Abstract The current benchmark for the assessment of fracture risk is the status of osteoporosis based on the measurement of bone mineral density (BMD) by dual-energy X-ray absorptiometry (DXA). However, DXA-based BMD has been shown to lack predictive ability for individual fracture risk. More than half of the hip fractures occur among people who are not classified as having osteoporosis. Osteoporosis (i.e. reduced bone mass) is only one risk factor for a fracture. In addition to bone mass, the mechanical strength of a bone is influenced by material and structural factors. However, we have limited information about the combined effects of BMD and bone structural properties in the evaluation of fracture risk, with regard to different types of hip fractures in particular. Therefore, this study investigated the radiograph-based structural factors of the upper femur for the assessment of bone mechanical competence and cervical and trochanteric hip fracture risk. The subjects of the clinical study comprised 74 postmenopausal women with non-pathologic cervical or trochanteric hip fracture and 40 age-matched controls. The impact of bone structure on the bone mechanical competence was studied using the experimental material of 140 cadaver femurs. The femora were mechanically tested in order to determine the failure load in a side impact configuration, simulating a sideways fall. In all study series, standard BMD measurements were performed, and the structural parameters of bone were determined from digitized plain radiographs. The present study showed that the large variation in the mechanical competence of bone is associated with the geometrical and architectural variation of bone. Moreover, the results strongly suggested that the etiopathology of different types of hip fractures significantly differs, and that fracture risk prediction should thus be performed separately for the cervical and trochanteric hip fractures. Furthermore, the study implied that the current clinical procedure can better be used for the assessment of the risk of trochanteric fracture, whereas cervical fracture is more strongly affected by the geometrical factors than by BMD. Finally, radiograph-based structural parameters of trabecular bone and bone geometry predicted in vitro failure loads of the proximal femur with a similar accuracy as DXA, when appropriate image analysis technology was used. Thus, the technology may be suitable for further development and application in clinical fracture risk assessment.

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.