Проксимальный трупной Femur Подготовка к Перелом проверки прочности и количественный КТ на основе анализа методом конечных элементов
Summary
Мы представляем надежный протокол о том, как сохранить и тщательно подготовить трупной бедрами для тестирования переломов и количественной компьютерной томографии. Способ обеспечивает точный контроль над входными условиями для целей определения соотношения между минеральной плотностью костной ткани, трещиностойкости, и определение конечной геометрии и свойств элемента модели.
Abstract
Трупной тестирование трещины обычно используется, чтобы понять факторы, влияющие на прочность проксимального отдела бедренной кости. Поскольку бывшие естественных биологических тканей склонны терять свои механические свойства в течение долгого времени, образец подготовки к экспериментальной проверки должны выполняться тщательно , чтобы получить достоверные результаты , которые представляют в условиях естественных условиях. По этой причине мы разработали протокол и набор приспособлений для приготовления бедренную образцов таким образом, что их механические свойства испытывали минимальные изменения. В бедренные хранились в замороженном состоянии, за исключением во время этапов подготовки и механических испытаний. Соответствующие клинические показатели общего бедра и шейки бедренной кости минеральной плотности костной ткани (МПКТ) были получены с клиническим двойной Х абсобциометрией (ДРА) костный денситометр, а 3D геометрия и распределение костного материала были получены с использованием КТ с калибровочный образец для количественные оценки, основанные на полутоновых значений. Любое возможное заболевание костей, переломИли наличие имплантатов или артефактов, влияющих на структуру кости, была исключена с помощью рентгеновских сканирования. Для приготовления, все кости были тщательно очищены от избытка мягких тканей, а также вырезались и герметизированы на внутреннем угле поворота интерес. Режущее приспособление позволило Дистальный конец кости, чтобы отрезать оставив проксимального отдела бедренной кости при желаемой длины. Чтобы разрешить размещение шейки бедренной кости в заданных углов при последующем КТ и механических испытаний, проксимальных бедренных валы были герметизированы в полиметилметакрилат (ПММА), используя прибор, разработанный специально для желаемых ориентаций. Данные, собранные из наших экспериментов были затем использованы для проверки достоверности количественной компьютерной томографии (QCT) основе анализ методом конечных элементов (FEA), как описано в другом протоколе. В этой рукописи, мы приводим протокол для точной подготовки кости для механических испытаний и последующего моделирования ККТ / FEA. Текущий протокол был успешно применен для подготовки около 200 хамаaveric бедренные в течение периода времени 6 лет.
Introduction
Determining the true cadaveric proximal femoral fracture strength with mechanical testing is a destructive method that requires a rigorous testing approach for accurate measurements. In particular, proper bone preparation methods are necessary to maintain near in vivo integrity of the bones prior to mechanical fracture testing1. This is achieved by proper bone storage and minimizing handling at room temperature. This test data is extensively used to validate QCT/FEA models of femoral fracture which have the potential to be used clinically to understand the fracture risk, especially in osteoporotic patients. Unfortunately, there is no current standard procedure to prepare proximal femur samples for mechanical testing. A good testing procedure should ensure repeatability and reproducibility of the preparation process. Therefore, fixtures required for sample preparation need to be carefully designed and fabricated to minimize the likelihood of various testing errors. We also need to minimize the preparation time for which bone tissue is at room temperature and thus in danger of degradation with irreversible changes in mechanical properties.
To this end, we have developed a procedure that preserves bone tissue across multiple preparation steps. This is important to ensure minimal exposure time at room temperature while also minimizing the number of freeze/thaw cycles which can affect tissue physical properties2. The entire procedure is long and nontrivial as the steps occurred over multiple weeks and required scheduling for scanning procedures and personnel availability. The steps included thawing bone samples, screening the samples using DXA scanning to obtain bone mineral density (BMD) values, X-ray to rule out any diseased specimens, and finally CT scanning to estimate distribution of bone mineral and femoral geometry. All the specimens were prepared for testing by removing extraneous soft tissues from the bone surface, cutting the femur to a length required for testing, and potting the femur in a desired orientation for simulating a sideways fall on the hip during subsequent testing. It is essential to keep the time period for all these operations as short as possible. A robust protocol is thus mandatory for consistent specimen preparation, tissue preservation between steps, and for reducing the overall preparation time.
