Methode und instrumentierte Befestigung zu Testzwecken femoralen Fraktur in einer seitwärts fallen auf Hüfte-Position
Summary
In diesem Manuskript präsentieren wir ein Protokoll, um Test cadaveric proximalen Oberschenkelknochen bei einem seitlichen Sturz auf der hip-Konfiguration mit instrumentierten Leuchten montiert auf einem standard Servo-hydraulische Rahmen zu Bruch. Neun digitalisierte Signale bestehend aus Verschiebung zusammen mit zwei high-Speed-video-Streams, Kräfte und Momente sind während des Tests erfasst.
Abstract
Mechanische Prüfung von Oberschenkelknochen bringt wertvolle Einblicke in das Verständnis des Beitrags der klinisch messbare Variablen wie Bone Mineral Dichteverteilung und Geometrie auf die femoralen mechanischen Eigenschaften. Derzeit gibt es keine standard-Protokoll für die mechanische Prüfung von solchen geometrisch komplexen Knochen zu messen Festigkeit und Steifigkeit. Um diese Lücke zu schließen haben wir ein Protokoll zum Testen cadaveric Oberschenkelknochen zum Bruch und deren biomechanischen Parameter zu messen entwickelt. Dieses Protokoll beschreibt eine Reihe von anpassungsfähige Installationen, um Platz für die verschiedenen Last Größen und Richtungen Bilanzierung möglich Knochen Orientierungen bei einem Sturz auf die Hüfte Konfiguration, Geschwindigkeit, Größe und linkes Bein rechten Bein Variationen zu testen. Der Oberschenkelknochen waren bereit für die Prüfung von Reinigung, schneiden, scannen und Blumenerde distales Ende und Trochanter Major Kontaktflächen in Poly(methyl methacrylate) (PMMA) in ein anderes Protokoll präsentiert. Die vorbereiteten Proben wurden in die Tests Vorrichtung in der Lage, die imitiert eines seitwärts Sturzes auf die Hüfte gelegt und geladen, um Bruch. Während des Tests zwei Last Zellen gemessen Vertikalkräfte der Femurkopf und Trochanter Major, ein Sechs-Achs-Wägezelle gemessenen Kräfte und Momente an der distalen femoralen Schaft und einen Wegsensor gemessen differentielle Verschiebung zwischen den femoral Kopf und Trochanter kontaktieren Sie unterstützt. High-Speed-Videokameras wurden verwendet, um synchron Fraktur Ereignisabfolge während des Tests erfassen. Die Reduzierung dieser Daten konnten wir charakterisieren die Festigkeit, Steifigkeit, und Energie für fast 200 osteoporotischen, Osteopenic, Bruch und normalen cadaveric Oberschenkelknochen zur Weiterentwicklung der Technik basierende Diagnose-Tools für Osteoporose Forschung.
Introduction
Entwicklung von neuartigen Methoden für die Risikobewertung femoralen Fraktur und Fraktur-Prävention bei einem Sturz auf die Hüfte erfordern ein umfassendes Verständnis der biomechanischen Prozesse während der Fraktur. Cadaveric proximalen Femur Stärke testen hat sich als wirksam erwiesen bei der Bestimmung der Beziehung zwischen femoralen Stärke und Faktoren, die die strukturelle Kapazität des Oberschenkelknochens wichtige Einblicke in diesem Prozess1,2 , 3. experimentell gemessenen femoralen Stärke dient außerdem zur Validierung der quantitativen Computertomographie-basierte Finite Element Analysis (QCT/FEM) ermöglicht eine nicht-invasive Abschätzung der Fraktur Stärke4,5, 6,7.
