Yöntemi ve femur kırığı bir yana sonbahar üzerinde Hip konumda sınama Araçlı fikstür
Summary
Bu makale, biz bir yana Güz Araçlı armatürleri bir standart servo hidrolik çerçeve monte kullanarak kalça yapılandırmasına test kadavra proksimal femora kırık için bir protokol mevcut. Dokuz sayısallaştırılmış sinyal güçleri, anlar ve deplasman iki yüksek hızda video akışları ile birlikte oluşan test sırasında elde edilir.
Abstract
Mekanik femora test kemik mineral yoğunluğu dağıtım ve geometri femur mekanik özellikleri gibi klinik olarak ölçülebilir değişkenler katkısını anlayış içine değerli bakış açısı getiriyor. Şu anda, mekanik ölçü birimi güç ve sertlik için geometrik olarak karmaşık tür bones of test için standart bir protokol yoktur. Bu boşluğu adrese kadavra femora kırık ve biyomekanik parametrelerini ölçmek için test etmek için bir protokol geliştirdik. Bu iletişim kuralı çeşitli yük büyüklükleri ve olası kemik yönleri için düşerek kalça yapılandırmasına göre muhasebe yön sağlamak, hız, kemik boyutu ve sol bacak sağ bacak varyasyonları test için uyarlanabilir armatürleri kümesi açıklar. Femora temizleyerek test etmek için hazırlanmıştır, kesme, tarama ve distal uç ve büyük trochanter Çömlekçilik poly(methyl methacrylate) (PMMA) yüzeyler olarak farklı bir protokol sunulan başvurun. Hazırlanan numune test fikstür kalça yana doğru bir düşme taklit eden bir pozisyonda yerleştirilir ve kırık için yüklendi. Test sırasında iki yük ölçülen hücreleri dikey güç femur başı ve büyük trochanter, 6 eksenli yük hücresi için ölçülen Kuvvetleri uygulanan ve distal femur şaft ve bir deplasman sensör anlarda ölçülen arasındaki farklı deplasman femur başı ve trochanter destekler başvurun. Yüksek hızlı kameralar kırık olayların sırasını test sırasında zaman uyumlu olarak kaydetmek için kullanılmıştır. Normal kadavra femora mühendislik tabanlı tanı araçları osteoporoz için daha da geliştirilmesi için araştırma ve bu verilerin azaltma gücü, sertlik, karakterize ve enerji için yaklaşık 200 Osteoporotik, osteopenic, kırık için bize izin verdi.
Introduction
Femur kırığı risk değerlendirmesi için yeni yöntemler ve kırık önlenmesi için bir düşüş kalça biyomekanik süreçlerle kırık sırasında ilgili kapsamlı bir anlayış gerektirir. Kadavra proksimal femur gücü test femur gücü ve bu süreç1,2 önemli bilgiler sağlayan uyluk yapısal kapasitesini etkileyen faktörler arasındaki ilişkinin belirlenmesinde etkili olduğu kanıtlanmıştır , 3. deneysel olarak ölçülen femur gücü de kantitatif bilgisayarlı tomografi tabanlı Sonlu elemanlar kırık gücü4,5, non-invaziv bir tahmin sağlayan analizi (QCT/FEA) doğrulamak için kullanılan 6,7.
Bugüne kadar bu kırık için tüm femur örnekleri test etmek için kabul edilen standart bir işlemdir. Klinik olarak ölçülebilir değişkenler (örneğin, kemik mineral yoğunluğu ve geometri) ve femur gücü onların etkisi izole etmek için bu kontrollü ve yinelenebilir bir şekilde gerçekleştirilebilmesi için deneysel test etmek için zorunludur. Kadavra femora düzensiz şekiller ve aralığı boyutları8 ‘ de ve standart test cihazları yerleşik armatürleri kullanarak test etmek imkansız hale ya erkek ya da kadın kadavra farklı yaştan elde edilebilir. Kalça olay bir yana sonbaharda büyük trochanter proksimal femur sıkıştırma, gerginlik, an ve burulma bükme dahil olmak üzere karmaşık yükleme karşılaşabilirsiniz ise basınç yükleme uğrar. Bu tür yükleme senaryoları sınamanız için deneysel tasarım karmaşıklık ekler. Bu nedenle, test protokolünün bir önemli bileşeni olarak bir fikstür gerekir özel olarak tasarlanmış, fabrikasyon ve femur örnekleri farklı şekil ve boyutlarda ve farklı test hızları karşılamak için yüklü. Bu fikstür da bir dizi olası etkilere yük kalça bir düşüşün benzetimi yapmak için istenen yönelimleri test etmek için numuneler tutmak gerekir. Gibi çeşitli koşulları karşılamak için fikstür birden çok sabit olması gerekir ve bileşenleri taşıma bağlı bir şekilde sistemde oyun en aza indirmek için ve düzgün yük-deplasman yanıt elde etmek için.
