Abstract It is known that exercise strengthens bone and can prevent bone loss. However, the optimal amount and intensity of exercise beneficial to bones is not known, because there have been no long-term methods to evaluate the osteogenic features of exercise. The aim of the study was to reveal the determinants of physical activity or exercise beneficial for the bone, using novel accelerometer-based measurement of bone loading. Additionally, the study tested the applicability of a previously developed bone exercise regimen in Japanese women, using the same measurement technology. Acceleration data obtained in two exercise trials were analyzed. The subjects were healthy women aged 25–50 years who participated in 12-month high-impact exercise trials either in Finland or in Japan. The individual daily bone loading was assessed with a waist-worn accelerometer-based bone exercise recorder. Vertical acceleration peaks caused by impacts on the ground were recorded. Different key characteristics of the acceleration peaks were analyzed. A Daily Impact Score was developed to describe individual daily osteogenic loading. Bone mineral density was measured with dual x-ray absorptiometry at the proximal femur and lumbar spine, and cross-sectional geometry of mid-femur was assessed with spiral computed tomography. Calcaneus was assessed with quantitative ultrasound. Bone changes were analyzed with respect to the acceleration data. The results showed that the number of impacts during the first six months of exercise was associated with the 12-month bone changes at the hip and mid-femur. The slope, area and energy of the acceleration signal were significant determinants of bone density changes. The threshold of acceleration slope for improving bone mineral density at the hip was 100 g/s, which can be achieved during exercise including fast movements such as running and jumping. Daily Impact Score was able to describe the osteogenic potential of daily mechanical loading with a single score. The results also showed that bone exercise can be applied to Japanese premenopausal women. A brief high-impact exercise program with 50 jumps prevented bone loss at the femoral neck. The study gives new information on the measurement of bone-specific exercise. This information can be used in designing new feasible training programs for women to prevent osteoporosis and fracture risk factors. / Tiivistelmä Liikunta vahvistaa luustoa ja voi ehkäistä luukatoa. Luuston kannalta tehokkaimman liikunnan tarkkaa määrää ja laatua ei ole tiedetty, koska sen mittaamiseen ei ole ollut soveltuvaa menetelmää. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, mitkä ryhmässä aiemmin kehitetyn luuliikuntaohjelman piirteet ovat tärkeimpiä luun vahvistumisen kannalta. Luuston kuormituksen mittaamiseen käytettiin uutta kiihtyvyysanturiin pohjautuvaa menetelmää eli luuliikuntamittaria. Samaa mittausmenetelmää käyttäen selvitettiin, onko luuliikuntaohjelma tehokas ja sovellettavissa myös japanilaisille naisille. Tutkittavat olivat 25–50 -vuotiaita naisia, jotka osallistuivat vuoden mittaiseen hyppyjä sisältävään liikuntaharjoitteluun Suomessa tai Japanissa. Naiset pitivät päivittäin vyötäröllään luuliikuntamittaria, jonka mittaamista kiihtyvyyspiikeistä eli impakteista analysoitiin kuormitusta kuvaavia piirteitä. Kerätyn kiihtyvyystiedon avulla kehitettiin myös uusi kuormitusindeksi kuvaamaan henkilön päivittäistä luustoon kohdistuvaa kuormitusta. Reisiluun yläosan ja lannerangan mineraalitiheyden muutos mitattiin kaksienergisellä röntgenlaitteella ja reisiluun varren poikkileikkauksen geometrian muutos määritettiin tietokonetomografialla. Kantaluun ominaisuuksien muutos mitattiin kvantitatiivisella ultraäänellä. Luustomuutoksia verrattiin mitattuun kuormitustietoon. Tulokset osoittivat, että korkeiden impaktien määrä harjoittelun kuuden ensimmäisen kuukauden aikana oli yhteydessä luun mineraalitiheyden ja geometrian myönteisiin muutoksiin. Kiihtyvyyspiikin kulmakerroin, pinta-ala ja energia olivat yhteydessä luustomuutokseen. Kiihtyvyyden kulmakertoimen kynnysarvo luuntiheyden paranemiseen lonkassa oli 100 g/s, joka voidaan saavuttaa nopeita liikkeitä sisältävässä liikunnassa, kuten juoksussa ja hypyissä. Päivittäinen kuormitusindeksi oli yhteydessä positiivisiin muutoksiin luuntiheydessä hyppyharjoitteluun osallistuneilla. Lisäksi tutkimuksen tulokset osoittivat, että luuliikuntaohjelma soveltuu myös japanilaisten naisten osteoporoosin ehkäisyyn. Lyhyt luuliikuntaohjelma, joka suoritettiin työpaikalla taukojen aikana kolmesti viikossa, ehkäisi reisiluun kaulan luukatoa japanilaisilla, premenopausaalisilla naisilla. Tutkimus antaa uutta tietoa luuliikunnan mittaamisesta ja tuloksia voidaan käyttää suunniteltaessa liikuntaohjeistuksia osteoporoosin ja murtumien riskitekijöiden ehkäisyyn.

