Metodo e instrumentata apparecchio per prove di frattura femorale in posizione di caduta-in-the-Hop lateralmente
Summary
In questo manoscritto, presentiamo un protocollo per frattura femore prossimale cadaverico di prova in una caduta laterale alla configurazione dell’anca con instrumentate apparecchi montati su un telaio idraulico servo standard. I segnali digitalizzati nove composto da forze, momenti e spostamento insieme a due flussi video ad alta velocità vengono acquisiti durante il test.
Abstract
Prove meccaniche dei femori porta preziosi approfondimenti di comprendere il contributo delle variabili misurabili clinicamente come distribuzione di densità minerale ossea e geometria sulle proprietà meccaniche femorale. Attualmente, non esiste alcun protocollo standard per le prove meccaniche di tali ossa geometricamente complesse di misura forza e rigidità. Per colmare questa lacuna abbiamo sviluppato un protocollo per testare i femori cadaverici di frattura e di misurare i parametri biomeccanici. Questo protocollo descrive una serie di apparecchi adattabili ad ospitare le varie grandezze di carico e indicazioni di contabilità per gli orientamenti possibili dell’osso in una caduta alla configurazione dell’anca, test di velocità, dimensione dell’osso e le variazioni di gamba gamba-destra sinistra. I femori sono stati preparati per il test di pulizia, taglio, scansione e impregnazione l’estremità distale e il grande trocantere contatto superfici in poly(methyl methacrylate) (PMMA) come presentato in un protocollo diverso. I campioni preparati sono stati inseriti nel dispositivo di prova in una posizione che imita una caduta laterale sul fianco e caricati alla frattura. Durante il test, due forze verticali di carico cellule misurate applicato alla testa femorale e grande trocantere, una cella di carico di sei-asse misurato le forze e momenti a pozzo femorale distale e un sensore di spostamento misurato spostamento differenziale tra la trocantere e testa femorale contattare supporta. Videocamere ad alta velocità sono stati utilizzati per registrare in modo sincrono la sequenza degli eventi di frattura durante i test. La riduzione di questi dati ci ha permesso di caratterizzare la resistenza, rigidità ed energia per quasi 200 osteoporotiche, osteopenic, di frattura e di ricerca normali femori cadaverici per un ulteriore sviluppo di strumenti diagnostici basati su Ingegneria per l’osteoporosi.
Introduction
Sviluppo di nuovi metodi per la valutazione del rischio di frattura femorale e prevenzione di frattura per una caduta sull’anca richiedono una comprensione completa dei processi biomeccanici che intervengono durante la frattura. Prova di resistenza cadaverico femore prossimale ha dimostrato di essere efficace nel determinare la relazione tra forza femorale e fattori che influenzano la capacità strutturale del femore fornendo spunti importanti in questo processo1,2 , 3. misurata sperimentalmente forza femorale è anche utilizzato per la convalida di basati su tomografia computata quantitativa analisi agli elementi finiti (FEA/QCT) che consente una stima non invasiva di frattura forza4,5, 6,7.
Ad oggi, non c’è nessuna procedura standard accettata per esaminare i campioni tutta femorali alla frattura. Per isolare le variabili clinicamente misurabili (ad esempio, la densità minerale ossea e geometria) e la loro influenza sulla forza femorale, è imperativo per il test sperimentale da effettuarsi in modo controllato e ripetibile. Femori cadaverici hanno forme irregolari e fascia in taglie8 e possono essere ottenuti da cadaveri sia maschi o femminile di età diverse, rendendo impossibile per testare utilizzando built-in apparecchi di test macchine standard. In una caduta laterale sull’evento dell’anca, il grande trocantere è sottoposto a carico compressivo, mentre il femore prossimale può verificarsi carico complesse tra cui compressione, tensione, piegatura momento e torsione. Tali scenari di carico di test aggiungono complessità al disegno sperimentale. Pertanto, un appuntamento fisso, come una componente importante del protocollo di prova, deve essere specificamente progettato, fabbricato e installato per ospitare femorali campioni di diverse forme e dimensioni e velocità di test differenti. Questo apparecchio deve anche tenere i campioni per le prove in una gamma di orientamenti desiderati per simulare carichi di impatto possibile da una caduta sull’anca. Per soddisfare una varietà di condizioni, l’apparecchio ha bisogno di avere più fermo e lo spostamento di componenti collegati in modo da minimizzare il gioco nel sistema e per ottenere una risposta carico-spostamento liscio.
