Summary
In questo manoscritto, presentiamo un protocollo per frattura femore prossimale cadaverico di prova in una caduta laterale alla configurazione dell'anca con instrumentate apparecchi montati su un telaio idraulico servo standard. I segnali digitalizzati nove composto da forze, momenti e spostamento insieme a due flussi video ad alta velocità vengono acquisiti durante il test.
Abstract
Prove meccaniche dei femori porta preziosi approfondimenti di comprendere il contributo delle variabili misurabili clinicamente come distribuzione di densità minerale ossea e geometria sulle proprietà meccaniche femorale. Attualmente, non esiste alcun protocollo standard per le prove meccaniche di tali ossa geometricamente complesse di misura forza e rigidità. Per colmare questa lacuna abbiamo sviluppato un protocollo per testare i femori cadaverici di frattura e di misurare i parametri biomeccanici. Questo protocollo descrive una serie di apparecchi adattabili ad ospitare le varie grandezze di carico e indicazioni di contabilità per gli orientamenti possibili dell'osso in una caduta alla configurazione dell'anca, test di velocità, dimensione dell'osso e le variazioni di gamba gamba-destra sinistra. I femori sono stati preparati per il test di pulizia, taglio, scansione e impregnazione l'estremità distale e il grande trocantere contatto superfici in poly(methyl methacrylate) (PMMA) come presentato in un protocollo diverso. I campioni preparati sono stati inseriti nel dispositivo di prova in una posizione che imita una caduta laterale sul fianco e caricati alla frattura. Durante il test, due forze verticali di carico cellule misurate applicato alla testa femorale e grande trocantere, una cella di carico di sei-asse misurato le forze e momenti a pozzo femorale distale e un sensore di spostamento misurato spostamento differenziale tra la trocantere e testa femorale contattare supporta. Videocamere ad alta velocità sono stati utilizzati per registrare in modo sincrono la sequenza degli eventi di frattura durante i test. La riduzione di questi dati ci ha permesso di caratterizzare la resistenza, rigidità ed energia per quasi 200 osteoporotiche, osteopenic, di frattura e di ricerca normali femori cadaverici per un ulteriore sviluppo di strumenti diagnostici basati su Ingegneria per l'osteoporosi.
Introduction
Sviluppo di nuovi metodi per la valutazione del rischio di frattura femorale e prevenzione di frattura per una caduta sull'anca richiedono una comprensione completa dei processi biomeccanici che intervengono durante la frattura. Prova di resistenza cadaverico femore prossimale ha dimostrato di essere efficace nel determinare la relazione tra forza femorale e fattori che influenzano la capacità strutturale del femore fornendo spunti importanti in questo processo1,2 , 3. misurata sperimentalmente forza femorale è anche utilizzato per la convalida di basati su tomografia computata quantitativa analisi agli elementi finiti (FEA/QCT) che consente una stima non invasiva di frattura forza4,5, 6,7.
Ad oggi, non c'è nessuna procedura standard accettata per esaminare i campioni tutta femorali alla frattura. Per isolare le variabili clinicamente misurabili (ad esempio, la densità minerale ossea e geometria) e la loro influenza sulla forza femorale, è imperativo per il test sperimentale da effettuarsi in modo controllato e ripetibile. Femori cadaverici hanno forme irregolari e fascia in taglie8 e possono essere ottenuti da cadaveri sia maschi o femminile di età diverse, rendendo impossibile per testare utilizzando built-in apparecchi di test macchine standard. In una caduta laterale sull'evento dell'anca, il grande trocantere è sottoposto a carico compressivo, mentre il femore prossimale può verificarsi carico complesse tra cui compressione, tensione, piegatura momento e torsione. Tali scenari di carico di test aggiungono complessità al disegno sperimentale. Pertanto, un appuntamento fisso, come una componente importante del protocollo di prova, deve essere specificamente progettato, fabbricato e installato per ospitare femorali campioni di diverse forme e dimensioni e velocità di test differenti. Questo apparecchio deve anche tenere i campioni per le prove in una gamma di orientamenti desiderati per simulare carichi di impatto possibile da una caduta sull'anca. Per soddisfare una varietà di condizioni, l'apparecchio ha bisogno di avere più fermo e lo spostamento di componenti collegati in modo da minimizzare il gioco nel sistema e per ottenere una risposta carico-spostamento liscio.
