Método e fixação instrumentada para teste de fratura do fêmur em posição de queda sobre--quadril lateral
Summary
Este manuscrito, apresentamos um protocolo para fraturar cadavérico fêmures proximais de teste em uma queda lateral na configuração do quadril, usando luminárias instrumentadas, montadas em um frame hidráulico servo padrão. Nove sinais digitalizados, compreendendo as forças, momentos e deslocamento junto com dois fluxos de vídeo de alta velocidade são adquiridos durante o teste.
Abstract
Teste mecânico dos fêmures traz informações valiosas para a compreensão da contribuição de variáveis mensuráveis clinicamente como distribuição de densidade mineral óssea e da geometria sobre as propriedades mecânicas femorais. Atualmente, não há nenhum protocolo padrão para ensaios mecânicos de tais ossos geometricamente complexos para medida de resistência e rigidez. Para resolver esta lacuna, nós desenvolvemos um protocolo para testar fêmures cadavéricos à fratura e medir seus parâmetros biomecânicos. Este protocolo descreve um conjunto de dispositivos elétricos adaptávelas para acomodar as diversas magnitudes de carga e direções contabilidade para orientações de osso possível em uma queda na configuração do quadril, teste de velocidade, tamanho do osso e variações de perna perna direita esquerda. Os fêmures foram preparados para os testes realizados pela limpeza, corte, digitalização e envasamento a extremidade distal e trocânter maior entre em contato com superfícies em poly(methyl methacrylate) (PMMA) como apresentado em um protocolo diferente. As amostras preparadas foram colocadas no teste do dispositivo elétrico numa posição imitando uma queda lateral no quadril e carregadas para fratura. Durante os testes, duas forças verticais medidas de células de carga aplicada a cabeça do fêmur e trocanter maior, uma célula de carga de seis eixos medidas forças e momentos na diáfise femoral distal e um sensor de deslocamento medido deslocamento diferencial entre o trocanter e cabeça femoral entre em contato com o suporte. Câmeras de vídeo de alta velocidade foram utilizadas para sincronicamente, gravar a sequência de eventos de fratura durante o teste. A redução destes dados nos permitiu caracterizar a força, rigidez e fratura de energia por quase 200 osteoporóticos, osteopênicos, e pesquisa fêmures cadavéricos normais para o desenvolvimento de ferramentas de diagnóstico baseados em engenharia para a osteoporose.
Introduction
Desenvolvimento de novos métodos para avaliação do risco de fratura do fêmur e fratura prevenção para uma queda no quadril requerem uma compreensão abrangente dos processos biomecânicos envolvidos durante a fratura. Teste de força cadavérico fêmur proximal tem provado para ser eficaz em determinar a relação entre a resistência femoral e fatores que afetam a capacidade estrutural do fêmur fornecendo importantes insights neste processo1,2 , 3. resistência femoral medida experimentalmente também é usada para validação de computadorizada quantitativa com base em análise por elementos finitos (FEA/QCT) que permite uma estimativa não-invasiva de fratura força4,5, 6,7.
Até à data, não há nenhum procedimento padrão aceito para testar amostras toda femorais à fratura. Para isolar variáveis mensuráveis clinicamente (tais como a densidade mineral óssea e geometria) e sua influência na resistência femoral, é imperativo para testes a efectuar de forma controlada e repetível. Os fêmures cadavéricos têm formas irregulares e variedade em tamanhos8 e podem ser obtidos de cadáveres ou masculinos ou femininos de idades diferentes, tornando impossível para testar usando o built-in dispositivos elétricos de máquinas de teste de padrão. Em uma queda lateral no evento do quadril, o grande trocanter sofre carga compressiva, enquanto o fêmur proximal pode ocorrer carregamento complexo, incluindo compressão, tensão, flexão e torção momento. Tais cenários de carga de teste adiciona complexidade para o delineamento experimental. Portanto, um acessório, como um componente importante do protocolo do teste, deve ser especificamente projetado, fabricado e instalado para acomodar femorais amostras de diferentes formas e tamanhos e velocidades de testes diferentes. Este dispositivo elétrico também deve manter as amostras para testes em uma gama de orientações desejadas para simular cargas de possível impacto de uma queda no quadril. Para atender uma variedade de condições, o dispositivo elétrico precisa ter múltiplas fixas e mover componentes conectados de forma a minimizar jogar no sistema e obter uma resposta de carga-deslocamento suave.
