メソッドと大腿骨骨折は横秋のヒップ位置にテストのインストルメント化された器具
Summary
この原稿を使用してインストルメント化された器具標準サーボ油圧フレームにマウントされている股関節の構成の横に秋でテスト切断肢の近位大腿骨を骨折するプロトコルを提案する.力、モーメント、および 2 つの高速ビデオ ストリームと共に変位を含む 9 つのデジタル化された信号は、テスト中に取得されます。
Abstract
大腿骨の機械的テスト骨ミネラル密度分布と大腿骨の力学的特性の幾何学などの臨床的に測定可能な変数の寄与を理解に貴重な洞察力をもたらします。現在、機械試験測定強度と剛性にこのような複雑な形状の骨のための標準プロトコルはありません。このギャップを埋める死体大腿骨骨折してそのバイオメカニカルなパラメーターを測定するためにテストするためのプロトコルを開発しました。このプロトコルでは、様々 な荷重の大きさと股関節の構成に秋に会計可能な骨の向きの方向に対応、スピード、骨のサイズ、および左脚右脚のバリエーションをテストする適応器具のセットについて説明します。クリーニングによってテストのため、大腿骨を調製、加工、スキャン、および遠位端、大転子をポッティング接触 poly(methyl methacrylate) で面別のプロトコルに提示されています。準備された標本は腰に横に秋を模倣した位置でテスト フィクスチャに配置され、破壊に読み込まれました。テスト中に、2 つの測定セル垂直荷重適用大腿骨頭と大転子、6 軸ロードセル測定力と遠位大腿骨骨幹部と変位センサーで瞬間測定間の変位を微分、転子と大腿骨頭は、サポートにお問い合わせください。高速度ビデオカメラを用いて同期的にテスト中に破壊イベントのシーケンスを記録します。このデータの削減は、強度、剛性を特徴付け、ほぼ 200 の骨粗鬆症、しょう、エネルギーを破壊することができました、骨粗鬆症の診断ツールの技術ベースの更なる発展のため通常の死体大腿骨の研究します。
Introduction
大腿骨骨折リスク評価のための手法と腰に秋の骨折予防の開発には、破壊に関係する生体力学的プロセスの包括的な理解が必要です。死体大腿骨近位部強度テストは、このプロセス1,2に重要な洞察を提供する大腿骨の構造性能に影響を与える要因と大腿骨の強度の関係を決定する上で効果的であること証明されています,3実験測定された大腿骨の強度が定量的コンピューター断層撮影に基づく有限要素解析 (QCT/FEA) 破壊強度4,5、非侵襲的推定を可能にする検証に使用されるも。 6,7。
日には、骨折する大腿骨全体の標本をテストするのには承認済みの標準的な手順はありません。臨床的に測定可能な変数 (など骨密度と幾何学) および大腿骨の強度への影響を分離するには、実験の制御されを反復可能な方法で実施することが不可欠です。死体大腿骨サイズ8で不規則な形状や範囲があるし、標準試験機の内蔵の器具を使用してテストすることは不可能、さまざまな年齢層の男性または女性の死体から入手できます。ヒップホップのイベントで横に秋に大転子が圧縮荷重、大腿骨近位部が圧縮、引張、曲げ、ねじりを含む複合負荷を経験しながら行われます。このような負荷シナリオをテストする実験的なデザインに複雑さを追加します。したがって、テスト プロトコルの 1 つの重要なコンポーネントとして、治具必要があります具体的設計、作製、およびインストールされるの異なった形およびサイズ、およびテスト速度が異なる大腿骨のサンプルに対応します。この器具も腰に秋から考えられる影響負荷をシミュレートするために必要な向きの範囲でテストするため試料を保持しなければなりません。このようなさまざまな条件を満たすためには、器具を複数の定常を持つ必要し、システムでプレイを最小限に抑えるため、滑らかな荷重-変位応答を取得する方法で接続されている構成部品の移動します。
