Methode en geïnstrumenteerde meubilair voor femurfractuur testen in een zijwaartse val-over-the-Hip-positie
Summary
In dit manuscript presenteren wij een protocol ter test dode foetussen proximale dijbenen breuk in een zijwaartse val op de hip configuratie met behulp van de geïnstrumenteerde armaturen gemonteerd op een standaard servo-hydraulische frame. Negen gedigitaliseerde signalen, bestaande uit troepen, momenten, en verplaatsing samen met twee hoge snelheid video-streams zijn verkregen tijdens het testen.
Abstract
Mechanische beproeving van de dijbenen brengt waardevolle inzichten in het begrip van de bijdrage van klinisch-measureable variabelen zoals bot mineraal dichtheid distributie en geometrie van de femorale mechanische eigenschappen. Momenteel, is er geen standaard protocol voor mechanische testen van dergelijke geometrisch complexe botten maatregel sterkte en stijfheid. Om aan te pakken van deze kloof hebben we een protocol om te testen van dode foetussen dijbenen breuk en voor het meten van hun biomechanische parameters. Dit protocol beschrijft een aantal flexibele inrichting geschikt voor de verschillende grootheden van de belasting en richtingen accounting voor oriëntaties mogelijk bot bij een val op de hip configuratie te testen van de snelheid, de grootte van het bot en been rechts linkerbeen variaties. De dijbenen waren voorbereid op testen door schoonmaken, snijden, scannen en potgrond van de distale uiteinde en grotere trochanter contact oppervlakken in poly(methyl methacrylate) (PMMA) zoals gepresenteerd in een ander protocol. De voorbereide specimens werden geplaatst in de testen meubilair in een positie het nabootsen van een zijwaartse val op de heup en geladen om breuk. Tijdens het testen, twee laden cellen gemeten verticale krachten toegepast op de femurkop en grotere trochanter, een zes-as belasting cel gemeten krachten en momenten op de distale femur schacht en een verplaatsing sensor gemeten differentiële verplaatsing tussen de Neem contact op met de ondersteunt femurkop en trochanter. High speed video camera’s werden gebruikt om synchroon opnemen de opeenvolging van gebeurtenissen van breuk tijdens het testen. De vermindering van deze gegevens konden we de sterkte, stijfheid, karakteriseren en energie voor bijna 200 osteoporotisch, osteopenic, breuk en normale dode foetussen dijbenen voor de verdere ontwikkeling van diagnostische middelen voor osteoporose techniek gebaseerde onderzoek.
Introduction
Ontwikkeling van nieuwe methoden voor de risicobeoordeling femurfractuur en breuk preventie voor een val op de heup vereist een grondig inzicht in de biomechanische processen tijdens fractuur. Dode foetussen proximale dijbeen sterkte testen heeft bewezen effectief te zijn in het bepalen van de relatie tussen femur sterkte en factoren die de structurele capaciteit van het dijbeen biedt belangrijke inzichten in dit proces1,2 , 3. experimenteel gemeten femorale sterkte wordt ook gebruikt voor de validatie van kwantitatieve berekend tomografie gebaseerde eindige Element Analysis (FEA/QCT) waarmee een niet-invasieve schatting van breuk kracht4,5, 6,7.
Tot op heden, is er geen aanvaarde standaard procedure voor het testen van specimens van de hele femorale breuk. Isoleren van klinisch-measureable variabelen (zoals bot mineraal dichtheid en meetkunde) en hun invloed op de sterkte van de femur, is het absoluut noodzakelijk voor experimentele testen uit te voeren op een gecontroleerde en herhaalbare manier. Dode foetussen dijbenen hebben onregelmatige vormen en bereik in de maten8 en mannelijke of vrouwelijke kadavers van verschillende leeftijden, waardoor het onmogelijk is om te testen met behulp van ingebouwde armaturen voor standaard testen van machines kunnen worden verkregen. In een zijwaartse val betreffende het evenement “hip” ondergaat de grotere trochanter druksterkte laden, terwijl het proximale dijbeen complexe laden met inbegrip van compressie, spanning treden, buigend moment, en torsie. Testen van dergelijke scenario’s van laden, voegt complexiteit toe aan de proefopzet. Daarom moet een armatuur, als een belangrijk onderdeel van het test protocol, worden speciaal ontworpen, vervaardigd en geïnstalleerd zodat de femorale monsters van verschillende vormen en maten en verschillende testen snelheden. Dit meubilair houdt ook de exemplaren voor het testen in een aantal gewenste oriëntaties te simuleren van ladingen van de mogelijke gevolgen van een val op de heup. Om te voldoen aan zulk een verscheidenheid van voorwaarden, moet de armatuur meerdere stationaire en bewegende onderdelen aangesloten op een manier om te spelen in het systeem te minimaliseren en om een soepele laden-verplaatsing antwoord te krijgen.
