الأسلوب والآلية لاعبا أساسيا لكسر فخذي الاختبار في موقع سقوط في الورك جانبية
Summary
في هذه المخطوطة، نقدم بروتوكولا للكسر فيمورا اختبار الدانية المأخوذة في خريف جانبية في التكوين الورك باستخدام التركيبات الآلية التي شنت في إطار هيدروليكية مؤازرة قياسية. يتم الحصول على تسعة إشارات رقمية تضم قوات ولحظات التشرد جنبا إلى جنب مع اثنين من دفق الفيديو عالية السرعة أثناء الاختبار.
Abstract
اختبار الميكانيكية من فيمورى يجلب أفكاراً قيمة في فهم مساهمة المتغيرات measureable سريرياً مثل توزيع كثافة المعادن في العظام، والهندسة على فخذي الخواص الميكانيكية. حاليا، لا يوجد أي بروتوكول قياسي لاختبار الميكانيكية لهذه العظام هندسيا معقدة لقياس قوة وصلابة. ولسد هذه الفجوة قمنا بتطوير بروتوكول لاختبار فيمورا المأخوذة للكسر وقياس النشاط الحيوي المعلمات الخاصة بهم. ويصف هذا البروتوكول مجموعة من المباريات قابلة للتكيف لاستيعاب مختلف أحجام تحميل والتوجيهات المحاسبية لتوجهات العظام ممكن في خريف على تكوين الورك، واختبار سرعة وحجم العظام، والاختلافات الساق اليسرى على الساق اليمنى. فيمورا أعدت للاختبار من التنظيف، قطع، والمسح الضوئي وبوتينغ نهاية القاصي و trochanter أكبر الاتصال السطوح في poly(methyl methacrylate) (البولي ميثيل ميثا اكريلات) كما ورد في بروتوكول آخر. وضعت في المباراة الاختبار في وضع محاكاة هبوط جانبية في الورك العينات المعدة وتحميلها للكسر. أثناء الاختبار، تطبيق تحميل خلايا قياس الرأسي القوتين إلى رأس الفخذ وأكبر trochanter، خلية تحميل الستة-محور قوات المقاسة وتقاس لحظات في رمح فخذي القاصي، وجهاز استشعار تشرد التشرد التفاضلية بين رئيس الفخذ و trochanter الاتصال تدعم. واستخدمت كاميرات الفيديو عالية السرعة بشكل متزامن تسجيل تسلسل الأحداث الكسر أثناء الاختبار. الحد من هذه البيانات سمح لنا بتميز القوة، وصلابة، وكسر الطاقة لما يقرب من 200 العظام هشاشة، أوستيوبينيك، والبحوث العادية فيمورى المأخوذة لمواصلة تطوير أدوات التشخيص القائم على الهندسة ترقق العظام.
Introduction
تطوير أساليب الرواية لتقييم مخاطر كسر الفخذ ومنع الكسر لهبوط في الورك يتطلب فهم شامل للعمليات النشاط الحيوي التي ينطوي عليها أثناء الكسر. اختبار قوة عظم الفخذ الدانية المأخوذة وقد ثبت أن تكون فعالة في تحديد العلاقة بين فخذي القوة والعوامل التي تؤثر على القدرات الهيكلية لعظم الفخذ تقديم رؤى هامة في هذه العملية1،2 , 3-قوة فخذي قياسها تجريبيا يستخدم أيضا للتحقق من صحة الكمية المحسوبة التصوير المقطعي محدود عنصر التحليل القائم (قكت/الهيئة الاتحادية للبيئة) التي تمكن من تقدير غير الغازية لكسر قوة4،5، 6،7.
حتى الآن، لا يوجد أي إجراء القياسية المقبولة لاختبار عينات فخذي كله للكسر. لعزل المتغيرات measureable سريرياً (مثل كثافة العظام المعدنية، وهندسة) وتأثيرها على قوة فخذي، يتحتم للاختبار التجريبي تنفذ بطريقة التي تسيطر عليها وقابلة للتكرار. فيمورى المأخوذة الأشكال غير النظامية، وتتراوح في الأحجام8 ويمكن الحصول عليها من الجثامين سواء الذكور أو الإناث من مختلف الإعمار، مما يجعل من المستحيل لاختبار باستخدام تركيبات مضمنة لمعيار اختبار آلات. في سقوط جانبية حول هذا الحدث في الورك، يخضع trochanter زيادة التحميل ضاغطة، في حين قد يتعرض عظم الفخذ الدانية التحميل المعقدة بما في ذلك ضغط، والتوتر، والانحناء لحظة، والتواء. اختبار هذه السيناريوهات تحميل يزيد تعقيد التصميم التجريبي. ولذلك، لاعبا أساسيا، كأحد المكونات الهامة لبروتوكول الاختبار، يجب أن تكون المصممة خصيصا، وملفقة، ومثبتة لاستيعاب فخذي عينات مختلفة الأشكال والأحجام، وسرعات مختلفة اختبار. يجب إجراء هذه المباراة أيضا العينات للاختبار في مجموعة من التوجهات المطلوبة لمحاكاة الأحمال الأثر المحتمل من هبوط في الورك. لتلبية مجموعة متنوعة من مثل هذه الظروف، يحتاج لاعبا أساسيا لثابتة متعددة وتتحرك عناصر متصلة بطريقة للتقليل من اللعب في النظام والحصول على استجابة سلس-إزاحة بحمولة.
