Billeddannelse af den mikrostrukturelle fejlmekanisme i den menneskelige hofte

Summary

Protokollen muliggør måling af deformationen af knoglemikrostrukturen i hele den proksimale humane lårben og dens sejhed ved at kombinere mikro-CT-scanning med stort volumen, et specialfremstillet komprimeringstrin og avancerede billedbehandlingsværktøjer.

Abstract

Billeddannelse af knoglemikrostrukturen under gradvist stigende belastninger gør det muligt at observere knoglens mikrostrukturelle svigtadfærd. Her beskriver vi en protokol til opnåelse af en sekvens af tredimensionelle mikrostrukturelle billeder af hele den proksimale lårben under gradvist stigende deformation, hvilket forårsager klinisk relevante brud på lårhalsen. Protokollen er demonstreret ved hjælp af fire femora fra kvindelige donorer i alderen 66-80 år i den nedre ende af knoglemineraltætheden i befolkningen (T-score interval = -2,09 til -4,75). Et radiogennemsigtigt tryktrin blev designet til at indlæse prøverne, der replikerer en etbensholdning, mens den påførte belastning registreres under mikrocomputertomografi (mikro-CT) billeddannelse. Synsfeltet var 146 mm bredt og 132 mm højt, og den isotropiske pixelstørrelse var 0, 03 mm. Kraftforøgelsen var baseret på endelige elementforudsigelser af brudbelastningen. Kompressionstrinnet blev brugt til at påføre forskydningen på prøven og vedtage de foreskrevne kraftforøgelser. Subkapitalfrakturer på grund af åbning og forskydning af lårbenshalsen opstod efter fire til fem belastningstrin. Mikro-CT-billederne og reaktionskraftmålingerne blev behandlet for at studere knoglestammen og energiabsorptionskapaciteten. Ustabilitet af cortex optrådte ved de tidlige indlæsningstrin. Den subchondrale knogle i lårbenshovedet viste store deformationer, der nåede 16% før brud, og en progressiv stigning i støttekapaciteten op til brud. Deformationsenergien steg lineært med forskydningen op til brud, mens stivheden faldt til næsten nulværdier umiddelbart før brud. Tre fjerdedele af brudenergien blev taget af prøven under den sidste 25% kraftforøgelse. Afslutningsvis afslørede den udviklede protokol en bemærkelsesværdig energiabsorptionskapacitet eller skadetolerance og en synergisk interaktion mellem den kortikale og trabekulære knogle i en avanceret donoralder.

Introduction

Frakturer i lårbenshalsen er en stor byrde for den aldrende befolkning. Mikrocomputertomografi (mikro-CT) billeddannelse og samtidig mekanisk test gør det muligt at observere knoglemikrostrukturen og studere dens forhold til knoglestyrke, dens aldersrelaterede ændringer og forskydninger under belastning ^1,2. Indtil for nylig var mikro-CT-undersøgelser af knogle under belastning imidlertid begrænset til udskårne knoglekerner³, små dyr⁴ og humane rygsøjleenheder⁵. Denne protokol kan kvantificere forskydningen af mikrostrukturen af hele den proksimale humane lårben under belastning og efter et brud.

Flere undersøgelser er blevet udført for at undersøge svigt i den menneskelige lårben, og til tider har disse nået kontrasterende konklusioner. For eksempel menes den aldersrelaterede udtynding af de kortikale og trabekulære strukturer at bestemme den aldersrelaterede modtagelighed for brud ved at forårsage elastisk ustabilitet af^{knoglen 6,7}, hvilket er i åbenbar kontrast til den høje bestemmelseskoefficient for kortikal belastning og forudsigelser af lårbensstyrke, forudsat at der ikke er nogen elastisk ustabilitet (^R2 = 0,80-0,97)^8,9. Ikke desto mindre har sådanne undersøgelser systematisk undervurderet lårbensstyrken (med 21% -29%), hvilket sætter spørgsmålstegn ved de skøre og kvasi-sprøde knogleresponser, der er implementeret i modellerne ^8,10. En mulig forklaring på disse tilsyneladende kontrasterende fund kan ligge i en anden brudadfærd af hele knogler sammenlignet med isolerede knoglekerner. Derfor kan observation af deformations- og brudresponserne i knoglemikrostrukturen i hele proksimale lårben fremme viden om hoftefrakturmekanik og relaterede applikationer.

Nuværende metoder til billeddannelse af hele menneskelige knogler med mikrometrisk opløsning er begrænsede. Portalen og detektorstørrelsen skal give et passende arbejdsvolumen til at være vært for den menneskelige proksimale lårben (ca. 13 cm x 10 cm, bredde x længde) og muligvis en pixelstørrelse i størrelsesordenen 0,02-0,03 mm for at sikre, at relevante mikroarkitektoniske træk kan fanges¹¹. Disse specifikationer kan i øjeblikket opfyldes af nogle synkrotronfaciliteter¹ og nogle kommercielt tilgængelige mikro-CT-scannere med stort volumen^12,13. Tryktrinnet skal være radiogennemsigtigt for at minimere røntgendæmpning og samtidig generere en kraft, der er tilstrækkelig til at forårsage brud på det menneskelige lårben (f.eks. mellem 0,9 kN og 14,3 kN for ældre hvide kvinder)¹⁴. Denne store frakturbelastningsvariation komplicerer planlægningen af antallet af belastningstrin til brud, den samlede eksperimenttid og den tilsvarende mængde producerede data. For at løse dette problem kan brudbelastningen og placeringen estimeres via finite-element modellering ved hjælp af knogletæthedsfordelingen af prøven fra klinisk computertomografi (CT) billeder ^1,2. Endelig, efter eksperimentet, skal den store mængde data, der genereres, behandles for at studere fejlmekanismerne og energiafledningskapaciteten i hele den menneskelige lårben.

