Método y accesorio equipado para pruebas de fractura Femoral en una posición de caída sobre la cadera hacia los lados
Summary
En este manuscrito, presentamos un protocolo de examen cadavérico fémures proximales de la fractura en una caída hacia un lado sobre la cadera configuración utilizando accesorios instrumentados montados sobre un bastidor hidráulico de servo estándar. Nueve señales digitalizadas que comprende las fuerzas, momentos y desplazamientos junto con dos secuencias de vídeo de alta velocidad se adquieren durante la prueba.
Abstract
Ensayos mecánicos de los fémures aporta información valiosa en la comprensión de la contribución de variables medibles clínicamente como distribución de la densidad mineral ósea y la geometría en las propiedades mecánicas femorales. Actualmente, no existe ningún protocolo estándar para la prueba mecánica de tales huesos geométricamente complejos a la medida de fuerza y rigidez. Para hacer frente a este vacío hemos desarrollado un protocolo para probar fémures cadavéricos para fracturar y para medir sus parámetros biomecánicos. Este protocolo describe un conjunto de accesorios adaptables para dar cabida a las diferentes magnitudes de carga y direcciones representan orientaciones posibles del hueso en una caída en la configuración de la cadera, prueba velocidad, tamaño del hueso y las variaciones de la pierna derecha pierna izquierda. Los fémures estaban preparados para la prueba de limpieza, corte, análisis y rellenado el extremo distal y el trocánter mayor en contacto con superficies en poly(methyl methacrylate) (PMMA) que se presenta en un protocolo diferente. Las muestras preparadas se colocaron en el luminario de prueba en una posición que mímico una caída lateral en la cadera y cargadas para fracturar. Durante la prueba, dos carga células midieron las fuerzas verticales aplicación a la cabeza femoral y el trocánter mayor, una célula de carga de seis ejes medidas fuerzas y momentos en el eje femoral distal y un sensor de desplazamiento medición el desplazamiento diferencial entre la trocánter y cabeza del fémur en contacto con soportes. Se utilizaron cámaras de vídeo de alta velocidad síncrono grabar la secuencia de eventos de fractura durante la prueba. La reducción de los datos nos ha permitido caracterizar la fuerza, rigidez, y fractura de energía para casi 200 osteoporosis, osteopenia, e investigación de fémures cadavéricos normales para el desarrollo de herramientas de diagnóstico basadas en la ingeniería para la osteoporosis.
Introduction
Desarrollo de nuevos métodos para la evaluación del riesgo de fractura de fémur y prevención de fracturas por una caída sobre la cadera requieren una comprensión global de los procesos biomecánicos implicados durante la fractura. Prueba de resistencia de fémur proximal cadavérico ha demostrado para ser eficaz en la determinación de la relación entre la fuerza femoral y factores que afectan la capacidad estructural del fémur proporciona penetraciones importantes en este proceso1,2 , 3. fuerza femoral medido experimentalmente también se utiliza para la validación de la base de la tomografía computada cuantitativa análisis por elementos finitos (QCT/FEA) que permite una estimación no invasiva de fractura resistencia4,5, 6,7.
Hasta la fecha, no existe ningún procedimiento estándar aceptada para probar especímenes enteros femorales fractura. Para aislar variables clínico mensurable (por ejemplo, la densidad mineral ósea y la geometría) y su influencia en la fuerza femoral, es imprescindible para las pruebas experimentales a llevarse a cabo de manera controlada y repetible. Cadavéricos fémures tienen formas irregulares y gama en tamaños8 y pueden obtener de cadáveres ya sea masculinos o femeninos de diferentes edades, lo que hace imposible realizar las pruebas utilizando incorporados accesorios de máquinas de ensayo de la norma. En una caída hacia los lados en el evento de cadera, el trocánter mayor se somete a carga a la compresión, mientras que el fémur proximal puede experimentar carga compleja incluida la compresión, tensión, momento de flexión, torsión. Estos escenarios de carga de la prueba agrega complejidad al diseño experimental. Por lo tanto, un accesorio, como un componente importante de lo protocolo de pruebas, debe ser específicamente diseñado, fabricado e instalado para acomodar muestras femorales de diferentes formas y tamaños y diversas velocidades de prueba. Este accesorio debe contener también las muestras para la prueba en una gama de orientaciones deseadas para simular cargas de posible impacto de una caída sobre la cadera. Para satisfacer una variedad de condiciones, la lámpara debe tener múltiples fijas y componentes en movimiento conectan de una manera para minimizar el juego en el sistema y para obtener una respuesta de carga-desplazamiento suave.
