שיטה להעריך זנים קורטיקליים Cadaveric הירך בזמן שבר בדיקה באמצעות מתאם תמונה דיגיטלי
Summary
ב פרוטוקול זה, זנים פני השטח עצם הירך מוערך במהלך שבר הבדיקה באמצעות טכניקת מתאם תמונה דיגיטלית. החידוש של השיטה כוללת יישום של דפוס חודרני סטוכסטי חדות גבוהה על פני השטח של עצם הירך, תאורה בקפידה שצוין, במהירות גבוהה לכידת וידאו, תמונה דיגיטלי ניתוח המתאם לחישובי זן.
Abstract
פרוטוקול זה מתאר את השיטה באמצעות תמונה דיגיטלית המתאם כדי להעריך זן קורטיקלית במהירות גבוהה תמונות וידאו של המשטח הירך cadaveric המתקבל בדיקות מכניות. שיטה אופטית זו דורשת מרקם של רבים סימני נאמנות מנוגדים על רקע לבן אחיד עבור מעקב מדוייק של דפורמציה השטח כפי הטעינה חלה על הדגימה. מייד לפני בדיקות, פני השטח עניין בנקודת המבט של המצלמה הוא צבוע עם פריימר לבן על בסיס מים, להתייבש למשך מספר דקות. צבע שחור היא מנומר בקפידה על הרקע הלבן עם שיקולים מיוחדים אפילו הגודל והצורה של טיפות. תאורה היא בקפידה ועוצב להגדיר כך יש חדות אופטימלית של הסימנים האלו תוך מזעור השתקפויות באמצעות מסננים. תמונות התקבלו באמצעות לכידת וידאו במהירות גבוהה-עד 12,000 מסגרות/s. תמונות מפתח לפני כן, לרבות האירוע שבר מופקים, דפורמציות מוערך בין מסגרות רצופים ב- windows החקירה בקפידה בגודל מעל אזור מסוים של עניין. דפורמציות אלה משמשות לאחר מכן לחשב את השטח זן חנותם במהלך הבחינה שבר. הנתונים זן הוא מאוד שימושי לזיהוי חניכה שבר בתוך עצם הירך, ולשם אימות בסופו של דבר של עצם הירך proximal שבר כוח מודלים נגזר מבוסס-טומוגרפיה מחושב כמותית סופיים רכיב QCT/לפורומי אנליזות.
Introduction
המתאם תמונה דיגיטלית (DIC) היא תמונה עיבוד דפוס בה משתמשים בפרוטוקול הנוכחי כדי להעריך את המתח משטח שדה מלא של מבחן הירך cadaveric דגימות מתמונות רצף הזמן שהתקבל במהלך בדיקות שבר מכני. הטכניקה פותחה לראשונה שהוחל בניתוח מתח נסיוני בשנות השמונים, חוותה עלייה מהירה בשימוש בשנים האחרונות1,2,3. יש מספר יתרונות מרכזיים על גישות מסורתיות יותר של הרכבה מאבחנים המתח על מבנה כולל מוגברת התפוצה המרחבית של השדה זן, עדין למדוד אורכים דרך רזולוציית המצלמה מוגברת, והימנעות בעיות עם מד מתח דבק הדבקה או תאימות. היתרון העיקרי של DIC בשביל לרקמות ביולוגיות, כגון עצמות, היא כי ניתן להחיל אותה על גיאומטריות לא סדירה הכוללת של תכונות חומר הטרוגנית מאוד4,5. החיסרון העיקרי שלה על פני שיטות רכישה זן מסורתי הוא שזה דורש יקר במהירות גבוהה מצלמות וידאו של רזולוציה מספיק עבור המידה של האזור עניין כדי להשיג מספיק יכולות דגימה כדי במדויק מעריכים זן שדות.
