σημαντικές), από το χρονικό σημείο των τριών μηνών και μετά. Το μεγαλύτερο θεραπευτικό όφελος παρατηρήθηκε για τους ασθενείς με λυτικού τύπου οστικές μεταστάσεις, αφού δέκα μήνες μετά την έναρξη της θεραπείας σημειώθηκε μείωση στην κλίμακα πόνου κατά 7.6 μονάδες (p<0.001). Κατά το ίδιο χρονικό σημείο, παρατηρήθηκε σημαντικού βαθμού βελτίωση στην ποιότητα ζωής αλλά και φυσική κατάσταση, παραμέτρους για τις οποίες καταγράφηκε αύξηση κατά 57.8 και 24.1 μονάδες αντίστοιχα (p<0.001). Σε σχέση με τη μέτρηση προ της έναρξης της θεραπείας, η μέση οστική πυκνότητα αυξήθηκε κατά 186% 10 μήνες μετά (p<0.001). Το ποσοστό αυτό ήταν και το υψηλότερο των τριών ομάδων. Το μικρότερο θεραπευτικό όφελος (συγκριτικά πάντα με την αρχική αξιολόγηση) παρατηρήθηκε για τους ασθενείς με σκληρυντικού τύπου οστικές μεταστάσεις. Στους δέκα μήνες το θεραπευτικό αποτέλεσμα για τις τρείς ομάδες ήταν ισάξιο, αφού ο μέσος όρος των κλινικών παραμέτρων που αξιολογήθηκαν ήταν συγκρίσιμος. Η διερεύνηση των συσχετίσεων μεταξύ των παραμέτρων που διερευνήθηκαν με την δοκιμασία Spearman ανέδειξε ενδιαφέροντα αποτελέσματα. Κατά την αρχική αξιολόγηση η συσχέτιση μεταξύ του οστικού πόνου και της οστικής πυκνότητας ήταν αρνητική και στατιστικά σημαντική (Rs=-0.43). Επίσης ο οστικός πόνος ήταν ο κύριος παράγοντας που επηρέαζε την ποιότητα ζωής και την φυσική κατάσταση αρνητικά (Rs= -0.78 και Rs= -0.38 αντίστοιχα, p<0.05). Κατά τις αξιολογήσεις των τριών, έξι και δέκα μηνών η συσχέτιση μεταξύ του πόνου, φυσικής κατάστασης και ποιότητας ζωής δεν ήταν στατιστικά σημαντική. Κατά τη διάρκεια της μελέτης δεν υπήρξε οποιαδήποτε επανάληψη ακτινοθεραπείας λόγω υποτροπής πόνου. Καταγράφηκε ένα παθολογικό κάταγμα και ένα επεισόδιο συμπίεσης νωτιαίου μυελού. Επίσης, δεν παρατηρήθηκε οποιαδήποτε σοβαρή τοξικότητα. Συμπεράσματα: Ο συνδυασμός της ακτινοθεραπείας και ιβανδρονικού οξέος βρέθηκε να είναι αποτελεσματικός και ασφαλής για την αντιμετώπιση επώδυνων οστικών μεταστάσεων από διάφορους συμπαγείς όγκους. Παρατηρήθηκε αξιόλογη ύφεση του άλγους, αλλά και βελτίωση στην ποιότητα ζωής και φυσική κατάσταση για το σύνολο των ασθενών. Τη μεγαλύτερη κλινική και ακτινολογική ανταπόκριση είχε η ομάδα των ασθενών με λυτικού τύπου οστικές μεταστάσεις. Η ομάδα αυτή είχε τον υψηλότερο αρχικό μέσο όρο οστικού πόνου και τον χαμηλότερο αρχικό μέσο όρο ποιότητας ζωής και φυσικής κατάστασης. Οι συσχετίσεις μεταξύ των παραμέτρων που διερευνήθηκαν ανέδειξαν ενδιαφέροντα και σημαντικά αποτελέσματα, με κυριότερη τη συσχέτιση μεταξύ πόνου και οστικής πυκνότητας. Η συσχέτιση αυτή ήταν στατιστικά σημαντική, αρνητική και ισχυρή. Η συνέργια μεταξύ της ακτινοθεραπείας και του ιβανδρονικού οξέως επέφερε αυξημένη επανοστεοποίηση, που είχε σαν αποτέλεσμα τη μερική ή πλήρη ύφεση του πόνου και τη βελτίωση της κλινικής εικόνας των ασθενών. Τέλος, η ακτινολογική αξιολόγηση με ΑΤ έδωσε την δυνατότητα της αντικειμενικής παρακολούθησης του θεραπευτικού αποτελέσματος και της κλινικής ανταπόκρισης. Η κατηγοριοποίηση των ασθενών με βάση ακτινολογικά κριτήρια έδωσε τη δυνατότητα της μελέτης των διαφορών μεταξύ ασθενών με διαφορετικού τύπου οστικές μεταστάσεις (όσον αφορά τις παράμερους που διερευνήθηκαν), αλλά και τη διερεύνηση των τυχών διαφορών στην ανταπόκριση στη θεραπεία. / Purpose: The purpose of the study was to investigate the effectiveness and safety of the combination of radiotherapy and ibandronate in managing bone metastases form solid tumours. The therapeutic outcome was studied for the total number of patients taking part in the study, as well as for patients with different types of bone metastases: lytic, mixed and sclerotic. The changes in bone density in the metastatic bone lesions were followed by computed tomography (CT). The correlation between bone density and the clinical parameters evaluated in the study was also investigated. Reossification was investigated by using Magnetic resonance imaging (MRI) as well. Patients and methods: 52 patients (33 males, 19 females, mean age 68.3 years) with bone metastases from a variety of solid tumors were involved in the study. All patients underwent radiotherapy, receiving a total dose ranging between 30 to 40 Gy, with a daily fractionation of 1.8 to 2.0 Gy. On the first day of radiotherapy patients received an intravenous infusion of 6mg ibandronate. Each infusion lasted for 1 hour and was repeated monthly for up to a total of 10 cycles. Patients underwent both clinical and radiological evaluations on the first day of radiotherapy and 3, 6 and 10 months post the onset of treatment. Clinical status was assessed by bone pain (pain scale rated from 0 to 10), quality of life (EORTC QOL-Physical functioning, 0-100), and performance status (Karnofsky performance status index, 0-100). Analgesic use was also recorded in detail and opioid consumption transformed in daily oral morphine equivalents. Retreatments and incidences of pathological fractures and spinal cord compression were also recorded. Patients undergoing such events were excluded from the study. The radiological evaluation was carried out by using CT and the bone density of each metastatic bone lesion was measured in Hounsfield units. CT was also used to separate patients into three groups on the basis of the type