Méthode et appareil instrumenté pour les tests de Fracture fémorale dans une Position de chute-à-la-hop sur le côté
Summary
Dans ce manuscrit, nous présentons un protocol pour fracturer les fémurs proximaux cadavériques test lors d’une chute sur le côté sur la configuration de hanche avec des luminaires instrumentées, montés sur un châssis hydraulique servo standard. Des signaux numérisés neuf comprenant des forces, moments et déplacement ainsi que de deux flux vidéo haute vitesse sont acquises au cours des essais.
Abstract
Essais mécaniques des fémurs apporte des renseignements précieux dans la compréhension de la contribution des variables mesurables sur le plan clinique comme la distribution de la densité minérale osseuse et de la géométrie sur les propriétés mécaniques fémorales. Il n’existe actuellement aucun protocole standard pour les essais mécaniques de ces os géométriquement complexes à mesure résistance et rigidité. Pour combler cette lacune, nous avons développé un protocole pour tester des fémurs cadavériques de fracture et de mesurer leurs paramètres biomécaniques. Ce protocole décrit un ensemble d’accessoires adaptables pour accueillir les différentes grandeurs de charge et directions comptables pour les orientations possibles os lors d’une chute sur la configuration de la hanche, de tester les variations de la jambe gauche de la jambe droite, OS taille et vitesse. Les fémurs étaient préparés pour l’épreuve de nettoyage, coupe, balayage et le terreau de l’extrémité distale et le grand trochanter contact avec des surfaces en poly(methyl methacrylate) (PMMA) tel que présenté dans un protocole différent. Les spécimens préparés ont été placés dans l’appareil d’essai en position imitant une chute sur le côté sur la hanche et chargé pour fracturer. Pendant l’essai, deux forces verticales cellules mesurée de charge appliquent à la tête fémorale et le grand trochanter, un peson à six axes forces mesurées et mesuré les moments à la tige fémorale distale et un capteur de déplacement déplacement différentiel entre le trochanter et tête fémorale contact prend en charge. Caméras vidéo à haute vitesse ont été utilisés pour enregistrer de façon synchrone la séquence des événements de rupture pendant l’essai. La réduction de ces données a permis de caractériser la résistance, rigidité et énergie pour presque 200 ostéoporotiques, ostéopénie, de fracture et recherche des fémurs cadavériques normales pour la poursuite du développement d’outils de diagnostic axée sur l’ingénierie pour l’ostéoporose.
Introduction
Mise au point de nouvelles méthodes pour l’évaluation de risque de fracture fémorale et prévention de la fracture d’une chute sur la hanche nécessite une compréhension approfondie des processus de biomécaniques au cours de la fracture. Fémur proximal cadavérique force test s’est avéré efficace pour déterminer la relation entre la force fémorale et facteurs influant sur la capacité structurelle du fémur fournissant des renseignements importants dans ce processus1,2 , 3. force fémorale mesurée expérimentalement est également utilisée pour la validation de base Quantitative Computed Tomography analyse par éléments finis (FEA/QCT) qui permet une estimation non invasif de fracture force4,5, 6,7.
A ce jour, il n’y a aucune procédure standard acceptée pour tester des spécimens entiers fémorales à se fracturer. Pour isoler des variables mesurables sur le plan clinique (par exemple, la densité minérale osseuse et de la géométrie) et leur influence sur la résistance fémorale, il est impératif pour les essais expérimentaux à réaliser de manière contrôlée et répétable. Fémurs cadavériques qui ont des formes irrégulières et portée en tailles8 et peuvent être obtenus auprès des cadavres mâles ou femelles d’âges différents, il est impossible de tester avec des luminaires intégrés de norme machines d’essai. Lors d’une chute sur le côté sur l’événement de la hanche, le grand trochanter subit une compression de chargement, tandis que le fémur proximal peut-être éprouver de chargement complexe, y compris la compression, tension, torsion et moment de flexion. Test de ces scénarios de chargement ajoute complexité pour la conception expérimentale. Par conséquent, un luminaire, comme une composante importante du protocole de test, doit être spécifiquement conçu, fabriqué et installé pour accueillir fémorales échantillons de différentes formes et tailles et différentes vitesses d’essais. Ce luminaire devant également contenir les échantillons pour tester dans une gamme des orientations souhaitées pour simuler l’impact possible des charges d’une chute sur la hanche. Pour répondre à une telle variété de conditions, l’appareil a besoin d’avoir plusieurs stationnaire et composants connectés de manière à minimiser le jeu dans le système et d’obtenir une réponse de déplacement de charge lisse.
