Avbildning av den mikrostrukturelle sviktmekanismen i den menneskelige hoften

Summary

Protokollen muliggjør måling av deformasjonen av beinmikrostrukturen i hele det proksimale humane lårbenet og dets seighet ved å kombinere mikro-CT-skanning med stort volum, et skreddersydd komprimeringsstadium og avanserte bildebehandlingsverktøy.

Abstract

Avbildning av beinmikrostrukturen under gradvis økende belastninger gjør det mulig å observere beinets mikrostrukturelle sviktoppførsel. Her beskriver vi en protokoll for å få en sekvens av tredimensjonale mikrostrukturelle bilder av hele proksimale femur under gradvis økende deformasjon, med klinisk relevante brudd i lårhalsen. Protokollen er demonstrert ved bruk av fire femora fra kvinnelige donorer i alderen 66-80 år i nedre del av beinmineraltettheten i befolkningen (T-skårområde = −2,09 til −4,75). Et radiotransparent komprimeringstrinn ble designet for å laste prøvene som replikerer en ettbensstilling, mens du registrerer den påførte belastningen under mikrocomputertomografi (mikro-CT) avbildning. Synsfeltet var 146 mm bredt og 132 mm høyt, og isotropisk pikselstørrelse var 0,03 mm. Kraftøkningen var basert på endelige elementprediksjoner av bruddbelastningen. Kompresjonstrinnet ble brukt til å påføre forskyvningen på prøven og vedta de foreskrevne krafttrinnene. Underkapitalfrakturer på grunn av åpning og skjær i lårhalsen oppsto etter fire til fem belastningsøkninger. Mikro-CT-bildene og reaksjonskraftmålingene ble behandlet for å studere beinstammen og energiabsorpsjonskapasiteten. Ustabilitet i cortex dukket opp ved de tidlige lastetrinnene. Det subkondrale beinet i lårbenet viste store deformasjoner som nådde 16% før brudd, og en progressiv økning i støttekapasiteten frem til brudd. Deformasjonsenergien økte lineært med forskyvningen opp til brudd, mens stivheten sank til nær nullverdier rett før brudd. Tre fjerdedeler av bruddenergien ble tatt av prøven i løpet av den siste 25% kraftøkningen. Avslutningsvis viste protokollen utviklet en bemerkelsesverdig energiabsorpsjonskapasitet, eller skadetoleranse, og en synergisk interaksjon mellom kortikal og trabekulær bein ved en avansert donoralder.

Introduction

Brudd i lårhalsen er en stor belastning for den aldrende befolkningen. Mikrocomputertomografi (micro-CT) avbildning og samtidig mekanisk testing gjør det mulig å observere beinmikrostrukturen og studere dens forhold til beinstyrke, dens aldersrelaterte endringer og forskyvninger under belastning ^1,2. Inntil nylig var imidlertid mikro-CT-studier av bein under belastning begrenset til utskårne beinkjerner³, små dyr⁴ og humane ryggradsenheter⁵. Den nåværende protokollen kan kvantifisere forskyvningen av mikrostrukturen til hele det proksimale menneskelige lårbenet under belastning og etter en brudd.

Flere studier har blitt utført for å undersøke svikt i det menneskelige lårbenet, og til tider har disse nådd motstridende konklusjoner. For eksempel antas den aldersrelaterte tynningen av kortikale og trabekulære strukturer å bestemme den aldersrelaterte følsomheten for brudd ved å forårsake elastisk ustabilitet i beinet^6,7, noe som tilsynelatende står i kontrast til den høye koeffisienten for bestemmelse av kortikal belastning og femoralstyrkeforutsigelser forutsatt ingen elastisk ustabilitet (R² = 0,80-0,97) ^8,9. Likevel har slike studier systematisk undervurdert lårstyrken (med 21%-29%), og dermed stilt spørsmål ved de sprø og kvasi-sprø beinresponsene implementert i modellene ^8,10. En mulig forklaring på disse tilsynelatende motstridende funnene kan ligge i en annen bruddoppførsel av hele bein sammenlignet med isolerte beinkjerner. Derfor kan observasjon av deformasjons- og bruddresponsene til beinmikrostrukturen i hele proksimale lårben fremme kunnskap om hoftebruddmekanikk og relaterte applikasjoner.

Nåværende metoder for avbildning av hele menneskelige bein med mikrometrisk oppløsning er begrenset. Portalen og detektorstørrelsen må gi et passende arbeidsvolum for å være vert for det menneskelige proksimale lårbenet (ca. 13 cm x 10 cm, bredde x lengde) og muligens en pikselstørrelse i størrelsesorden 0,02-0,03 mm for å sikre at relevante mikroarkitektoniske trekk kan fanges¹¹. Disse spesifikasjonene kan for tiden oppfylles av noen synkrotronanlegg¹ og noen kommersielt tilgjengelige mikro-CT-skannere med stort volum^12,13. Kompresjonstrinnet må være radiotransparent for å minimere røntgendemping samtidig som det genererer en kraft som er tilstrekkelig til å forårsake brudd i det menneskelige lårbenet (f.eks. mellom 0,9 kN og 14,3 kN for eldre hvite kvinner)¹⁴. Denne store variasjonen i bruddbelastning kompliserer planleggingen av antall lasttrinn til brudd, den totale eksperimenttiden og den tilsvarende mengden data som produseres. For å løse dette problemet kan bruddbelastning og plassering estimeres via elementmodellering ved å bruke bentetthetsfordelingen av prøven fra klinisk computertomografi (CT) bilder ^1,2. Til slutt, etter forsøket, må det store volumet av data som genereres behandles for å studere feilmekanismer og energispredningskapasitet i hele det menneskelige lårbenet.

Her beskriver vi en protokoll for å få en sekvens av tredimensjonale mikrostrukturelle bilder av hele proksimale femur under gradvis økende deformasjon, som gir klinisk relevante brudd i lårhalsen². Protokollen inkluderer planlegging av trinnvis økning av prøvekompresjonen, lasting via et tilpasset radiotransparent komprimeringstrinn, avbildning via en mikro-CT-skanner med stort volum, og behandling av bildene og lastprofilene.

Protocol

Protokollen ble utviklet og testet med 12 femurprøver mottatt fra et kroppsdonasjonsprogram. Prøvene ble tatt ferske og lagret ved -20 °C ved Biomechanics and Implants Laboratory ved Flinders University (Tonsley, South Australia, Australia). Benfuktighet ble opprettholdt gjennom hele forsøket. Donorene var kaukasiske kvinner (66-80 år). Etisk godkjenning ble innhentet fra Social and Behavioural Research Ethics Committee (SBREC) ved Flinders University (prosjekt # 6380). 1. Planleggi…

Representative Results

Bildene viser hele det proksimale lårbenet, trykkkontakten, tannsementen, aluminiumskoppen og innpakningsvevet. Man kan se en gradvis deformering av beinmikroarkitekturen etter hvert som belastningen øker før brudd og etter brudd (figur 4). Figur 4: Kompresstrinnet koblet til den bærbare …

Discussion

Den nåværende protokollen gjør det mulig å studere tidsforløpt mikromekanikk av hoftebrudd i tre dimensjoner ex vivo. Et radiotransparent (aluminium) kompresjonstrinn som er i stand til å påføre en progressiv deformasjon på den proksimale halvdelen av det menneskelige lårbenet og måle reaksjonskraften, er spesialdesignet, produsert og testet. En mikro-CT-skanner med stort volum brukes i denne protokollen for å gi en tidsmessig sekvens av bildevolumer som viser hele det proksimale lårbenet med progre…

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