הדמיה של מנגנון הכשל המיקרו-מבני בירך האדם
Summary
הפרוטוקול מאפשר למדוד את העיוות של מיקרו-מבנה העצם בכל עצם הירך האנושית הפרוקסימלית ואת הקשיחות שלה על ידי שילוב של סריקת מיקרו-CT בנפח גדול, שלב דחיסה בהתאמה אישית וכלי עיבוד תמונה מתקדמים.
Abstract
הדמיה של מיקרו-מבנה העצם תחת עומסים הולכים וגדלים מאפשרת התבוננות בהתנהגות הכשל המיקרו-מבני של העצם. כאן, אנו מתארים פרוטוקול לקבלת רצף של תמונות מיקרו-מבניות תלת מימדיות של עצם הירך הפרוקסימלית כולה תחת עיוות הולך וגובר, הגורם לשברים רלוונטיים מבחינה קלינית של צוואר הירך. הפרוטוקול מודגם באמצעות ארבע פמורות מתורמות בגילאי 66-80 שנים בקצה התחתון של צפיפות המינרלים בעצם באוכלוסייה (טווח ציון T = -2.09 עד -4.75). שלב דחיסה רדיו-שקוף תוכנן לטעינת הדגימות המשכפלות עמידה על רגל אחת, תוך רישום העומס המופעל במהלך הדמיית טומוגרפיה מיקרו-ממוחשבת (micro-CT). רוחב שדה הראייה היה 146 מ”מ וגובה 132 מ”מ, וגודל הפיקסל האיזוטרופי היה 0.03 מ”מ. תוספת הכוח התבססה על תחזיות סופיות של עומס השבר. שלב הדחיסה שימש להחלת העקירה על הדגימה ולחוקק את תוספות הכוח שנקבעו. שברים תת-קפיטליים עקב פתיחה וגזירה של צוואר הירך התרחשו לאחר ארבע עד חמש עליות עומס. תמונות המיקרו-CT ומדידות כוח התגובה עובדו כדי לחקור את מאמץ העצם ואת יכולת ספיגת האנרגיה. חוסר יציבות של קליפת המוח הופיע בשלבי הטעינה המוקדמים. העצם התת-כונדרלית בראש הירך הראתה עיוותים גדולים שהגיעו ל-16% לפני השבר, ועלייה הדרגתית ביכולת התמיכה עד לשבר. אנרגיית העיוות עלתה באופן ליניארי עם התזוזה עד לשבר, בעוד שהנוקשות ירדה לערכים קרובים לאפס מיד לפני השבר. שלושה רבעים מאנרגיית השבר נלקחו על ידי הדגימה במהלך תוספת הכוח הסופית של 25%. לסיכום, הפרוטוקול שפותח חשף יכולת ספיגת אנרגיה יוצאת דופן, או סבילות לנזקים, ואינטראקציה סינרגית בין עצם קליפת המוח והעצם הטרבקולרית בגיל תורם מתקדם.
Introduction
שברים בצוואר הירך מהווים נטל משמעותי על האוכלוסייה המזדקנת. הדמיית טומוגרפיה מיקרו-ממוחשבת (micro-CT) ובדיקות מכניות נלוות מאפשרות התבוננות במיקרו-מבנה העצם ולימוד הקשר שלו לחוזק העצם, שינויים הקשורים לגיל ותזוזות תחת עומס 1,2. עם זאת, עד לאחרונה, מחקרי מיקרו-CT של עצם תחת עומס היו מוגבלים לליבות עצם שנכרתו3, חיות קטנות4 ויחידות עמוד שדרה אנושי5. הפרוטוקול הנוכחי יכול לכמת את התזוזה של המיקרו-מבנה של כל עצם הירך האנושית הפרוקסימלית תחת עומס ולאחר שבר.