of their bone metastases. A bone metastasis was characterized as “Lytic” when osteolysis was predominant and “sclerotic” when osteoblastic activity was mainly evident. In cases were none of the above activities was predominant, the lesion was characterized as “mixed” type. Seven patients were also evaluated by using MRI. This was done prior to therapy and 3 moths later. Results: 52 patients were evaluated at the time point of 3 months, 34 at 6 months and 30 at 10 months. The mean pain score at baseline was 6.3 points, being reduced to 0.5 points after 10 months of follow up (p<0.001). At the same time point 23/30 patients (76.7%) experienced a complete pain response (pain score zero). The mean baseline score for quality of life was 40.9 points, reaching 88.5 points at the end of the study (p<0.001). Significant improvement was also recorded for performance status, since the mean Karnofsky performance status score increased by 23.3 points, 10 months post the baseline evaluation (p<0.001). Considerable reduction was also noted for opioid consumption, both in the percentage and mean daily oral morphine equivalents. At 10 months of follow up mean bone density increased by 73.2%, as compared to the baseline evaluation (p<0.001). The MRI evaluation at baseline revealed a low signal in T1 TSE sequences, and enhancement after administration of paramagnetic contrast agent. 3 months after the onset of therapy, T1 TSE signal intensities (with paramagnetic contrast agent) were significantly lower than the corresponding baseline signal intensity values (p<0.01). At the baseline evaluation the patients with Lytic bone lesions had the highest baseline mean bone pain with 8.1 points, the lowest mean quality of life (29.7 points) and the lowest mean performance status with 60.9 points. This group also had the highest percentage and mean daily oral morphine equivalent consumption. On the contrary, the sclerotic group had the least mean bone pain with 4.4 points, the highest mean score for quality of life with 52.5 points, and the highest mean score for performance status with 69.3 points. These patients also had the lowest percentage and mean daily opioid consumption. The group of patients with mixed type bone lesions had intermediate mean assessment values. Mean baseline bone density was the least for the lytic group and the highest for the sclerotic group. For all the evaluated parameters, the differences between the 3 groups at the baseline evaluation were statistically significant. From the evaluation at 3 months and onwards the differences were levelled out (were not statistically significant). The highest clinical response was noted for the lytic group, since at 10 months of follow up the mean bone pain was reduced by 7.6 points as compared to the baseline evaluation (p<0.001). At the same time point significant improvements were also noted for quality of life and performance status, since as compared to the baseline evaluation the mean scores increased by 57.8 and 24.1 points respectively (p<0.001). After 10 months of follow up bone density increased by 186%. This was the highest increase out of the 3 groups. Even though the therapeutic response at 10 months was highest for the lytic group (as compared to the baseline assessments), the overall therapeutic outcome for the 3 groups was equal, since at the end of the study the mean values of the clinical assessments were comparable. The spearman correlation test revealed important associations between the evaluated parameters. At baseline bone pain had a negative, strong and statistically significant correlation with bone density (Rs = -0.43). Bone pain was the main factor influencing quality of life and performance status (Rs = -0.78 and Rs = -0.38 respectively, p<0.05). At the evaluations of 3, 6 and 10 months the correlations between bone pain, performance status and quality of life were not statistically significant. During the 10 months of follow up there was no retreatment due to pain relapse. One pathological fracture and 1 spinal cord compression were recorded. No major toxicity was noted. Conclusions: The combination of radiotherapy and ibandronate for the management of bone metastases, turned out to be effective and safe. The effectiveness was manifested through clinical and radiological parameters. The reduction in bone pain was significant, as well as the improvements in quality of life and performance status of patients. The highest therapeutic response was noted for the lytic group, since out of the 3 groups this group had the highest mean baseline pain, and the lowest baseline mean scores for quality of life and performance status. The correlations between the evaluated parameters were interesting and revealed a strong and negative association between bone pain and bone density. The synergy between radiotherapy and ibandronate resulted in accelerated reossification that brought about an improvement in the clinical parameters that were assessed. CT enabled us to follow the therapeutic response and investigate the differences in the parameters evaluated between the patients with different types of bone metastases. The therapeutic response of each group was investigated separately.