Abstract Biomechanics are especially important when it comes to the lower third of the face which is composed of a single load-bearing structure, the mandible. Implementation of recent developments in image processing, material sciences and computational technology allows the verification of these principles defining the appropriate practice. The studies listed in the thesis, benchmark from the simple to the more complicated mandibular surgical procedures. The aims were to build patient specific, custom made, composite reconstructions using newly learned techniques. Cross-sectional imaging with Cone Beam Computer Tomography was used to build bone models. The mandible at various ages, undergoing minor oral surgery, partial cross-section reduction with or without reinforcements and complete transection were simulated under biting conditions. Industry standard free form modelling, reverse engineering techniques and Finite Element Analysis were used. Internal and external validations of certain modelling elements were introduced. The mandible became stiffer with increasing age. Minimization of the reduction of the main load-bearing structures was noted to be crucial. The External Oblique Ridge was one such a structure. Partial thickness defects were best spanned by Dynamic Compression Plates. If the remaining amount of bone was insufficient or the bone quality was poor then Locking Compression Plates were preferred. Rounding or the use of a stop-hole was recommended to reduce the risk of fracture development especially without additional Prophylactic Internal Fixation. Fixation using a single reconstruction plate with three screws on either side in the four most common segmental defects was sufficient. Locking monocortical screw fixation was superior over non-locking systems. The suitability of CBCT in bone scanning was demonstrated, highlighting the positional dependent differences within the scanned volume. It should be noted that the relevance and validity of such simulations depends on the quality and the setup. In the future, biomechanically customized fixation can complement tissue engineering procedures and regenerative techniques by providing the precise physical dimensions and biomechanical requirements of the planned reconstructions. / Abstrakti Biomekaniikan ymmärtäminen on tärkeää kovakudoskirurgiassa. Periaatteet ovat erityisen tärkeitä, kun kyseessä on kasvojen alin kolmannes, joka muodostuu yhdestä kantavasta rakenteesta eli alaleuasta. Viime aikojen kehitys kuvankäsittelyssä, materiaalitieteessä ja tietokoneteknologiassa ovat mahdollistaneet näiden periaatteiden tarkistamisen käytännössä. Tämän opinnäytetyön osatöissä tutkittiin biomekaniikkaa erityyppisissä leikkauksissa. Tavoitteena on rakentaa tulevaisuudessa potilaille mittatilaustyönä erilaisista materiaaleista korjausosia käyttäen hyväksi uusinta tietoa ja tekniikkaa. Leikekuvantamista kuten Multi Detectoria ja viime aikoina kartiokeilatietokonetomografiaa (KKTT) käytettiin luumallien valmistamisessa. Eri-ikäisten alaleukoja, joihin tehtiin pieniä suukirurgisia toimenpiteitä, osaosteomioita vahvistuksen kanssa tai ilman vahvistusta ja täydellisiä alaleuan katkaisuja, simuloitiin kuormitusolosuhteissa. Teollisuudessa standardoitua vapaamuotoista mallinnusta ja käänteistä tekniikkaa sekä Finite Element Analysis-menetemää käytettiin. Mallinnuksessa käytettiin lisäksi sisäistä ja ulkoista validointia. Alaleuka koveni iän myötä. Leuan kestävyyden kannalta oli ratkaisevaa että tärkeisiin kantaviin rakenteisiin puututtiin mahdollisimman vähän. Oblique Ridge oli yksi tällainen rakenne. Osaosteotomioissa paras ratkaisu oli dynaaminen kompressiolevy. Jos jäljelle jäävän luun määrä tai laatu oli heikko niin sitten lukittuvat puristuskompressiolevyt toimivat parhaiten. Luun pyöristäminen tai pysäytysreiän käyttö oli suositeltavaa vähentämään murtumariskiä varsinkin ilman profylaktista kiskotusta. Neljän yleisimmän segmentaalisen defektin kiinnitys yhdellä levyllä ja kolmella ruuvilla levyn molemmin puolin oli riittävä. Lukittuva monokortikaalinen ruuvikiinnitys oli ylivoimainen verrattuna ei-lukittuvaan systeemiin. KKTT osoittautui parhaaksi menetelmäksi alaleuan kuvantamisessa. Kaikki havainnot voivat toimia yleisohjeena kun harjoitellaan edellä mainittuja toimenpiteitä. On huomattava, että tällaisen simulaation merkitys ja todenmukaisuus riippuu sen laadusta ja asennuksesta. Tulevaisuudessa biomekaanisesti tarkkojen mittausten perusteella suunniteltu luun kiinnitys voi palvella kudosteknologian avulla tehtäviä rekonstruktioita antamalla toimenpiteessä tarvittavat tarkat fysikaaliset mitat ja kuormitusarvot.

