Bildgebung des mikrostrukturellen Versagensmechanismus in der menschlichen Hüfte

Summary

Das Protokoll ermöglicht die Messung der Verformung der Knochenmikrostruktur im gesamten proximalen menschlichen Oberschenkelknochen und seiner Zähigkeit durch die Kombination von großvolumigem Mikro-CT-Scanning, einem maßgeschneiderten Kompressionstisch und fortschrittlichen Bildverarbeitungswerkzeugen.

Abstract

Die Abbildung der Knochenmikrostruktur unter progressiv zunehmender Belastung ermöglicht es, das mikrostrukturelle Versagensverhalten des Knochens zu beobachten. Hier beschreiben wir ein Protokoll zur Erstellung einer Sequenz von dreidimensionalen mikrostrukturellen Bildern des gesamten proximalen Femurs unter progressiv zunehmender Verformung, die klinisch relevante Frakturen des Oberschenkelhalses verursacht. Das Protokoll wird anhand von vier Femora von Spenderinnen im Alter von 66 bis 80 Jahren am unteren Ende der Knochenmineraldichte in der Bevölkerung demonstriert (T-Score-Bereich = −2,09 bis −4,75). Ein radiotransparenter Kompressionstisch wurde entwickelt, um die Proben zu belasten, die einen einbeinigen Stand nachahmen, während die aufgebrachte Last während der Mikro-Computertomographie (Mikro-CT) aufgezeichnet wird. Das Sichtfeld war 146 mm breit und 132 mm hoch, die isotrope Pixelgröße betrug 0,03 mm. Die Krafterhöhung basierte auf Finite-Elemente-Vorhersagen der Bruchlast. Die Druckstufe wurde verwendet, um die Verschiebung auf die Probe aufzubringen und die vorgeschriebenen Kraftschritte zu bewirken. Subkapitale Frakturen durch Öffnung und Scherung des Schenkelhalses traten nach vier bis fünf Belastungsschritten auf. Die Mikro-CT-Bilder und die Reaktionskraftmessungen wurden verarbeitet, um die Knochendehnung und die Energieabsorptionskapazität zu untersuchen. Eine Instabilität des Kortex trat bei den frühen Belastungsschritten auf. Der subchondrale Knochen im Hüftkopf zeigte große Verformungen von bis zu 16 % vor der Fraktur und eine fortschreitende Zunahme der Stützkapazität bis zur Fraktur. Die Verformungsenergie stieg linear mit der Verschiebung bis zum Bruch an, während die Steifigkeit unmittelbar vor dem Bruch auf Werte nahe Null abnahm. Drei Viertel der Bruchenergie wurden von der Probe während des letzten Kraftanstiegs von 25 % aufgenommen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das entwickelte Protokoll eine bemerkenswerte Energieabsorptionskapazität oder Schadenstoleranz und eine synergistische Interaktion zwischen kortikalem und trabekulärem Knochen im fortgeschrittenen Spenderalter aufzeigte.

Introduction

Frakturen des Oberschenkelhalses sind eine große Belastung für die alternde Bevölkerung. Die mikrocomputertomographische Bildgebung (Mikro-CT) und die begleitende mechanische Prüfung ermöglichen es, die Mikrostruktur des Knochens zu beobachten und ihre Beziehung zur Knochenfestigkeit, ihre altersbedingten Veränderungen und Verschiebungen unter Belastung zu untersuchen ^1,2. Bis vor kurzem waren Mikro-CT-Untersuchungen von Knochen unter Belastung jedoch auf exzidierte Knochenkerne³, Kleintiere⁴ und menschliche Wirbelsäuleneinheiten⁵ beschränkt. Das vorliegende Protokoll kann die Verschiebung der Mikrostruktur des gesamten proximalen menschlichen Femurs unter Belastung und nach einer Fraktur quantifizieren.