信頼性の高いデータ集録は、テスト中にも重要です。信号増幅器の実験的なデザインが必要なロードセル、変位計を組み込む必要があり、正確に測定力と瞬間にエアコンをすべてサポートしています。さらに、軍の買収を同期取得大腿骨の前部と後部の両方のビューの高速度ビデオが破壊、破壊形態を特徴付ける主要なイベントのシーケンスを理解するために必要な正確に大腿骨の強度4,9を定義します。
全体大腿骨試験に関する文献の貴重な実験的研究をありますが、公開されたプロトコルがテストの実行方法の詳細については不足または別ように本当に再現性のある10、1 つの研究から非常に異なって 11。現在の仕事の目標は、骨組織を再現できるテストを標準化する努力のための出発点として使用できる大腿のサンプルの機械的試験のプロトコルを導入することだった。このため、設計し、約 200 の死体大腿骨をテストに使用した治具を作製しました。下部治具とクロスヘッド治具、治具が含まれています。下治具 (図 1A-E) は、テスト中に所望の方向に大腿骨を保持し、転子と大腿骨骨幹部に接続している 6 ch ロードセルが含まれています。それはまた破壊試験のボーンの位置決めを許可する 3 つの独立した翻訳を収容します。回転ポイントは、膝継手を模倣に追加されます。下部治具の主要な部分は、非常に硬い治具にするステンレス鋼とアルミニウムの厚い部分の成っていた。ロードセルは、テスト中に大転子に圧縮力を測定する下部治具に添付されます。クロスヘッド フィクスチャ (図 2 a-2E) 2 つのアルミニウム ベース プレートと (一緒に添付アルミ板による)、アカウントのテスト中に大腿骨頭の動きも調整するため、2 つの非常に硬いスライド ボール ベアリングが含まれています右と左の大腿骨。ロードセルは、圧縮力クロスヘッド フィクスチャの対策に含まれています。ロードセルに接続されているアルミのカップを使用して、大腿骨頭に圧縮荷重を適用します。男女ともに、さまざまなサイズの左と右の大腿骨に手法が使用された、首軸角度、骨密度、および模倣、横荷重が腰に落ちる。我々 の実験のテスト速度が 5、100、700 mm/s で設定されたが、試験機で使用可能な任意の値に設定できます。設計された治具、試験機のクロスヘッドに接続するものやその他のテスト フレームに接続されている 2 つの主要なコンポーネントを持っていた。ロードセル力を測定するのに十分な計測された両方の部品と瞬間境界条件をすべてサポートしています。さらに、テスト中に破壊イベントを記録する 2 つの高速ビデオカメラが使用されました。骨折では、一連の x 線写真と計算された断層レントゲン写真撮影 (CT) スキャン ポスト破壊に関する実験的解析が得られました。破壊強度を含むこれらの実験から得られた結果と最終的に骨粗鬆症患者における近位破壊強度の評価を改善するために、エネルギーを診断ツールの追加研究のため現在使用します。
Protocol
Representative Results
Discussion
破壊するためのプロトコルが正常に約 200 のサンプルをテストしたのと股関節の構成に秋に死体の近位大腿骨をテストを提案します。プロトコルには、いくつかの社内設計の治具大腿骨の強度が異なる荷重条件下でのテストが含まれています。器具試験速度と骨の向きで右と左の大腿骨のテストことができます。器具や測定機器をマウントした後グラスファイバー大腿骨をテストして、すべ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
テクニカル サポートの材料と構造テストの中核施設とメイヨー クリニックのエンジニア リング部門に感謝したいと思います。さらにローレンス ・ j ・ ベルグルンド、ジェームズ ・稚児、ブラント ニューマン、ジョーン op デン Buijs 博士は、研究の間に彼らの助けに感謝したいと思います。この研究は、グレイン ジャー財団からグレイン ジャーの技術革新基金による財政的に支えられました。
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).