The aim of this paper is to present in detail the procedures involved in the preparation of femoral samples for subsequent mechanical testing under various conditions. Preservation of the bone tissue is crucial in this process and we achieved it by keeping specimens frozen between steps and keeping them carefully wrapped in saline saturated towels at all times except when scanning and mechanically testing the bones. Femora were also kept wrapped in saline wet towels during the steps involving PMMA curing to prevent dryness of the bone tissue.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы представили надежный протокол подготовки костной ткани для обеспечения механического моделирования и тестирования ККТ / FEA бедренной силы в боковом падении на конфигурации бедра. Этот метод стал наш стандартный протокол в доме. В течение 6 лет, с той или иной персонал, около 200 бёдра ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы хотели бы поблагодарить материалы и конструкции тестирование основной комплекс в клинике Майо в службу технической поддержки. Кроме того, мы хотели бы поблагодарить Лоуренс Дж Берглунд Брант Ньюман, Йорн оп ден Buijs, доктор философии, за их помощь в ходе исследования. Работа выполнена при финансовой поддержке инновационного фонда Грейнджер из Грейнджер фонда.
Materials
| CT potting container and scanning fixture | Internally manufactured | N/A | Custom designed and manufactured |
| CT scanner | Siemens | Somatom Definition scanner (Siemens, Malvern, PA) | CT scanning equipment |
| Quantitative CT Phantom | Midways Inc, San Francisco, CA | Model 3 CT calibration Phantom | Used for obtaining BMD values from Hounsfield units in the CT image |
| Dual Energy X-ray Absorptiometry scanner | General Electric | N/A | GE Lunar iDXA scanner for bone health or any similar BMD scanners |
| Hygenic Orhodontic Resin (PMMA) | Patterson Dental Supply | H02252 | Controlled substance and can be purchased with proper approval |
| Freezer | Kenmore | N/A | This is a -20oC storage for bones |
| X-ray scanner | General Electric | 46-270615P1 | X-ray imaging equipment. |
| X-ray films | Kodak | N/A | Used to display x-ray images |
| X-ray developer | Kodak X-Omatic | M35A X-OMAT | Used for developing X-ray images |
| X-ray Cassette | Kodak X-Omatic | N/A | Used for holding x-ray films |
| 5-pound Rice Bags | Great Value | N/A | Used for mimicking soft tissue during the DXA scanning process |
| Physiologic Saline (0.9% Sodium Chloride) | Baxter | NDC 0338-0048-04 | Used for keeping samples hydrated |
| Scalpels and scrapers | Bard-Parker | N/A | Used to clean the bone from soft tissue |
| Cast cutter | Stryker | 810-BD001 | Used to cut femoral shaft |
| Drilling machine | Bosch | N/A | Used to drill the femoral shaft |
| Fume Hood | Hamilton | 70532 | Used for ventilation when using making PMMA |
References
- Cristofolini, L., Schileo, E., Juszczyk, M., Taddei, F., Martelli, S., Viceconti, M. Mechanical testing of bones: the positive synergy of finite-element models and in vitro experiments. Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 368, 2725-2763 (2010).
- Cartner, J. L., Hartsell, Z. M., Ricci, W. M., Tornetta, P. Can we trust ex vivo mechanical testing of fresh-frozen cadaveric specimens? The effect of postfreezing delays. J Orthop Trauma. 25 (8), 459-461 (2011).
- An, Y. H., Draughn, R. A. . Mechanical testing of bone and the bone-implant interface. , (1999).
- van Haaren, E. H., van der Zwaard, B. C., van der Veen, A. J., Heyligers, I. C., Wuisman, P. I., Smit, T. H. Effect of long-term preservation on the mechanical properties of cortical bone in goats. Acta Orthop. 79, 708-716 (2008).
- Shaw, J. M., Hunter, S. A., Gayton, J. C., Boivin, G. P., Prayson, M. J. Repeated freeze-thaw cycles do not alter the biomechanical properties of fibular allograft bone. Clin Orthop Relat Res. 470 (3), 937-943 (2012).
- Topp, T., et al. Embalmed and fresh frozen human bones in orthopedic cadaveric studies: which bone is authentic and feasible?. Acta Orthop. 83 (5), 543-547 (2012).
- Manske, S., et al. Cortical and trabecular bone in the femoral neck both contribute to proximal femur failure load prediction. Osteoporos Int. 20 (3), 445-453 (2009).
- Rezaei, A., Dragomir-Daescu, D. Femoral Strength Changes Faster With Age Than BMD in Both Women and Men: A Biomechanical Study. J Bone Miner Res. 30, 2200-2206 (2015).
- Cristofolini, L., McNamara, B., Freddi, A., Viceconti, M. In vitro measured strains in the loaded femur: quantification of experimental error. J Strain Anal Eng Des. 32, 193-200 (1997).
- Dragomir-Daescu, D., et al. Robust QCT/FEA models of proximal femur stiffness and fracture load during a sideways fall on the hip. Ann Biomed Eng. 39, 742-755 (2011).