Her beskriver vi en protokol til opnåelse af en sekvens af tredimensionelle mikrostrukturelle billeder af hele den proksimale lårben under gradvist stigende deformation, hvilket forårsager klinisk relevante brud på lårbenshalsen². Protokollen omfatter planlægning af den trinvise forøgelse af prøvekomprimeringen, indlæsning via et brugerdefineret radiogennemsigtigt komprimeringstrin, billeddannelse via en mikro-CT-scanner med stort volumen og behandling af billederne og belastningsprofilerne.

Protocol

Protokollen blev udviklet og testet med 12 lårbensprøver modtaget fra et kropsdonationsprogram. Prøverne blev opnået friske og opbevaret ved -20 °C på Biomechanics and Implants Laboratory ved Flinders University (Tonsley, South Australia, Australien). Knoglefugtighed blev opretholdt under hele eksperimentet. Donorerne var kaukasiske kvinder (66-80 år). Etisk godkendelse blev opnået fra Social and Behavioural Research Ethics Committee (SBREC) ved Flinders University (Projekt # 6380). <str…

Representative Results

Billederne viser hele den proksimale lårben, trykstikket, tandcementen, aluminiumskoppen og indpakningsvævet. Knoglemikroarkitekturen kan ses gradvist deformeres, efterhånden som belastningen øges før brud og efter brud (figur 4). Figur 4: Det komprimeringstrin, der er tilsluttet den bæ…

Discussion

Denne protokol gør det muligt at studere den forløbne mikromekanik af hoftefrakturer i tre dimensioner ex vivo. Et radiogennemsigtigt (aluminium) tryktrin, der er i stand til at anvende en progressiv deformation på den proksimale halvdel af den menneskelige lårben og måle reaktionskraften, er blevet specialdesignet, fremstillet og testet. En mikro-CT-scanner med stort volumen anvendes i denne protokol til at tilvejebringe en tidsmæssig sekvens af billedvolumener, der viser hele det proksimale lårben med p…

Materials

Absorbent tissue	N/A		Maintain the bone moisture throughout the experiment
Alignment rig	Custom-made		Rig for positioning the specimen in the potting cup
Aluminium potting cup	Custom-made		Potting cup
Bone saw	N/A		Cut the specimen to size
Calibration phantom QCT Pro	Mindways Software, Inc., Austin, USA	CT Calibration 13002	Calibrate grey levels in the images into equivalent bone mineral (ash) density levels
Clinical Computed-Tmography scanner	General Electric Medical Systems Co., Wisconsin, USA	Optima CT660	Preliminary imaging for the prediction of the load step to fracture
Compressive stage	Custom-made		A 10 kg, radiotransparent compressive stage for applying and maintaining throught imaging a prescribed deformation to the specimen.
Dental cement	Soesterberg, The Netherlands	Vertex RS
Femur specimen	Science Care, Phoenix, USA
Finite-element analysis software	ANSYS Inc., Canonsburg, USA	ANSYS Mechanical APDL	Finite-element software package
Freezer	N/A		Store specimens at -20 °C
Hard Drive	Dell		Disk space: 500 GB per volume
Image bnarization and segmentation software	Skyscan-Bruker, Kontich, Belgium	CT analyzer	Image processing software
Image elastic segmentation	The University of Sheffield	Bone DVC	https://bonedvc.insigneo.org/dvc/
Image processing and automation software	The MathWork Inc.	Matlab	Image processing software
Image registration software	Skyscan-Bruker, Kontich, Belgium	DataViewer	Image processing software
Image segmentation and FE modelling software	Simpleware, Exeter, UK	Scan IP	Bone egmentation software
Image stiching script	Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU		The script is available at IMBL
Image visualization	Kitware, Clifton Park, NY, USA	Paraview	Image visualization
Image visualization	Australian National University	Dristhi	Image visualization: doi:10.1117/12.935640
Imaging and Medical beamline	Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU		Large object micro-CT beamline at the Australian Synchrotron
Laptop	Dell Inc., USA
Low-friction x-y table	THK Co., Tokyo, Japan
NI signal acquisition software	National Instruments, Austin, TX	NI-DAQmx
Phosphate-buffered saline solution	Custom-made		Maintain the bone moisture throughout the experiment
Plastic bag	N/A		Maintain the bone moisture throughout the experiment
Rail	SKF Inc., Lansdale, PA, USA
Screw-jack mechanism	Benzlers, Örebro, Sweden	Serie BD (warm gear unit)	stroke: 150 mm, maximal load: 10,000 N, gear ratio: 27:1, a displacement per revolution: 0.148 mm
Single pco.edge sensor, lens coupled scintillator	Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU		Detector Ruby FOV: 141 x 119 mm; 2560 x 2160 px; 55 µm/px; 50 fps
Six axis load cell	ME-Meßsysteme GmbH, Hennigsdorf, GE	K6D6	Maximal measurement error: 0.005%; maximal force: 10000 N; maximal torque: 500 Nm
Strain amplifier	ME-Meßsysteme GmbH, Hennigsdorf, GE	GSV-1A8USB K6D/M16