الحصول على بيانات موثوقة أيضا حرجة أثناء الاختبار. ويجب أن يتضمن التصميم التجريبي خلايا الحمل اللازمة، ومحولات الطاقة التشرد، إشارة مكبرات الصوت ومكيفات الهواء بدقة تدبير القوات ولحظات على الإطلاق يدعم. بالإضافة إلى ذلك، أشرطة الفيديو عالية السرعة من طرق العرض الأمامي والخلفي لعظم الفخذ التي تم الحصول عليها في شكل متزامن مع اكتساب القوات اللازمة للمساعدة على فهم تسلسل الأحداث التي أدت إلى الكسر، وتميز أنواع الكسور، وعلى وجه التحديد تعريف القوة فخذي4،9.
بينما هناك قيمة الدراسات التجريبية في الأدب في عظم الفخذ كله اختبار، البروتوكولات المنشورة أما تفتقر إلى التفاصيل بشأن كيفية تنفيذ اختبار أو تختلف اختلافاً كبيرا عن دراسة واحدة إلى أخرى لجعلها حقاً استنساخه10، 11. وكان هدف العمل الحالي لإدخال بروتوكول لاختبار الميكانيكية فخذي العينات التي يمكن استخدامها كنقطة انطلاق لبذل جهد لتوحيد النسيج العظمى التجارب التي يمكن أن تكون قابلة للتكرار واستنساخه. وتحقيقا لهذه الغاية، ونحن مصممة وملفقة لاعبا اختبار الذي تم استخدامه لاختبار فيمورا المأخوذة حوالي 200. وشملت المباراة اختبار لاعبا السفلي ولاعبا crosshead. المباراة أسفل (الشكل 1A-E) يحمل عظم الفخذ في اتجاه المطلوب أثناء الاختبار، ويتضمن خلية تحميل trochanter وخلية تحميل 6 قنوات متصلة برمح فخذي. كما أنه يستوعب ثلاث ترجمات مستقلة للسماح لتحديد المواقع من العظام للكسر الاختبار. يتم إضافة نقطة دوران لتقليد الركبة. الأجزاء الرئيسية للمباراة أسفل تتألف من قطعة سميكة من الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم لجعل لاعبا قاسية جداً. خلية تحميل مرفق المباراة أسفل لقياس قوي ضاغطة على تروتشانتير أكبر أثناء الاختبار. المباراة crosshead (الشكل 2A–2E) يتضمن لوحات القاعدة الألومنيوم اثنين وهما محامل الشريحة قاسية جداً (تعلق معا بصفيحة ألومنيوم)، لحساب حركة رأس الفخذ أثناء الاختبار، وأيضا لاستيعاب فيمورا الأيمن والأيسر. إدراج خلية تحميل في التدابير لاعبا أساسيا crosshead قوي ضاغطة. يتم استخدام كأس ألمنيوم تعلق بخلية التحميل لتطبيق الأحمال ضاغطة على رأس الفخذ. استخدمت لدينا طريقة فيمورا اليسار واليمين من كلا الجنسين، بأحجام مختلفة، وزوايا رمح الرقبة وكثافة العظام المعدنية، وتحميل ظروف محاكاة جانبية تقع في الورك. تم تعيين بسرعة الاختبار في تجاربنا في 5 و 100 و 700 ملم/s، ولكن أنها يمكن تعيين إلى أي قيمة متوفرة على جهاز الاختبار. كان المباراة مصممة مكونين رئيسيين، متصلاً بها crosshead آلة الاختبار وأخرى متصلة بإطار الاختبار. كل أجزاء تم تجهيزها مع خلايا الحمل كافية لقياس قوة وشروط الحدود لحظة يعتمد على الإطلاق. بالإضافة إلى ذلك، استخدمت اثنين من كاميرات الفيديو عالية السرعة لتسجيل أحداث الكسر أثناء الاختبار. بعد كسر، بفحص مجموعة من الأشعة السينية والتصوير المقطعي المحسوبة (CT) تم الحصول على الوظيفة بتحليل الكسر التجريبية. النتائج التي تم الحصول عليها من هذه التجارب بما في ذلك قوة الكسر والطاقة المستخدمة حاليا لإجراء بحوث إضافية في أدوات التشخيص في نهاية المطاف تحسين تقييم قوة الكسر الدانية في مرضى العظام هشاشة.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد اقترحنا بروتوكولا للكسر اختبار الدانية فيمورى المأخوذة في خريف على تكوين الورك التي لدينا بنجاح اختبار عينات حوالي 200. ويتضمن البروتوكول عدة تركيبات مصممة داخلية لقوة فخذي الاختبار تحت ظروف التحميل المختلفة. المباراة يسمح لاختبار فيمورى اليمين واليسار على حد سواء في سرعة اختبار مختل…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نود أن نشكر المواد والمرافق الأساسية اختبار الهيكلية وشعبة الهندسة في “عيادة مايو كلينيك” للدعم التقني. وبالإضافة إلى ذلك نود أن أشكر لورنس ج. Berglund، جيمس برونك، برانت نيومان، جرن op دن بويجس، دكتوراه، لمساعدتهم أثناء الدراسة. هذه الدراسة كان يدعمها ماليا في “الصندوق الابتكار غرينجر” من مؤسسة غرينجر.