- / -

- / -

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή περιλαμβάνεται το αποτέλεσμα εκτεταμένης συγκριτικής μελέτης των μεθόδων που χρησιμοποιούνται στη διάγνωση της εισαγωγής και της εξέλιξης της οστεοπόρωσης. Η οστεοπόρωση, όπως και όλες οι μεταβολικές νόσοι των οστών, αποτελούν ένα σημαντικό πρόβλημα της παγκόσμιας υγείας. Πολλές τεχνικές έχουν προταθεί και εφαρμόζονται για τη διάγνωση της οστεοπόρωσης αλλά και για την παρακολούθηση της εξέλιξής της, με ταυτόχρονη αξιολόγηση της επίδρασης των θεραπευτικών αγωγών. Η μέθοδος της μέτρησης του Μορφικού Συντελεστή Απόσβεσης αποτελεί μια τεχνική γνωστή στην παγκόσμια βιβλιογραφία για την εκτίμηση της ποιότητας των κατασκευών με μη καταστροφικό τρόπο. Η διερεύνηση της δυνατότητας εφαρμογής της μεθόδου στην αξιολόγηση της δομικής ακεραιότητας των οστών με παράλληλη ανάπτυξη θεωρητικού μοντέλου το οποίο υποστηρίζει την ορθότητα των πειραματικών αποτελεσμάτων αποτέλεσε το βασικό στόχο της έρευνας. Ειδικότερα, περιλαμβάνεται αναλυτική έρευνα βιβλιογραφίας στην περιοχή του μη καταστροφικού ελέγχου συμβατικών κατασκευών και υλικών, και ανάπτυξη των κυριότερων τεχνικών που εφαρμόζονται στην καθημερινή κλινική πρακτική για τον διαγνωστικό έλεγχο της οστεοπόρωσης και γενικότερα των παθήσεων του μυοσκελετικού συστήματος [τεχνικές πυκνομετρίας (pQCT, DEXA, QUS, κ.λ.π) αλλά και τεχνικές που ανιχνεύουν μεταβολές των οστών σε επίπεδο αρχιτεκτονικής (ιστομορφομετρία) και σε μοριακό επίπεδο (βιοχημικοί δείκτες), καθώς και φασματοσκοπία Raman] με τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κάθε μεθόδου. Λόγω της πολυπλοκότητας του υλικού του οστού, παρατίθενται αναλυτικά οι μηχανικές του ιδιότητες. Στη συνέχεια αναπτύσσεται το θεωρητικό μοντέλο υπολογισμού του Μορφικού Συντελεστή Απόσβεσης και παρουσιάζεται το εκτεταμένο πειραματικό μοντέλο που εφαρμόστηκε σε επίμυες και γυναίκες. Από τη σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων της μεθόδου του Συντελεστή Απόσβεσης και των συμβατικών τεχνικών που χρησιμοποιούνται για τη διάγνωση της οστεοπόρωσης με τις αναλυτικές τιμές υπολογισμού του Συντελεστή Απόσβεσης αναδεικνύεται η υψηλή ευαισθησία της προτεινόμενης μεθόδου και τεκμηριώνεται η ωριμότητά της για αποτελεσματική, επαναλήψιμη, έγκυρη και αξιόπιστη αξιολόγηση της δομικής ακεραιότητας των οστών. / Extended comparative study of the methods used in the diagnosis of osteoporosis is included in this thesis. Osteoporosis, as well as all metabolic diseases of bones, consist an important health problem. Many techniques have been proposed and are applied for monitoring of osteoporosis with simultaneous assessment of the effect of therapeutical treatment. Measurement of Modal Damping Factor is a worldwide known technique for the non destructive assessment of structural integrity. The potential of application of this method on the assessment of structural integrity of bones, in combination with development of theoretical model supporting the experimental results has been the main target of this research. Specifically, in the frame of the research, a thorough state of the art has been elaborated in the domain of non destructive testing of conventional structures and materials, as well as on the main techniques applied on everyday clinical practice for diagnosis of osteoporosis and of metabolic diseases of bones [bone density techniques (pQCT, DEXA, QUS), techniques detecting architectural changes (histomorphometry), molecular changes (biochemical markers) and Raman Spectroscopy], accompanied by the advantages and disadvantages of each approach. Due to the complexity of bone structure, its mechanical properties are presented, accompanied by the theoretical model, from which the Modal Damping Factor is calculated, and the experimental model that was applied on osteoporotic rats and women. The comparison between experimental results of Modal Damping Factor and of data from conventional methods used for diagnosis of osteoporosis with the analytical values of Modal Damping Factor permits for elevating the high sensitivity of the proposed method and documenting its maturity for effective, repetitive, and accurate assessment of bone structural integrity.

Το οστό αποτελεί ένα σύνθετο υλικό, χαρακτηριζόμενο από μια πολύπλοκη ιεραρχική δομή. Συνίσταται από τρεις φάσεις, μια ανόργανη, μια οργανική και μια υδατική. Το ανόργανο μέρος του, το οποίο αντιστοιχεί περίπου σε 60-65% της κατά βάρος περιεκτικότητάς του, αποτελείται από ένα χημικό και δομικό ανάλογο του φωσφορικού άλατος υδροξυαπατίτης [Ca10(PO4)6(OH)2], το οποίο γι’ αυτό το λόγο καλείται βιοαπατίτης ή βιολογικός απατίτης. Το οργανικό μέρος αποτελεί περίπου το 30% της κ.β. περιεκτικότητάς του και κυριαρχείται από την παρουσία της πρωτεΐνης κολλαγόνο (τύπου Ι), το ποσοστό της οποίας ανέρχεται σε 90% περίπου της οργανικής φάσης. Το υπόλοιπο τμήμα αυτής καταλαμβάνεται από ένα πλήθος άλλων πρωτεϊνών, οργανικών ενώσεων και κυττάρων. Το εναπομένον 5-10% της μάζας του οστού αποτελείται από νερό. Η σύσταση του οστού και πιο συγκεκριμένα η περιεκτικότητά του σε βιοαπατίτη και κολλαγόνο (των οποίων η συνολική % κ.