Betrouwbare data-acquisitie is ook kritisch tijdens het testen. De proefopzet moet omvatten de nodige meetcellen, tandemasstellen, signaal versterkers en conditioners nauwkeurig maatregel krachten en momenten helemaal ondersteunt. Bovendien, hoge snelheid video’s van de anterieure en posterieure weergaven van het dijbeen verkregen synchroon met de overname van krachten nodig zijn om te helpen begrijpen van de opeenvolging van gebeurtenissen die leiden tot breuk, fractuur typen, karakteriseren en nauwkeurig define femorale kracht4,9.
Hoewel er waardevolle experimentele studies in de literatuur over het hele dijbeen testen, gepubliceerde protocollen gebrek aan details over hoe de testen werd uitgevoerd of zijn zeer verschillend van een studie naar de andere te echt laten reproduceerbare10, 11. Het doel van het huidige werk was de introductie van een protocol voor mechanische testen van femur monsters die kunnen worden gebruikt als uitgangspunt voor een poging om te testen die kunnen herhaalbare en reproduceerbare botweefsel te standaardiseren. Te dien einde, we ontworpen en vervaardigde een testen armatuur die werd gebruikt voor het testen van ongeveer 200 dode foetussen dijbenen. De testen armatuur opgenomen een onder meubilair en een crosshead armatuur. De onderste armatuur (figuur 1A-E) houdt het dijbeen op een gewenste oriëntatie tijdens het testen en bevat een cel trochanter belasting en een 6-kanaals belasting cel aangesloten op de femorale schacht. Het herbergt ook drie onafhankelijke vertalingen te maken voor de positionering van de bot voor het testen van de breuk. Een rotatie-punt wordt toegevoegd na te bootsen van het kniegewricht. De grote delen van de bodem armatuur waren samengesteld uit dikke stukken van roestvrij staal en aluminium maken een zeer stijf armatuur. Een belasting-cel is gekoppeld aan de onderkant armatuur krachten te meten druksterkte op de grotere trochanter tijdens het testen. De armatuur crosshead (figuur 2A-2E) bestaat uit twee aluminium base platen en twee zeer stijf dia kogellagers (met elkaar verbonden door een aluminiumplaat), ter verantwoording voor het verkeer van de femurkop tijdens het testen, en ook om tegemoet te komen voor linker- en dijbenen. Een cel belasting opgenomen in de crosshead armatuur maatregelen druksterkte krachten. Een aluminium beker gekoppeld aan de cel van de lading wordt gebruikt om de druksterkte ladingen van toepassing op de femurkop. Onze methode werd gebruikt voor links en rechts dijbenen van beide geslachten, met verschillende maten, nek-schacht hoeken, bot mineraal dichtheid en belastingstoestanden nabootsen van een zijwaarts vallen op de heup. De testen snelheden in onze experimenten werden ingesteld op 5, 100 en 700 mm/s, maar ze kunnen worden ingesteld op elke waarde die beschikbaar is op de testen machine. De ontworpen meubilair had twee hoofdonderdelen, een aangesloten op de crosshead van de testen machine en de andere verbonden aan het testen frame. Beide delen zijn geïnstrumenteerd met meetcellen voldoende voor het meten van de kracht en moment randvoorwaarden helemaal ondersteunt. Daarnaast werden twee high-speed video camera’s gebruikt voor het opnemen van de fractuur gebeurtenissen tijdens het testen. Na fractuur, een set van x-stralen en berekend tomografie (CT) scant voor post experimentele fractuur analyses werden verkregen. Resultaten van deze experimenten met inbegrip van de fractuur kracht en energie worden momenteel gebruikt voor aanvullend onderzoek in diagnostische hulpprogramma’s om uiteindelijk de beoordelingvan proximale fractuur sterkte in osteoporotisch patiënten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wij hebben voorgesteld een protocol bij de fractuur proximale dode foetussen dijbenen testen in een val op de hip configuratie waarmee we met succes ongeveer 200 monsters getest hebben. Het protocol bevat verschillende in-house ontworpen armaturen voor femoral sterkte testen bij verschillende beladingen. De armatuur zorgt voor het testen van zowel linker- en dijbenen op verschillende testen snelheden en bot oriëntaties. Na het mounten van de armatuur en de meetinstrumenten, is getest op een glasvezel dijbeen breuk om te…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We zouden graag bedanken de materialen en de structurele Core testfaciliteit en Division of Engineering in Mayo Clinic voor technische ondersteuning. Daarnaast zouden we graag bedanken Lawrence J. Berglund, James Bronk, Brant Newman, Jorn op den Buijs, Ph.D., voor hun hulp tijdens de studie. Deze studie werd financieel gesteund door het innovatiefonds Grainger sedert de grondlegging Grainger.
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).