Materials
| 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 |
| Hygenic Orthodontic 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 |
| 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 |
| Fume Hood | Hamilton | 70532 | Used for ventilation when preparing PMMA for potting of specimens |
| Single axis load cell | Transducer Techniques, Temecula, CA, USA | LPU-3K; S/N 219627 | Capacity 3000 LBS |
| Six channel load cell | JR3,Woodland, CA | 45E15A4 | Mechanical load rating 1000N |
| Linear potentiometer | Novotechnik, Southborough, MA, USA | Used to acquire linear displacements during testing | |
| Slide ball bearing | Schneeberger | Type NK | Part of the testing fixture |
| Mechanical testing machine | MTS, Minneapolis, MN | 858 Mini Bionix II | Used for compression of femur |
| Lighting unit | ARRI | Needed for high speed video recordings | |
| high-speed video camera | Photron Inc., San Diego, CA, USA | Photron Fastcam APX-RS | Used to capture the high speed video recordings of the fracture events |
| Photron FASTCAM Viewer | Photron Inc., San Diego, CA, USA | Ver.3392(x64) | Used to view the high speed video recordings |
| Camera lens | Zeiss | Zeiss Planar L4/50 ZF Lens | Needed to high image resolution |
| Signal conditioner board (DAQ) | National Instruments | Input/output signal connector | |
| Signal Express | National Instruments | N/A | Data acquisition software |
| Laptop Computer | Dell | N/A | Used to monitor and acquire all signals from the testing procedure |
References
- Bouxsein, M. L., Szulc, P., Munoz, F., Thrall, E., Sornay-Rendu, E., Delmas, P. D. Contribution of trochanteric soft tissues to fall force estimates, the factor of risk, and prediction of hip fracture risk. J Bone Miner Res. 22, 825-831 (2007).
- 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).
- Zani, L., Erani, P., Grassi, L., Taddei, F., Cristofolini, L. Strain distribution in the proximal Human femur during in vitro simulated sideways fall. J Biomech. 48, 2130-2143 (2015).
- 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).
- Schileo, E., Balistreri, L., Grassi, L., Cristofolini, L., Taddei, F. To what extent can linear finite element models of human femora predict failure under stance and fall loading configurations?. J Biomech. 47, 3531-3538 (2014).
- Koivumaki, J. E., et al. Ct-based finite element models can be used to estimate experimentally measured failure loads in the proximal femur. Bone. 50, 824-829 (2012).
- Pottecher, P., et al. Prediction of Hip Failure Load: In Vitro Study of 80 Femurs Using Three Imaging Methods and Finite Element Models—The European Fracture Study (EFFECT). Radiology. , 142796 (2016).
- Rivadeneira, F., et al. Femoral neck BMD is a strong predictor of hip fracture susceptibility in elderly men and women because it detects cortical bone instability: the Rotterdam Study. J Bone Miner Res. 22, 1781-1790 (2007).
- de Bakker, P. M., Manske, S. L., Ebacher, V., Oxland, T. R., Cripton, P. A., Guy, P. During sideways falls proximal femur fractures initiate in the superolateral cortex: evidence from high-speed video of simulated fractures. J Biomech. 42, 1917-1925 (2009).
- Courtney, A. C., Wachtel, E. F., Myers, E. R., Hayes, W. C. Age-related reductions in the strength of the femur tested in a fall-loading configuration. J Bone Joint Surg Am. 77, 387-395 (1995).
- Cheng, X. G., et al. Assessment of the strength of proximal femur in vitro: relationship to femoral bone mineral density and femoral. Bone. 20, 213-218 (1997).
- Courtney, A. C., Wachtel, E. F., Myers, E. R., Hayes, W. C. Effects of loading rate on strength of the proximal femur. Calcif Tissue Int. 55, 53-58 (1994).
- Keyak, J., Rossi, S., Jones, K., Les, C., Skinner, H. Prediction of fracture location in the proximal femur using finite element models. Medical engineering & physics. 23, 657-664 (2001).
- Nishiyama, K. K., Gilchrist, S., Guy, P., Cripton, P., Boyd, S. K. Proximal femur bone strength estimated by a computationally fast finite element analysis in a sideways fall configuration. J Biomech. 46, 1231-1236 (2013).
- Langton, C. M., Njeh, C. F. . The physical measurement of bone. , (2016).
- Ariza, O., et al. Comparison of explicit finite element and mechanical simulation of the proximal femur during dynamic drop-tower testing. J Biomech. 48, 224-232 (2015).
