Proximal Cadaveric Femur Preparação para Análise de Elementos Finitos baseado no CT Fracture Força Testes e Quantitativa
Summary
Nós apresentamos um protocolo robusto sobre como preservar com cuidado e preparar fémures cadavérico para testes de fratura e tomografia computadorizada quantitativa. O método oferece um controle preciso sobre as condições de entrada para o propósito de determinar as relações entre a densidade mineral óssea, resistência à fratura, e definir finito geometria e propriedades elemento do modelo.
Abstract
testes de fratura Cadaveric é rotineiramente usado para entender os fatores que afetam a força do fêmur proximal. Porque ex vivo tecidos biológicos são propensos a perder as suas propriedades mecânicas ao longo do tempo, Preparação de amostras para o teste experimental deve ser realizada com cuidado para obter resultados confiáveis que representam as condições in vivo. Por essa razão, foi elaborado um protocolo e um conjunto de acessórios para preparar os espécimes femorais de tal forma que as suas propriedades mecânicas experientes alterações mínimas. Os fémures foram mantidos em um estado congelado, exceto durante as etapas de preparação e ensaios mecânicos. As medidas clínicas relevantes do total do quadril e fêmur densidade pescoço mineral óssea (DMO) foram obtidos com um densitômetro ósseo clínica dupla absorciometria de raios-X (DXA), e da geometria e distribuição de mineral óssea 3D foram obtidos utilizando CT com um fantasma de calibração para estimativas quantitativas baseadas nos valores de escala de cinzentos. Qualquer possível doença óssea, fratura, Ou a presença de implantes ou artefactos que afectam a estrutura óssea, foi descartada com exames de raios-X. Para a preparação, todos os ossos foram cuidadosamente limpos de tecido mole em excesso, e foram cortados e em vaso, com o ângulo de rotação interna de interesse. Um dispositivo de corte permitiu a extremidade distai do osso que se pretende cortar o fémur proximal, deixando a um comprimento desejado. Para permitir o posicionamento do colo do fêmur em ângulos prescritos durante a tarde tomografia computadorizada e ensaios mecânicos, os eixos proximais do fêmur foram envasadas em polimetilmetacrilato (PMMA), utilizando um dispositivo elétrico projetado especificamente para orientações desejadas. Os dados recolhidos a partir de nossas experiências foram então usados para validação da tomografia computadorizada quantitativa (QCT) à base de análise de elementos finitos (FEA), como descrito em um protocolo diferente. Neste artigo, apresentamos o protocolo para a preparação óssea preciso para testes mecânicos e subsequente modelagem QCT / FEA. O actual protocolo foi aplicado com sucesso para preparar cerca de 200 cadfémures Averic ao longo de um período de tempo de 6 anos.
Introduction
Determining the true cadaveric proximal femoral fracture strength with mechanical testing is a destructive method that requires a rigorous testing approach for accurate measurements. In particular, proper bone preparation methods are necessary to maintain near in vivo integrity of the bones prior to mechanical fracture testing1. This is achieved by proper bone storage and minimizing handling at room temperature. This test data is extensively used to validate QCT/FEA models of femoral fracture which have the potential to be used clinically to understand the fracture risk, especially in osteoporotic patients. Unfortunately, there is no current standard procedure to prepare proximal femur samples for mechanical testing. A good testing procedure should ensure repeatability and reproducibility of the preparation process. Therefore, fixtures required for sample preparation need to be carefully designed and fabricated to minimize the likelihood of various testing errors. We also need to minimize the preparation time for which bone tissue is at room temperature and thus in danger of degradation with irreversible changes in mechanical properties.
To this end, we have developed a procedure that preserves bone tissue across multiple preparation steps. This is important to ensure minimal exposure time at room temperature while also minimizing the number of freeze/thaw cycles which can affect tissue physical properties2. The entire procedure is long and nontrivial as the steps occurred over multiple weeks and required scheduling for scanning procedures and personnel availability. The steps included thawing bone samples, screening the samples using DXA scanning to obtain bone mineral density (BMD) values, X-ray to rule out any diseased specimens, and finally CT scanning to estimate distribution of bone mineral and femoral geometry. All the specimens were prepared for testing by removing extraneous soft tissues from the bone surface, cutting the femur to a length required for testing, and potting the femur in a desired orientation for simulating a sideways fall on the hip during subsequent testing. It is essential to keep the time period for all these operations as short as possible. A robust protocol is thus mandatory for consistent specimen preparation, tissue preservation between steps, and for reducing the overall preparation time.
The aim of this paper is to present in detail the procedures involved in the preparation of femoral samples for subsequent mechanical testing under various conditions. Preservation of the bone tissue is crucial in this process and we achieved it by keeping specimens frozen between steps and keeping them carefully wrapped in saline saturated towels at all times except when scanning and mechanically testing the bones. Femora were also kept wrapped in saline wet towels during the steps involving PMMA curing to prevent dryness of the bone tissue.
Protocol
Representative Results
Discussion
Foi apresentado um protocolo de preparação óssea robusta para assegurar testes e QCT / FEA modelagem mecânica de força femoral em uma queda para o lado da configuração do quadril. Este método tornou-se o nosso protocolo padrão in-house. Ao longo de 6 anos, com diferentes pessoal, cerca de 200 fémures foram preparadas com sucesso seguindo este protocolo. Os resultados do protocolo inclui classificar condições ósseas usando DXA, descartando doenças metastáticas, fraturas anteriores, ou implantes usando raio…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gostaríamos de agradecer à Materiais e Estrutural Testing Núcleo Facilidade na Mayo Clinic para suporte técnico. Além disso, gostaríamos de agradecer a Lawrence J. Berglund, Brant Newman, Jorn op den Buijs, Ph.D., pela sua ajuda durante o estudo. Este estudo foi financiado pelo Fundo Grainger Inovação da Fundação Grainger.
Materials
| CT potting container and scanning fixture | Internally manufactured | N/A | Custom designed and manufactured |
| 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 |
| Dual Energy X-ray Absorptiometry scanner | General Electric | N/A | GE Lunar iDXA scanner for bone health or any similar BMD scanners |
| Hygenic Orhodontic 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 |
| 5-pound Rice Bags | Great Value | N/A | Used for mimicking soft tissue during the DXA scanning process |
| 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 |
| Cast cutter | Stryker | 810-BD001 | Used to cut femoral shaft |
| Drilling machine | Bosch | N/A | Used to drill the femoral shaft |
| Fume Hood | Hamilton | 70532 | Used for ventilation when using making PMMA |
References
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