Impact of a phantomless calibration method on two finite element models predicting metastasised femoral strength

Resumen Técnico: Impacto de un método de calibración sin fantoma en dos modelos de elementos finitos para la predicción de la resistencia femoral metastásica

Planteamiento del problema
Los modelos de elementos finitos (FE) específicos para cada paciente, basados en tomografía computarizada cuantitativa (QCT), son herramientas establecidas para predecir el riesgo de fractura en fémures con metástasis ósea. Estos modelos requieren convertir las Unidades Hounsfield (HU) de las exploraciones por TC en densidad mineral ósea (BMD) para derivar parámetros mecánicos. El estándar de oro actual implica escanear un fantoma de calibración físico junto con el paciente. Sin embargo, este enfoque presenta barreras significativas para su adopción clínica rutinaria: los fantomas son costosos y la carga logística de la exploración simultánea limita la escalabilidad. Aunque se han propuesto métodos de calibración sin fantoma utilizando tejidos internos del paciente (por ejemplo, aire, grasa, músculo), su precisión y reproducibilidad en diferentes marcos de modelado FE (específicamente aquellos con leyes constitutivas variables: lineales frente a no lineales) no han sido investigadas suficientemente.

Metodología
Este estudio evaluó un método de calibración sin fantoma basado en tejidos internos (Aire-Grasa-Músculo o AFM) frente a la calibración basada en fantoma, que es el estándar de oro. El estudio utilizó un conjunto de datos de 88 fémures de 45 pacientes (50 con metástasis, 38 controles) adquiridos durante el proyecto multicéntico MEKANOS.

1. Enfoques de calibración:

   • Basado en fantoma: Se utilizaron los valores HU de un fantoma de calibración K2HPO4 para establecer una pendiente y un intercepto de regresión lineal para convertir las HU en densidad.
   • AFM (Sin fantoma): Se extrajeron los picos de HU correspondientes al aire, la grasa y el músculo de los histogramas globales del volumen de la exploración de TC. Estos picos se ajustaron linealmente a valores de densidad de referencia (derivados de un subconjunto de exploraciones con fantoma) para generar una ecuación de calibración.

2. Modelos de elementos finitos:
   Se construyeron dos modelos de FE distintos para cada fémur utilizando ambos métodos de calibración, lo que resultó en cuatro simulaciones por fémur:

   • Modelo Lyon: Utiliza una ley constitutiva lineal. Emplea elementos tetraédricos, una orientación específica (20°) y un criterio de fallo basado en un volumen crítico de elementos que alcanzan el esfuerzo último.
   • Modelo Leuven: Utiliza una ley constitutiva no lineal. Emplea elementos hexaédricos, una orientación diferente (12°) y modela un comportamiento de material isotrópico no lineal con plasticidad y ablandamiento.

3. Análisis:
   El estudio comparó la densidad aparente y las cargas de fallo predichas entre los dos métodos de calibración. Los análisis estadísticos incluyeron regresión lineal, gráficos de Bland-Altman (para evaluar el sesgo y los límites de concordancia) y pruebas de variabilidad intra e inter-operador para el método AFM.

Resultados clave

• Correlación y sesgo: El método AFM demostró una reproducibilidad muy buena y una fuerte correlación con el método basado en fantoma.
  • Densidad aparente: Correlación significativa ($R^2 = 0.78$, $p < 0.01$) con un sesgo medio de aproximadamente 0.4%.
  • Carga de fallo: Se encontraron correlaciones significativas para ambos modelos ($R^2 = 0.85$ para Lyon, $R^2 = 0.84$ para Leuven, $p < 0.01$). El sesgo medio en la carga de fallo fue inferior al 1% para ambos modelos.
• Límites de concordancia: Aunque las correlaciones fueron fuertes, los límites de concordancia fueron más estrechos para el modelo Lyon (lineal) en comparación con el modelo Leuven (no lineal).
  • Para la carga de fallo, los límites de concordancia fueron $[-17.5\%; 18.3\%]$ para el modelo Lyon frente a $[-26.3\%; 27.3\%]$ para el modelo Leuven.
  • Esto sugiere que el modelo lineal es menos sensible a las variaciones en la calibración de la densidad que el modelo no lineal.
• Variabilidad: La variabilidad intra e inter-operador para el método AFM fue baja. La diferencia relativa en las cargas de fallo predichas fue inferior al 5% para el modelo Lyon y de menos del 10% para el modelo Leuven en todos los fémures.
• Valores atípicos: Se observaron discrepancias en casos específicos (por ejemplo, un paciente mostró una diferencia de -40% en la densidad aparente y hasta un -48% en la carga de fallo para el modelo Leuven), potencialmente atribuidas a la infiltración grasa en los músculos (sarcopenia) o a variaciones en la energía efectiva del escáner no contempladas por las densidades de referencia fijas.

Significado y afirmaciones
Los autores concluyen que el método de calibración sin fantoma AFM es una alternativa prometedora, reproducible y de fácil implementación a la calibración basada en fantoma para predecir la resistencia femoral en pacientes con metástasis ósea.

• Sensibilidad del modelo: El estudio respalda la hipótesis de que los modelos con leyes constitutivas lineales (como el modelo Lyon) son menos sensibles a los errores de calibración de densidad que los modelos no lineales. En consecuencia, un modelo lineal puede ser más adecuado para aplicaciones clínicas donde se emplea la calibración sin fantoma, ya que produce límites de concordancia más estrechos.
• Utilidad clínica: El método AFM permite el procesamiento de exploraciones de TC realizadas sin un fantoma, lo que podría ampliar el uso rutinario de la simulación numérica de la resistencia ósea en oncología.
• Advertencias: Los autores señalan que la precisión del método AFM puede verse comprometida por la infiltración grasa en los músculos (que afecta la distinción entre los picos de grasa y músculo) y por cambios en los protocolos de imagen (por ejemplo, el voltaje de pico). Además, aunque el modelo lineal mostró una mejor concordancia entre los métodos de calibración, el estudio enfatiza que la capacidad clínica del modelo Lyon para predecir con precisión el riesgo de fractura en comparación con el modelo no lineal de Leuven requiere una mayor validación in vivo.

El artículo no afirma que el método AFM sea perfecto o que el modelo lineal sea definitivamente superior para todos los escenarios clínicos; más bien, posiciona al modelo lineal como un candidato potencialmente más robusto para su uso con la calibración sin fantoma debido a su menor sensibilidad a las variaciones de densidad.