היישום העיקרי של השדות זן טמפורלית המתקבל שבר DIC ניתוח הוא כדי לאמת את הערכות זן QCT/שמציעות דגמים של הירך כוח5. אימות כזה הוא המוקד של קבוצות מחקר אורטופדיות רבות אשר מנצלים בעיקר מדידות מרוחקת של כוח, התקה מ טען תאים ו-7,6,מתמרים תזוזה8. בנוסף, התמונה שבר שלאחר ניתוח של תבנית השבר יש כבר בשילוב עם מדידות מרוחקת אלה כאמצעי נוסף של אימות מודל9. לאחרונה, השיטה DIC הוחל אימות מודל שמציעות של שבר ולהיסדק הפצת עצם הירך proximal10. על ידי ניצול מתאם המתח בין דגמים וניסויים, בטחון רב יותר אפילו תוקפו של מודלים של femora הפרוקסימלית לזכייה, לקדם השימוש קרוב יותר קליני של שיטת האבחון QCT/שמציעות.
עבודה זו מסביר פרוטוקול מפורט כדי לשלב את הצעדים הדרושים לניתוח DIC ב שבר בדיקה של femora הפרוקסימלית. ההליך כולל את השלבים הכנה העצם של ריסוס של צבע לבן על פני עצם, ואז כתמים כתמים שחורים על המשטח הלבן יבשים של העצם, שיטות של קבלת תמונות עם רזולוציה יכולות מספיק שימוש גבוהה מהירות וידאו מצלמות, תהליך ואת כלי שהשתמשנו עבור מחשוב זן שדות מתמונות אלה. הסברנו גם מספר אזהרות שעשויים להשפיע על האיכות של המדידות.
Protocol
Representative Results
Discussion
הצגנו פרוטוקול להכין בעקביות דגימות הירך לדימות חדות גבוהה במהלך שבר בדיקות אשר שימשו ואז להעריך שדה מלא הפצות זן עם DIC. פרוטוקול זה הבטיחו ניגודיות המתאים מרקם של שחור מעקב ספאקלס רקע לבן אחיד על פני השטח של העצם. בעקבות פרוטוקול זה, אנחנו לשכפל בהצלחה ההערכה של זנים באמצעות ניתוח DIC במשך ש…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצה להודות את החומרים ואת מבניים הליבה בדיקה במרפאת מאיו לתמיכה טכנית שלהם בעת ביצוע הבדיקות שבר. בנוסף ברצוננו להודות ראמש Raghupathy, איאן Gerstel לסיוע שלהם בפיתוח סקריפטים DIC ופרטים ספציפיים של פרוטוקול DIC במהלך כהונתו שלהם במרפאת מאיו, קבוצת המחקר Barocas ויקטור, אוניברסיטת מינסוטה עבור תוכנה המשמשת כבסיס קוד פתוח שמבצע הליבה של חישובים11זן המתאם תמונה דיגיטלית. מחקר זה נתמכה כלכלית על ידי הקרן חדשנות גריינג’ר מטעם קרן גריינג’ר.
Materials
| Krylon plastic primer white | Krylon, Peoria, AZ, USA | N/A | Used as a base coat for a smooth white finish on bone surface |
| Water-based acrylic white and black paint | Plaid Enterprises (Ceramcoat), Norcross, GA, USA | N/A | Paint source for white and black colors |
| Mixing bowl | Not specific (generic) | N/A | Used to mix and prepare paint |
| Foam brush | Linzer Products, Wyandanch, NY, USA | N/A | Used to apply paint on bone surface |
| Toothbrush | Colgate-Palmolive, New York, NY, USA | Firm bristle | Used to apply appropriate size and distribution of speckling pattern |
| Hygenic Orthodontic Resin (PMMA) | Patterson Dental, St Paul, MN, USA | H02252 | Controlled substance and can be purchased with proper approval |
| Kenmore Freezer | Sears Holdings, Hoffman Estates, IL, USA | N/A | Used to maintain a -20oC storage enviroment for bone specimens |
| Physiologic Saline (0.9% Sodium Chloride) | Baxter Healthcare, Deerfield, IL, USA | NDC 0338-0048-04 | Used for keeping specimens hydrated |
| Scalpels and scrapers | Aspen Surgical (Bard-Parker), Caledonia, MI, USA | N/A | Used to remove soft tissue from bone specimens |
| Fume Hood | Hamilton Laboratory Solutions, Manitowoc, WI, USA | 70532 | Used for ventilation when preparing PMMA for potting of specimens |
| Lighting units | ARRI, Munich, Germany | N/A | Needed for illumination of target for image capture |
| 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 Imager and Viewer | Photron Inc., San Diego, CA, USA | Ver.3392(x64) | Used to record and view the high speed video recordings |
| Camera lens | Zeiss, Oberkochen, Germany | Zeiss Planar L4/50 ZF Lens | Needed for appropriate image resolution |
| ABAQUS CAE | Dassault Systemès, Waltham, MA, USA | Versions 6.13-4 | Used for defining region of interest and creating finite element mesh |
