Proximal Cadaveric Fémur Préparation de l'analyse des éléments finis à base de CT Fracture Force Test et quantitative
Summary
Nous présentons un protocole robuste sur la façon de préserver et de préparer les fémurs cadavériques pour les tests de fracture et l'imagerie par tomodensitométrie quantitative avec soin. Ce procédé permet un contrôle précis des conditions d'entrée dans le but de déterminer les relations entre la densité minérale osseuse, la résistance à la rupture, et définissant la géométrie du modèle fini de l'élément et ses propriétés.
Abstract
les essais de rupture cadavérique est couramment utilisée pour comprendre les facteurs qui influent sur la force du fémur proximal. Parce que ex vivo des tissus biologiques sont sujettes à perdre leurs propriétés mécaniques au fil du temps, la préparation des échantillons pour l' essai expérimental doit être effectuée avec soin pour obtenir des résultats fiables qui représentent les conditions in vivo. Pour cette raison, nous avons conçu un protocole et un ensemble d'appareils pour préparer les échantillons fémoraux de telle sorte que leurs propriétés mécaniques ont connu des changements minimes. Les fémurs ont été maintenus dans un état congelé, sauf pendant les étapes de préparation et d'essais mécaniques. Les mesures cliniques pertinentes de la hanche et de la densité du cou minérale osseuse du fémur (DMO) ont été obtenus avec une clinique à double absorptiométrie à rayons X (DEXA) densitomètre d'os, et de la géométrie et de la distribution du minéral osseux 3D ont été obtenues à l'aide CT avec un fantôme d'étalonnage pour estimations quantitatives basées sur les valeurs gris. Toute éventuelle maladie des os, fracture, Ou la présence d'implants ou des artefacts affectant la structure osseuse, a été exclu avec des scans X-ray. Pour la préparation, tous les os ont été soigneusement nettoyés de l'excès de tissus mous, et ont été coupées et en pot à l'angle de rotation interne d'intérêt. Un dispositif de coupe a permis à l'extrémité distale de l'os devant être coupé en laissant le fémur proximal à une longueur souhaitée. Pour permettre le positionnement du col du fémur à des angles prescrits pendant plus tard, la tomodensitométrie et les essais mécaniques, les arbres ont été mises en pot supérieure du fémur en polyméthylméthacrylate (PMMA) en utilisant un appareil conçu spécifiquement pour les orientations souhaitées. Les données recueillies à partir de nos expériences ont ensuite été utilisés pour la validation de tomodensitométrie quantitative (QCT) à base de l'analyse par éléments finis (FEA), comme décrit dans un autre protocole. Dans ce manuscrit, nous présentons le protocole pour la préparation osseuse précise pour les essais mécaniques et à la suite de modélisation QCT / FEA. Le protocole actuel a été appliqué avec succès pour préparer environ 200 cadfémurs averic au cours d'une période de six ans.
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
Nous avons présenté un os solide protocole de préparation pour assurer les tests et QCT / FEA modélisation mécanique de la force fémorale dans une chute latérale de la configuration de la hanche. Cette méthode est devenue notre protocole standard interne. Au cours de 6 ans, avec le personnel variant, environ 200 fémurs ont été préparés avec succès suivant ce protocole. Les résultats du protocole comprend la classification des conditions d'os à l'aide de DXA, excluant les maladies métastatiques, …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous tenons à remercier le Fonds Matériaux et structurels Test de base à la Mayo Clinic pour le support technique. En outre, nous tenons à remercier Lawrence J. Berglund, Brant Newman, Jorn op den Buijs, Ph.D., pour leur aide au cours de l'étude. Cette étude a été soutenue financièrement par le Fonds d'innovation de la Fondation Grainger 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 |
Referências
- Cristofolini, L., Schileo, E., Juszczyk, M., Taddei, F., Martelli, S., Viceconti, M. Mechanical testing of bones: the positive synergy of finite-element models and in vitro experiments. Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 368, 2725-2763 (2010).
- Cartner, J. L., Hartsell, Z. M., Ricci, W. M., Tornetta, P. Can we trust ex vivo mechanical testing of fresh-frozen cadaveric specimens? The effect of postfreezing delays. J Orthop Trauma. 25 (8), 459-461 (2011).
- An, Y. H., Draughn, R. A. . Mechanical testing of bone and the bone-implant interface. , (1999).
- van Haaren, E. H., van der Zwaard, B. C., van der Veen, A. J., Heyligers, I. C., Wuisman, P. I., Smit, T. H. Effect of long-term preservation on the mechanical properties of cortical bone in goats. Acta Orthop. 79, 708-716 (2008).
- Shaw, J. M., Hunter, S. A., Gayton, J. C., Boivin, G. P., Prayson, M. J. Repeated freeze-thaw cycles do not alter the biomechanical properties of fibular allograft bone. Clin Orthop Relat Res. 470 (3), 937-943 (2012).
- Topp, T., et al. Embalmed and fresh frozen human bones in orthopedic cadaveric studies: which bone is authentic and feasible?. Acta Orthop. 83 (5), 543-547 (2012).
- Manske, S., et al. Cortical and trabecular bone in the femoral neck both contribute to proximal femur failure load prediction. Osteoporos Int. 20 (3), 445-453 (2009).
- 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).
- Cristofolini, L., McNamara, B., Freddi, A., Viceconti, M. In vitro measured strains in the loaded femur: quantification of experimental error. J Strain Anal Eng Des. 32, 193-200 (1997).
- 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).
