Abstract Hip fracture causes substantial burden for individual and society, with increased mortality and loss of function. The purpose of this study was to (1) examine the effects of specialized (physical and geriatric) rehabilitation on home-dwelling hip fracture patients 50 years or older on recovery one year after the fracture, (2) to evaluate the costs and cost-effectiveness of specialized rehabilitation modalities, (3) to study the recovery after hip fracture between home-dwelling male and female patients and (4) to determine recommendations for hip fracture rehabilitation concerning the general rehabilitation practices in Finland. A total of 538 consecutively, independently living patients with non-pathological hip fracture treated in Oulu University hospital, were randomized to one of the three rehabilitation modalities: privately-based rehabilitation unit (physical rehabilitation), geriatric department (geriatric rehabilitation) and healthcare centre hospital (control group). Patients were evaluated on admission, at 4 and 12 months for social status, residential status, walking ability, use of walking aids, pain in the hip, activities of daily living and mortality. Costs were evaluated by recording the use of healthcare service and the prices were obtained from Diagnosis Related Group (DRG) price list for the hospital and from a publication of the National Research and Development Centre for Welfare and Health. Mortality was lower in the physical rehabilitation group 4 and 12 months after the fracture compared to geriatric and the control rehabilitation group. Physical and geriatric rehabilitation improved the ability of independent living after 4 months, but this effect could not be seen after 12 months. The rehabilitation costs were higher in the physical rehabilitation than in the control group, but the total healthcare-related costs one year after the fracture were lower in the physical rehabilitation group than in the control. Male and female patients recovered similarly after hip fracture. Age, poor functional status before the fracture and high ASA-score increased the mortality risk. This thesis suggests that intensive mobilization and rehabilitation is a recommended practice after the hip fracture, resulting in better functional recovery, survival and lower economic costs compared to routine treatment. Poor recovery was predicted not by sex, but by prefracture function and morbidity. / Tiivistelmä Lonkkamurtuma on yksi merkittävimmistä toimintakyvyn laskua ja kuolleisuutta aiheuttavista vammoista. Tämän väitöskirjatutkimuksen tarkoituksena oli (1) tutkia tehostetun (fysikaalisen ja geriatrisen) kuntoutuksen vaikutusta itsenäisesti asuvien, vähintään 50-vuotiaiden lonkkamurtumapotilaiden kuntoutumiseen murtumaa seuraavan vuoden aikana, (2) arvioida lonkkamurtuman hoidon kustannuksia ja kustannusvaikuttavuutta tehostetussa kuntoutusyksikössä, (3) tutkia lonkkamurtuman kuntoutumisen eroja mies- ja naispotilaiden välillä sekä (4) tarkentaa lonkkamurtuman hoitoketjun yleisiä suosituksia Suomessa. Tutkimuksessa seurattiin 538 lonkkamurtumapotilasta, jotka hoidettiin kirurgisesti Oulun yliopistollisessa sairaalassa. Valintakriteereihin kuului vähintään 50 vuoden ikä sekä kyky itsenäiseen asumiseen joko omassa kodissa tai kodinomaisessa ympäristössä ennen murtumaa. Lonkkaleikkauksen jälkeen potilaat satunnaistettiin yhteen kolmesta kuntoutusryhmästä: fysikaaliseen kuntoutusryhmään (Oulun Diakonissalaitos), geriatriseen kuntoutusryhmään (Oulun kaupunginsairaalan kuntoutusosasto) sekä kontrolliryhmään (terveyskeskussairaalassa tapahtuva kuntoutus). Seuranta-aika oli yksi vuosi. Potilaat haastateltiin ennen kuntoutusta, sekä neljän ja 12 kuukauden kuluttua murtumasta, joiden yhteydessä aineisto kerättiin koskien yleistä terveydentilaa, toiminta- ja kävelykykyä, asumismuotoa ja kuolleisuutta. Kustannukset arvioitiin terveyspalveluiden käytöstä ja näiden hintoina käytettiin sairaalan yksikköhintoja (DRG) ja sosiaali- ja terveysalan tutkimus- ja kehittämiskeskuksen (STAKES) yksikköhintoja. Fysikaalinen kuntoutus vähensi merkittävästi potilaiden kuolleisuutta neljän ja 12 kuukauden seurannoissa verrattuna geriatriseen kuntoutukseen sekä kontrolliryhmään. Lisäksi fysikaalinen ja geriatrinen kuntoutus lisäsivät lyhytaikaisesti potilaiden kykyä itsenäiseen asumiseen verrattuna kontrolliryhmään. Taloudellisten vaikutusten osalta fysikaalinen kuntoutusjakso oli huomattavasti tavanomaista kuntoutusta kalliimpi, mutta fysikaalisen kuntoutusryhmän kokonaiskustannukset vuoden aikana olivat pienemmät kuin kontrolliryhmän potilailla. Sukupuolella ei ollut vaikutusta potilaiden toimintakykyyn, laitostumiseen tai kuolleisuusriskiin murtuman jälkeen. Merkittäviksi kuolleisuutta ennustaviksi tekijöiksi osoittautuivat ikä, toimintakyky ennen murtumaa sekä leikkauskelpoisuusluokitus. Tulokset puoltavat tehostetun, erikoistuneessa kuntoutusyksikössä suoritetun hoidon käyttöä lonkkamurtumapotilailla sekä terveydellisten että taloudellisten syiden osalta.

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.