Adquisición de datos confiable también es crítico durante la prueba. El diseño experimental debe incorporar las células de carga necesario, transductores de desplazamiento, amplificadores de señal y acondicionadores para exactamente medir fuerzas y momentos apoya en todo. Además, vídeos de alta velocidad de las vistas anteriores y posteriores del fémur obtenido sincrónicamente con la adquisición de fuerzas son necesarias para ayudar a entender la secuencia de acontecimientos que condujeron a la fractura, caracterizar tipos de fractura y precisamente definir fuerza femoral4,9.
Aunque hay valiosos estudios experimentales en la literatura sobre todo fémur pruebas, protocolos publicados carecen de detalles sobre cómo se realizó la prueba o son muy diferentes de un estudio a otro para que verdaderamente sean reproducibles10, 11. El objetivo del presente trabajo fue presentar un protocolo para pruebas mecánicas de muestras femorales que pueden utilizarse como punto de partida de un esfuerzo para normalizar el tejido óseo que puede ser repetible y reproducible de la prueba. Para ello, hemos diseñado y fabricado un accesorio de prueba que se utilizó para probar fémures cadáver cerca de 200. El accesorio de prueba incluye un accesorio de la parte inferior y un soporte de cruceta. El accesorio de la parte inferior (figura 1A-E) mantiene el fémur en una orientación deseada durante la prueba e incluye una célula de carga de trocánter y una célula de carga de 6 canales conectados al eje femoral. También acomoda tres traducciones independientes para permitir la colocación del hueso para la prueba de fractura. Un punto de rotación se agrega a la articulación de la rodilla. Las mayores partes de la armadura inferior se componen de trozos gruesos de acero inoxidable y aluminio para hacer un accesorio muy tieso. Una célula de carga está conectada a la lámpara de la parte inferior para medir fuerzas de compresión sobre el trocánter mayor durante la prueba. La luminaria de la cruceta (figura 2A-2E) incluye dos placas de base de aluminio y dos rodamientos de bolas muy rígida de la diapositiva (Unidos juntos por una placa de aluminio), para tener en cuenta el movimiento de la cabeza femoral durante la prueba y también para dar cabida a para fémures derecho e izquierdos. Una célula de carga había incluido en las medidas de fijación de la cruceta fuerzas de compresión. Una taza de aluminio unida a la célula de carga se utiliza para aplicar las cargas a la compresión a la cabeza femoral. Nuestro método se utilizó para fémures izquierdos y derechos de ambos sexos, con diferentes tamaños, ángulos de eje cuello, densidad mineral ósea y mímico un lado de las condiciones de carga caen sobre la cadera. Las velocidades de prueba en nuestros experimentos se establecieron en 5, 100 y 700 mm/s, pero puede establecer en cualquier valor disponible en la máquina de prueba. El aparato diseñado tenía dos componentes principales, uno conectado a la cruceta de la máquina de prueba y el otro conectado a la estructura de la prueba. Ambas partes fueron instrumentadas con celdas de carga suficientes para medir fuerza y condiciones de límite de momento apoya en todo. Además, se utilizaron dos cámaras de vídeo de alta velocidad para grabar los eventos de fractura durante la prueba. Después de la fractura, se analiza un conjunto de rayos x y tomografía computarizada (TC) se obtuvieron para el análisis de fractura experimental post. Resultados obtenidos de estos experimentos incluyendo fractura fuerza y energía se utilizan actualmente para la investigación adicional en herramientas de diagnóstico para finalmente mejorar la evaluación de la fuerza de fractura proximal en pacientes osteoporóticas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Propusimos un protocolo de fractura probar fémures cadavéricos proximal en una caída sobre la cadera configuración con la que hemos probado con éxito cerca de 200 muestras. El protocolo incluye varios accesorios diseño internos para prueba bajo condiciones de carga distintas de la fuerza femoral. El aparato permite probar fémures derecho e izquierdos a velocidades de prueba diferentes y orientaciones de hueso. Después de montar el aparato y los instrumentos de medida, un fémur de fibra de vidrio es la prueba par…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nos gustaría agradecer a las instalaciones centrales para pruebas estructurales y materiales División de ingeniería de Mayo Clinic por soporte técnico. Además, nos gustaría agradecer a Lorenzo J. Berglund, James Bronk, Brant Newman, den de op de Jorn Buijs, pH.d., por su ayuda durante el estudio. Este estudio fue apoyado financieramente por el fondo de innovación de Grainger de la Fundación 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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