Summary

تصوير آلية الفشل المجهري في الورك البشري

Published: September 29, 2023
doi:

Summary

يتيح البروتوكول قياس تشوه البنية المجهرية للعظام في عظم الفخذ البشري القريب بأكمله وصلابته من خلال الجمع بين التصوير المقطعي المحوسب الدقيق كبير الحجم ، ومرحلة الضغط المخصصة ، وأدوات معالجة الصور المتقدمة.

Abstract

يسمح تصوير البنية المجهرية للعظام تحت الأحمال المتزايدة تدريجيا بمراقبة سلوك الفشل المجهري للعظام. هنا ، نصف بروتوكولا للحصول على سلسلة من الصور المجهرية ثلاثية الأبعاد لعظم الفخذ القريب بأكمله تحت تشوه متزايد تدريجيا ، مما يتسبب في كسور ذات صلة سريريا في عنق الفخذ. تم إثبات البروتوكول باستخدام أربعة عظم الفخذ من متبرعات تتراوح أعمارهن بين 66 و 80 عاما في الطرف الأدنى من كثافة المعادن في العظام لدى السكان (نطاق درجة T = -2.09 إلى -4.75). تم تصميم مرحلة ضغط شفافة لاسلكية لتحميل العينات التي تكرر وضع ساق واحدة ، أثناء تسجيل الحمل المطبق أثناء التصوير المقطعي المحوسب الدقيق (micro-CT). كان مجال الرؤية بعرض 146 مم وارتفاع 132 مم ، وكان حجم البكسل الخواص 0.03 مم. استندت زيادة القوة إلى تنبؤات العناصر المحدودة لحمل الكسر. تم استخدام مرحلة الانضغاط لتطبيق الإزاحة على العينة وسن زيادات القوة المقررة. حدثت كسور تحت رأس المال بسبب فتح وقص عنق الفخذ بعد أربع إلى خمس زيادات في الحمل. تمت معالجة صور التصوير المقطعي المحوسب الدقيق وقياسات قوة رد الفعل لدراسة إجهاد العظام وقدرة امتصاص الطاقة. ظهر عدم استقرار القشرة في خطوات التحميل المبكرة. أظهر العظم تحت الغضروفي في رأس الفخذ تشوهات كبيرة تصل إلى 16٪ قبل الكسر ، وزيادة تدريجية في قدرة الدعم حتى الكسر. زادت طاقة التشوه خطيا مع الإزاحة حتى الكسر ، بينما انخفضت الصلابة إلى قيم قريبة من الصفر مباشرة قبل الكسر. تم أخذ ثلاثة أرباع طاقة الكسر بواسطة العينة خلال زيادة القوة النهائية بنسبة 25٪. في الختام ، كشف البروتوكول الذي تم تطويره عن قدرة ملحوظة على امتصاص الطاقة ، أو تحمل الضرر ، وتفاعل تآزري بين العظم القشري والتربيقي في سن مانحة متقدمة.

Introduction

تشكل كسور عنق الفخذ عبئا كبيرا على شيخوخة السكان. يسمح التصوير المقطعي المحوسب الدقيق (micro-CT) والاختبار الميكانيكي المصاحب لمراقبة البنية المجهرية للعظام ودراسة علاقتها بقوة العظام وتغيراتها المرتبطة بالعمر والنزوح تحت الحمل 1,2. ومع ذلك ، حتى وقت قريب ، اقتصرت دراسات التصوير المقطعي المحوسب الدقيق للعظام تحت الحمل على نوى العظامالمستأصلة 3 ، الصغيرة4 ، ووحدات العمود الفقري البشري5. يمكن للبروتوكول الحالي تحديد إزاحة البنية المجهرية لعظم الفخذ البشري القريب بأكمله تحت الحمل وبعد الكسر.

تم إجراء العديد من الدراسات للتحقيق في فشل عظم الفخذ البشري ، وفي بعض الأحيان ، توصلت هذه الدراسات إلى استنتاجات متناقضة. على سبيل المثال ، يعتقد أن الترقق المرتبط بالعمر للهياكل القشرية والتربيقية يحدد القابلية المرتبطة بالعمر للكسر عن طريق التسبب في عدم استقرار مرن للعظم6,7 ، وهو ما يتناقض بشكل واضح مع المعامل العالي لتحديد الإجهاد القشري وتنبؤات قوة الفخذ بافتراض عدم وجود عدم استقرار مرن (R2 = 0.80-0.97)8,9. ومع ذلك ، فقد قللت هذه الدراسات بشكل منهجي من قوة الفخذ (بنسبة 21٪ -29٪) ، مما أثار تساؤلات حول استجابات العظام الهشة وشبه الهشة المطبقة في النماذج 8,10. قد يكمن أحد التفسيرات المحتملة لهذه النتائج المتناقضة على ما يبدو في سلوك كسر مختلف لعظام كاملة مقارنة بنوى العظام المعزولة. لذلك ، فإن مراقبة استجابات التشوه والكسر للبنية المجهرية العظمية في عظم الفخذ القريب بأكمله قد يعزز المعرفة بميكانيكا كسر الورك والتطبيقات ذات الصلة.