מספר מחקרים נערכו כדי לחקור את הכשל של עצם הירך האנושית, ולעתים אלה הגיעו למסקנות מנוגדות. לדוגמה, הידלדלות תלוית גיל של מבני קליפת המוח והטרבקולר נחשבת כקובעת את הרגישות הקשורה לגיל לשבר על ידי גרימת אי יציבות אלסטית של העצם6,7, וזה בניגוד לכאורה למקדם הגבוה של קביעת מתח קליפת המוח ותחזיות חוזק הירך בהנחה שאין חוסר יציבות אלסטית (R2 = 0.80-0.97)8,9. עם זאת, מחקרים כאלה העריכו באופן שיטתי את חוזק עצם הירך (ב-21%-29%), ובכך העמידו בספק את תגובות העצם השבירות והכמו-שבירות שיושמו במודלים 8,10. הסבר אפשרי אחד לממצאים המנוגדים לכאורה הללו עשוי להימצא בהתנהגות שבר שונה של עצמות שלמות בהשוואה לליבות עצם מבודדות. לכן, התבוננות בעיוות ובתגובות השבר של מיקרו-מבנה העצם בעצם הירך הפרוקסימלית כולה עשויה לקדם את הידע של מכניקת שבר הירך ויישומים נלווים.
השיטות הנוכחיות להדמיית עצמות אדם שלמות ברזולוציה מיקרומטרית מוגבלות. הגנטריה וגודל הגלאי חייבים לספק נפח עבודה מתאים לאירוח עצם הירך הפרוקסימלית האנושית (בערך 13 ס”מ x 10 ס”מ, רוחב x אורך) ואולי גודל פיקסל בסדר גודל של 0.02-0.03 מ”מ כדי להבטיח שניתן יהיה ללכוד תכונות מיקרו-אדריכליות רלוונטיות11. כיום ניתן לעמוד במפרטים אלה על ידי כמה מתקני סינכרוטרון1 וכמה סורקי מיקרו-CT בנפח גדול הזמינים מסחרית12,13. שלב הדחיסה צריך להיות שקוף רדיו על מנת למזער את הנחתת קרני הרנטגן תוך יצירת כוח מספיק לגרימת שבר בעצם הירך האנושית (למשל, בין 0.9 kN ל 14.3 kN עבור נשים לבנות מבוגרות)14. וריאציה גדולה זו של עומס השבר מסבכת את התכנון של מספר שלבי העומס לשבר, זמן הניסוי הכולל וכמות הנתונים המתאימה המיוצרת. כדי לטפל בבעיה זו, ניתן להעריך את עומס השבר ואת מיקומו באמצעות מידול אלמנטים סופיים באמצעות התפלגות צפיפות העצם של הדגימה מתמונות טומוגרפיה ממוחשבת קלינית (CT) 1,2. לבסוף, לאחר הניסוי, יש לעבד את כמות הנתונים הגדולה המופקת לצורך לימוד מנגנוני הכשל ויכולת פיזור האנרגיה בכל עצם הירך האנושית.
כאן, אנו מתארים פרוטוקול לקבלת רצף של תמונות מיקרו-מבניות תלת מימדיות של עצם הירך הפרוקסימלית כולה תחת עיוות הולך וגובר, הגורם לשברים רלוונטיים מבחינה קלינית של צוואר הירך2. הפרוטוקול כולל תכנון התוספת המדורגת של דחיסת הדגימה, טעינה באמצעות שלב דחיסה מותאם אישית שקוף רדיו, הדמיה באמצעות סורק מיקרו-CT בנפח גדול, ועיבוד התמונות ופרופילי העומס.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול הנוכחי מאפשר לחקור את המיקרומכניקה של שברי ירך בתלת מימד ex vivo. שלב דחיסה רדיו-שקוף (אלומיניום) המסוגל להחיל עיוות פרוגרסיבי על המחצית הפרוקסימלית של עצם הירך האנושית ולמדוד את כוח התגובה תוכנן, יוצר ונבדק בהתאמה אישית. סורק micro-CT בנפח גדול משמש בפרוטוקול זה כדי לספק רצף זמני ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מימון ממועצת המחקר האוסטרלית (FT180100338; IC190100020) זוכה להכרת תודה.
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
- 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).
- Martelli, S., Giorgi, M., Dall’ Ara, E., Perilli, E. Damage tolerance and toughness of elderly human femora. Acta Biomaterialia. 123, 167-177 (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mayhew, P. M., et al. Relation between age, femoral neck cortical stability, and hip fracture risk. Lancet. 366 (9480), 129-135 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Orthopedic Image Segmentation. Synopsys Available from: https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/ortho-medical-image-segmentation.html (2020)