Acquisizione di dati affidabili è fondamentale anche durante i test. Il disegno sperimentale deve incorporare le celle di carico necessarie, trasduttori di spostamento, amplificatori di segnale e condizionatori di precisione misura di forze e momenti supporta a tutti. Video ad alta velocità di entrambe le viste anteriore e posteriore del femore ottenute in modo sincrono con l'acquisizione delle forze sono inoltre necessari per aiutare a capire la sequenza degli eventi che conducono alla frattura, caratterizzano tipi di frattura e precisamente definire femorale forza4,9.
Mentre ci sono preziosi studi sperimentali nella letteratura sul femore intero test, protocolli pubblicati mancano dettagli su come i test sono stati effettuati o sono molto diversi da uno studio a altro per renderli veramente riproducibile10, 11. L'obiettivo del lavoro attuale era di introdurre un protocollo per prove meccaniche di campioni femorali che possono essere utilizzati come punto di partenza per uno sforzo per standardizzare il tessuto osseo test che possono essere ripetibili e riproducibili. A tal fine, abbiamo progettato e fabbricato un dispositivo di prova che è stato usato per testare circa 200 femori cadaverici. Il dispositivo di prova inclusa una fixture di fondo e un apparecchio della traversa. L'apparecchio di fondo (Figura 1A-E) detiene il femore a un orientamento desiderato durante la prova e comprende una cella di carico del trocantere e una cella di carico di 6 canali collegato al pozzo femorale. Può ospitare anche tre traduzioni indipendenti per consentire per il posizionamento dell'osso per le prove di frattura. Viene aggiunto un punto di rotazione per imitare l'articolazione del ginocchio. Le parti principali dell'apparecchio inferiore sono composto da pezzi di spessore in acciaio inox e alluminio per rendere un apparecchio molto rigido. Una cella di carico è allegata all'apparecchio nel fondo per misurare le forze di compressione sul grande trocantere durante i test. Il fissaggio della traversa (Figura 2A-2E) comprende due piastre base in alluminio e due cuscinetti a sfera molto rigida scorrevole (legati insieme da una lastra di alluminio), per rappresentare il movimento della testa femorale durante i test e anche per ospitare per destro e sinistro i femori. Una cella di carico tra le misure di fissaggio della traversa le forze di compressione. Una tazza di alluminio collegata alla cella di carico viene utilizzata per applicare i carichi di compressione alla testa femorale. Il nostro metodo è stato usato per i femori sinistro e destro di entrambi i sessi, con varie dimensioni, angoli cervico-diafisario, densità minerale ossea e alle condizioni che imita un laterale di carico caduta sull'anca. Le velocità di test nei nostri esperimenti è sono fissate a 5, 100 e 700 mm/s, ma può essere impostate su qualsiasi valore disponibile sulla macchina di prova. L'apparecchio progettato aveva due componenti principali, uno connesso a traversa di macchina di prova e l'altro collegato al telaio test. Entrambe le parti sono state strumentate con celle di carico sufficiente per misurare la forza e momento condizioni al contorno supporta affatto. Inoltre, due telecamere ad alta velocità sono stati utilizzati per registrare gli eventi di frattura durante il test. Dopo la frattura, analizza una serie di radiografie e la tomografia computerizzata (TC) sono stati ottenuti per le analisi sperimentali frattura post. Risultati ottenuti da questi esperimenti tra cui resistenza alla frattura ed energia attualmente utilizzati per ulteriori ricerche in strumenti diagnostici per eventualmente migliorare la valutazione della resistenza alla frattura prossimale in pazienti osteoporotici.
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Protocol
1. grande apparecchio allegato
- rimuovere dispositivi standard dalla macchina.
- Traversa a pezzi si spostano per inserire l'apparecchio in-House.
- Posizionare il blocco di alluminio (parte n. 1 in Figura 1A) sulla macchina e fissare saldamente sulla macchina usando due bulloni; il foro al centro ospita la cella di carico macchina.
- Posizionare la struttura principale apparecchio (parte n. 2 in Figura 1B) sul blocco di alluminio e fissare saldamente al blocco con 4 bulloni.
- Inserire un jack di quattro tonnellate sotto la parte dell'apparecchio che non poggia sul blocco di alluminio per supportare l'apparecchio ( Figura 1).
- Montare l'apparecchio di cella di carico di 6 canali (parte n. 3 in Figura 1) dell'apparecchio principale e fissarlo mediante 6 viti.