Es wurden mehrere Studien durchgeführt, um das Versagen des menschlichen Oberschenkelknochens zu untersuchen, und manchmal kamen diese zu gegensätzlichen Ergebnissen. Zum Beispiel wird angenommen, dass die altersbedingte Ausdünnung der kortikalen und trabekulären Strukturen die altersbedingte Frakturanfälligkeit bestimmt, indem sie eine elastische Instabilität des Knochens verursacht^6,7, was in offensichtlichem Gegensatz zu dem hohen Bestimmungskoeffizienten der kortikalen Dehnung und der Vorhersagen der Femurfestigkeit steht, die keine elastische Instabilität annehmen (R² = 0,80-0,97)^8,9. Nichtsdestotrotz haben solche Studien die femorale Festigkeit systematisch unterschätzt (um 21%-29%), was die in den Modellen implementierten spröden und quasi-spröden Knochenreaktionen in Frage stellt ^8,10. Eine mögliche Erklärung für diese scheinbar gegensätzlichen Befunde könnte in einem anderen Frakturverhalten ganzer Knochen im Vergleich zu isolierten Knochenkernen liegen. Daher kann die Beobachtung der Deformations- und Frakturreaktionen der Knochenmikrostruktur in ganzen proximalen Oberschenkelknochen das Wissen über die Mechanik von Hüftfrakturen und verwandte Anwendungen erweitern.

Derzeitige Methoden zur Abbildung ganzer menschlicher Knochen mit mikrometrischer Auflösung sind begrenzt. Die Gantry und die Detektorgröße müssen ein geeignetes Arbeitsvolumen für den menschlichen proximalen Oberschenkelknochen (ca. 13 cm x 10 cm, Breite x Länge) und möglicherweise eine Pixelgröße in der Größenordnung von 0,02 bis 0,03 mm bereitstellen, um sicherzustellen, dass relevante mikroarchitektonische Merkmale erfasst werden können¹¹. Diese Spezifikationen können derzeit von einigen Synchrotronanlagen¹ und einigen kommerziell erhältlichen großvolumigen Mikro-CT-Scannern^12,13 erfüllt werden. Die Druckstufe muss radiotransparent sein, um die Röntgenstrahlung zu minimieren und gleichzeitig eine Kraft zu erzeugen, die ausreicht, um eine Fraktur des menschlichen Oberschenkelknochens zu verursachen (z. B. zwischen 0,9 kN und 14,3 kN bei älteren weißen Frauen)¹⁴. Diese große Bruchlastvariation erschwert die Planung der Anzahl der zu brechenden Lastschritte, der Gesamtversuchszeit und der entsprechenden Datenmenge. Um dieses Problem zu lösen, können die Frakturlast und -lokalisation mittels Finite-Elemente-Modellierung geschätzt werden, indem die Knochendichteverteilung der Probe aus klinischen Computertomographie-Bildern (CT) verwendet wird ^1,2. Nach dem Experiment muss die große Menge an generierten Daten schließlich verarbeitet werden, um die Versagensmechanismen und die Energiedissipationskapazität im gesamten menschlichen Oberschenkelknochen zu untersuchen.

Hier beschreiben wir ein Protokoll zur Gewinnung einer Sequenz von dreidimensionalen mikrostrukturellen Bildern des gesamten proximalen Femurs unter progressiv zunehmender Verformung, die klinisch relevante Frakturen des Oberschenkelhalses verursacht². Das Protokoll umfasst die Planung der schrittweisen Inkrementierung der Probenkompression, die Belastung über einen kundenspezifischen radiotransparenten Kompressionstisch, die Bildgebung über einen großvolumigen Mikro-CT-Scanner sowie die Verarbeitung der Bilder und der Belastungsprofile.

Protocol

Das Protokoll wurde mit 12 Oberschenkelproben aus einem Körperspendeprogramm entwickelt und getestet. Die Proben wurden frisch gewonnen und bei −20 °C im Biomechanics and Implants Laboratory der Flinders University (Tonsley, South Australia, Australien) gelagert. Die Knochenfeuchtigkeit wurde während des gesamten Experiments aufrechterhalten. Bei den Spenderinnen handelte es sich um kaukasische Frauen (66-80 Jahre). Die Ethik-Freigabe wurde vom Social and Behavioural Research Ethics Committee (SBREC) der Flinders Un…