β. περιεκτικότητα ανέρχεται σε πάνω από 95% επί ξηρού οστού) διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στις μηχανικές ιδιότητές του, όπως είναι η αντοχή σε θραύση, η ακαμψία και η ελαστικότητα. Οι μεταβολές των μηχανικών ιδιοτήτων σχετίζονται με παθολογικές καταστάσεις των οστών κατά τις οποίες είναι πολύ πιθανή η εμφάνιση κατάγματος, όπως είναι η οστεοπόρωση –από την οποία πάσχει ένα σημαντικό μέρος του πληθυσμού– αλλά και άλλες λιγότερο συνηθισμένες παθήσεις όπως η οστεομαλακία και η ατελής οστεογένεση. Οι παραπάνω ασθένειες και κυρίως η οστεοπόρωση, διαγιγνώσκονται μέχρι σήμερα με μέτρηση της οστικής πυκνότητας (Bone Mineral Density, BMD). Η συγκεκριμένη όμως παράμετρος υστερεί στην αξιόπιστη πρόβλεψη του κινδύνου εμφάνισης καταγμάτων. Για το λόγο αυτό, η νέα προσέγγιση στο συγκεκριμένο ζήτημα απαιτεί ως διαγνωστικό εργαλείο τη γνώση παραμέτρων που σχετίζονται άμεσα με τις μηχανικές ιδιότητες, ανάγοντας έτσι και τη σύσταση των οστών ως ένα πιθανό αξιόπιστο παράγοντα εκτίμησης του κινδύνου εμφάνισης κατάγματος. Αν και η σύσταση του οστού μπορεί να υπολογιστεί με διάφορες αναλυτικές τεχνικές, η χρήση της φασματοσκοπίας Raman (RS) αποτελεί μια προσέγγιση στο συγκεκριμένο ζήτημα η οποία παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως είναι η δυνατότητα ταυτόχρονου προσδιορισμού της περιεκτικότητας σε βιοαπατίτη και κολλαγόνο, η ελάχιστη επεξεργασία του προς ανάλυση δείγματος ενώ ήδη έχουν αρχίσει να γίνονται προσπάθειες και για την ανάπτυξη μεθόδου για την in vivo ανάλυση των οστών. Λαμβάνοντας επομένως υπόψη τα σημαντικά πλεονεκτήματά της φασματοσκοπίας Raman και τη σπουδαιότητα της σύστασης στον καθορισμό της ποιότητας του οστού, επιχειρήθηκε η ανάπτυξη μεθοδολογίας για την ποσοτική ανάλυση της περιεκτικότητας των οστών σε βιοαπατίτη και κολλαγόνο με τη βοήθεια της φασματοσκοπίας Raman. Για το σκοπό αυτό, συλλέχθηκαν δείγματα βόειων οστών (από το συμπαγές και το σπογγώδες τμήμα) και αφού πραγματοποιήθηκε χημικός καθαρισμός τους από ξένες οργανικές ενώσεις (λιπίδια, μυελός, κύτταρα), ορισμένα δοκίμια χρησιμοποιήθηκαν για την απομόνωση του κολλαγόνου –κατόπιν διάλυσης του βιοαπατίτη με EDTA– ενώ κάποια άλλα δοκίμια χρησιμοποιήθηκαν για την απομόνωση του βιοαπατίτη –με διάλυση του κολλαγόνου σε υδραζίνη. Στα πλαίσια χαρακτηρισμού των δοκιμίων, μελετήθηκαν οι επιδράσεις που επάγουν η διαδικασία του χημικού καθαρισμού και το πρωτόκολλο απομόνωσης κολλαγόνου στην κρυσταλλική δομή του βιοαπατίτη. Μετρήσεις με τη βοήθεια της περίθλασης ακτίνων Χ (XRD), αποκάλυψαν ότι ενώ ο χημικός καθαρισμός δεν επηρεάζει τη δομή των δοκιμίων ωστόσο, το πρωτόκολλο απομάκρυνσης του κολλαγόνου με υδραζίνη έχει ως συνέπεια την αύξηση της κρυσταλλικότητας και του μεγέθους των κρυσταλλιτών του βιοαπατίτη σε σημαντικό βαθμό. Επιπλέον, από μελέτες με φασματοσκοπία υπερύθρου και XRD προέκυψε ότι η μεταβολή των παραπάνω παραμέτρων οφείλεται στην απομάκρυνση των ιόντων CO32- και HPO42- από τους κρυσταλλίτες του βιοαπατίτη, η οποία προκαλείται από χρήση της υδραζίνης. Μάλιστα προέκυψε ότι όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία της χρησιμοποιούμενης υδραζίνης τόσο μεγαλύτερη είναι η κινητική των μεταβολών που επάγονται στις κρυσταλλογραφικές παραμέτρους του βιοαπατίτη. Αναμιγνύοντας καθορισμένες ποσότητες βιοαπατίτη και κολλαγόνου, παρασκευάστηκαν πρότυπα μίγματα που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή ευθειών αναφοράς, για τον προσδιορισμό της σύστασης του οστού ως προς αυτά τα συστατικά. Από τα φάσματα Raman του οστού επιλέχθηκε η ν1 δόνηση των ΡΟ43- του βιοαπατίτη που εμφανίζεται ως μια κορυφή στα 960 cm-1 ως δείκτης της ποσότητάς του ενώ για το κολλαγόνο δοκιμάστηκαν δύο κορυφές, μια στα 1667 cm-1 που ανήκει στη δόνηση του αμιδίου Ι και άλλη μια στα 2941 cm-1 που αποδίδεται στην C-H2 δόνηση. Κατά την ανάλυση που ακολούθησε, χρησιμοποιήθηκαν τόσο τα ύψη όσο και τα εμβαδά κάτω από τις αντίστοιχες κορυφές. Οι λόγοι εντάσεων (εκφραζόμενές από τα ύψη ή τα εμβαδά των κορυφών) των δονήσεων 960 cm-1/1667 cm-1 και 960 cm-1/2941 cm-1 είναι ανάλογοι του λόγου περιεκτικοτήτων σε βιοαπατίτη και κολλαγόνο. Προέκυψαν επομένως τέσσερεις ευθείες αναφοράς. Από αξιολόγηση των συγκεκριμένων ευθειών αναφοράς προέκυψε ότι μεγαλύτερη ακρίβεια στον υπολογισμό του λόγου περιεκτικοτήτων βιοαπατίτη και κολλαγόνου παρουσιάζει αυτή που χρησιμοποιεί το λόγο υψών των κορυφών 960 cm-1/1667 cm-1. Επιπλέον, επιχειρήθηκε η ανάπτυξη ενός νέου μοντέλου βαθμονόμησης με τη χρήση χημειομετρικών μεθόδων και πιο συγκεκριμένα εφαρμόζοντας τον αλγόριθμο PLS, ο οποίος έχει εφαρμοστεί με σημαντική επιτυχία τα τελευταία χρόνια στην ανάλυση φασματοσκοπικών δεδομένων. Επειδή για την ανάπτυξη του νέου μοντέλου χρησιμοποιήθηκε μια μεγάλη περιοχή του φάσματος (από 366 cm-1 ως 1800 cm-1) και όχι μεμονωμένες δονήσεις, αναμένετο μεγαλύτερη ακρίβεια στον υπολογισμό της σύστασης των αγνώστων δειγμάτων. Από τους διάφορους τρόπους κατασκευής μοντέλων ποσοτικής ανάλυσης βιοαπατίτη και κολλαγόνου που αναπτύχθηκαν, αυτό που επέδειξε τα καλύτερα χαρακτηριστικά ήταν εκείνο που τα πειραματικά δεδομένα, πριν την επεξεργασία τους με τον αλγόριθμο PLS, υποβλήθηκαν στον SNV (Standard Normal Variate) μετασχηματισμό. Μετά την επιλογή των βέλτιστων για κάθε μέθοδο