2. Traversa Fixture allegato
- impostata la traversa di macchina zero assoluto utilizzando traversa ascensore controllo.
- Collegare la traversa con 7 viti con i suoi bordi curvi verso la parte anteriore della macchina di prova prima piastra di base (parte n. 4 in Figura 2B).
- Allega seconda piastra di base (parte n. 5 in Figura 2) utilizzando una vite rotante. La vite può ospitare ossa di destra e sinistra durante il test. La seconda piastra di base (parte n. 5) è libero di girare circa la vite perno rispetto prima piastra di base (parte n. 4). Orientamento della seconda piastra di base determina se la configurazione è per femore destro o sinistro.
- Fissare l'assieme dei cuscinetti due diapositive (parte n. 6 in Figura 2D) per la seconda piastra di base (parte n. 5) con 4 viti (due viti è accessibile da un lato della piastra di base prima). Ruotare la seconda piastra di base in modo che il secondo set di viti sono accessibili dalla parte superiore delle piastre prime.
Nota: Per modificare l'orientamento delle diapositive da osso di sinistra a destra dell'osso, sono slacciate le 4 viti sulla parte superiore della piastra di base prima, e poi diapositive sono ruotate la vite del perno e fissate nuovamente l'orientamento richiesto. - Ruotare manualmente le diapositive che sono ortogonali a 6 canali carico cella impostando la traversa della macchina in posizione relativa di 65°.
3. Strumentato Fixture, macchina fotografica ad alta velocità e installazione di illuminazione per esperimento
- Set up l'apparecchio instrumentata fondo su un servo standard di collaudo idraulico macchina. Questo apparecchio terrà il femore e ospitare sia a sinistro e a destro i femori in autunno alla configurazione dell'anca ( Figura 1).
- Istituito telecamera ad alta velocità e apparecchi di illuminazione ( Figura 3A-3D).
- Posizionare luci ad alta intensità su treppiedi con uno su ciascun lato della macchina e assicurarli ( Figura 3A).
- Impostare treppiedi per telecamere ad alta velocità su entrambi i lati del collaudo della macchina e collegare ogni fotocamera all'unità di acquisizione dati ( Figura 3B -3 C).
- Con le telecamere acceso e connesse all'unità di acquisizione, configurare le impostazioni della fotocamera; impostare il frame rate a 6000 fotogrammi al secondo (fps) e la risoluzione di 1.024 x 512 pixel; risoluzione può essere ridotto per ospitare la memoria interna della fotocamera ( Figura 3D).
- Set dell'otturatore a 1 frame/sec (1/6.000 fps). Anche impostare l'opzione fotocamera tale che le registrazioni iniziano prima che l'attuatore si muove (100 ms per test rapidi e 200 ms per test lento).
- Collegare il cavo di sincronizzazione tra le due fotocamere; modalità di trigger selezionare nell'impostazione del software delle macchine fotografiche.
4. Controllo/taratura celle di carico per sistema acquisizione dati corretto (DAQ)
- impostazione dell'unità DAQ
- Connetti il DAQ al collaudo macchina, videocamera ad alta velocità, celle di carico e potenziometro lineare come mostrato nel cablaggio schematica in Figura 4.
- Controllare il corretto collegamento della cella di carico trocanterica, cella di carico testa, potenziometro lineare, cella di carico di 6 canali e innescare il segnale al dispositivo DAQ osservando le tracce di segnale di dati nel pannello di visualizzazione del software DAQ spingendo manualmente sulla cella di carico.
- Verificare che il DAQ, condizionatore di segnale e il generatore di impulsi sono tutti alimentati ON.
- Configurare il software DAQ per tutti i segnali da celle di carico e il potenziometro lineare. Nel software DAQ, selezionare il " installazione passo > > configurazione " scheda e impostare la velocità di acquisizione (Hz) per ogni input di segnale associato a ogni cella di carico. Sulla " Triggering ", selezionare l'opzione di attivazione appropriata. Apparecchiature video dovrebbero essere attivata anche durante le corse di prova affinché sincronicità sistema video/DAQ.
- Applicare un carico nominale (ad esempio un minimo di 200 libbre ad un massimo di 1600 libbre) della testa femorale e celle di carico trocantere utilizzando la macchina idraulica servo standard per verificare il carico ragionevole cella misure e confrontare produttore Schede di dati di calibrazione ( Figura 5A).
