Метод и инструментированный приборов для тестирования бедренной кости перелом в сторону падения на хип позиции
Summary
В этой рукописи мы представляем протокол к разрушению тест трупной проксимального отдела бедра в сторону падения на хип конфигурации, с помощью инструментированный светильники, монтируемое на раме гидравлическая стандартных сервопривода. Девять оцифрованных сигналов, состоящий из сил, моменты и перемещение вместе с двух видеопотоков высокой скорости приобретаются во время тестирования.
Abstract
Механические испытания бедрах приносит ценную информацию в понимании вклада клинически измеряемом переменных, таких как распределение минеральной плотности костной ткани и геометрии на бедренной механические свойства. В настоящее время не существует стандартного протокола для механических испытаний такие геометрически сложные костей для измерения прочности и жесткости. Чтобы устранить этот пробел мы разработали протокол для тестирования трупной бедро перелома и измерить их биомеханические параметры. Этот протокол описывает набор адаптируемых светильников для размещения различных величин нагрузки и направления учета возможных кости ориентации осенью на хип конфигурации, протестировать скорость, размер костей и вариации левой ноги правой ноги. Бедра были подготовлены для тестирования, очистка, резка, сканирование и заливки дистального конца и более вертела контакт поверхностей в poly(methyl methacrylate) (ПММА), представленные в другой протокол. Подготовлены образцы были помещены в испытательной арматуре в позиции, подражая боком падения на бедра и загружены для разрушения. Во время тестирования, две нагрузки клетки измеренных вертикальных сил применяется к головки бедренной кости и больше вертела, шесть оси тензодатчик силы измеряемой и моментов на валу дистальной бедренной кости и датчик перемещения измеряется дифференциального перемещения между головки бедренной кости и вертела контакт подставки. Высокоскоростные видеокамеры были использованы синхронно записать последовательность событий, перелом во время тестирования. Сокращение этих данных позволил нам характеризуют прочность, жесткость и перелом энергии для почти 200 остеопорозом, osteopenic, и нормальной трупной бедра для дальнейшего развития на основе инженерных средств диагностики остеопороза исследований.
Introduction
Разработка новых методов оценки риска переломов бедренной кости и предотвращения разрушения для падения на бедре требуют всеобъемлющего понимания биомеханические процессы во время разрушения. Испытания прочности трупной проксимального отдела бедренной кости оказался эффективным при определении связи между бедренной силы и факторы, влияющие на структурных способность бедра, предоставляя важную информацию в этот процесс1,2 , 3. экспериментально измеренная бедренной сила используется также для проверки на основе количественных компьютерная томография анализа методом конечных элементов (QCT/FEA) который позволяет неинвазивная Оценка перелом прочности4,5, 6,7.
На сегодняшний день, существует не признанных стандартная процедура для проверки всей бедренной образцов для разрушения. Чтобы изолировать клинически измеряемом переменных (например, минеральной плотности костной ткани и геометрии) и их влияние на бедренной прочность, важно для экспериментального тестирования осуществляться образом контролируемый и повторяемости. Трупной бедрах имеют неправильной формы и диапазон размеров8 и могут быть получены от мужского или женского пола трупов разных возрастов, что делает невозможным проверить с помощью встроенных светильников стандарт испытаний машин. В сторону падения на бедра событий больше вертела подвергается сжимающей нагрузки, в то время как проксимального отдела бедренной кости могут возникнуть сложные загрузки, включая сжатие, напряженность, изгиб момент и кручения. Такие сценарии загрузки тестирования добавляет сложности к экспериментальный дизайн. Таким образом арматуре, как один из важных компонентов тестирования протокола, должны быть специально разработаны, изготовлены и установлены для размещения бедренной образцы различных форм и размеров и различные тестирования скорости. Этот прибор необходимо также провести образцы для испытаний в диапазоне желаемой ориентации для имитации возможного воздействия нагрузок от падения на бедра. Для удовлетворения такого разнообразия условий, прибор необходимо иметь несколько стационарных и перемещение компонентов подключен к минимуму играть в системе и получить ответ гладкой водоизмещение.