Abstract Persistent organic pollutants (POPs), especially dioxin-like chemicals, have been shown to have adverse effects on skeleton and these effects are likely to be mediated via the aryl hydrocarbon receptor (AHR). In spite of the extensive research, the characteristics of developmental effects of POPs are poorly known and the role of AHR in POP bone toxicity and skeletal development in general. In this project changes in bone morphology and strength as well as tissue matrix mechanics are studied by applying state of the art biomedical engineering methods. This allows understanding of the effects of dioxins exposure and AHR activity on the development and maturation of extracellular matrix in musculoskeletal tissues from a completely new perspective, and thereby improving the health risk assessment of POPs. In the present study skeletal properties of rats exposed maternally to 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD), Northern Contaminant Mixture (NCM) and Aroclor1254 (A1254) were studied for cross-sectional morphometric and biomechanical properties, and data were analysed with benchmark dose modelling. In addition, extracellular matrix properties were analysed using nanoindentation. Similar measurements were performed for adult wild-type and AHR-null mice after TCDD exposure. The same animals were also analysed for microstructural changes using micro-computed tomography and their bone cell activity was estimated from serum markers and gene expression. Analyses show decreased bone length and cross-sectional properties with consequently decreased bone strength. On the other hand, an increased trabecular BMD in response to NCM and A1254 was observed. In addition, bone matrix properties indicated delayed maturation or early senescence after maternal or adult exposure, respectively. The AHR is mainly responsible for bone toxicity of dioxin-like compounds and plays a role in bone development. This is likely due to disturbed bone remodeling as indicated by altered serum markers and gene expression. Overall these results indicate that POPs decrease bone strength, but the interpretation is difficult as there is more trabecular bone within cortical bone with compromised quality and increased porosity. / Tiivistelmä Altistumisen pysyville orgaanisille ympäristökemikaaleille on todettu heikentävän luustoa. Dioksiinien ja dioksiininkaltaisten yhdisteiden vaikutusten on havaittu välittyvän aryylihiilivetyreseptorin (AHR) välityksellä. Huolimatta pitkään kestäneestä tutkimuksesta POP-yhdisteiden sikiönkehityksen aikaisen altistuksen vaikutukset ja etenkin niiden mekanismit ovat edelleen huonosti tunnettuja, samoin kuin AHR:n osuus POP-yhdisteiden luutoksisuudessa ja luuston kehityksessä ylipäätään. Tässä työssä tutkittiin luuston rakenteellisia ja mekaanisia ominaisuuksia niin perinteisillä kuin uusimmilla biolääketieteen tekniikan menetelmillä. Tutkimuksen tavoitteena on saada uutta tietoa POP-altistuksen ja AHR-aktiivisuuden vaikutuksista luuston kehitykseen ja luukudoksen ikääntymisprosesseihin, mikä edesauttaa kyseisten yhdisteiden riskinarviointia. Tutkimuksissa altistettiin kantavia rottaemoja 2,3,7,8-tetraklooridibenzo-p-dioksiinille (TCDD), pohjoiselle saasteseokselle ja kaupalliselle Arokloori 1254 PCB-seokselle. Sikiönkehityksen aikana altistuneiden jälkeläisten luuston poikkileikkausen morfologia ja biomekaaniset ominaisuudet mitattiin ja tulokset mallinnettiin vertailuannoksen määrittämiseksi. Lisäksi TCDD-altistettujen rottien luustomatriisin ominaisuuksia selvitettiin nanoindentaatiomenetelmällä. Samaa menetelmää käytettiin myös aikuisiässä TCDD:lle altistettujen villityypin hiirten ja AHR-poistogeenisiten hiirten tutkimiseen. Näiden hiirten luuston hienorakennetta mitattiin myös korkean resoluution mikro-tietokonetomografialla ja niiden luusolujen aktiivisuutta tutkittiin seerumin biomarkkerien ja luun muodostumiseen osallistuvien geenien ekspressiotasojen avulla. Sikiönkehityksen aikainen altistuminen pohjoiselle saasteseokselle ja Arokloori 1254:lle hidasti luiden pituuskasvua. Lisäksi luiden poikkileikkauspinta-alat olivat pienentyneet ja mekaaniset ominaisuudet heikentyneet. Toisaalta hohkaluun määrä oli lisääntynyt altistumisen seurauksena. Myös sikiönkehityksen aikainen altistuminen TCDD:lle hidasti luukudoksen kypsymistä ja johti aikuisiällä luukudoksen ennenaikaiseen vanhenemiseen. AHR:llä oli päärooli ainakin aikuisiän vaikutusten ilmenemiselle ja reseptorilla vaikutti olevan rooli luuston kehityksessä ylipäätään. Seerumin biomarkkereiden ja geeniekspression muutosten perusteella nämä vaikutukset johtuvat todennäköisesti luuston uusiutumisen häiriöistä. Yhteenvetona voidaan todeta, että POP-yhdisteet heikentävät luustoa, mutta tämän ilmiön diagnosoiminen on hankalaa, koska huonolaatuisen kuoriluun sisällä hohkaluun määrä on lisääntynyt.