Bisher gibt es keine anerkannten Standardverfahren, ganze femoralen Exemplare zum Bruch zu testen. Um klinisch messbare Variablen (z. B. Knochendichte und Geometrie) und ihr Einfluss auf die femorale Stärke zu isolieren, ist es unerlässlich für experimentelle Tests in einer kontrollierten und wiederholbaren Weise durchgeführt werden. Cadaveric Oberschenkelknochen haben unregelmäßige Formen und in Größen8 und können entweder männlich oder weiblich Kadaver der unterschiedlichen Alters macht es unmöglich, mit eingebauten Armaturen Standard Prüfmaschinen testen entnommen werden. Bei einem seitlich Sturz auf die Hüfte Ereignis durchläuft den Trochanter Major zusammenpressende Belastung, während der proximale Femur komplexe Belastung einschließlich Komprimierung, Spannung, Biege-Moment und Torsion auftreten kann. So laden Testszenarios erhöht die Komplexität der Versuchsplanung. Daher muss eine feste Größe, als ein wichtiger Bestandteil der Testprotokoll speziell entworfen, hergestellt, und installiert femorale Proben von verschiedenen Formen und Größen und verschiedenen Tests Geschwindigkeiten angepasst. Diese Vorrichtung muss auch die Exemplare halten, zum Testen in einer Reihe von gewünschten Orientierungen möglich Stoßbelastungen durch einen Sturz auf die Hüfte zu simulieren. Um solch eine Vielzahl von Bedingungen zu erfüllen, muss die Leuchte haben mehrere stationäre und bewegliche Teile in einer Art und Weise spielen in das System zu minimieren und eine glatte Last-Verschiebung-Antwort zu erhalten verbunden.
Entscheidend ist die zuverlässige Datenerfassung auch während des Tests. Das experimentelle Design integrieren muss, die notwendigen Wägezellen, Hubraum Wandler, signal-Verstärker und Klimaanlagen zu genau messen Kräfte und Momente überhaupt unterstützt. Darüber hinaus sind high-Speed-Videos von den Front- und Seitenzahnbereich Ansichten des Oberschenkelknochens erhalten synchron mit dem Erwerb der Kräfte notwendig, um die Abfolge der Ereignisse führt zu Bruch, charakterisieren Frakturtypen, zu verstehen und präzise definieren Sie femorale Stärke4,9.
Während in der Literatur gibt es wertvolle experimentelle Studien über ganze Femur testen, veröffentlichten Protokolle fehlen Details wie die Prüfung durchgeführt wurde oder sind sehr verschieden von einer Studie zu einem anderen zu wirklich reproduzierbare10, 11. Das Ziel der aktuellen Arbeit war einzuführen ein Protokoll für die mechanische Prüfung von femoralen Proben, die als Ausgangspunkt für eine Anstrengung um zu standardisieren Knochengewebe testen, die wiederholbar und reproduzierbar sein können verwendet werden. Zu diesem Zweck wir entworfen und fabriziert eine Prüfung Befestigung, die verwendet wurde, um etwa 200 cadaveric Oberschenkelknochen zu testen. Die Tests Leuchte enthalten eine untere Befestigung und Kreuzkopf fester Bestandteil. Die untere Befestigung (Abbildung 1A-E) hält das Femur auf eine gewünschte Orientierung während des Tests und beinhaltet eine Wägezelle Trochanter und einer 6-Kanal-Wägezelle mit der femoral Welle verbunden. Es beherbergt auch drei unabhängige Übersetzungen für Positionierung des Knochens zu Testzwecken Fraktur zu ermöglichen. Ein Drehpunkt wird hinzugefügt, um das Kniegelenk zu imitieren. Die Hauptteile der unteren Befestigung waren dicke Stücke aus Edelstahl und Aluminium bestehend, eine sehr steife Befestigung zu machen. Eine Wägezelle ist die untere Befestigung Druckkräfte auf den Trochanter Major während des Tests messen beigefügt. Die Kreuzkopf-Befestigung (Abbildung 2A-2E) umfasst zwei Aluminium-Grundplatten und zwei sehr steifen Folie Kugellager (beigefügt zusammen durch eine Alu-Platte), um die Bewegung der Femurkopf während des Tests zu berücksichtigen und auch Platz für für rechten und linken Oberschenkelknochen. Eine Wägezelle enthalten in der Kreuzkopf Befestigung Maßnahmen Druckkräfte. Eine Aluminium-Cup an der Wägezelle angeschlossen wird verwendet, um die Druckbelastungen auf der Femurkopf anwenden. Unsere Methode diente für linken und rechten Oberschenkelknochen beiderlei Geschlechts, mit verschiedenen Größen, Hals-Welle Winkeln, Knochendichte und Belastungsbedingungen imitiert ein seitlich auf der Hüfte