Acquisizione di dati affidabili è fondamentale anche durante i test. Il disegno sperimentale deve incorporare le celle di carico necessarie, trasduttori di spostamento, amplificatori di segnale e condizionatori di precisione misura di forze e momenti supporta a tutti. Video ad alta velocità di entrambe le viste anteriore e posteriore del femore ottenute in modo sincrono con l’acquisizione delle forze sono inoltre necessari per aiutare a capire la sequenza degli eventi che conducono alla frattura, caratterizzano tipi di frattura e precisamente definire femorale forza4,9.
Mentre ci sono preziosi studi sperimentali nella letteratura sul femore intero test, protocolli pubblicati mancano dettagli su come i test sono stati effettuati o sono molto diversi da uno studio a altro per renderli veramente riproducibile10, 11. L’obiettivo del lavoro attuale era di introdurre un protocollo per prove meccaniche di campioni femorali che possono essere utilizzati come punto di partenza per uno sforzo per standardizzare il tessuto osseo test che possono essere ripetibili e riproducibili. A tal fine, abbiamo progettato e fabbricato un dispositivo di prova che è stato usato per testare circa 200 femori cadaverici. Il dispositivo di prova inclusa una fixture di fondo e un apparecchio della traversa. L’apparecchio di fondo (Figura 1A-E) detiene il femore a un orientamento desiderato durante la prova e comprende una cella di carico del trocantere e una cella di carico di 6 canali collegato al pozzo femorale. Può ospitare anche tre traduzioni indipendenti per consentire per il posizionamento dell’osso per le prove di frattura. Viene aggiunto un punto di rotazione per imitare l’articolazione del ginocchio. Le parti principali dell’apparecchio inferiore sono composto da pezzi di spessore in acciaio inox e alluminio per rendere un apparecchio molto rigido. Una cella di carico è allegata all’apparecchio nel fondo per misurare le forze di compressione sul grande trocantere durante i test. Il fissaggio della traversa (Figura 2A-2E) comprende due piastre base in alluminio e due cuscinetti a sfera molto rigida scorrevole (legati insieme da una lastra di alluminio), per rappresentare il movimento della testa femorale durante i test e anche per ospitare per destro e sinistro i femori. Una cella di carico tra le misure di fissaggio della traversa le forze di compressione. Una tazza di alluminio collegata alla cella di carico viene utilizzata per applicare i carichi di compressione alla testa femorale. Il nostro metodo è stato usato per i femori sinistro e destro di entrambi i sessi, con varie dimensioni, angoli cervico-diafisario, densità minerale ossea e alle condizioni che imita un laterale di carico caduta sull’anca. Le velocità di test nei nostri esperimenti è sono fissate a 5, 100 e 700 mm/s, ma può essere impostate su qualsiasi valore disponibile sulla macchina di prova. L’apparecchio progettato aveva due componenti principali, uno connesso a traversa di macchina di prova e l’altro collegato al telaio test. Entrambe le parti sono state strumentate con celle di carico sufficiente per misurare la forza e momento condizioni al contorno supporta affatto. Inoltre, due telecamere ad alta velocità sono stati utilizzati per registrare gli eventi di frattura durante il test. Dopo la frattura, analizza una serie di radiografie e la tomografia computerizzata (TC) sono stati ottenuti per le analisi sperimentali frattura post. Risultati ottenuti da questi esperimenti tra cui resistenza alla frattura ed energia attualmente utilizzati per ulteriori ricerche in strumenti diagnostici per eventualmente migliorare la valutazione della resistenza alla frattura prossimale in pazienti osteoporotici.
Protocol
Representative Results
Discussion
Abbiamo proposto un protocollo alla frattura prossimali femori cadaverici di prova in una caduta alla configurazione dell’anca con il quale abbiamo testato con successo circa 200 campioni. Il protocollo comprende diversi apparecchi progettati in-House per forza femorale test sotto diverse condizioni di carico. L’apparecchio permette di testare dei femori di destro e di sinistro alle diverse velocità di test e gli orientamenti dell’osso. Dopo aver montato l’apparecchio e gli strumenti di misura, un femore in fibra di vet…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vorremmo ringraziare i materiali e strutturali Testing Core Facility e divisione di ingegneria presso la Mayo Clinic per il supporto tecnico. Inoltre vorremmo ringraziare Lawrence J. Berglund, James Bronk, Brant Newman, Jorn-den op Buijs, pH.d., per il loro aiuto durante lo studio. Questo studio è stato sostenuto finanziariamente dal fondo innovazione Grainger dalla Fondazione Grainger.
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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