ヒト股関節の微細構造破壊機構のイメージング

Summary

このプロトコルは、大容量のマイクロCTスキャン、カスタムメイドの圧縮ステージ、および高度な画像処理ツールを組み合わせることにより、近位ヒト大腿骨全体の骨微細構造の変形とその靭性の測定を可能にします。

Abstract

負荷が徐々に増加した状態で骨の微細構造をイメージングすることで、骨の微細構造の破壊挙動を観察することができます。ここでは、大腿骨頸部の臨床的に関連する骨折を引き起こす、徐々に増加する変形下で大腿骨近位部全体の一連の3次元微細構造画像を取得するためのプロトコルについて説明します。プロトコルは人口の骨のミネラル密度の下端の66-80歳の女性ドナーからの4つの大腿骨を使用して実証される(Tスコアの範囲= −2.09から−4.75)。マイクロコンピュータ断層撮影(マイクロCT)イメージング中に加えられた荷重を記録しながら、片足の姿勢を再現した標本に荷重を載せるために、放射線透過性の圧縮ステージが設計されました。視野は幅146mm、高さ132mmで、等方性画素サイズは0.03mmであった。力の増分は、破壊荷重の有限要素予測に基づいていました。圧縮段階を使用して、試験片に変位を適用し、所定の力増分を適用しました。大腿骨頸部の開口とせん断による亜柱頭骨折は、4〜5回の荷重増分後に発生しました。マイクロCT画像と反力測定値を処理して、骨のひずみとエネルギー吸収能力を調べました。皮質の不安定性は、初期のローディングステップで現れました。大腿骨頭の軟骨下骨は、骨折前に16%に達する大きな変形を示し、骨折まで支持能力が徐々に増加しました。変形エネルギーは、破壊までの変位とともに直線的に増加し、剛性は破壊直前にほぼゼロ値まで減少しました。破壊エネルギーの4分の3は、最後の25%の力増分中に試験片によって取得されました。結論として、開発されたプロトコルは、顕著なエネルギー吸収能力、または損傷耐性、および高齢のドナー年齢での皮質骨と海綿骨の間の相乗的相互作用を明らかにしました。

Introduction

大腿骨頸部の骨折は、高齢化社会にとって大きな負担となっています。マイクロコンピュータ断層撮影(マイクロCT)イメージングとそれに付随する機械的検査により、骨の微細構造を観察し、骨強度、加齢に伴う変化、および負荷下での変位との関係を研究することができます^1,2。しかし、最近まで、負荷がかかった状態での骨のマイクロCT研究は、切除された骨芯³、小動物⁴、およびヒト脊椎ユニット⁵に限定されていました。本プロトコルは、荷重下および骨折後の近位ヒト大腿骨全体の微細構造の変位を定量化することができる。

人間の大腿骨の障害を調査するためにいくつかの研究が行われており、時には対照的な結論に達しています。例えば、皮質構造および海綿構造の加齢に伴う薄化は、骨の弾性不安定性を引き起こすことによって加齢に伴う骨折感受性を決定すると考えられ^ており6,7、これは、弾性不安定性がないと仮定した場合の皮質緊張および大腿骨強度予測の高い決定係数(^R2 = 0.80-0.97)^8,9とは明らかに対照的である.それにもかかわらず、そのような研究は体系的に大腿骨の強度を過小評価しており(21%〜29%)、したがって^{、モデルで}実装された脆性および準脆性骨応答に疑問を投げかけています^8,10。これらの明らかに対照的な所見の1つの可能な説明は、孤立した骨コアと比較して骨全体の骨折挙動が異なることにある可能性があります。したがって、大腿骨近位部全体の骨微細構造の変形と骨折応答を観察することは、大腿骨骨折力学および関連するアプリケーションに関する知識を深める可能性があります。

マイクロメトリック分解能で人骨全体をイメージングする現在の方法は限られています。ガントリーと検出器のサイズは、ヒトの大腿骨近位部をホストするのに適した作業容積(約13 cm x 10 cm、幅 x 長さ)と、関連するマイクロアーキテクチャの特徴を確実に捕捉できるように、場合によっては0.02〜0.03 mmのオーダーのピクセルサイズを提供する必要があります¹¹。これらの仕様は、現在、一部の放射光施設¹と市販の大容量マイクロCT^{スキャナー12,13}で満たすことができる。圧縮段階は、人間の大腿骨に骨折を引き起こすのに十分な力(例えば、高齢の白人女性の場合0.9 kNから14.3 kNの間)を発生させながら、X線の減衰を最小限に抑えるために、放射線透過性でなければなりません¹⁴。この大きな破壊荷重変動は、破砕する荷重ステップ数、全体的な実験時間、およびそれに対応する生成されるデータ量の計画を複雑にします。この問題に対処するために、臨床コンピュータ断層撮影(CT^{)画像からの}標本の骨密度分布を使用して、有限要素モデリングによって破壊荷重と位置を推定できます^1,2。最後に、実験後、生成された大量のデータを処理して、人間の大腿骨全体の故障メカニズムとエネルギー散逸能力を研究する必要があります。

ここでは、大腿骨頸部^の臨床的に関連する骨折を引き起こす、徐々に増加する変形の下で大腿骨近位部全体の一連の3次元微細構造画像を取得するためのプロトコルについて説明します2。このプロトコルには、検体圧縮の段階的な増分の計画、カスタムの放射線透過性圧縮ステージ を介した ロード、大容量のマイクロCTスキャナー による イメージング、および画像とロードプロファイルの処理が含まれます。

Protocol

このプロトコルは、献体プログラムから受け取った12の大腿骨標本で開発およびテストされました。標本は新鮮に採取し、フリンダース大学(オーストラリア、南オーストラリア州トンズリー)のバイオメカニクスおよびインプラント研究所で-20°Cで保存しました。骨の水分は実験全体を通して維持されました。ドナーは白人女性(66-80歳)であった。倫理クリアランスは、フリンダース大学の社?…

Representative Results

画像には、大腿骨近位部全体、圧力ソケット、歯科用セメント、アルミカップ、およびラッピング組織が表示されます。骨のマイクロアーキテクチャは、骨折前と骨折後に荷重が増加するにつれて徐々に変形していることがわかります(図4)。 <strong class="…

Discussion

本プロトコルは、股関節骨折の経過時間マイクロメカニクスをex vivoで3次元で研究することを可能にします。人間の大腿骨の近位部に漸進的な変形を加え、反力を測定できる放射線透過性(アルミニウム)圧縮ステージは、カスタム設計、製造、およびテストされています。このプロトコルでは、大容量のマイクロCTスキャナーが採用されており、大腿骨近位部全体をマイクロメトリック?…

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