الطرق الحالية لتصوير عظام بشرية كاملة بدقة ميكرومترية محدودة. يجب أن يوفر حجم القنطرة وحجم الكاشف حجم عمل مناسب لاستضافة عظم الفخذ القريب البشري (حوالي 13 سم × 10 سم ، العرض × الطول) وربما حجم بكسل في حدود 0.02-0.03 مم لضمان إمكانية التقاط الميزات المعمارية الدقيقة ذات الصلة11. يمكن تلبية هذه المواصفات حاليا من قبل بعض مرافق السنكروترون1 وبعض الماسحات الضوئية المقطعية الدقيقة كبيرة الحجم المتاحة تجاريا12,13. يجب أن تكون مرحلة الانضغاط شفافة لاسلكيا من أجل تقليل توهين الأشعة السينية مع توليد قوة كافية لإحداث كسر في عظم الفخذ البشري (على سبيل المثال ، بين 0.9 كيلو نيوتن و 14.3 كيلو نيوتن للنساء البيض المسنات)14. هذا التباين الكبير في حمل الكسر يعقد تخطيط عدد خطوات الحمل للكسر ، ووقت التجربة الإجمالي ، والكمية المقابلة من البيانات المنتجة. لمعالجة هذه المشكلة ، يمكن تقدير حمل الكسر وموقعه من خلال نمذجة العناصر المحدودة باستخدام توزيع كثافة العظام للعينة من صور التصوير المقطعي المحوسب السريري (CT) 1,2. أخيرا ، بعد التجربة ، يجب معالجة الحجم الكبير من البيانات المتولدة لدراسة آليات الفشل وقدرة تبديد الطاقة في عظم الفخذ البشري بأكمله.

هنا ، نصف بروتوكولا للحصول على سلسلة من الصور المجهرية ثلاثية الأبعاد لعظم الفخذ القريب بأكمله تحت تشوه متزايد تدريجيا ، مما يسبب كسور ذات صلة سريريا في عنق الفخذ2. يتضمن البروتوكول تخطيط الزيادة التدريجية لضغط العينة ، والتحميل عبر مرحلة ضغط شفافة لاسلكية مخصصة ، والتصوير عبر ماسح ضوئي بالأشعة المقطعية الدقيقة كبير الحجم ، ومعالجة الصور وملفات تعريف الحمل.

Protocol

تم تطوير البروتوكول واختباره مع 12 عينة من عظم الفخذ تم تلقيها من برنامج التبرع بالجسم. تم الحصول على العينات طازجة وتخزينها في -20 درجة مئوية في مختبر الميكانيكا الحيوية والغرسات بجامعة فلندرز (تونسلي ، جنوب أستراليا ، أستراليا). تم الحفاظ على رطوبة العظام طوال التجربة. وكانت الجهات المانحة…

Representative Results

تعرض الصور عظم الفخذ القريب بالكامل ، ومقبس الضغط ، والأسمنت السني ، وكوب الألومنيوم ، ونسيج التغليف. يمكن رؤية البنية الدقيقة للعظام تتشوه تدريجيا مع زيادة الحمل قبل الكسر وبعد الكسر (الشكل 4). <img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64947/64947fig0…

Discussion

يسمح البروتوكول الحالي بدراسة الميكانيكا الدقيقة المنقضية لكسور الورك في ثلاثة أبعاد خارج الجسم الحي. تم تصميم مرحلة الانضغاط الشفافة إشعاعيا (الألومنيوم) القادرة على تطبيق تشوه تدريجي على النصف القريب من عظم الفخذ البشري وقياس قوة رد الفعل وتصنيعها واختبارها حسب الطلب. يتم استخدام…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

تمويل من مجلس البحوث الأسترالي (FT180100338; IC190100020) معترف به بامتنان.

