Avbildning av den mikrostrukturella felmekanismen i den mänskliga höften

Summary

Protokollet gör det möjligt att mäta deformationen av benmikrostrukturen i hela det proximala mänskliga lårbenet och dess seghet genom att kombinera mikro-CT-skanning med stora volymer, ett skräddarsytt kompressionssteg och avancerade bildbehandlingsverktyg.

Abstract

Avbildning av benets mikrostruktur under progressivt ökande belastningar gör det möjligt att observera benets mikrostrukturella felbeteende. Här beskriver vi ett protokoll för att erhålla en sekvens av tredimensionella mikrostrukturella bilder av hela det proximala lårbenet under progressivt ökande deformation, vilket orsakar kliniskt relevanta frakturer i lårbenshalsen. Protokollet demonstreras med hjälp av fyra femora från kvinnliga donatorer i åldern 66-80 år i den nedre delen av bentätheten i populationen (T-poängintervall = −2,09 till −4,75). Ett radiotransparent kompressionssteg utformades för att ladda proverna som replikerade en enbensställning, samtidigt som den applicerade belastningen registrerades under mikrodatortomografi (mikro-CT). Synfältet var 146 mm brett och 132 mm högt, och den isotropa pixelstorleken var 0,03 mm. Kraftökningen baserades på finita elementförutsägelser av brottbelastningen. Trycksteget användes för att applicera förskjutningen på provet och anta de föreskrivna kraftökningarna. Frakturer under huvudstaden på grund av öppning och skjuvning av lårbenshalsen inträffade efter fyra till fem belastningsökningar. Mikro-CT-bilderna och reaktionskraftmätningarna bearbetades för att studera benbelastningen och energiupptagningsförmågan. Instabilitet i cortex uppträdde vid de tidiga laddningsstegen. Det subkondrala benet i lårbenshuvudet uppvisade stora deformationer som nådde 16 % före fraktur, och en progressiv ökning av stödkapaciteten fram till fraktur. Deformationsenergin ökade linjärt med förskjutningen fram till brott, medan styvheten minskade till nära nollvärden omedelbart före brott. Tre fjärdedelar av brottenergin togs av provet under den sista 25-procentiga kraftökningen. Sammanfattningsvis avslöjade det utvecklade protokollet en anmärkningsvärd energiabsorptionsförmåga, eller skadetolerans, och en synergisk interaktion mellan det kortikala och trabekulära benet vid en avancerad donatorålder.

Introduction

Frakturer i lårbenshalsen är en stor börda för den åldrande befolkningen. Mikrodatortomografi (mikro-CT) och samtidig mekanisk testning gör det möjligt att observera benets mikrostruktur och studera dess förhållande till benstyrka, dess åldersrelaterade förändringar och förskjutningar under belastning ^1,2. Fram till nyligen var dock mikro-CT-studier av ben under belastning begränsade till utskurna benkärnor³, små djur⁴ och mänskliga ryggradsenheter⁵. Det nuvarande protokollet kan kvantifiera förskjutningen av mikrostrukturen i hela det proximala mänskliga lårbenet under belastning och efter en fraktur.

Flera studier har genomförts för att undersöka det mänskliga lårbenets svikt, och ibland har dessa kommit fram till kontrasterande slutsatser. Till exempel tros den åldersrelaterade förtunningen av de kortikala och trabekulära strukturerna bestämma den åldersrelaterade känsligheten för frakturer genom att orsaka elastisk instabilitet i benet^6,7, vilket står i uppenbar kontrast till den höga bestämningskoefficienten för kortikal töjning och förutsägelser av lårbensstyrka som inte antar någon elastisk instabilitet (R² = 0,80-0,97)^8,9. Ändå har sådana studier systematiskt underskattat lårbensstyrkan (med 21%-29%), vilket ifrågasätter de sköra och kvasisköra bensvaren som implementerats i modellerna ^8,10. En möjlig förklaring till dessa till synes kontrasterande fynd kan ligga i ett annat frakturbeteende hos hela ben jämfört med isolerade benkärnor. Att observera deformations- och frakturresponsen hos benmikrostrukturen i hela proximala lårben kan därför öka kunskapen om höftfrakturmekanik och relaterade tillämpningar.

Nuvarande metoder för att avbilda hela mänskliga ben med mikrometrisk upplösning är begränsade. Portalen och detektorns storlek måste ha en lämplig arbetsvolym för att hysa det mänskliga proximala lårbenet (cirka 13 cm x 10 cm, bredd x längd) och eventuellt en pixelstorlek i storleksordningen 0,02–0,03 mm för att säkerställa att relevanta mikroarkitektoniska särdrag kan fångas¹¹. Dessa specifikationer kan för närvarande uppfyllas av vissa synkrotronljusanläggningar¹ och vissa kommersiellt tillgängliga mikro-CT-skannrar med stora volymer^12,13. Kompressionssteget måste vara radiotransparent för att minimera röntgendämpning samtidigt som det genererar en kraft som är tillräcklig för att orsaka en fraktur på det mänskliga lårbenet (t.ex. mellan 0,9 kN och 14,3 kN för äldre vita kvinnor)¹⁴. Denna stora variation i brottbelastningen komplicerar planeringen av antalet belastningssteg till brott, den totala experimenttiden och motsvarande mängd data som produceras. För att lösa detta problem kan frakturbelastningen och platsen uppskattas via finita elementmodellering genom att använda bentäthetsfördelningen för provet från kliniska datortomografibilder (CT) ^1,2. Slutligen, efter experimentet, måste den stora mängden data som genereras bearbetas för att studera felmekanismerna och energiförlustkapaciteten i hela det mänskliga lårbenet.

Här beskriver vi ett protokoll för att erhålla en sekvens av tredimensionella mikrostrukturella bilder av hela det proximala lårbenet under progressivt ökande deformation, vilket orsakar kliniskt relevanta frakturer i lårbenshalsen². Protokollet inkluderar planering av den stegvisa ökningen av provkompressionen, laddning via ett anpassat radiotransparent kompressionssteg, avbildning via en mikro-CT-skanner med stor volym och bearbetning av bilderna och belastningsprofilerna.

Protocol

Protokollet utvecklades och testades med 12 lårbensprover som erhållits från ett kroppsdonationsprogram. Proverna erhölls färska och förvarades vid −20 °C vid Biomechanics and Implants Laboratory vid Flinders University (Tonsley, South Australia, Australien). Benfuktigheten bibehölls under hela experimentet. Donatorerna var kaukasiska kvinnor (66-80 år). Etiskt godkännande erhölls från Social and Behavioural Research Ethics Committee (SBREC) vid Flinders University (Project # 6380). <p class="jove_title…

Representative Results

Bilderna visar hela det proximala lårbenet, tryckhylsan, tandcementet, aluminiumkoppen och omslagsservetten. Benets mikroarkitektur kan ses gradvis deformeras när belastningen ökar före frakturen och efter frakturen (figur 4). Figur 4: Trycksteget som är anslutet till den bärbara datorn…

Discussion

Det nuvarande protokollet gör det möjligt att studera den tidsförflutna mikromekaniken för höftfrakturer i tre dimensioner ex vivo. Ett radiotransparent (aluminium) trycksteg som kan applicera en progressiv deformation på den proximala halvan av det mänskliga lårbenet och mäta reaktionskraften har skräddarsytts, tillverkats och testats. En mikro-CT-skanner med stor volym används i detta protokoll för att ge en tidssekvens av bildvolymer som visar hela det proximala lårbenet med progressiv belastning…

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