Aquisição de dados confiáveis também é fundamental durante o teste. O delineamento experimental deve incorporar as células de carga necessário, Transdutores de deslocamento, amplificadores de sinal e condicionadores com precisão de medida de forças e momentos em todos os suporta. Além disso, vídeos de alta velocidade de ambas as vistas anteriores e posteriores do fêmur obtidos sincronicamente com a aquisição de forças são necessários para ajudar a compreender a sequência de eventos que levaram à fratura, caracterizar tipos de fratura e precisamente Defina a resistência femoral4,9.
Embora existam estudos experimentais valiosos na literatura no fêmur inteiro testando, protocolos publicados ou faltam de detalhes sobre como o teste foi executado ou são muito diferentes de um estudo para outro tornar verdadeiramente lhes reprodutíveis10, 11. O objetivo do atual trabalho foi apresentar um protocolo para ensaio mecânico de amostras femorais que podem ser usadas como ponto de partida para um esforço para padronizar testes que podem ser repetíveis e reprodutíveis de tecido ósseo. Para este fim, nós projetado e fabricado um teste dispositivo elétrico que foi usado para testar a cerca de 200 fêmures cadavéricos. O dispositivo de teste elétrico incluído um dispositivo elétrico inferior e um dispositivo elétrico do crosshead. A fixação inferior (figura 1A-E) detém o fêmur em uma orientação desejada durante o teste e inclui uma célula de carga do trocanter e uma célula de carga de 6 canais ligados à diáfise femoral. Também acomoda três traduções independentes para permitir o posicionamento do osso para o ensaio de fratura. Um ponto de rotação é adicionado para imitar a articulação do joelho. As partes principais da fixação do fundo eram constituídas por pedaços grossos de aço inoxidável e alumínio tornar-se um dispositivo elétrico muito duro. Uma célula de carga é anexada para a fixação do fundo para medir forças compressivas sobre o grande trocanter durante o teste. A fixação do crosshead (Figura 2A-2E) inclui duas placas de base de alumínio e dois rolamentos de esferas de slides muito dura (conectados juntos por uma placa de alumínio), para dar conta do movimento da cabeça do fêmur durante o teste e, também, para acomodar para os fêmures esquerdos e direito. Uma célula de carga abrangidos pelas medidas de fixação do crosshead forças compressivas. Um copo de alumínio ligado à célula de carga é usado para aplicar as cargas compressivas na cabeça femoral. Nosso método foi usado para os fêmures esquerdos e direito de ambos os sexos, com vários tamanhos, ângulos cervicodiafisário, densidade mineral óssea e condições imitando um lateral de carga cair sobre as ancas. As velocidades de testes em nossos experimentos foram definidas 5, 100 e 700 mm/s, mas podem ser definidos como qualquer valor disponível na máquina de teste. O dispositivo elétrico projetado tinha dois componentes principais, um ligado ao crosshead da máquina de teste e outro ligado ao quadro de teste. Ambas as partes foram instrumentadas com células de carga suficientes para medir a força e as condições de contorno de momento em tudo suporta. Além disso, duas câmeras de vídeo de alta velocidade foram usadas para registrar os eventos de fratura durante o teste. Após fratura, examina um conjunto de raios-x e tomografia computadorizada (CT) foram obtidos para as análises de fratura experimental do post. Resultados obtidos nestes experimentos incluindo fratura força e energia são atualmente utilizados para pesquisas adicionais em ferramentas de diagnóstico para eventualmente melhorar a avaliação da força de fratura proximal em pacientes osteoporóticos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Propusemos um protocolo para fraturar testar os fêmures cadavéricos proximais em uma queda na configuração do quadril, com o qual nós testamos com sucesso cerca de 200 amostras. O protocolo inclui vários dispositivos elétricos projetados in-house para resistência femoral testes sob condições de carregamento diferentes. O dispositivo elétrico permite testes dos fêmures esquerdos e direito em diferentes velocidades de testes e orientações para o osso. Depois de montar o dispositivo elétrico e os instrumentos…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gostaríamos de agradecer aos materiais e facilidade do núcleo testes estruturais e divisão de engenharia da clínica Mayo para suporte técnico. Além disso, gostaríamos de agradecer a Lawrence J. Berglund, James Bronk, Brant Newman, antro de op de Jorn Buijs, pH.d., por sua ajuda durante o estudo. Este estudo foi suportado financeiramente pelo fundo de inovação Grainger da Fundação 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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