- Allo stesso modo, applicare carichi statici alla cella di carico di 6 canali utilizzando un peso morto, come mostrato in figura 5B. Verificare il funzionamento e verificare le prestazioni della cella di carico di 6 canali ( Figura 5A -5B) calcolando la percentuale differenze tra valori di momento e forza misurata e teorica. L'errore deve essere inferiore al 5%.
Nota: Tutte le celle di carico devono sono state calibrate dal loro produttore in anticipo. Questo passaggio controlla solo che le celle di carico sono funzionanti, tutti i collegamenti e i segnali sono ragionevoli.
Calibrare il potenziometro lineare - garantire il fissaggio di potenziometro lineare per la traversa e posizionare il potenziometro lineare nel dispositivo ( Figura 5). Stringere le viti per bloccare il corpo del potenziometro e inserire il connettore nell'unità DAQ
- Spostare manualmente l'attuatore (25 mm) sul telaio di carico in modo che la posizione del potenziometro si traduce da compressione massima alla massima estensione e registrare spostamenti e la corrispondente tensione (per i punti dati almeno tre). Rappresentazione grafica dello spostamento vs tensione e una funzione lineare per i dati in forma (R 2 > 0,95). La pendenza dell'equazione lineare (mm/V) di input come il fattore di calibrazione nella " Scaling parametro " scatola del software DAQ.
- Verificare l'impostazione generale di macchina prova testando un osso di vetroresina surrogato alla frattura per assicurarsi che tutti i dati acquisizione è funzionale e ragionevole. Questo include la cella di carico del trocantere, cella di carico testa femorale, potenziometro lineare, la cella di carico a sei canali e il segnale di trigger ( Figura 6).
5. Preparare le ossa per il test
- scongelare le ossa a temperatura ambiente per 24 h e rimuovere l'umidità, grasso in eccesso e tessuti molli rimanenti utilizzando paper asciugamani.
- Posto dell'osso in acrilico dispositivo di scansione e preparare il cemento dentale. Misura 60 g di polvere PMMA e mescolare con 30 g di resina liquida sotto cappa, fino a quando la polvere si è sciolta. La miscela deve essere colabile. Per questa procedura, utilizzare una tazza di carta usa e getta. Questo passaggio è per invasatura il grande trocantere in una tazza di alluminio ( figura 7A).
- Allineare la tazza di alluminio sotto il trocantere. Quindi, versare cemento PMMA alla metà dell'altezza della Coppa e sollevare la piattaforma di fissaggio per adattarsi all'osso nella tazza. Consentire 10-15 min per polimerizzazione.
- Ossa wrap in soluzione salina imbevuto asciugamani per evitare secchezza del tessuto durante la polimerizzazione di cemento osseo.
- Spostare l'osso all'apparecchio nel test la macchina di prova con tazza di alluminio attaccato al trocantere ( figura 7B)
- Centro la tazza di alluminio sul piatto collegato alla cella di carico trocanterica e regolare cuscinetti radenti, in modo che la tazza di alluminio tocca leggermente la cella di carico. Rimuovere il perno dal dispositivo per consentire la rotazione dell'apparecchio
- Center e inferiore della traversa per il contatto con la testa del femore. Il programma di installazione di
- recensione, posizione dell'osso, segnali di cella di carico e posizione di Coppa. Rivedere anche dispositivo DAQ; Assicurarsi che tutte le celle di carico e attrezzature siano collegate correttamente e verificare che tutti siano accese. Verifica installazione di software per risposta segnale corretto da ogni cella di carico.
- Scattare foto del femore inseriti nel dispositivo da 2 lati.
- Impostare l'apertura per permettere alla luce sufficiente sul sensore della fotocamera e controllare la profondità di campo. Controllare la qualità dell'immagine mettendo a fuoco sul collo femorale. Questo processo dovrebbe impedire qualsiasi abbagliamento e regioni lucido osso nell'immagine che influirebbero cattura l'evento frattura.
6. Prove di frattura
- verificare il telaio di carico meccanico di servo è programmato per il controllo di spostamento appropriato di 25 mm per la prova di frattura nel telaio di carico meccanico di servo per sia carico e scarico.
Nota: Questi sono produttore impostazioni specifiche dovrebbe essere ingresso e verificati nel pannello di controllo di apparecchiature di prova secondo le specifiche del produttore. - Verificare illuminazione per minimizzare le riflessioni in video macchine fotografiche e il sistema di acquisizione dati una volta finale.