Representative Results

Die Bilder zeigen den gesamten proximalen Oberschenkelknochen, den Druckfach, den Zahnzement, die Aluminiumpfanne und das Wickelgewebe. Die Mikroarchitektur des Knochens verformt sich progressiv, wenn die Belastung vor und nach der Fraktur zunimmt (Abbildung 4). Abbildung 4: Die Kompressionsstufe, die an den …

Discussion

Das vorliegende Protokoll ermöglicht es, die verstrichene Mikromechanik von Hüftfrakturen in drei Dimensionen ex vivo zu untersuchen. Eine radiotransparente (Aluminium-)Druckstufe, die in der Lage ist, eine progressive Verformung auf die proximale Hälfte des menschlichen Oberschenkelknochens anzuwenden und die Reaktionskraft zu messen, wurde speziell entwickelt, hergestellt und getestet. Ein großvolumiger Mikro-CT-Scanner wird in diesem Protokoll verwendet, um eine zeitliche Abfolge von Bildvolumina zu liefe…

Materials

Absorbent tissue	N/A		Maintain the bone moisture throughout the experiment
Alignment rig	Custom-made		Rig for positioning the specimen in the potting cup
Aluminium potting cup	Custom-made		Potting cup
Bone saw	N/A		Cut the specimen to size
Calibration phantom QCT Pro	Mindways Software, Inc., Austin, USA	CT Calibration 13002	Calibrate grey levels in the images into equivalent bone mineral (ash) density levels
Clinical Computed-Tmography scanner	General Electric Medical Systems Co., Wisconsin, USA	Optima CT660	Preliminary imaging for the prediction of the load step to fracture
Compressive stage	Custom-made		A 10 kg, radiotransparent compressive stage for applying and maintaining throught imaging a prescribed deformation to the specimen.
Dental cement	Soesterberg, The Netherlands	Vertex RS
Femur specimen	Science Care, Phoenix, USA
Finite-element analysis software	ANSYS Inc., Canonsburg, USA	ANSYS Mechanical APDL	Finite-element software package
Freezer	N/A		Store specimens at -20 °C
Hard Drive	Dell		Disk space: 500 GB per volume
Image bnarization and segmentation software	Skyscan-Bruker, Kontich, Belgium	CT analyzer	Image processing software
Image elastic segmentation	The University of Sheffield	Bone DVC	https://bonedvc.insigneo.org/dvc/
Image processing and automation software	The MathWork Inc.	Matlab	Image processing software
Image registration software	Skyscan-Bruker, Kontich, Belgium	DataViewer	Image processing software
Image segmentation and FE modelling software	Simpleware, Exeter, UK	Scan IP	Bone egmentation software
Image stiching script	Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU		The script is available at IMBL
Image visualization	Kitware, Clifton Park, NY, USA	Paraview	Image visualization
Image visualization	Australian National University	Dristhi	Image visualization: doi:10.1117/12.935640
Imaging and Medical beamline	Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU		Large object micro-CT beamline at the Australian Synchrotron
Laptop	Dell Inc., USA
Low-friction x-y table	THK Co., Tokyo, Japan
NI signal acquisition software	National Instruments, Austin, TX	NI-DAQmx
Phosphate-buffered saline solution	Custom-made		Maintain the bone moisture throughout the experiment
Plastic bag	N/A		Maintain the bone moisture throughout the experiment
Rail	SKF Inc., Lansdale, PA, USA
Screw-jack mechanism	Benzlers, Örebro, Sweden	Serie BD (warm gear unit)	stroke: 150 mm, maximal load: 10,000 N, gear ratio: 27:1, a displacement per revolution: 0.148 mm
Single pco.edge sensor, lens coupled scintillator	Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU		Detector Ruby FOV: 141 x 119 mm; 2560 x 2160 px; 55 µm/px; 50 fps
Six axis load cell	ME-Meßsysteme GmbH, Hennigsdorf, GE	K6D6	Maximal measurement error: 0.005%; maximal force: 10000 N; maximal torque: 500 Nm
Strain amplifier	ME-Meßsysteme GmbH, Hennigsdorf, GE	GSV-1A8USB K6D/M16