fallen. Die Tests Geschwindigkeiten in unseren Experimenten wurden bei 5, 100 und 700 mm/s eingestellt, aber sie können auf einen beliebigen Wert auf der Prüfmaschine gesetzt werden. Die entworfene Leuchte hatte zwei Hauptkomponenten, eine an die Traverse der Prüfmaschine angeschlossen und die andere mit dem Test Rahmen verbunden. Beide Teile waren instrumentiert mit ausreichend Kraft messen Wägezellen und Augenblick Randbedingungen überhaupt unterstützt. Darüber hinaus wurden zwei High-Speed-Video-Kameras verwendet, um während der Prüfung bei der Fraktur aufzuzeichnen. Scannt nach Fraktur, eine Reihe von Röntgen- und Computertomographie (CT) wurden für Post experimentelle Fraktur Analysen erhalten. Ergebnisse aus diesen Experimenten einschließlich Bruchfestigkeit und Energie werden derzeit für die weitere Forschung in Diagnose-Tools verwendet, um schließlich die Beurteilung des proximalen Bruchfestigkeit bei osteoporotischen Patienten zu verbessern.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wir vorgeschlagen, ein Protokoll zum Bruch testen proximale cadaveric Oberschenkelknochen bei einem Sturz auf die Hüfte Konfiguration, mit denen wir etwa 200 Proben erfolgreich getestet haben. Das Protokoll enthält mehrere hauseigene gestaltete Befestigungen für femoral Stärke Tests unter verschiedenen Lastbedingungen. Das Gerät erlaubt die Prüfung des rechten und linken Oberschenkelknochen mit unterschiedlichen Tests Geschwindigkeiten und Knochen Orientierungen. Nach der Montage der Leuchte und die Messgeräte, is…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir möchten Materialien und strukturelle Prüfung Core Facility und Division Engineering an der Mayo-Klinik für technische Unterstützung danken. Darüber hinaus möchten wir danken, Lawrence J. Berglund, James Bronk, Brant Newman, Jorn Op Höhle Buijs, Ph.d., für ihre Hilfe während des Studiums. Diese Studie wurde von der Grainger Innovationsfonds der Grainger-Stiftung finanziell unterstützt.
Materials
| CT scanner | Siemens | Somatom Definition scanner (Siemens, Malvern, PA) | CT scanning equipment |
| Quantitative CT Phantom | Midways Inc, San Francisco, CA | Model 3 CT calibration Phantom | Used for obtaining BMD values from Hounsfield units in the CT image |
| Hygenic Orthodontic Resin (PMMA) | Patterson Dental Supply | H02252 | Controlled substance and can be purchased with proper approval |
| Freezer | Kenmore | N/A | This is a -20oC storage for bones |
| X-ray scanner | General Electric | 46-270615P1 | X-ray imaging equipment. |
| X-ray films | Kodak | N/A | Used to display x-ray images |
| X-ray developer | Kodak X-Omatic | M35A X-OMAT | Used for developing X-ray images |
| X-ray Cassette | Kodak X-Omatic | N/A | Used for holding x-ray films |
| Physiologic Saline (0.9% Sodium Chloride) | Baxter | NDC 0338-0048-04 | Used for keeping samples hydrated |
| Scalpels and scrapers | Bard-Parker | N/A | Used to clean the bone from soft tissue |
| Fume Hood | Hamilton | 70532 | Used for ventilation when preparing PMMA for potting of specimens |
| Single axis load cell | Transducer Techniques, Temecula, CA, USA | LPU-3K; S/N 219627 | Capacity 3000 LBS |
| Six channel load cell | JR3,Woodland, CA | 45E15A4 | Mechanical load rating 1000N |
| Linear potentiometer | Novotechnik, Southborough, MA, USA | Used to acquire linear displacements during testing | |
| Slide ball bearing | Schneeberger | Type NK | Part of the testing fixture |
| Mechanical testing machine | MTS, Minneapolis, MN | 858 Mini Bionix II | Used for compression of femur |
| Lighting unit | ARRI | Needed for high speed video recordings | |
| 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 Viewer | Photron Inc., San Diego, CA, USA | Ver.3392(x64) | Used to view the high speed video recordings |
| Camera lens | Zeiss | Zeiss Planar L4/50 ZF Lens | Needed to high image resolution |
| Signal conditioner board (DAQ) | National Instruments | Input/output signal connector | |
| Signal Express | National Instruments | N/A | Data acquisition software |
| Laptop Computer | Dell | N/A | Used to monitor and acquire all signals from the testing procedure |
References
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