Acquisition de données fiables est également essentielle au cours des essais. Le protocole expérimental doit intégrer le nécessaire pesons, capteurs de déplacement, amplificateurs de signaux et conditionneurs pour mesurer avec précision les forces et les moments du tout prend en charge. En outre, les vidéos haute vitesse des deux vues antérieures et postérieures du fémur obtenus de façon synchrone avec l’acquisition des forces sont nécessaires pour aider à comprendre la séquence des événements ayant conduit à la rupture, de caractériser les types de fractures et précisément définir la force fémorale4,9.
Bien qu’il existe des études expérimentales précieux dans la littérature sur le fémur tout test, protocoles publiés n’ont pas plus de détails sur la façon dont les tests ont été effectués ou sont très différentes d’une étude à l’autre pour les rendre vraiment reproductible10, 11. Les travaux en cours visait à mettre en place un protocole pour les essais mécaniques des échantillons fémorales qui peuvent servir comme point de départ d’un effort visant à normaliser le tissu osseux stable qui peut être répétables et reproductibles. À cette fin, nous avons conçu et fabriqué un appareil d’essai qui a servi à tester environ 200 fémurs cadavériques. L’appareil d’essai inclus un montage de fond et un montage de la crosse. Le montage de fond (Figure 1 a-E) détient le fémur à une orientation désirée pendant les essais et comprend une cellule de pesage trochanter et une cellule de charge 6 voies reliée à la tige fémorale. Il accueille également trois traductions indépendantes permettant le positionnement de l’OS pour l’essai de rupture. Un point de rotation est ajouté pour imiter l’articulation du genou. Les grandes parties de l’appareil de fond étaient constitués de morceaux épais d’acier inoxydable et d’aluminium pour faire un montage très rigide. Une cellule de charge est fixée à l’armature de fond pour mesurer la force de compression sur le grand trochanter au cours des essais. Le montage de la crosse (Figure 2 a-2E) comprend deux plaques de base en aluminium et deux roulements à billes toboggan très raide (attachés ensemble par une plaque d’aluminium), pour expliquer le mouvement de la tête fémorale au cours des essais et aussi pour accueillir pour les fémurs de droite et de gauche. Une cellule de charge inclus dans les mesures de fixation cruciformes force de compression. Une coupe en aluminium fixée à la cellule de charge est utilisée pour appliquer des charges de compression de la tête fémorale. Notre méthode a été utilisée pour des fémurs gauche et droite des deux sexes, avec des tailles différentes, des angles de cou-arbre, la densité minérale osseuse et conditions imitant un latéral de chargement tombent sur la hanche. Les vitesses d’essais dans nos expériences ont été fixés à 5, 100 et 700 mm/s, mais ils peuvent être définies sur une valeur disponible sur la machine d’essai. Le luminaire conçu a deux composantes principales, celui qui est connecté à la traverse de la machine d’essai et l’autre au châssis de test. Les deux parties ont été instrumentées avec les cellules de charge suffisantes pour mesurer la force et moment des conditions aux limites du tout prend en charge. En outre, deux caméras vidéo à haute vitesse ont été utilisés pour enregistrer les événements de rupture pendant l’essai. Après une fracture, un ensemble de rayons x et Tomographie calculée (CT) scanne ont été obtenus pour les analyses expérimentales fracture post. Résultats obtenus par ces expériences, y compris la résistance à la rupture et l’énergie sont actuellement utilisées pour la recherche supplémentaire dans les outils de diagnostic pour éventuellement améliorer l’évaluation de la résistance à la rupture proximale chez les patients ostéoporotiques.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nous avons proposé un protocole à la cassure d’essai fémurs cadavériques proximales lors d’une chute sur la configuration de hanche avec lequel nous avons testé avec succès environ 200 échantillons. Le protocole inclut plusieurs luminaires conçus internes pour essai dans des conditions de chargement différent de résistance fémorale. L’appareil permet de tester des fémurs droite et gauche à différentes vitesses d’essais et les orientations de l’OS. Après avoir monté le luminaire et les instrument…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous tenons à remercier les matériaux et essais structurels Core Facility et Division du génie à la clinique Mayo pour le support technique. En outre, nous tenons à remercier Lawrence J. Berglund, James Bronk, Brant Newman, den op de Jorn Buijs, Ph.d., pour leur aide lors de l’étude. Cette étude a été financée par le Fonds d’Innovation de Grainger de la Fondation de 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
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