- Fare clic sull'icona di avvio dal pannello di controllo per avviare la sequenza di prova per frattura femore test ( Figura 7).
- Scattare foto del femore fratturato da 2 lati.
- Ritrarre attuatore e rimuovere il femore dalla macchina manualmente.
7. Post-frattura preparazione
- rimuovere osso staffaggio.
- Nastro rotto prossimale dell'osso per albero, avvolgere in asciugamani bagnati e sacchetti di plastica ( Figura 7) e poi congelare a -20 ° C.
- Conservare le ossa per ulteriore imaging di raggi x e CT post-frattura.
Nota: I dettagli per questi processi sono stati spiegati in precedenza in un altro protocollo dal nostro gruppo (in rassegna a Giove) ( Figura 7E).
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Representative Results
Infissi interni sono montati dopo le finiture standard sono stati rimossi dalla macchina di prova. In primo luogo, l'apparecchio pesante di fondo è montato e fissato (Figura 1). Questo include un braccio esteso per tenere la cella di carico di 6 canali che permette anche il pozzo femorale essere allineati ad un angolo di adduzione desiderata. Successivamente, il fissaggio della traversa tra cui due senza attrito radente è montato per ospitare l'applicazione del carico e movimento della testa femorale durante frattura (Figura 2). Il fissaggio superiore è regolabile per il test gambe destra e sinistra. Una volta che tutti gli apparecchi sono montati, videocamere ad alta velocità e apparecchi di illuminazione installati. Le immagini nella fotocamera sono testate per la messa a fuoco, contrasto e profondità di campo (Figura 3). Tutti gli strumenti vengono poi collegati ad un'unità DAQ (Figura 4) e singolo-asse, celle di carico a sei assi e il potenziometro lineare vengono controllati funzionalità e calibrati, rispettivamente (Figura 5). Tutti gli strumenti sono poi testati per garantire adeguata segnali da celle di carico diverse (Figura 6). Il grande trocantere è successivamente messo in un apparecchio di acrilico per invasatura. Il femore è poi caricato nel dispositivo di prova e fratturato. Dopo la frattura del femore viene rimosso dall'apparecchio. Parti rotte sono rimessa insieme e i campioni di tutto sono avvolti in sacchetti di plastica. I campioni sono poi imaged con raggi x e scansionati con CT per ulteriore classificazione del tipo di frattura (Figura 7). Risultati misurati includono 3 forze e 3 momenti al pozzo femorale che sono misurati con la cella di carico di 6 canali e la reazione forza alla testa del femore. Tuttavia, i principali risultati da utilizzarsi per ulteriore convalida di QCT/FEA sono la forza registrata presso il grande trocantere e lo spostamento registrato alla testa del femore (Figura 8).
Figura 1: installazione di apparecchio di fondo. (A) posizionamento del blocco di alluminio (parte n. 1) sulla tavola macchina, (B) posizionando la struttura di apparecchio principale inferiore (parte n. 2) e fissandolo al blocco di alluminio, struttura principale (C) è installato e protetto in luogo, (D) Montaggio l'apparecchio di cella di carico di 6 canali (parte n. 3) sulla struttura principale inferiore (parte n. 2), (E) regolazione asse femorale angolo dopo l'installazione dell'apparecchio intero inferiore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: installazione di Fixture traversa. (A) rimuovere infissi da attuatore macchina, (B) prima della basetta (parte n. 4) è installato per primo, (C) allegando la seconda piastra di base (parte n. 5), (D) allegando il montaggio dei cuscinetti due diapositive (parte n. 6) per la seconda piastra di base, (E) completato l'installazione dell'apparecchio superiore; (F) intero apparecchio installato sulla macchina di test. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: illuminazione e telecamere installazione. (A) creazione di lampade e scudi; (B) Collegare la telecamera ad alta velocità per il treppiede; (C) installare la lente per la telecamera; (D) Collegare la fotocamera al computer. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: diagramma schematico. Unità DAQ con tutti i dispositivi di ingresso/uscita collegata a DAQ. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: processo di verifica e calibrazione. Verificare il funzionamento delle celle di carico singolo asse (A) per la testa femorale e misure di forza maggiore trocantere e cella di carico (B) sei canali per la misura di forze e momenti pozzo femorale; (C) taratura del potenziometro lineare per misurare lo spostamento testa femorale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: prove meccaniche di set-up. Tutti gli strumenti sono collegati e sincronizzati per comunicare con la macchina e videocamere. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: femore prima e dopo la frattura test. Potting di (A) il grande trocantere nella tazza di alluminio riempito con PMMA; Dell'osso (B) inserito nel dispositivo di prova con il grande trocantere che riposa sulla cella di carico inferiore, mentre il fissaggio della traversa è in contatto con la testa del femore; (C) Fractured ossea diritto dopo prove meccaniche; (D) rimozione fratturato femore dalla macchina e le parti rotte di nastratura insieme; femore di confezionamento in sacchetti di plastica; (E) a raggi x e TAC dopo la frattura. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8: curva forza-spostamento. Curve di forza-spostamento per femori testato alla frattura a 5 e 100 mm/s. La forza è registrata presso il grande trocantere e thspostamento e viene registrato presso la testa del femore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Abbiamo proposto un protocollo alla frattura prossimali femori cadaverici di prova in una caduta alla configurazione dell'anca con il quale abbiamo testato con successo circa 200 campioni. Il protocollo comprende diversi apparecchi progettati in-House per forza femorale test sotto diverse condizioni di carico. L'apparecchio permette di testare dei femori di destro e di sinistro alle diverse velocità di test e gli orientamenti dell'osso. Dopo aver montato l'apparecchio e gli strumenti di misura, un femore in fibra di vetro viene testato per frattura per assicurarci che tutti gli strumenti hardware e software siano collegati correttamente, lavorando in modo sincrono, e i segnali e i video è registrati correttamente. Appena prima della prova di frattura di femore cadaverico effettivo, il pozzo femorale in vaso in PMMA viene fissato nel dispositivo. Il protocollo di collaudo meccanico consente per frattura femorale test in maniera ripetibile e coerenza.
Durante i test, le esperienze di pozzo femorale piegatura e deformazione torsionale mentre la testa femorale e il grande trocantere sono compressi. Per evitare il caricamento laterale del provino, il fissaggio della traversa è stato progettato con due cuscinetti trasversali, permettendo il movimento sul piano orizzontale con un attrito minimo. Questo assicura l'applicazione di un carico verticale alla testa femorale indipendentemente dalla deformazione dell'osso e movimento nello spazio della testa durante i test. Inoltre, questo apparecchio superiore è stato progettato per ospitare i femori di sinistro e destro semplicemente ruotando un componente piastra come mostrato in Figura 2.
L'apparecchio di fondo, collegato alla parte inferiore della macchina di prova, è progettato per contenere i femori cadaverici ad angoli di adduzione desiderata durante il test. Questo dispositivo include anche una cella di carico asse singolo carichi compressivi presso il trocantere e una cella di sei canali carico fissato all'estremità distale del pozzo femorale per misurare le tre forze e tre momenti nell'asta di misurazione. Inoltre, l'apparecchio può ospitare la rotazione del femore su un punto virtuale che simula l'articolazione del ginocchio.
Tessuto osseo, simile ad altri tessuti biologici, ha proprietà meccaniche dipendente dalla velocità di deformazione, e di conseguenza femorale forza e proprietà di frattura cambierà con test velocità12. Di conseguenza, il protocollo e il dispositivo di prova dovrebbe essere in grado di essere utilizzati per prove meccaniche femorale a varie velocità e ospitare per una gamma di dispositivi di acquisizione dati, frequenze di campionamento, tipi di telecamera ad alta velocità e condizioni di illuminazione. Con il protocollo attuale, abbiamo testato con successo femori alle varie velocità ha differito da due ordini di grandezza (5, 100 e 700 mm/s) per simulare la velocità di vari eventi traumatici.
Videocamere ad alta velocità ha permesso di registrare la sequenza di frattura di eventi per un'ulteriore analisi. Al fine di ottenere dati utili, test di tutti i componenti sono stati sincronizzati durante il test per visualizzare correttamente la meccanica della frattura. Attraverso la cella di carico di sincronizzazione, spostamento dati e dati di iniziazione e propagazione di crepa possono essere analizzati insieme per contribuire a formare un'immagine completa della frattura.
