Beeldvorming van het microstructurele faalmechanisme in de menselijke heup

Summary

Het protocol maakt het mogelijk om de vervorming van de botmicrostructuur in het gehele proximale menselijke dijbeen en de taaiheid ervan te meten door micro-CT-scans met een groot volume, een op maat gemaakte compressiefase en geavanceerde beeldverwerkingstools te combineren.

Abstract

Door de microstructuur van het bot onder steeds toenemende belasting in beeld te brengen, kan het microstructurele faalgedrag van bot worden geobserveerd. Hier beschrijven we een protocol voor het verkrijgen van een sequentie van driedimensionale microstructurele beelden van het volledige proximale dijbeen onder progressief toenemende vervorming, waardoor klinisch relevante fracturen van de femurhals ontstaan. Het protocol wordt gedemonstreerd met behulp van vier femora van vrouwelijke donoren in de leeftijd van 66-80 jaar aan de onderkant van de botmineraaldichtheid in de populatie (T-scorebereik = -2,09 tot -4,75). Er werd een radio-transparante compressietafel ontworpen voor het laden van de monsters die een houding met één been nabootsen, terwijl de uitgeoefende belasting werd geregistreerd tijdens microcomputertomografie (micro-CT) beeldvorming. Het gezichtsveld was 146 mm breed en 132 mm hoog, en de isotrope pixelgrootte was 0,03 mm. De krachttoename was gebaseerd op eindige-elementenvoorspellingen van de breukbelasting. De druktrap werd gebruikt om de verplaatsing op het monster toe te passen en de voorgeschreven krachtstappen uit te voeren. Subkapitaalfracturen als gevolg van openen en afschuiving van de femurhals traden op na vier tot vijf belastingsstappen. De micro-CT-beelden en de reactiekrachtmetingen werden verwerkt om de botbelasting en het energieabsorptievermogen te bestuderen. Instabiliteit van de cortex trad op bij de vroege laadstappen. Het subchondrale bot in de heupkop vertoonde grote vervormingen tot 16% vóór de fractuur, en een progressieve toename van de ondersteuningscapaciteit tot aan de fractuur. De vervormingsenergie nam lineair toe met de verplaatsing tot aan de breuk, terwijl de stijfheid vlak voor de breuk afnam tot bijna nulwaarden. Driekwart van de breukenergie werd door het monster afgenomen tijdens de laatste krachttoename van 25%. Concluderend onthulde het ontwikkelde protocol een opmerkelijke energieabsorptiecapaciteit, of schadetolerantie, en een synergetische interactie tussen het corticale en trabeculaire bot op een gevorderde donorleeftijd.

Introduction

Fracturen van de femurhals zijn een grote last voor de vergrijzende bevolking. Microcomputertomografie (micro-CT) beeldvorming en gelijktijdige mechanische tests maken het mogelijk om de microstructuur van het bot te observeren en de relatie met botsterkte, de leeftijdsgebonden veranderingen en verplaatsingen onder belasting te bestuderen ^1,2. Tot voor kort waren micro-CT-onderzoeken van bot onder belasting echter beperkt tot uitgesneden botkernen³, kleine dieren⁴ en menselijke wervelkolomeenheden⁵. Het huidige protocol kan de verplaatsing van de microstructuur van het gehele proximale menselijke dijbeen onder belasting en na een fractuur kwantificeren.

Er zijn verschillende onderzoeken uitgevoerd om het falen van het menselijk dijbeen te onderzoeken, en soms zijn deze tot contrasterende conclusies gekomen. Zo wordt bijvoorbeeld aangenomen dat het leeftijdsgebonden dunner worden van de corticale en trabeculaire structuren de leeftijdsgebonden gevoeligheid voor fracturen bepaalt door elastische instabiliteit van het bot^{te veroorzaken 6,7}, wat in duidelijk contrast staat met de hoge coëfficiënt voor het bepalen van corticale rek en femursterktevoorspellingen ervan uitgaande dat er geen elastische instabiliteit is (R² = 0,80-0,97)^8,9. Niettemin hebben dergelijke studies de femorale sterkte systematisch onderschat (met 21%-29%), waardoor de brosse en quasi-broze botresponsen die in de modellen zijn geïmplementeerd, in twijfel worden getrokken ^8,10. Een mogelijke verklaring voor deze ogenschijnlijk contrasterende bevindingen kan liggen in een ander fractuurgedrag van hele botten in vergelijking met geïsoleerde botkernen. Daarom kan het observeren van de vervormings- en fractuurreacties van de botmicrostructuur in volledige proximale dijbenen de kennis van de mechanica van heupfracturen en gerelateerde toepassingen bevorderen.

