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.
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.
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 afknoglen 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 volumen12,13. 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.
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…
The authors have nothing to disclose.
Finansiering fra Australian Research Council (FT180100338; IC190100020) er taknemmeligt anerkendt.
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 |