Bone Strain Index

Software per il calcolo automatico delle deformazioni e degli stress di segmenti ossei

Negli ultimi anni lo studio del metabolismo osseo ha cercato con sforzi sempre maggiori di rispondere all’esigenza di tenere in considerazione aspetti fondamentali, come la microarchitettura ossea, la geometria e i carichi applicati, per ottenere una corretta valutazione della resistenza dell’osso e dell’associato rischio di frattura.

Gli strumenti disponibili oggi consentono una determinazione della densità ossea e della qualità dell’osso, ma non consentono di inquadrare ancora in modo completo le caratteristiche meccaniche del segmento osseo in esame.

Il software Bone Strain Index calcola automaticamente le deformazioni e gli stress a cui è soggetto un determinato segmento osseo a partire da condizioni di carico specifiche per ogni paziente. Esso si basa su algoritmi di calcolo a elementi finiti tipici di applicazioni ingegneristiche, utilizzate in fase di progettazione e test di apparati meccanici industriali.

Facilità di utilizzo
Il software si installa sui densitometri DXA esistenti e riceve direttamente in input la scansione effettuata con l’esame densitometrico valutando l’immagine morfologica, la BMD e la massa corporea del paziente. La velocità dell’analisi (pochi secondi) e la semplicità di utilizzo consentono al medico di gestire i dati del paziente  senza perdite di tempo.

Facilità di interpretazione dei risultati
Il programma fornisce un indice del rischio di frattura denominato Bone Strain Index ed una rappresentazione grafica della distribuzione delle deformazioni sul segmento osseo studiato. Inoltre il programma mette a disposizione una serie di indicatori sintetici dei risultati conseguiti, quali tabelle e grafici statistici.

Valido strumento di indagine diagnostica
I dati e i risultati ottenibili costituiscono un valido elemento a supporto della diagnostica tradizionale e possono essere applicati sia alla regione lombare che al femore e ad altri distretti corporei. Tale analisi è complementare ai dati disponibili mediante le misurazioni DXA e consente una valutazione completa del paziente.

Progetti cofinanziati dal Programma Operativo Regionale “Investimenti a favore della crescita e dell’occupazione” F.E.S.R. 2014/2020 – Obiettivo tematico I – Azione I.1.b.1.2.:
BSFem2.0 – Software a supporto del calcolo automatico delle deformazioni ossee e dell’analisi statistica per la previsione e la prevenzione delle fratture femorali.
IMPLANTFEM – Pianificazione interventi di inserimento protesi mediata da software di calcolo numerico.

Riferimenti bibliografici

Ulivieri FM, Rinaudo L, Messina C, Aliprandi A, Sconfienza LM, Sardanelli F, Cesana BM. Bone Strain Index: preliminary distributional characteristics in a population of women with normal bone mass, osteopenia and osteoporosis. Radiol med (2022).

Cuttone S, Rinaudo L, Bignardi C, Aldieri A, Terzini M, Croce A, Messina C, Mangiavini L, Sconfienza LM, Ulivieri FM. DXA-Based Finite Element Analysis as Support for Pre and Post-operative Evaluation of Hip Arthroplasty. J. Med. Biol. Eng. (2022).

Ulivieri FM, Rinaudo L. The Bone Strain Index: An Innovative Dual X-ray Absorptiometry Bone Strength Index and Its Helpfulness in Clinical Medicine. J Clin Med. 2022;11(9):2284. Published 2022 Apr 20.

Sornay-Rendu E, Duboeuf F, Ulivieri FM, Rinaudo L, Chapurlat R. The bone strain index predicts fragility fractures. The OFELY study. Bone. 2022 Feb 1;157:116348. doi: 10.1016/j.bone.2022.116348. Epub ahead of print. PMID: 35121211.

Ulivieri FM, Rinaudo L, Messina C, Piodi LP, Capra D, Lupi B, Meneguzzo C, Sconfienza LM, Sardanelli F, Giustina A, Grossi E. Bone Strain Index predicts fragility fracture in osteoporotic women: an artificial intelligence-based study. Eur Radiol Exp. 2021 Oct 19;5(1):47. doi: 10.1186/s41747-021-00242-0. PMID: 34664136.

