Imagem do Mecanismo de Falha Microestrutural no Quadril Humano

Summary

O protocolo permite a medição da deformação da microestrutura óssea em todo o fêmur humano proximal e sua tenacidade, combinando microtomografia computadorizada de grande volume, um estágio compressivo personalizado e ferramentas avançadas de processamento de imagem.

Abstract

A obtenção de imagens da microestrutura óssea sob cargas progressivamente crescentes permite observar o comportamento de falha microestrutural do osso. Descrevemos um protocolo para obtenção de uma sequência de imagens microestruturais tridimensionais de todo o fêmur proximal sob deformação progressivamente crescente, causando fraturas clinicamente relevantes do colo do fêmur. O protocolo é demonstrado utilizando quatro fêmures de doadoras do sexo feminino com idade entre 66 e 80 anos na extremidade inferior da densidade mineral óssea na população (T-score = −2,09 a −4,75). Um estágio compressivo radiotransparente foi projetado para carregar os espécimes replicando uma posição unipodal, enquanto registrava a carga aplicada durante a microtomografia computadorizada (micro-TC). O campo de visão era de 146 mm de largura e 132 mm de altura, e o tamanho isotrópico de pixel era de 0,03 mm. O incremento de força foi baseado em predições de elementos finitos da carga de fratura. O estágio compressivo foi utilizado para aplicar o deslocamento no corpo de prova e realizar os incrementos de força prescritos. As fraturas subcapitais por abertura e cisalhamento do colo do fêmur ocorreram após quatro a cinco incrementos de carga. As imagens de micro-TC e as medidas de força de reação foram processadas para estudar a deformação óssea e a capacidade de absorção de energia. A instabilidade do córtex apareceu nas primeiras etapas de carregamento. O osso subcondral da cabeça femoral apresentava grandes deformações chegando a 16% antes da fratura e aumento progressivo da capacidade de suporte até a fratura. A energia de deformação aumentou linearmente com o deslocamento até a fratura, enquanto a rigidez diminuiu para valores próximos a zero imediatamente antes da fratura. Três quartos da energia da fratura foram captados pelo espécime durante o incremento final de 25% de força. Em conclusão, o protocolo desenvolvido revelou uma notável capacidade de absorção de energia, ou tolerância a danos, e uma interação sinérgica entre o osso cortical e trabecular em uma idade avançada do doador.

Introduction

As fraturas do colo do fêmur constituem um grande fardo para o envelhecimento populacional. A microtomografia computadorizada (micro-TC) e o teste mecânico concomitante permitem observar a microestrutura óssea e estudar sua relação com a resistência óssea, suas alterações relacionadas à idade e deslocamentos sob^carga1,2. No entanto, até recentemente, os estudos de micro-TC de osso sob carga limitavam-se a núcleos ósseos excisados³, pequenos animais⁴ e unidades de coluna humana⁵. O presente protocolo pode quantificar o deslocamento da microestrutura de todo o fêmur humano proximal sob carga e após uma fratura.

Vários estudos foram realizados para investigar a falência do fêmur humano e, por vezes, chegaram a conclusões contrastantes. Por exemplo, acredita-se que o afinamento das estruturas corticais e trabeculares relacionado à idade determine a suscetibilidade à fratura relacionada à idade, causando instabilidade elástica do osso^6,7, o que contrasta com o alto coeficiente de determinação da deformação cortical e as previsões de força femoral supondo que não haja instabilidade elástica (R² = 0,80-0,97)^8,9. No entanto, tais estudos têm sistematicamente subestimado a força femoral (21%-29%), colocando em questão as respostas ósseas quebradiças e quase quebradiças implementadas nos modelos ^8,10. Uma possível explicação para esses achados aparentemente contrastantes pode residir em um comportamento diferente da fratura de ossos inteiros em comparação com núcleos ósseos isolados. Portanto, observar as respostas à deformação e à fratura da microestrutura óssea em fêmures proximais inteiros pode avançar no conhecimento da mecânica da fratura de quadril e aplicações relacionadas.

Os métodos atuais para obtenção de imagens de ossos humanos inteiros com resolução micrométrica são limitados. O pórtico e o tamanho do detector devem fornecer um volume de trabalho adequado para hospedar o fêmur proximal humano (aproximadamente 13 cm x 10 cm, largura x comprimento) e, possivelmente, um tamanho de pixel da ordem de 0,02-0,03 mm para garantir que as características microarquitetônicas relevantes possam ser capturadas¹¹. Atualmente, essas especificações podem ser atendidas por algumas instalações síncrotron¹ e alguns microtomógrafos de grande volume disponíveis comercialmente^12,13. O estágio compressivo deve ser radiotransparente para minimizar a atenuação dos raios X e, ao mesmo tempo, gerar uma força suficiente para causar uma fratura no fêmur humano (por exemplo, entre 0,9 kN e 14,3 kN para mulheres brancas idosas)¹⁴. Essa grande variação na carga de fratura complica o planejamento do número de etapas de carga até a fratura, o tempo total do experimento e a quantidade correspondente de dados produzidos. Para resolver esse problema, a carga e a localização da fratura podem ser estimadas por meio da modelagem por elementos finitos usando a distribuição da densidade óssea do espécime a partir de imagens clínicas de tomografia computadorizada (TC)^1,2. Finalmente, após o experimento, o grande volume de dados gerados precisa ser processado para estudar os mecanismos de falha e capacidade de dissipação de energia em todo o fêmur humano.

Descrevemos um protocolo para obtenção de uma sequência de imagens microestruturais tridimensionais de todo o fêmur proximal sob deformação progressivamente crescente, o que causa fraturas clinicamente relevantes do colo do^fêmur2. O protocolo inclui o planejamento do incremento gradual da compressão da amostra, o carregamento por meio de um estágio de compressão radiotransparente personalizado, a obtenção de imagens por meio de um microtomógrafo de grande volume e o processamento das imagens e dos perfis de carga.

Protocol

O protocolo foi desenvolvido e testado com 12 espécimes de fêmur recebidos de um programa de doação de corpos. Os espécimes foram obtidos frescos e armazenados a −20 °C no Laboratório de Biomecânica e Implantes da Universidade de Flinders (Tonsley, Austrália do Sul, Austrália). A umidade óssea foi mantida durante todo o experimento. As doadoras foram mulheres brancas (66-80 anos). A autorização ética foi obtida do Comitê de Ética em Pesquisa Social e Comportamental (SBREC) da Universidade Flinders (Proj…

Representative Results

As imagens mostram todo o fêmur proximal, o alvéolo de pressão, o cimento dental, o copo de alumínio e o tecido envolvente. A microarquitetura óssea pode ser vista deformando progressivamente à medida que a carga aumenta antes e após a fratura (Figura 4). Figura 4: O estágio compressivo conect…

Discussion

O presente protocolo permite estudar a micromecânica do tempo decorrido das fraturas de quadril em três dimensões ex vivo. Um estágio compressivo radiotransparente (alumínio) capaz de aplicar uma deformação progressiva na metade proximal do fêmur humano e medir a força de reação foi projetado, fabricado e testado sob medida. Um microtomógrafo de grande volume é empregado neste protocolo para fornecer uma sequência temporal de volumes de imagens exibindo todo o fêmur proximal com carga progressiva …

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