Metoden og instrumenterte festeanordningen for femur fraktur Testing i sidelengs Fall-på-den-Hip posisjon
Summary
I dette manuskriptet presenterer vi en protokoll for brudd test cadaveric proksimale femora en sidelengs høsten på hip konfigurasjonen bruker instrumenterte inventar montert på en standard servo hydraulisk ramme. Ni digitaliserte signaler bestående av styrker og øyeblikk forskyvning sammen med to høyhastighets videostreamer er ervervet under testing.
Abstract
Mekanisk testing av femora gir verdifull innsikt i forståelsen bidrag av klinisk measureable variabler som Ben mineral tetthet distribusjon og geometri femur mekaniske egenskaper. Foreløpig er det ingen standard protokoll for mekanisk testing av slike geometrisk komplekse bein å måle styrke og stivhet. Vi har utviklet en protokoll for å teste cadaveric femora brudd og måle deres biomekaniske parametere for å dekke dette gapet. Denne protokollen beskriver en rekke tilpasningsdyktig kamper å imøtekomme de ulike Last størrelser og retninger regnskap for mulig bein orientering i et fall på hip konfigurasjonen, test hastighet, bein størrelse og venstre ben høyre ben varianter. Femora var forberedt for testing av rengjøring, skjæring, skanning og potting den klubbeformede enden og større trochanter kontakt flater i poly(methyl methacrylate) (PMMA) som presentert i en annen protokoll. Den forberedt prøver ble plassert i testing kampen i posisjon mimicking sidelengs fall på hip og lagt til brudd. Under testing to load cellene målt loddrett krefter brukt til femur hodet og større trochanter, en seks-aksen Last celle målt styrker og øyeblikk i distale femur akselen og en bevegelse sensor målt differensial forskyvning mellom de femoral hodet og trochanter kontakt støtter. Høyhastighets videokameraer ble brukt synkront registrere brudd hendelsesforløpet under testing. Reduksjon av disse dataene tillatt oss å karakterisere styrken, stivhet, og brudd energi for nesten 200 osteoporotic, osteopenic, og normalt cadaveric femora for videre utvikling av engineering-baserte diagnoseverktøy for osteoporose forskning.
Introduction
Utvikling av nye metoder for femur fraktur risikovurdering og brudd forebygging for et fall på hoften krever en omfattende forståelse av biomekaniske prosessene under brudd. Cadaveric proksimale femur styrke testing har vist seg for å være effektive i å bestemme forholdet mellom femur styrke og faktorer som påvirker strukturelle kapasiteten til femur gi viktig innsikt i denne prosessen1,2 , 3. eksperimentelt målt femur styrke brukes også for validering av kvantitative beregnet tomografi-baserte endelig Element Analysis (QCT/FEA) som gjør en ikke-invasiv anslag av brudd styrke4,5, 6,7.
Dato er det ingen akseptert standard prosedyre å teste hele femur prøver å brudd. For å isolere klinisk measureable variabler (som beinmineraltetthet og geometri) og deres innflytelse på femur styrke, er det viktig for eksperimentelle tester utføres i en kontrollert og repeterbare måte. Cadaveric femora har uregelmessige former og område i størrelser8 og kan fås fra enten mann eller kvinne levningene i ulike aldre, gjør det umulig å teste ved hjelp av innebygde inventar av standard testing maskiner. En sidelengs høsten på hip hendelsen gjennomgår den større trochanter kompresjons lasting, mens proksimale femur kan oppleve komplekse lasting inkludert komprimering, spenning, bøying øyeblikk, og torsion. Testing slike lasting scenarier legger kompleksiteten til eksperimentell design. Derfor må fast inventar, som en viktig del av testing-protokollen, være spesielt utformet fabrikkert og installert til femur prøver av forskjellige former og størrelser, og ulike tester hastigheter. Denne lampen må også holde prøvene for testing i en rekke ønsket orientering simulere mulige konsekvensene laster fra et fall på hoften. For å møte slik en rekke forhold, kampen må ha flere stasjonære og flytte komponenter koblet på en måte å minimere spille i systemet og få en jevn belastning-forskyvning respons.