De huidige methoden voor het afbeelden van volledige menselijke botten met micrometrische resolutie zijn beperkt. Het portaal en de grootte van de detector moeten een geschikt werkvolume bieden voor het menselijk proximale dijbeen (ongeveer 13 cm x 10 cm, breedte x lengte) en eventueel een pixelgrootte in de orde van grootte van 0,02-0,03 mm om ervoor te zorgen dat relevante microarchitecturale kenmerken kunnen worden vastgelegd¹¹. Aan deze specificaties kan momenteel worden voldaan door sommige synchrotronfaciliteiten¹ en sommige in de handel verkrijgbare micro-CT-scanners met een groot volume^12,13. De compressiefase moet radiotransparant zijn om de verzwakking van de röntgenstraling tot een minimum te beperken en tegelijkertijd een kracht te genereren die voldoende is om een breuk in het menselijk dijbeen te veroorzaken (bijv. tussen 0,9 kN en 14,3 kN voor oudere blanke vrouwen)¹⁴. Deze grote variatie in breukbelasting bemoeilijkt de planning van het aantal belastingsstappen om te breken, de totale experimenttijd en de overeenkomstige hoeveelheid geproduceerde gegevens. Om dit probleem aan te pakken, kunnen de fractuurbelasting en -locatie worden geschat via eindige-elementenmodellering door gebruik te maken van de botdichtheidsverdeling van het monster uit klinische computertomografie (CT)-beelden ^1,2. Ten slotte moet na het experiment de grote hoeveelheid gegenereerde gegevens worden verwerkt voor het bestuderen van de faalmechanismen en de energiedissipatiecapaciteit in het gehele menselijke dijbeen.

Hier beschrijven we een protocol voor het verkrijgen van een sequentie van driedimensionale microstructurele beelden van het gehele proximale dijbeen onder progressief toenemende vervorming, die klinisch relevante fracturen van de femurhals veroorzaakt². Het protocol omvat het plannen van de stapsgewijze toename van de compressie van het sample, het laden via een aangepaste radiotransparante compressietrap, beeldvorming via een micro-CT-scanner met een groot volume en het verwerken van de beelden en de belastingsprofielen.

Protocol

Het protocol is ontwikkeld en getest met 12 dijbeenmonsters die zijn ontvangen via een lichaamsdonatieprogramma. De monsters werden vers verkregen en opgeslagen bij -20 °C in het Biomechanics and Implants Laboratory van Flinders University (Tonsley, Zuid-Australië, Australië). Het botvocht werd gedurende het hele experiment op peil gehouden. De donoren waren blanke vrouwen (66-80 jaar oud). Ethische goedkeuring werd verkregen van de Social and Behavioural Research Ethics Committee (SBREC) van Flinders University (Proj…

Representative Results

De afbeeldingen tonen het volledige proximale dijbeen, de drukkoker, het tandheelkundig cement, de aluminium beker en het wikkeldoekje. De microarchitectuur van het bot kan geleidelijk worden vervormd naarmate de belasting toeneemt vóór de fractuur en na de fractuur (figuur 4). Afbeelding 4: De compressiefa…

Discussion

Het huidige protocol maakt het mogelijk om de tijdsverlooptijd micromechanica van heupfracturen in drie dimensies ex vivo te bestuderen. Een radiotransparante (aluminium) druktafel die in staat is om een progressieve vervorming toe te passen op de proximale helft van het menselijk dijbeen en de reactiekracht te meten, is op maat ontworpen, vervaardigd en getest. In dit protocol wordt een micro-CT-scanner met een groot volume gebruikt om een temporele opeenvolging van beeldvolumes te bieden die het volledige prox…

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