Buccino, F., Colombo, C., Duarte, D.H.L. et al. 2D and 3D numerical models to evaluate trabecular bone damage. Med Biol Eng Comput 59, 2139–2152 (2021). https://doi.org/10.1007/s11517-021-02422-x

Tabacco G, Naciu AM, Messina C, Sanson G, Rinaudo L, Cesareo R, Falcone S, Manfrini S, Napoli N, Bilezikian JP, Ulivieri FM, Palermo A. DXA-Based Bone Strain Index: A New Tool to Evaluate Bone Quality in Primary Hyperparathyroidism. J Clin Endocrinol Metab. 2021 Jul 13;106(8):2304-2312.
doi: 10.1210/clinem/dgab317

Ulivieri FM, Rinaudo L, Piodi LP, Messina C, Sconfienza LM, Sardanelli F, et al. Bone strain index as a predictor of further vertebral fracture in osteoporotic women: An artificial intelligence-based analysis. PLoS ONE 16(2): e0245967 (2021). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0245967

Ulivieri FM, Rinaudo L. Beyond Bone Mineral Density: A New Dual X-Ray Absorptiometry Index of Bone Strength to Predict Fragility Fractures, the Bone Strain Index, Frontiers in Medicine (2021). https://doi.org/10.3389/fmed.2020.590139

Messina C, Acquasanta M, Rinaudo L, Tortora S, Arena G, Albano D, Sconfienza LM, Ulivieri FM. Short-Term Precision Error of Bone Strain Index, a New DXA-Based Finite Element Analysis Software for Assessing Hip Strength, Journal of Clinical Densitometry (2020). https://doi.org/10.1016/j.jocd.2020.10.013

Messina, C., Rinaudo, L., Cesana, B.M. et al. Prediction of osteoporotic fragility re-fracture with lumbar spine DXA-based derived bone strain index: a multicenter validation study. Osteoporos Int (2020). https://doi.org/10.1007/s00198-020-05620-9

Ulivieri, F.M., Rinaudo, L., Piodi, L.P. et al. Usefulness of Dual X-ray Absorptiometry-Derived Bone Geometry and Structural Indexes in Mastocytosis. Calcif Tissue Int (2020). https://doi.org/10.1007/s00223-020-00749-5

Ulivieri, F.M., Piodi, L.P., Rinaudo, L. et al. Bone Strain Index In The Prediction Of Vertebral Fragility Refracture. Eur Radiol Exp 4, 23 (2020) doi:10.1186/s41747-020-00151-8

Messina C, Piodi LP et al. (2020) Artificial neural network analysis of bone quality DXA parameters response to teriparatide in fractured osteoporotic patients. PLoS One. doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0229820

Messina C, Piodi LP, Rinaudo L, Buonenna C, Sconfienza LM, Vergani L, Ulivieri FM (2020) Reproducibility of DXA-based bone strain index and the influence of body mass: an in vivo study. Radiol med 125, 313-318 https://doi.org/10.1007/s11547-019-01118-5

Messina C, Piodi LP, Rinaudo L, Emili I, Porro F, Buonenna C, Sconfienza LM, Vergani L, Ulivieri FM (2019) Bone strain index reproducibility and soft tissue thickness influence: a dual x-ray photon absorptiometry phantom study. European Radiology Experimental 3:33 doi:10.1186/s41747-019-0110-9

Terzini M, Aldieri A, Rinaudo L, Osella G, Audenino AL and Bignardi C (2019) Improving the Hip Fracture Risk Prediction Through 2D Finite Element Models From DXA Images: Validation Against 3D Models. Front. Bioeng. Biotechnol. 7:220. doi: 10.3389/fbioe.2019.00220

Colombo C, Libonati F, Rinaudo L, Bellazzi M, Ulivieri FM, Vergani L (2019) A new finite element based parameter to predict bone fracture. PLoS ONE 14(12): e0225905. doi:10.1371/journal.pone.0225905

Rodari G, Scuvera G, Ulivieri FM, et al (2018) Progressive bone impairment with age and pubertal development in neurofibromatosis type I. Arch Osteoporos 13:93. https://doi.org/10.1007/s11657-018-0507-8

Ulivieri FM, Rebagliati GAA, Piodi LP, et al (2018) Usefulness of bone microarchitectural and geometric DXA-derived parameters in haemophilic patients. Haemophilia.

Ulivieri FM, Piodi LP, Grossi E, et al (2018) The role of carboxy-terminal cross-linking telopeptide of type I collagen, dual x-ray absorptiometry bone strain and Romberg test in a new osteoporotic fracture risk evaluation: A proposal from an observational study. PLoS One 13:e0190477.