Materials

Absorbent tissue N/A Maintain the bone moisture throughout the experiment
Alignment rig Custom-made Rig for positioning the specimen in the potting cup
Aluminium potting cup Custom-made Potting cup
Bone saw N/A Cut the specimen to size
Calibration phantom QCT Pro Mindways Software, Inc., Austin, USA CT Calibration 13002 Calibrate grey levels in the images into equivalent bone mineral (ash) density levels
Clinical Computed-Tmography scanner General Electric Medical Systems Co., Wisconsin, USA Optima CT660 Preliminary imaging for the prediction of the load step to fracture
Compressive stage Custom-made A 10 kg, radiotransparent compressive stage for applying and maintaining throught imaging a prescribed deformation to the specimen.
Dental cement Soesterberg, The Netherlands Vertex RS
Femur specimen Science Care, Phoenix, USA
Finite-element analysis software ANSYS Inc., Canonsburg, USA ANSYS Mechanical APDL Finite-element software package
Freezer N/A Store specimens at -20 °C
Hard Drive Dell Disk space: 500 GB per volume
Image bnarization and segmentation software Skyscan-Bruker, Kontich, Belgium CT analyzer Image processing software
Image elastic segmentation The University of Sheffield Bone DVC https://bonedvc.insigneo.org/dvc/
Image processing and automation software The MathWork Inc. Matlab Image processing software
Image registration software Skyscan-Bruker, Kontich, Belgium DataViewer Image processing software
Image segmentation and FE modelling software Simpleware, Exeter, UK Scan IP Bone egmentation software
Image stiching script Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU The script is available at IMBL
Image visualization Kitware, Clifton Park, NY, USA Paraview Image visualization
Image visualization Australian National University Dristhi Image visualization: doi:10.1117/12.935640
Imaging and Medical beamline Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU Large object micro-CT beamline at the Australian Synchrotron
Laptop Dell Inc., USA
Low-friction x-y table THK Co., Tokyo, Japan
NI signal acquisition software National Instruments, Austin, TX NI-DAQmx
Phosphate-buffered saline solution Custom-made Maintain the bone moisture throughout the experiment
Plastic bag N/A Maintain the bone moisture throughout the experiment
Rail SKF Inc., Lansdale, PA, USA
Screw-jack mechanism  Benzlers, Örebro, Sweden Serie BD (warm gear unit) stroke: 150 mm, maximal load: 10,000 N, gear ratio: 27:1, a displacement per revolution: 0.148 mm
Single pco.edge sensor, lens coupled scintillator Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU Detector Ruby FOV: 141 x 119 mm; 2560 x 2160 px; 55 µm/px; 50 fps
Six axis load cell ME-Meßsysteme GmbH, Hennigsdorf, GE K6D6 Maximal measurement error: 0.005%; maximal force: 10000 N; maximal torque: 500 Nm
Strain amplifier ME-Meßsysteme GmbH, Hennigsdorf, GE GSV-1A8USB K6D/M16

References

  1. Martelli, S., Perilli, E. Time-elapsed synchrotron-light microstructural imaging of femoral neck fracture. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 84, 265-272 (2018).
  2. Martelli, S., Giorgi, M., Dall’ Ara, E., Perilli, E. Damage tolerance and toughness of elderly human femora. Acta Biomaterialia. 123, 167-177 (2021).
  3. Perilli, E., et al. Dependence of mechanical compressive strength on local variations in microarchitecture in cancellous bone of proximal human femur. Journal of Biomechanics. 41 (2), 438-446 (2008).
  4. Thurner, P. J., et al. Time-lapsed investigation of three-dimensional failure and damage accumulation in trabecular bone using synchrotron light. Bone. 39 (2), 289-299 (2006).
  5. Jackman, T. M. Quantitative, 3D visualization of the initiation and progression of vertebral fractures under compression and anterior flexion. Journal of Bone and Mineral Research. 31 (4), 777-788 (2016).
  6. Mayhew, P. M., et al. Relation between age, femoral neck cortical stability, and hip fracture risk. Lancet. 366 (9480), 129-135 (2005).
  7. Nazarian, A., Stauber, M., Zurakowski, D., Snyder, B. D., Müller, R. The interaction of microstructure and volume fraction in predicting failure in cancellous bone. Bone. 39 (6), 1196-1202 (2006).
  8. Schileo, E., et al. To what extent can linear finite element models of human femora predict failure under stance and fall loading configurations. Journal of Biomechanics. 47 (14), 3531-3538 (2014).
  9. Schileo, E., et al. An accurate estimation of bone density improves the accuracy of subject-specific finite element models. Journal of Biomechanics. 41 (11), 2483-2491 (2008).
  10. Dall’ara, E., et al. A nonlinear QCT-based finite element model validation study for the human femur tested in two configurations in vitro. Bone. 52 (1), 27-38 (2013).
  11. Perilli, E., Parkinson, I. H., Reynolds, K. J. Micro-CT examination of human bone: from biopsies towards the entire organ. Annali dell’Istituto Superiore di Sanità. 48 (1), 75-82 (2012).
  12. Wearne, L. S., Rapagna, S., Taylor, M., Perilli, E. Micro-CT scan optimisation for mechanical loading of tibia with titanium tibial tray: A digital volume correlation zero strain error analysis. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 134, 105336 (2022).
  13. Bennett, K. J., et al. Ex vivo assessment of surgically repaired tibial plateau fracture displacement under axial load using large-volume micro-CT. Journal of Biomechanics. 144, 111275 (2022).
  14. Falcinelli, C., et al. Multiple loading conditions analysis can improve the association between finite element bone strength estimates and proximal femur fractures: A preliminary study in elderly women. Bone. 67, 71-80 (2014).
  15. Orthopedic Image Segmentation. Synopsys Available from: https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/ortho-medical-image-segmentation.html (2020)

Play Video

Cite This Article
Martelli, S., Perilli, E. Imaging of the Microstructural Failure Mechanism in the Human Hip. J. Vis. Exp. (199), e64947, doi:10.3791/64947 (2023).

View Video