| MATLAB | Mathworks, Natick, MA, USA | Version 2015b | Used for image processing and DIC analysis |
| TecPlot | TecPlot Inc., Bellevue, WA | Used for post processing of strain fields | |
| Strain Calculator Software | Victor Barocas Research Group, University of Minnesota, Minneapolis, MN, USA | http://license.umn.edu/technologies/20130022_robust-image-correlation-based-strain-calculator-for-tissue-systems | Used to calculate strain field |
| mov_frames.m | Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA | N/A | Used to downsample uncompressed images from high speed video files |
| convert_imagesize.m | Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA | N/A | Used to register image pixel coordinates with mesh coordinates |
| rrImageTrackGui.m | Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA | N/A | Used to perform the image cross-correlation to obtain deformations and run Strain Calculator |
| analyzeFailurePrecursor.m | Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA | N/A | Used to track the peak strain components temporally |
| makeMovies.m | Matlab script, Mayo Clinic, Rochester, MN,USA | N/A | Used to create portable *.avi movies of the deformation components, strain components, principal strains, von Mises strain, and strain energy |
References
- Peters, W., Ranson, W. Digital imaging techniques in experimental stress analysis. Opt Eng. 21 (3), 213427-213427 (1982).
- Kwon, O., Hanna, R. The Enhanced Digital Image Correlation Technique for Feature Tracking During Drying of Wood. Strain. 46 (6), 566-580 (2010).
- Sutton, M. A., Orteu, J. J., Schreier, H. W. Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements. Adv of Opt Methods in Exp Mech. 3, (2009).
- Grassi, L., et al. How accurately can subject-specific finite element models predict strains and strength of human femora? Investigation using full-field measurements. J Biomech. 49 (5), 802-806 (2016).
- Den Buijs, J. O., Dragomir-Daescu, D. Validated finite element models of the proximal femur using two-dimensional projected geometry and bone density. Comput Methods Programs Biomed. 104 (2), 168-174 (2011).
- Keyak, J. H., Rossi, S. A., Jones, K. A., Skinner, H. B. Prediction of femoral fracture load using automated finite element modeling. J Biomech. 31 (2), 125-133 (1998).
- Lotz, J. C., Cheal, E. J., Hayes, W. C. Fracture Prediction for the Proximal Femur Using Finite-Element Models . 1Linear-Analysis. J Biomech Eng-T Asme. 113 (4), 353-360 (1991).
- Cody, D. D., et al. Femoral strength is better predicted by finite element models than QCT and DXA. J Biomech. 32 (10), 1013-1020 (1999).
- 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 (2), 742-755 (2011).
- Bettamer, A., Hambli, R., Allaoui, S., Almhdie-Imjabber, A. Using visual image measurements to validate a novel finite element model of crack propagation and fracture patterns of proximal femur. Comput Methods Biomech Biomed Eng Imaging Vis. , 1-12 (2015).
- Raghupathy, R., Barocas, V. . Robust Image Correlation Based Strain Calculator for Tissue Systems. , (2016).
- Taddei, F., et al. Subject-specific finite element models of long bones: An in vitro evaluation of the overall accuracy. J Biomech. 39 (13), 2457-2467 (2006).
- Grassi, L., et al. Accuracy of finite element predictions in sideways load configurations for the proximal human femur. J Biomech. 45 (2), 394-399 (2012).
- Gerstel, I., Raghupathy, R., Dragomir-Daescu, D. Digital Image Correlation Identifies Quantitative Characteristics in Proximal Femur Fracture Crack. ORS Annual Mtg. , (2012).