μοντέλων, ακολούθησε η αξιολόγησή τους με άλλες τεχνικές. Αρχικά, ποσοτικοποιήθηκε η περιεκτικότητά σε βιοαπατίτη και κολλαγόνο μεγάλου αριθμού δοκιμίων οστών, με τις παραπάνω μεθόδους που βασίζονται στη φασματοσκοπία Raman. Ακολούθως, τα ίδια οστά αναλύθηκαν με τις τεχνικές της φασματομετρίας ατομικής απορρόφησης (AAS) και της θερμοσταθμικής ανάλυσης (TGA) ως προς την περιεκτικότητά τους σε ανόργανη και οργανική φάση. Σύγκριση των αποτελεσμάτων από αυτές τις τεχνικές με τα αντίστοιχα που προέκυψαν από την ανάλυση με φασματοσκοπία Raman, κατέδειξαν μειωμένη ικανότητα πρόβλεψης της περιεκτικότητας σε βιοαπατίτη και κολλαγόνο και για τα δύο μοντέλα που είχαν αναπτυχθεί με βάση τη φασματοσκοπία Raman. Θεωρώντας ως ένα από τους λόγους αποτυχίας των παραπάνω μοντέλων ποσοτικής ανάλυσης την επιλογή της δόνησης του αμιδίου Ι στα 1667 cm-1 ως δείκτη της ποσότητας του κολλαγόνου, επιχειρήθηκε η κατασκευή ενός νέου μοντέλου ποσοτικής ανάλυσης, με την επιλογή διαφορετικών δονήσεων για την ποσοτικοποίηση του κολλαγόνου. Οι κορυφές που χρησιμοποιήθηκαν ήταν αυτές στα 855 και 878 cm-1 οι οποίες ανήκουν σε δονήσεις των αμινοξέων προλίνη και υδροξυπρολίνη αντίστοιχα ενώ, για το βιοαπατίτη χρησιμοποιήθηκε και η κορυφή στα 960 cm-1. Και πάλι αναπτύχθηκαν μοντέλα λαμβάνοντας υπόψη τα ύψη και τα εμβαδά των παραπάνω κορυφών. Τελικά, προέκυψε ότι το βέλτιστο μοντέλο ήταν αυτό στο οποίο ως δείκτης της ποσότητας του κολλαγόνου χρησιμοποιήθηκε το άθροισμα των υψών των κορυφών στα 855 και 878 cm-1. Αξιολόγηση του συγκεκριμένου μοντέλου μέσω της σύγκρισης με τα αποτελέσματα που εξήχθησαν από τις ποσοτικές αναλύσεις με την ατομική απορρόφηση και τη θερμοσταθμική ανάλυση, κατέδειξε ιδιαίτερα ικανοποιητική σύγκλιση των τιμών περιεκτικότητας σε βιοαπατίτη και κολλαγόνο από τις τρεις τεχνικές. Ως εκ’ τούτου, κατέστη δυνατή η δημιουργία ενός μοντέλου ακριβούς πρόβλεψης της σύστασης των οστών ως προς την ανόργανη και την οργανική φάση. Η εξίσωση της καμπύλης αναφοράς που προτείνεται για το σκοπό αυτό είναι η: όπου: Ηi είναι το ύψος της κορυφής του φάσματος Raman στον κυματάριθμο i και ΧΒ, ΧC οι % κ.β. περιεκτικότητες των οστών σε βιοαπατίτη και κολλαγόνο αντίστοιχα / Bone is a composite material characterized by a complicated hierarchical structure. It consists of three phases: inorganic, organic and aqueous. The inorganic is the dominant part accounting 60-65% w/w of bone and is a chemical and structural analogue of the mineral hydroxyapatite [Ca10(PO4)6(OH)2]. It is exactly for this reason that it is called bioapatite or biological apatite. The organic part constitutes about 30% of the weight of bone and its principal component is collagen (type I), which accounts for more than 90% of the weight of the organic phase. Non-collagenous proteins, lipids, cells and other organic substances are also included in the organic part of bone. The remaining 5-10% w/w of bone is water. The composition of bone and particularly the concentrations of bioapatite and collagen (which together exceed 95% w/w of dry bone) play a crucial role in its mechanical properties, including resistance to fracture, stiffness and elasticity. These properties relate to various pathological situations of bone which may cause fractures like osteoporosis –the most frequent metabolic bone disease– osteomalacia, osteogenesis imperfecta and others. For the diagnosis of the above diseases and especially of osteoporosis, measurements of BMD (Bone Mineral Density) is the gold standard. However, nowadays it is a common belief that BMD alone cannot reliably predict the risk of bone fracture. For this reason, a new approach is followed according to which the study of factors that influence the mechanical properties of bone is suggested for diagnostic purposes. Inarguably, the composition of bone appears to be a key factor for the evaluation of risk fracture. Despite the fact that composition of bone has been determined by various analytical techniques, the use of Raman spectroscopy (RS) for this purpose, has been inadequately exploited. The simultaneous analysis of inorganic and organic phase, the minimal or even none requirements for sample preparation and the promising ongoing efforts for the in vivo analysis of tissues, rendered this technique a powerful tool for the study of bones. Taking into account the important advantages of RS and the role of bone composition as a diagnostic parameter, it was attempted to develop a method, based on RS, of quantitative analysis of the composition of bioapatite and collagen in bone. A large number of bovine bone specimens (cortical and trabecular) was collected. Lipids, marrow and the non-collagenous proteins were removed by chemical methods. Some of the specimens were treated with EDTA solutions for the separation of collagen. A second batch of bone specimens was subjected to the removal of organic phase by hydrazine. Afterwards, the effect of chemical purification and of hydrazine treatment on the crystal structure of bioapatite was investigated. X-Ray Diffraction (XRD) measurements revealed that although chemical purification does not have any significant effect, hydrazine treatment induces noteworthy