Получение надежных данных важно также во время тестирования. Экспериментальный дизайн должен включать необходимые тензодатчики, преобразователи перемещений, сигналов усилители и кондиционеры для точного измерения силы и моменты на всех поддерживает. Кроме того, высокая скорость видео передний и задний вид бедренной кости, полученные синхронно с приобретением сил необходимо помочь понять последовательность событий, ведущих к разрушению, характеризовать типы переломов, точно и Определите бедренной прочности4,9.
Хотя есть ценные экспериментальные исследования в литературе на тестирование всего бедра, опубликованные протоколы отсутствуют сведения о как тестирование было выполнено или очень отличаются от одного исследования, в другой, чтобы действительно сделать их воспроизводимость10, 11. Целью текущей работы было представить протокол для механических испытаний бедренной образцов, которые могут использоваться в качестве отправной точки для усилий стандартизировать костной ткани, тестирование, которое может быть повторяемости и воспроизводимости. С этой целью мы разработаны и изготовлены Испытательная арматура, который был использован для тестирования около 200 трупной бедра. Испытательная арматура для испытаний включали нижней арматуры и крейцкопфа. Внизу прибора (рис. 1A-E) проводит бедренной кости в желаемой ориентации во время тестирования и включает в себя датчик нагрузки вертела и 6-канальный тензодатчика, подключенных к валу бедренной. Он также вмещает три независимых переводы для позиционирования для тестирования перелом кости. Вращение точка добавляется для имитации коленного сустава. Основные части нижней арматуры состоят из толстые куски из нержавеющей стали и алюминия, чтобы сделать очень жесткой приборов. Тензодатчик прикреплена к нижней приборов для измерения сжимающей силы на более вертела во время тестирования. Крейцкопф приспособление (рисунок 2A-2E) включает в себя два алюминиевых опорные плиты и два очень жесткой слайд шариковых подшипников (прилагается вместе с алюминиевой пластины), для учета движения головки бедренной кости во время тестирования, а также для размещения для правого и левого бедра. Тензодатчик включены в меры приспособление крейцкопфа сжимающей силы. Кубок алюминия придает динамометр используется для применения сжимающей нагрузки к головки бедренной кости. Наш метод был использован для левого и правого бедра обоих полов, с различными размерами, шеи вал углы, минеральной плотности костной ткани и условия, подражая боком нагрузки приходятся на бедра. Тестирование скорости в наших экспериментах были установлены на 5, 100 и 700 мм/сек, но они может быть присвоено любое значение, доступных для тестирования компьютера. Дизайн светильника имел два основных компонентов, подключенных к крейцкопфа испытательная машина и подключен к испытательной раме. Обе части были инструментированы с Тензодатчики достаточными для измерения силы и момента граничные условия на всех поддерживает. Кроме того были использованы два высокоскоростных видеокамер для записи событий перелом во время тестирования. После разрушения, сканирует набор рентгеновских лучей и компьютерная томография (КТ) были получены для анализа экспериментальных перелом поста. Результаты, полученные от этих экспериментов, включая прочность на излом и энергии в настоящее время используются для дополнительных исследований в диагностических инструментов в конечном итоге улучшить оценки прочности проксимальных переломов у больных остеопорозом.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы предложили протокол к разрушению тест проксимального отдела бедра трупной осенью на хип конфигурации, с которой мы успешно протестировали около 200 образцов. Протокол включает в себя несколько собственных оформленные Светильники для бедренной прочности, испытания в условиях различ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы хотели бы поблагодарить материалы и Фонда основной структурной тестирования и Отдел инженерных в клинике Майо для технической поддержки. В дополнение мы хотели бы поблагодарить Лоуренс J. Берглунд, Джеймс Bronk, Брант Ньюман, Йорн ОП ден Buijs, Ph.D., за их помощь в ходе исследования. Это исследование финансово поддержали Грейнджер инновационный фонд от Grainger фонда.
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).
