إعداد عظم الفخذ القريبة المتوفين دماغيا لتحليل العناصر المحدودة مقرها CT-كسر قوة اختبار والكمي
Summary
نقدم بروتوكول قوي حول كيفية الحفاظ على بعناية وإعداد أفخاذ؛ فخذان جثي لاختبار الكسر والكمي محسوب التصوير المقطعي. يوفر طريقة مراقبة دقيقة على شروط المدخلات لغرض تحديد العلاقات بين كثافة المعادن في العظام، وقوة الانكسار، وتحديد محدودة الهندسة نموذج عنصر والممتلكات.
Abstract
يستخدم اختبار الكسر جثي بشكل روتيني لفهم العوامل التي تؤثر على قوة عظم الفخذ القريبة. لأنه خارج الجسم الحي الأنسجة البيولوجية عرضة لتفقد ممتلكاتهم الميكانيكية مع مرور الوقت، العينات التحضير للاختبار التجريبي يجب إجراء بعناية للحصول على نتائج موثوقة أن تمثل في ظروف الجسم الحي. لهذا السبب، قمنا بتصميم بروتوكول ومجموعة من التجهيزات لتحضير العينات الفخذ بحيث خصائصها الميكانيكية شهدت تغيرات طفيفة. وأبقى أفخاذ؛ فخذان في حالة تجمد إلا خلال خطوات إعداد واختبار الميكانيكية. تم الحصول على التدابير السريرية ذات الصلة من الورك والفخذ كثافة الرقبة المعادن في العظام (BMD) مع سريري مزدوج قياس امتصاص الأشعة السينية (DXA) مقياس كثافة العظام، والتي تم الحصول عليها هندسة وتوزيع المعادن في العظام 3D باستخدام التصوير المقطعي مع الوهمية المعايرة ل التقديرات الكمية على أساس القيم اللون الرمادي. أي من الممكن أمراض العظام، كسور، أو وجود يزرع أو القطع الأثرية التي تؤثر على الهيكل العظمي، وقد استبعد مع بالاشعة السينية. لإعداد، وتم تنظيف جميع العظام بعناية من الأنسجة اللينة الزائدة، وقطعت وبوعاء في زاوية دوران الداخلية المثيرة للاهتمام. يسمح لاعبا اساسيا قطع نهاية البعيدة للعظم أن تقطع ترك عظم الفخذ القريبة في الطول المطلوب. للسماح المواقع من عنق الفخذ في زوايا المقررة خلال وقت لاحق من مسح CT والاختبارات الميكانيكية، وبوعاء مهاوي الفخذ القريبة في البولى (PMMA) باستخدام لاعبا اساسيا مصممة خصيصا لتوجهات المطلوب. ثم تم استخدام البيانات التي تم جمعها من تجاربنا للتأكد من صحة الكمي التصوير المقطعي المحوسب (كيو سي تي) المستندة إلى تحليل العناصر المحدودة (الهيئة الاتحادية للبيئة)، كما هو موضح في بروتوكول آخر. في هذه المخطوطة، نقدم بروتوكول لإعداد العظام دقيق لاختبار الميكانيكية ولاحق النمذجة كيو سي تي / الهيئة الاتحادية للبيئة. تم تطبيق البروتوكول الحالي بنجاح لإعداد حوالي 200 نذلأفخاذ؛ فخذان averic على مدى فترة زمنية مدتها 6 سنوات.
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
قدمنا بروتوكول إعداد العظام قوية لضمان الميكانيكية اختبار وكيو سي تي / الهيئة الاتحادية للبيئة نمذجة قوة الفخذ في سقوط جانبية على تكوين الورك. وأصبح هذا الأسلوب لدينا بروتوكول قياسي في منزل. على مدى 6 سنوات، مع أفراد متفاوتة، وتم إعداد نحو 200 أفخاذ؛ فخذان بنجاح بعد…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ونود أن نشكر مرفق المواد والهياكل الأساسية اختبار في مايو كلينيك للدعم الفني. وبالإضافة إلى ذلك نود أن نشكر لورانس برجلاند، برانت نيومان، جورن المرجع دن Buijs، دكتوراه، لمساعدتهم أثناء الدراسة. وأيد هذه الدراسة ماليا من صندوق الابتكار غرينجر من مؤسسة غرينجر.
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 |
Referenzen
- 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).