Al fine di evitare lo schiacciamento del trocantere maggiore a causa di contatto non uniforme e lo stress di contatto indesiderabile concentrazione, il trocantere è in vaso in una tazza piena di PMMA. Inoltre, il fondo della tazza è rotondo per consentirle di rotolare sulla superficie inferiore del dispositivo. Questo porta ad una forza di reazione verticale evitando vincolo laterale dal supporto che potrebbe influenzare la resistenza alla frattura o il tipo. Questa scelta progettuale era necessaria per ottenere accurato forza femorale e frattura modalità simili a quelle osservate clinicamente.
In altri studi sperimentali, solo la parte più prossimale dei femori sono stati testati da taglio di una parte importante del pozzo femorale da campioni, che conduce a esemplari molto breve13. Al contrario, l'attuale protocollo di prove esemplari femorale prossimale lungo 255 mm. L'apparecchio è progettato con un braccio in acciaio si estende la lunghezza del campione per includere un punto di rotazione vicino ginocchio rimosso per simulare più realisticamente una caduta laterale sull'anca. Questo braccio di estensione incorpora una cella di carico di 6-componente che viene utilizzata per misurare le forze di tre e tre momenti sviluppati nel pozzo femorale durante la prova di frattura. Queste considerazioni sono simili a quelle descritte negli studi precedenti e ci aiutano a più accuratamente, comprendere le forze che contribuiscono alla frattura e per valutare la rigidità femorale e forza14.
Le celle di 3 carico utilizzate nel nostro apparecchio portato a ridondanza nei dati acquisiti che ci ha permesso di analizzare l'equilibrio di forze e momenti in direzione verticale principale. Al momento del trocantere picco forza, abbiamo osservato molto simile magnitudo misurata da parte delle cellule di carico diversi, con errori relativi medio di circa il 2%, che è un errore sperimentale molto soddisfacente per questa categoria di prove biomeccaniche.
Questo protocollo ha diversi limiti potenziali. Una limitazione principale potrebbe essere che la conformità dell'apparecchio e la macchina di prova può influenzare il dislocamento e rigidità misurato15. Ciò risulta più evidente per i femori normali che richiedono un maggior carico di rottura. Tuttavia, abbiamo progettato il nostro dispositivo con piastre di spessore in acciaio e alluminio per mantenere una rigidità almeno un ordine di grandezza maggiore della rigidità femorale. Utilizzando un campione di circa 200 femori, abbiamo notato un errore medio di circa il 5% nella rigidezza misurata femorale dovuto alla conformità del dispositivo. Un fattore di correzione è stato quindi calcolato per ciascun femore correggere i valori di rigidità. Un'ulteriore limitazione potenziale che può portare a errori è che la sequenza di passaggi di prova dovrà essere seguita rigorosamente. Ad esempio, per il primo campione analizzato, il pin mantenendo il femore posizionato prima di entrare in contatto con le superfici di fissaggio testa e trocantere non è stato rimosso e la prova di frattura è stata completata senza un punto di rotazione all'estremità distale (fissata fine). Una modifica del protocollo richiesto un rosso lungo nastro collegata al perno (Figura 1E) e un secondo operatore per confermare che il pin è stato rimosso prima del test. Inoltre, durante il test di velocità erano varia significativamente da 5-700 mm/s, i nostri test sono stati tuttavia quasi-statici esperimenti. Per guadagnare la comprensione del comportamento dinamico di frattura del femore prossimale sotto una maggiore velocità di caricamento come derivanti da impatti, una prova di goccia-Torre potrebbe essere autonomo16.
Mentre il test è stato eseguito in tempi diversi e da diversi operatori, tutti i femori erano fratturati utilizzando il protocollo stesso, infissi e celle di carico, eliminando in tal modo le incertezze legata alla ripetibilità dell'esperimento. Con un approccio simile, il protocollo corrente può essere adottato e infissi riprogettato per testare nella configurazione di posizione o per altri tipi di osso di frattura.
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Disclosures
Gli autori non hanno nessun pertinenti informazioni integrative.
Acknowledgments
Vorremmo ringraziare i materiali e strutturali Testing Core Facility e divisione di ingegneria presso la Mayo Clinic per il supporto tecnico. Inoltre vorremmo ringraziare Lawrence J. Berglund, James Bronk, Brant Newman, Jorn-den op Buijs, pH.d., per il loro aiuto durante lo studio. Questo studio è stato sostenuto finanziariamente dal fondo innovazione Grainger dalla Fondazione Grainger.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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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