Abstract Hip fracture is a significant problem in health care incurring major costs to society. Therefore, it is necessary to study fracture mechanisms and develop improved methods to estimate individual fracture risk. In addition to conventional bone density measurements, computational finite element (FE) analysis has been recognized as a valuable method for studying biomechanical characteristics of a hip fracture. In this study, computed tomography (CT) based finite element methods were investigated and simulation models were developed to estimate experimental femoral fracture load and hip fracture type in a sideways fall loading configuration. Cadaver femur specimens (age 55–100 years) were scanned using a CT scanner and dual-energy X-ray absorptiometry (DXA), and the femurs were mechanically tested for failure in a sideways fall loading configuration. CT images were used for generating the FE model, and DXA was used as a reference method. FE analysis was done for simulation models of the proximal femur in a sideways fall loading configuration to estimate the experimentally measured fracture load and fracture type. Statistical analyses were computed to compare the experimental and the FE data. Cervical and trochanteric hip fractures displayed characteristic strain patterns when using a FE model mainly driven by bone geometry. This relatively simple FE model estimation provided reasonable agreement for the occurrence of experimental hip fracture type. Accurate assessment between experimental and finite element fracture load (r2 =  0.87) was achieved using subject-specific modeling, including individual material properties of trabecular bone for bilinear elastoplastic FE models. Nevertheless, the study also showed that proximal femoral fracture load can be estimated with reasonable accuracy (r2 =  0.73) by a relatively simple FE model including only cortical bone. The cortical bone FE model was more predictive for fracture load than DXA and slightly less accurate than the subject-specific FE model. The accuracy and short calculation time of the model suggest promise in terms of effective clinical use. / Tiivistelmä Lonkkamurtuma on huomattava ongelma terveydenhuollossa aiheuttaen merkittäviä kustannuksia yhteiskunnalle. Tämän vuoksi on tärkeää tutkia ja kehittää uusia yksilöllisen murtumariskin arviointimenetelmiä. Elementtimenetelmä on tehokas laskennallinen työkalu lonkkamurtuman biomekaanisten ominaisuuksien tutkimisessa. Tässä työssä tutkittiin ja kehitettiin tietokonetomografiaan perustuvia reisiluun simulaatiomalleja kokeellisten murtolujuuksien ja lonkkamurtumatyyppien arviointiin. Reisiluunäytteet (ikä 55–100 vuotta) kuvattiin tietokonetomografialaitteella ja kaksienergisellä röntgenabsorptiometrialla, jonka jälkeen reisiluut kuormitettiin kokeellisesti murtolujuuden ja murtumatyypin määrittämiseksi sivuttaiskaatumisasetelmassa. Tietokonetomografialeikekuvia käytettiin simulaatiomallien luomiseen, ja kaksienergistä röntgenabsorptiometriaa käytettiin vertailumenetelmänä. Reisiluun simulaatiomallit analysoitiin elementtimenetelmän avulla kokeellisten murtolujuuksien ja murtumatyyppien arvioimiseksi. Tilastoanalyysiä käytettiin verrattaessa kokeellista aineistoa ja simulaatioaineistoa. Reisiluun muotoon perustuva simulaatiomalli osoitti, että reisiluun kaulan ja sarvennoisen murtumilla on tyypilliset jännitysjakaumat. Tämän suhteellisen yksinkertaisen mallin murtumatyyppi oli lähes yhdenmukainen kokeellisen murtumatyypin kanssa. Reisiluun kokeellinen murtolujuus pystyttiin arvioimaan tarkasti (r2 =  0.87) käyttäen yksityiskohtaista simulaatiomallia, joka sisältää yksilölliset hohkaluun materiaaliominaisuudet. Toisaalta murtolujuus pystyttiin arvioimaan kohtuullisella tarkkuudella (r2 =  0.73) melko yksinkertaisellakin mallilla, joka käsittää ainoastaan kuoriluun. Kuoriluuhun perustuva malli oli tarkempi arvioimaan reisiluun kokeellista murtolujuutta kuin kaksienerginen röntgenabsorptiometria ja lähes yhtä tarkka kuin yksityiskohtaisempi simulaatiomalli. Mallin tarkkuus ja lyhyt laskenta-aika antavat lupauksia tehokkaaseen kliiniseen käyttöön.