Pålitelig datainnsamling er også kritisk under testing. Eksperimentell design må innlemme den nødvendige veieceller, forskyvning transduktorer, signal forsterkere og balsam for nøyaktig mål styrker og øyeblikk hele støtter. I tillegg høyhastighets videoer av både fremre og bakre visninger av femur hentes synkront med oppkjøpet av styrker er nødvendig å forstå rekkefølgen av hendelser som fører til brudd, karakteriserer brudd typer, og nøyaktig definere femur styrke4,9.
Mens det er verdifulle eksperimentelle studier i litteraturen på hele femur testing, publiserte protokoller mangler detaljer om hvordan testing ble utført eller er svært forskjellige fra en studie til en annen å virkelig gjøre dem reproduserbar10, 11. Målet med arbeidet var å innføre en protokoll for mekanisk testing av femur prøver som kan brukes som utgangspunkt for et forsøk på å standardisere benvev tester som kan gjentas og reproduserbar. Dette vi designet og fabrikkert et testing innslag som ble brukt til å teste ca 200 cadaveric femora. Testing kampen inkludert en bunnen innslag og et crosshead innslag. Bunnen kampen (figur 1A-E) holder femur på en ønsket retning under testing og inkluderer en trochanter Last celle og en 6-kanals Last celle koblet til femur akselen. Den rommer også tre uavhengige oversettelser å tillate for plassering av benet for brudd testing. En rotasjon peker legges for å etterligne kneleddet. Størstedelen av bunnen kampen var laget av tykk stykker av rustfritt stål og aluminium å gjøre en veldig stiv feste. En belastning celle er festet til bunnen lampen å måle kompresjons styrker på de større trochanter under testing. Crosshead lampen (figur 2A-2E) inneholder to aluminium base plater og to veldig stiv lysbildet kulelager (knyttet sammen av en aluminiumsplate), konto for flytting av femur hodet under testing og også til å betjene for høyre og venstre femora. En belastning celle blant tiltakene som crosshead innslag kompresjons styrker. En aluminium cup knyttet til Last cellen brukes til å angi kompresjons laster til femur hodet. Vår metode ble brukt til venstre og høyre femora av begge kjønn, med ulike størrelser, halsen-aksel vinkler, beinmineraltetthet og legge forholdene etterligne en sidelengs faller på hoften. Teste hastigheten i vårt forsøk ble satt til 5, 100 og 700 mm/s, men de kan settes til en verdi på prøvingen apparat. Designet kampen hadde to hovedkomponenter, en koblet til crosshead av prøvingen apparat og den andre koblet til testing rammen. Begge deler ble instrumentert med veieceller tilstrekkelig til å måle styrke og øyeblikk betingelser hele støtter. I tillegg ble to høyhastighets videokameraer brukt til å registrere brudd hendelser under testing. Etter brudd, et sett med x-stråler og beregnet tomografi (CT) skanner ble innhentet for innlegget eksperimentelle brudd analyser. Resultatene fra disse eksperimentene inkludert brudd styrke og energi brukes nå for ytterligere forskning i diagnoseverktøy til slutt forbedre vurdering av proksimale brudd styrke i osteoporotic pasienter.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi foreslått en protokoll til brudd teste proksimale cadaveric femora i et fall på hip konfigurasjonen som vi har testet ca 200 prøver. Protokollen inneholder flere interne designet inventar for femur styrke testing under forskjellige lessing vilkårene. Kampen lar for testing av både høyre- og femora i ulike tester hastigheter og bein orientering. Etter montering kampen og måleinstrumenter, testes en glassfiber femur for brudd for å sikre at alle maskinvare- og verktøy er riktig tilkoblet, arbeider synkront, og …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vil gjerne takke materialer og strukturelle Testing Core anlegget og Division of Engineering ved Mayo Clinic kundestøtte. I tillegg vil vi gjerne takke Lawrence J. Berglund, James Bronk, Brant Newman, Jorn op den Buijs, Ph.D., for deres hjelp i løpet av studiet. Denne studien ble økonomisk støttet av Grainger Innovation fondet fra Grainger Foundation.