Güvenilir veri elde etme de test sırasında önemlidir. Deneysel tasarım dahil gerekir gerekli yük hücreleri, deplasman güç çeviriciler, sinyal amplifikatörler ve hiç klimalar doğru ölçü kuvvetler ve anlar destekler. Ayrıca, yüksek hızlı videolar zaman uyumlu olarak Kuvvetleri satın alma ile elde edilen uyluk anterior ve posteiror görüşlerini önde gelen kırık, kırık türleri, karakterize etmek için olaylar dizisi anlamanıza yardımcı olmak için gerekli olan ve hassas femur gücü4,9tanımlayın.
Olmakla birlikte değerli deneysel çalışmalar literatürde bütün uyluk test, yayımlanmış protokolleri test nasıl gerçekleştirildiği hakkında ayrıntılı bilgi eksikliği veya başka gerçekten onları tekrarlanabilir10yapmak için bir çalışmada çok farklıdır, 11. Mekanik tekrarlanabilir ve tekrarlanabilir olabilen test kemik dokusu standardize etmek için bir çaba için başlangıç noktası olarak kullanılabilir femur örnekleri test etmek için bir protokol tanıtmak için mevcut iş amacı oldu. Bu amaçla tasarlanmış ve yaklaşık 200 kadavra femora test etmek için kullanılan bir test fikstür fabrikasyon. Test fikstür bir alt fikstür ve bir crosshead fikstür dahil. Alt fikstür (şekil 1A-E) sınama sırasında istenen bir yönelim, femur tutar ve trochanter yük hücresi ve femur şaft bağlı bir 6-kanal yük hücresi içerir. Aynı zamanda kemiğin kırık testi için konumlandırma için izin vermek için üç bağımsız çevirileri barındırır. Döndürme noktasının diz eklemi taklit etmek için eklenir. Alt fikstür ana kısımları paslanmaz çelik ve alüminyum kalın parçalar çok sert bir fikstür yapmak kadar yapılmış. Yük hücresi test sırasında büyük trochanter üzerinde basınç Kuvvetleri ölçmek için alt fikstür bağlı olduğu. Crosshead fikstür (şekil 2A-2E) iki alüminyum taban plakaları ve iki çok sert slayt Bilya yatakları (birlikte bir alüminyum plaka, test sırasında femur başı hareketi için hesap ve karşılamak için bağlı) içerir sağ ve sol femora için. Yük hücresi crosshead fikstür çalışmalarında basınç kuvvetler dahil. Yük iliştirilmiş bir alüminyum Kupası basınç yükleri femur başı uygulamak için kullanılır. Bizim yöntemi çeşitli boyutlarıyla her iki cinsiyette sol ve sağ femora için kullanıldı, boyun-Milli görüş açıları, kemik mineral yoğunluğu ve bir yana doğru taklit koşulları yükleme kalça üzerine düşmek. Bizim deneylerde test hızları 5, 100 ve 700 mm/s ayarlanmış, ancak test makinede kullanılabilir herhangi bir değer ayarlanabilir. Tasarlanmış fikstür iki ana bileşenleri, test makine crosshead için bağlı ve diğer test çerçevesine bağlı vardı. Her iki kuvvet ölçmek için yeterli yük hücreleri ile Enstrümante edildi ve her an sınır koşulları destekler. Ayrıca, iki yüksek hızlı video kamera test sırasında kırık olayları kaydetmek için kullanılmıştır. Kırık sonra x-ışınları ve Bilgisayarlı Tomografi (CT) bir dizi tarar sonrası deneysel kırık analizleri için elde edilmiştir. Sonuçları kırık güç de dahil olmak üzere bu deneylerden elde edilen ve enerji şu anda ek tanılama araçlarını araştırmaları sonunda proksimal kırık gücü Osteoporotik hastalarda değerlendirilmesi geliştirmek için kullanılır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Biz kırık bir protokol ile başarılı bir şekilde yaklaşık 200 örnekleri test ettik kalça yapılandırmasına bir sonbaharda proksimal kadavra femora test önerdi. Protokol femur gücü farklı yükleme koşullar altında test için birkaç şirket içinde tasarlanmış armatürleri içerir. Fikstür farklı test hızları ve kemik yönelimleri sağ ve sol femora in test etmek için izin verir. Fikstür ve ölçme aletleri takma sonra fiberglas uyluk kemiği ise zaman uyumlu olarak çalışan tüm donanım ve yaz…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Malzeme ve yapısal test çekirdek tesis ve mühendislik bölümü Mayo kliniğinde, teknik destek için teşekkür etmek istiyorum. Ayrıca Lawrence J. Berglund, James Bronk, Brant Newman, Jorn op den Buijs, Ph.D., çalışma sırasında onların yardım için teşekkür etmek istiyorum. Bu çalışmada mali Grainger Yenilik fonundan Grainger Vakfı tarafından desteklenmiştir.
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).