Abstract Hip fracture is the most severe complication of osteoporosis. The occurrence of hip fracture is increasing worldwide as a result of the ageing of the population. The clinical assessment of osteoporosis and to some extent hip fracture risk is based on the measurement of bone mineral density (BMD) using dual X-ray absorptiometry (DXA). However, it has been demonstrated that most hip fractures occurring after a fall involve non-osteoporotic populations and that the geometry plays a critical role in the fracture risk assessment. A potential alternative for the assessment of hip fracture risk is finite element modelling, which is a computational method allowing simulation of mechanical loading. The aim of this study was to investigate different finite-element (FE) methods for predicting hip fracture type and eventually hip failure load in the simulation of a fall on the greater trochanter. An experimental fall on the greater trochanter was performed on over 100 cadaver femurs in order to evaluate the failure load and fracture type. In all studies, assessment of BMD, measurement of geometrical parameters and generation of finite element models were performed using DXA, digitized plain radiographs and computed tomography scans. The present study showed that geometrical parameters differ between specific hip fracture types. FE studies showed feasible accuracy in the prediction of hip fracture type, even by using homogeneous material properties. Finally, a new method to generate patient-specific volumetric finite element models automatically from a standard radiographic picture was developed. Preliminary results in the prediction of failure load and fracture type were promising when compared to experimental fractures. / Tiivistelmä Lonkkamurtuma on osteoporoosin vakavin seuraus. Lonkkamurtumatapaukset kasvavat maailmanlaajuisesti väestön ikääntymisen myötä. Osteoporoosin ja osin myös lonkkamurtumariskin kliininen arviointi perustuu luun mineraalitiheyden mittaamiseen kaksienergisellä röntgenabsorptiometrialla (Dual-energy X-ray absorptiometry, DXA). On kuitenkin osoitettu, että suurin osa kaatumisen seurauksena tapahtuvista lonkkamurtumatapauksista tapahtuu henkilöillä joilla ei ole todettua osteoporoosia, ja että myös luun muoto on tärkeä tekijä arvioitaessa lonkkamurtumariskiä. Laskennallinen mallintaminen elementtimenetelmällä mahdollistaa mekaanisen kuormituksen simuloinnin ja on potentiaalinen vaihtoehto lonkkamurtumariskin arviointiin. Tämän työn tarkoituksena on tutkia elementtimenetelmiä lonkkamurtumatyypin ja lopulta lonkan murtolujuuden ennustamiseksi simuloimalla kaatumista sivulle. Yli sataa reisiluuta kuormitettiin kokeellisesti murtolujuuden ja murtumatyypin määrittämiseksi. Luun mineraalitiheyden arviointi, muotoparametrien mittaus ja elementtimallit tehtiin käyttäen DXA:a, digitalisoituja röntgenkuvia ja tietokonetomografiakuvia. Tämä tutkimus osoittaa, että luun muotoparametrit vaihtelevat eri lonkkamurtumatyyppien välillä. Lonkkamurtumatyyppi voitiin ennustaa hyvällä tarkkuudella elementtimenetelmän avulla silloinkin, kun käytettiin homogeenisia materiaaliominaisuuksia. Lopuksi kehitettiin uusi menetelmä yksilöllisten kolmiulotteisten elementtimallien automaattiseen luontiin tavallisista röntgenkuvista. Alustavat tulokset lonkan murtolujuuden ja murtumatyypin ennustamisessa ovat lupaavia.