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A probabilistic approach for modelling bone fracture healing under Ilizarov circular fixator
International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering ( IF 2.2 ) Pub Date : 2021-04-17 , DOI: 10.1002/cnm.3466 Ganesharajah Ganadhiepan 1 , Saeed Miramini 1 , Priyan Mendis 1 , Minoo Patel 2 , Lihai Zhang 1
International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering ( IF 2.2 ) Pub Date : 2021-04-17 , DOI: 10.1002/cnm.3466 Ganesharajah Ganadhiepan 1 , Saeed Miramini 1 , Priyan Mendis 1 , Minoo Patel 2 , Lihai Zhang 1
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Bone fracture treatments using Ilizarov circular fixator (ICF) involve dealing with uncertainties about a range of critical factors that control the mechanical microenvironment of the fracture site such as ICF configuration, fracture gap size, physiological loading etc. To date, the effects of the uncertainties about these critical factors on the mechanical microenvironment of the fracture site have not been fully understood. The purpose of this study is to tackle this challenge by using computational modelling in conjunction with engineering reliability analysis. Particularly, the effects of uncertainties in fracture gap size (GS), level of weight-bearing (P), ICF wire pretension (T) and wire diameter (WD) on the fracture site mechanical microenvironment at the beginning of the reparative phase of healing was investigated in this study. The results show that the mechanical microenvironment of fracture site stabilised with ICF is very sensitive to the uncertainties in P and GS. For example, an increase in the coefficient of variation of P (COVP) from 0.1 to 0.9 (i.e., an increase in the uncertainty in P) could reduce the probability of achieving a favourable mechanical microenvironment within the fracture site (i.e., Probability of Success, PoS) by more than 50%, while an increase in the coefficient of variation of GS (COVGS) from 0.1 to 0.9 could decrease PoS by around 30%. In contrast, an increase in the uncertainties in T and WD (COV increase from 0.1 to 0.9) has little influence on the fracture site mechanical microenvironment (PoS changes <5%).
中文翻译：
一种在 Ilizarov 圆形固定器下模拟骨折愈合的概率方法
使用 Ilizarov 圆形固定器 (ICF) 进行骨折治疗涉及处理控制骨折部位机械微环境的一系列关键因素的不确定性，例如 ICF 配置、骨折间隙大小、生理负荷等。 迄今为止，不确定性的影响关于这些对断裂部位力学微环境的关键因素尚未完全了解。本研究的目的是通过将计算建模与工程可靠性分析相结合来应对这一挑战。特别是骨折间隙大小 (GS)、承重水平 (P)、ICF 钢丝预紧力 (T) 和钢丝直径 (WD) 的不确定性对愈合修复阶段开始时骨折部位机械微环境的影响在这项研究中进行了调查。结果表明，用 ICF 稳定的裂缝部位的力学微环境对 P 和 GS 的不确定性非常敏感。例如，增加 P 的变异系数（COV P ) 从 0.1 到 0.9（即 P 的不确定性增加）可以将断裂部位内实现有利机械微环境的可能性（即成功概率，PoS）降低 50% 以上，同时增加在 GS 的变异系数（COV GS）从 0.1 到 0.9 可以将 PoS 降低约 30%。相比之下，T 和 WD 不确定性的增加（COV从 0.1 增加到 0.9）对断裂部位机械微环境几乎没有影响（PoS 变化 <5%）。
更新日期：2021-04-17
中文翻译：
一种在 Ilizarov 圆形固定器下模拟骨折愈合的概率方法
使用 Ilizarov 圆形固定器 (ICF) 进行骨折治疗涉及处理控制骨折部位机械微环境的一系列关键因素的不确定性，例如 ICF 配置、骨折间隙大小、生理负荷等。 迄今为止，不确定性的影响关于这些对断裂部位力学微环境的关键因素尚未完全了解。本研究的目的是通过将计算建模与工程可靠性分析相结合来应对这一挑战。特别是骨折间隙大小 (GS)、承重水平 (P)、ICF 钢丝预紧力 (T) 和钢丝直径 (WD) 的不确定性对愈合修复阶段开始时骨折部位机械微环境的影响在这项研究中进行了调查。结果表明，用 ICF 稳定的裂缝部位的力学微环境对 P 和 GS 的不确定性非常敏感。例如，增加 P 的变异系数（COV P ) 从 0.1 到 0.9（即 P 的不确定性增加）可以将断裂部位内实现有利机械微环境的可能性（即成功概率，PoS）降低 50% 以上，同时增加在 GS 的变异系数（COV GS）从 0.1 到 0.9 可以将 PoS 降低约 30%。相比之下，T 和 WD 不确定性的增加（COV从 0.1 增加到 0.9）对断裂部位机械微环境几乎没有影响（PoS 变化 <5%）。
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