changes of the crystal size and crystallinity of the mineral phase. Further XRD measurements and investigation of bone specimens with infrared spectroscopy unveiled that the observed changes were temperature depended and were due to the removal of CO32- and HPO42- ions from the crystal lattice of bioapatite, caused by hydrazine. A series of standard mixtures was prepared by mixing carefully weighted amounts of the purified bone components and the corresponding calibration curves were constructed. These calibration lines could be used for the quantitative analysis of bone specimens with respect to its content in bioapatite and collagen. The peak at 960 cm-1 of the Raman spectrum of bone was selected as marker of bioapatite (ν1 vibration of ΡΟ43-¬). For collagen two peaks were tested, at 1667 cm-1 (vibration of amide I) and at 2941 cm-1 (vibration of C-H2). For these two peaks both, the height and the integrated areas were used for the construction of the respective calibration curves. Height and area ratios of 960 cm-1/1667 cm-1 and 960 cm-1/2941 cm-1 peaks are proportional to the ratio of mass fraction of bioapatite to collagen. For the models developed, the most accurate was proved to be this one that used the height ratio of 960 cm-1/1667 cm-1 peaks. For comparison reasons, new models were developed based on chemometrics and in particular by using the PLS algorithm. PLS has been proved a powerful method for the analysis of multivariate problems and during the last years there is a growing number of applications in spectroscopy. A broad region of the Raman spectrum was used from 366 cm-1 to 1800 cm-1 and various spectral filters were tested. The best results were obtained for the SNV spectral filter. Following the selection of the optimum model for each of the two different methods of calibration, they were evaluated with the results from other analytical techniques. Various bone specimens were quantified for bioapatite and collagen with the implementation of the developed models and their results were compared with the corresponding results of two other analytical techniques, Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) and Thermogravimetric Analysis (TGA). Although analytical results showed good agreement between AAS and TGA, the consensus of the results obtained by RS and that of AAS and TGA was poor. This indicates that the developed methods based on RS were inappropriate. A possible reason for the failure of the above models, which based on RS, could be the selection of amide I vibration for the quantification of collagen. Thus, additional models were constructed using different peaks as collagen markers. The peaks at 855 and 878 cm-1 were selected, which are attributed to vibrations of the amino acids proline and hydroxyproline, respectively. For bioapatite the peak at 960 cm-1 was used. The quantitative analysis was developed using heights and integrated areas of the selected peaks. Comparison between the models showed that the best results were obtained by the model that takes into account the sum of the heights at 855 cm-1 and 878 cm-1. Comparison of this model with the results obtained from AAS and TGA showed excellent agreement with respect to the content of bone specimens in bioapatite and collagen. The calibration equation derived for this model is: where: Hi is the height of the peak at the i wavenumber of the Raman spectrum and ΧΒ, ΧC are the % mass content of bioapatite and collagen in the bone specimens respectively

Fractures are common at human bones. So, a callus is formed and the procedure of osteogenesis is initiated. Medical doctors need to have a tool that allows them to evaluate the healing procedure without taking X-ray photos every week. Such a variety of tools can be provided by non-destructive inspection techniques. But rst, one has to create a model for predicting phenomena such as size-e ects and in particular dispersive acoustic waves propagation. Before this thesis, there has been made an attempt by (Vavva, 2009), to predict modal wave propagation with Mindlin's Form-II. Herein, for the rst time there are presented dynamic solutions of this theory. To begin with, the bone is considered to be a dampless homogeneous (ortho) isotropic composite material, with interstitial tissue being the matrix and the osteons being the bres. So, Mindlin's theory can be applied in this case. Next, a fundamental solution is obtained for Mindlin's Form-II of his gradient elasticity theory. In conjunction to an existing integral representation, there can be obtained solutions using the Boundary Element Method. With the help of a considered Representative Volume Element, simulations have been conducted and results are presented for the cases of P, S and Rayleigh waves, as well as guided waves in plates. The dispersion diagrams as given by Wigner-Ville representations are compared to the theoretical ones. What is more, the validity and accuracy of the BEM code have been checked using analytical solutions of one-dimensional problems. Furthermore, relaxation functions from viscoelastic theories are considered and are taken into account using the