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
- Bouxsein, M. L., Szulc, P., Munoz, F., Thrall, E., Sornay-Rendu, E., Delmas, P. D. Contribution of trochanteric soft tissues to fall force estimates, the factor of risk, and prediction of hip fracture risk. J Bone Miner Res. 22, 825-831 (2007).
- Rezaei, A., Dragomir-Daescu, D. Femoral Strength Changes Faster With Age Than BMD in Both Women and Men: A Biomechanical Study. J Bone Miner Res. 30, 2200-2206 (2015).
- Zani, L., Erani, P., Grassi, L., Taddei, F., Cristofolini, L. Strain distribution in the proximal Human femur during in vitro simulated sideways fall. J Biomech. 48, 2130-2143 (2015).
- Dragomir-Daescu, D., et al. Robust QCT/FEA models of proximal femur stiffness and fracture load during a sideways fall on the hip. Ann Biomed Eng. 39, 742-755 (2011).
- Schileo, E., Balistreri, L., Grassi, L., Cristofolini, L., Taddei, F. To what extent can linear finite element models of human femora predict failure under stance and fall loading configurations?. J Biomech. 47, 3531-3538 (2014).
- Koivumaki, J. E., et al. Ct-based finite element models can be used to estimate experimentally measured failure loads in the proximal femur. Bone. 50, 824-829 (2012).
- Pottecher, P., et al. Prediction of Hip Failure Load: In Vitro Study of 80 Femurs Using Three Imaging Methods and Finite Element Models—The European Fracture Study (EFFECT). Radiology. , 142796 (2016).
- Rivadeneira, F., et al. Femoral neck BMD is a strong predictor of hip fracture susceptibility in elderly men and women because it detects cortical bone instability: the Rotterdam Study. J Bone Miner Res. 22, 1781-1790 (2007).
- de Bakker, P. M., Manske, S. L., Ebacher, V., Oxland, T. R., Cripton, P. A., Guy, P. During sideways falls proximal femur fractures initiate in the superolateral cortex: evidence from high-speed video of simulated fractures. J Biomech. 42, 1917-1925 (2009).
- Courtney, A. C., Wachtel, E. F., Myers, E. R., Hayes, W. C. Age-related reductions in the strength of the femur tested in a fall-loading configuration. J Bone Joint Surg Am. 77, 387-395 (1995).
- Cheng, X. G., et al. Assessment of the strength of proximal femur in vitro: relationship to femoral bone mineral density and femoral. Bone. 20, 213-218 (1997).
- Courtney, A. C., Wachtel, E. F., Myers, E. R., Hayes, W. C. Effects of loading rate on strength of the proximal femur. Calcif Tissue Int. 55, 53-58 (1994).
- Keyak, J., Rossi, S., Jones, K., Les, C., Skinner, H. Prediction of fracture location in the proximal femur using finite element models. Medical engineering & physics. 23, 657-664 (2001).
- Nishiyama, K. K., Gilchrist, S., Guy, P., Cripton, P., Boyd, S. K. Proximal femur bone strength estimated by a computationally fast finite element analysis in a sideways fall configuration. J Biomech. 46, 1231-1236 (2013).
- Langton, C. M., Njeh, C. F. . The physical measurement of bone. , (2016).
- Ariza, O., et al. Comparison of explicit finite element and mechanical simulation of the proximal femur during dynamic drop-tower testing. J Biomech. 48, 224-232 (2015).
