Protokollen muliggjør måling av deformasjonen av beinmikrostrukturen i hele det proksimale humane lårbenet og dets seighet ved å kombinere mikro-CT-skanning med stort volum, et skreddersydd komprimeringsstadium og avanserte bildebehandlingsverktøy.
Avbildning av beinmikrostrukturen under gradvis økende belastninger gjør det mulig å observere beinets mikrostrukturelle sviktoppførsel. Her beskriver vi en protokoll for å få en sekvens av tredimensjonale mikrostrukturelle bilder av hele proksimale femur under gradvis økende deformasjon, med klinisk relevante brudd i lårhalsen. Protokollen er demonstrert ved bruk av fire femora fra kvinnelige donorer i alderen 66-80 år i nedre del av beinmineraltettheten i befolkningen (T-skårområde = −2,09 til −4,75). Et radiotransparent komprimeringstrinn ble designet for å laste prøvene som replikerer en ettbensstilling, mens du registrerer den påførte belastningen under mikrocomputertomografi (mikro-CT) avbildning. Synsfeltet var 146 mm bredt og 132 mm høyt, og isotropisk pikselstørrelse var 0,03 mm. Kraftøkningen var basert på endelige elementprediksjoner av bruddbelastningen. Kompresjonstrinnet ble brukt til å påføre forskyvningen på prøven og vedta de foreskrevne krafttrinnene. Underkapitalfrakturer på grunn av åpning og skjær i lårhalsen oppsto etter fire til fem belastningsøkninger. Mikro-CT-bildene og reaksjonskraftmålingene ble behandlet for å studere beinstammen og energiabsorpsjonskapasiteten. Ustabilitet i cortex dukket opp ved de tidlige lastetrinnene. Det subkondrale beinet i lårbenet viste store deformasjoner som nådde 16% før brudd, og en progressiv økning i støttekapasiteten frem til brudd. Deformasjonsenergien økte lineært med forskyvningen opp til brudd, mens stivheten sank til nær nullverdier rett før brudd. Tre fjerdedeler av bruddenergien ble tatt av prøven i løpet av den siste 25% kraftøkningen. Avslutningsvis viste protokollen utviklet en bemerkelsesverdig energiabsorpsjonskapasitet, eller skadetoleranse, og en synergisk interaksjon mellom kortikal og trabekulær bein ved en avansert donoralder.
Brudd i lårhalsen er en stor belastning for den aldrende befolkningen. Mikrocomputertomografi (micro-CT) avbildning og samtidig mekanisk testing gjør det mulig å observere beinmikrostrukturen og studere dens forhold til beinstyrke, dens aldersrelaterte endringer og forskyvninger under belastning 1,2. Inntil nylig var imidlertid mikro-CT-studier av bein under belastning begrenset til utskårne beinkjerner3, små dyr4 og humane ryggradsenheter5. Den nåværende protokollen kan kvantifisere forskyvningen av mikrostrukturen til hele det proksimale menneskelige lårbenet under belastning og etter en brudd.
Flere studier har blitt utført for å undersøke svikt i det menneskelige lårbenet, og til tider har disse nådd motstridende konklusjoner. For eksempel antas den aldersrelaterte tynningen av kortikale og trabekulære strukturer å bestemme den aldersrelaterte følsomheten for brudd ved å forårsake elastisk ustabilitet i beinet6,7, noe som tilsynelatende står i kontrast til den høye koeffisienten for bestemmelse av kortikal belastning og femoralstyrkeforutsigelser forutsatt ingen elastisk ustabilitet (R2 = 0,80-0,97) 8,9. Likevel har slike studier systematisk undervurdert lårstyrken (med 21%-29%), og dermed stilt spørsmål ved de sprø og kvasi-sprø beinresponsene implementert i modellene 8,10. En mulig forklaring på disse tilsynelatende motstridende funnene kan ligge i en annen bruddoppførsel av hele bein sammenlignet med isolerte beinkjerner. Derfor kan observasjon av deformasjons- og bruddresponsene til beinmikrostrukturen i hele proksimale lårben fremme kunnskap om hoftebruddmekanikk og relaterte applikasjoner.
Nåværende metoder for avbildning av hele menneskelige bein med mikrometrisk oppløsning er begrenset. Portalen og detektorstørrelsen må gi et passende arbeidsvolum for å være vert for det menneskelige proksimale lårbenet (ca. 13 cm x 10 cm, bredde x lengde) og muligens en pikselstørrelse i størrelsesorden 0,02-0,03 mm for å sikre at relevante mikroarkitektoniske trekk kan fanges11. Disse spesifikasjonene kan for tiden oppfylles av noen synkrotronanlegg1 og noen kommersielt tilgjengelige mikro-CT-skannere med stort volum12,13. Kompresjonstrinnet må være radiotransparent for å minimere røntgendemping samtidig som det genererer en kraft som er tilstrekkelig til å forårsake brudd i det menneskelige lårbenet (f.eks. mellom 0,9 kN og 14,3 kN for eldre hvite kvinner)14. Denne store variasjonen i bruddbelastning kompliserer planleggingen av antall lasttrinn til brudd, den totale eksperimenttiden og den tilsvarende mengden data som produseres. For å løse dette problemet kan bruddbelastning og plassering estimeres via elementmodellering ved å bruke bentetthetsfordelingen av prøven fra klinisk computertomografi (CT) bilder 1,2. Til slutt, etter forsøket, må det store volumet av data som genereres behandles for å studere feilmekanismer og energispredningskapasitet i hele det menneskelige lårbenet.
Her beskriver vi en protokoll for å få en sekvens av tredimensjonale mikrostrukturelle bilder av hele proksimale femur under gradvis økende deformasjon, som gir klinisk relevante brudd i lårhalsen2. Protokollen inkluderer planlegging av trinnvis økning av prøvekompresjonen, lasting via et tilpasset radiotransparent komprimeringstrinn, avbildning via en mikro-CT-skanner med stort volum, og behandling av bildene og lastprofilene.
Den nåværende protokollen gjør det mulig å studere tidsforløpt mikromekanikk av hoftebrudd i tre dimensjoner ex vivo. Et radiotransparent (aluminium) kompresjonstrinn som er i stand til å påføre en progressiv deformasjon på den proksimale halvdelen av det menneskelige lårbenet og måle reaksjonskraften, er spesialdesignet, produsert og testet. En mikro-CT-skanner med stort volum brukes i denne protokollen for å gi en tidsmessig sekvens av bildevolumer som viser hele det proksimale lårbenet med progre…
The authors have nothing to disclose.
Finansiering fra Australian Research Council (FT180100338; IC190100020) er takknemlig anerkjent.
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 |