correspondence principle. So, both viscoelastic and gradient-visco-elastic models have been considered and the results of various cases (P, S, Rayleigh and Lamb waves) have been compared to the above. Finally, since the present thesis has to do with information extracted from dispersive wave propagation, some studies have been made and measures have been proposed for velocities and dispersion. All in all, this has been a work dealing with the fact that micro-structure a ects the macro-behavior of a material concerning waves propagation and, in the framework of Mindlin's Form-II, there have been extracted several conclusions concerning bone-like materials. / Τα κατάγματα δεν είναι σπάνια στα οστά. Έτσι, μετά την δημιουργία του πώρου, κατά τη διαδικασία της οστεογένεσης, οι γιατροί χρειάζονται ένα εργαλείο για την αξιολόγησή της, εκτός φυσικά της έκθεσης σε ακτινοβολία. Μια πληθώρα τέτοιων εργαλείων μπορεί να ανακύψει από τις τεχνικές των μη-καταστροφικών ελέγχων. Πρωτύτερα όμως πρέπει να γίνει η μελέτη των φαινομένων κλίμακας και πιο συγκεκριμένα της διάδοσης ακουστικών κυμάτων με διασκόρπιση. Να σημειωθεί εδώ πως έχει προηγηθεί η διδακτορική διατριβή (αα, 2009), η οποία προβλέπει διάφορα φαινόμενα για την περίπτωση της οδηγούμενης διάδοσης κυμάτων στο πλαίσιο της δεύτερης φόρμας του Μϊντλιν. Εδώ όμως για πρώτη φορά παρουσιάζονται δυναμικές λύσεις γι'αυτή τη θεωρία.

Στην ιατρική, συχνά χρησιμοποιούνται τεχνολογίες πληροφοριών και επικοινωνιών για να βοηθήσουν τους γιατρούς στις διαδικασίες διάγνωσης, ιδιαίτερα σε προβλήματα διαφορικών διαγνώσεων σε ασθένειες. Μέθοδοι Τεχνητής Νοημοσύνης (ΤΝ) μας δίνουν την δυνατότητα αναπαράστασης της ιατρικής γνώσης και των τρόπων χρήσης της (π.χ. για διάγνωση ασθενειών) σε όλους τους τομείς της Ιατρικής. Η ομάδα ΤΝ του Τμήματος Μηχ/κών Η/Υ & Πληροφορικής έχει δημιουργήσει ένα πρωτότυπο (prototype) ενός ιατρικού ευφυούς/έμπειρου συστήματος διαφορικής διάγνωσης παθήσεων οστών (αποκαλούμενο XBONE) που στηρίζεται σε συμβολικούς κανόνες. Το συγκεκριμένο ευφυές (έμπειρο) σύστημα προορίζεται να χρησιμοποιηθεί ως συμβουλευτικό εργαλείο από ορθοπεδικούς. Για την αναπαράσταση γνώσης χρησιμοποιήθηκε μια υβριδική γλώσσα αναπαράστασης κανόνων, που ονομάζεται 'νευροκανόνες' (neurules), η οποία συνδυάζει συμβολικούς κανόνες και νευρωνικές μονάδες. Η ομάδα ΤΝ έχει επίσης αναπτύξει και ένα πρωτότυπο εργαλείου δημιουργίας ευφυών συστημάτων που στηρίζεται στους νευροκανόνες (αποκαλούμενο HYMES). Τέλος, η ίδια ομάδα έχει αναπτύξει ένα εργαλείο δημιουργίας έμπειρων συστημάτων από δεδομένα (αποκαλούμενο ACRES) που βασίζονται σε κανόνες με συντελεστές βεβαιότητας. Τα έμπειρα αυτά συστήματα είναι υλοποιημένα σε κώδικα CLIPS. Στο πλαίσιο της διπλωματικής : 1. Ολοκληρώνεται η ανάπτυξη του XBONE καθιστώντας το πλήρως λειτουργικό ευφυές σύστημα, παρέχοντας παράλληλα αυξημένη αξιοπιστία στην παραγωγή διαγνώσεων που αφορούν ασθένειες των οστών. Επίσης, αναπτύσσεται μια διαδικτυακή έκδοσή του. 2. Δημιουργείται μια δεύτερη έκδοση του XBONE στηριζόμενη σε νευροκανόνες από μετατροπή των συμβολικών κανόνων του αρχικού σε νευροκανόνες μέσω του εργαλείου HYMES. Εν συνεχεία δημιουργείται μια τρίτη έκδοση του συστήματος βασισμένη σε νευροκανόνες που δημιουργούνται μέσω του εργαλείου HYMES από ένα σύνολο εμπειρικών δεδομένων. 3. Δημιουργούνται επιπλέον εκδόσεις του παραπάνω συστήματος με το εργαλείο ACRES από τα ίδια δεδομένα. 4. Δημιουργείται μια τελευταία έκδοση του XBONE στο οποίο έχει επιτευχθεί ασαφοποίηση συγκεκριμένων μεταβλητών. 5. Τέλος, πραγματοποιείται σύγκριση των παραπάνω συστημάτων και αποκρυσταλλώνονται τα τελικά συμπεράσματα. / In medicine is often used ICT in order to help doctors to make diagnosis, especially in problems of differential diagnosis. Settlement methods based on Artificial Intelligence (ΑΙ) provide us the opportunity of standardization of medical knowledge and imaging ways of diagnosis procedures in specific areas of medicine. The A.I. group of CEID (Computer Engineering & Informatics Department) has developed a prototype of a medical intelligent/expert system for differential diagnosis of bone disorders (called XBONE), which is based on symbolic rules. This intelligent (expert) system is intended to be used as an advisory tool from orthopaedists. For knowledge representation used a hybrid language representation of rules, called ‘neurules’, which combines symbolic rules and neural units. The A.I. group has also developed a tool for creating intelligent systems based on the neurules (called HYMES). Finally, the same group has developed a tool for developing expert systems from data (called ACRES) which are based on rules with certainty factors. These expert systems are implemented in CLIPS. The aim of this thesis is : 1. The integration of XBONE, making it fully functional and reliable on bone diseases. We also create a web based version of it. 2. The development of a second version of XBONE based on neurules modifying symbolic rules to neurules via HYMES and the development of a third version with neurules which is created by empirical data. 3. The development of more versions using ACRES tool. 4. Finally, the comparison of above systems.

Η οστεοαρθρίτιδα αποτελεί μια συχνά εμφανιζόμενη εκφυλιστική ασθένεια. Εντοπίζεται κυρίως στις μεγάλες αρθρώσεις (πχ ισχύο και γόνατο) και χαρακτηρίζεται από προοδευτική φθορά του αρθρικού χόνδρου. Στην παρούσα εργασία έγινε χαρτογράφηση του υγιούς και του οστεοαρθριτικού τμήματος ανθρώπινης κεφαλής μηριαίου οστού η οποία αφαιρέθηκε κατά τη διάρκεια αρθροπλαστικής επέμβασης. Η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε ήταν η φασματοσκοπία micro-Raman η οποία παρέχει πληροφορίες που αφορούν στις δονήσεις μορίων. Συγκεκριμένα έγινε δυνατή η ανάπτυξη μεθοδολογίας για τη διαφοροποίηση κολλαγόνου Ι (οστό) και κολλαγόνου ΙΙ (χόνδρος) εξετάζοντας τις φασματικές περιοχές της προλίνης και υδροξυπρολίνης, κάμψεων CH2, CH3 και των αμιδίων Ι και ΙΙΙ. Επίσης η μελέτη των δονήσεων των φωσφορικών ιόντων και των ανθρακικών υποκατασταστατών τους έκανε δυνατή τη διαφοροποίηση του βιοαπατίτη του οστού από τον ασβεστοποιημένο χόνδρο. Η ανάλυση των δεδομένων έδειξε την απουσία αρθρικού χόνδρου στο κέντρο της κεφαλής, που υφίσταται το μέγιστο φορτίο, και την πλήρη αποκάλυψη του υποχόνδρινου οστού. Την εικόνα αυτή διαδέχονται, καθώς κινούμαστε περιμετρικά προς τα άκρα, περιοχές όπου κυριαρχεί ασβεστοποιημένος χόνδρος ή και συνύπαρξη οστού και χόνδρου σαν ένα ενδιάμεσο στάδιο οστεοαρθρίτιδας. Υγιείς περιοχές με εμφανές στρώμα αρθρικού χόνδρου δεν εντοπίζονται παρά μόνο πολύ μακριά από το κέντρο της κεφαλής του μηριαίου οστού. Η χαρτογράφηση περιοχών εσωτερικά, στην επιφάνεια μιας τομής, έδειξε μια σχετικά απότομη μετάβαση από το χόνδρο στο υποχόνδρινο οστό στις υγιείς περιοχές, εικόνα που συνάδει με τα όσα είναι γνωστά για τη δομή της άρθρωσης. Αντίθετα, οι οστεοαρθριτικές περιοχές χαρακτηρίζονταν από την απουσία των φασματικών περιοχών του κολλαγόνου τύπου ΙΙ (χόνδρος) στα εξωτερικά στρώματα αλλά και τη συνύπαρξη των δύο τύπων κολλαγόνου Ι και ΙΙ (οστού και χόνδρου) ή την παρουσία ασβεστοποιημένου κολλαγόνου ΙΙ σε διαδοχικές ζώνες και σε βάθος αρκετών χιλιοστών σε αρκετές περιπτώσεις προς το εσωτερικό της τομής. Τα φασματοσκοπικά αποτελέσματα, τέλος, επιβεβαιώθηκαν από ιστολογική εξέταση με χρώση safranin O της κάθε χαρτογραφημένης περιοχής στην εξεταζόμενη τομή οστεοαρθριτικής κεφαλής μηριαίου οστού. / Osteoarthritis is a very common degenerative disease, characterized by gradual degeneration of the articular cartilage and mainly affecting knees and hip joints. In the present work, a human osteoarthritic femoral head, removed during replacement surgery, was used for the mapping of its healthy and osteoarthritic areas. Laser Raman microscopy, a technique that provides information on molecules’ vibrations, was employed for the study. The development of a methodology for the distinction between collagen I (bone) and collagen II (cartilage) was accomplished through the study of proline, hydroxyproline, CH2, CH3 bending and amide I and III bands. On the other hand, the study of phosphate and carbonate substituents made the distinction between bone bioapatite and calcified cartilage feasible. Data analysis revealed the absence of articular cartilage and the full exposure of subchondral bone in the middle of the outer surface of femoral head section, where maximum friction due to movement is observed. Moving perimetrically from the middle of the outer surface to the rims of the section, areas of calcified cartilage and coexistence of bone and cartilage are observed, possibly as an intermediate disease stage. Healthy areas with distinct layer of articular cartilage are located only on the extreme rims of the section. Mapping of areas in depth of the femoral head section, revealed a relatively abrupt transition from cartilage to subchondral bone in healthy areas, which is consistent with our knowledge about joint structure. On the contrary, osteoarthritic areas were characterized by the absence of collagen II (cartilage) characteristic bands on the outer layers and in the same time by the coexistence of collagen I and II (bone and cartilage) or the presence of calcified collagen II through successive layers in some millimeters depth towards the interior of the femoral head section. Finally, spectroscopic results were confirmed by histological examination and Safranin O histochemical staining of each area mapped of the human femoral head section.