Imágenes del mecanismo de falla microestructural en la cadera humana

Summary

El protocolo permite medir la deformación de la microestructura ósea en todo el fémur humano proximal y su dureza mediante la combinación de microtomografías computarizadas de gran volumen, una etapa compresiva hecha a medida y herramientas avanzadas de procesamiento de imágenes.

Abstract

La obtención de imágenes de la microestructura ósea bajo cargas progresivamente crecientes permite observar el comportamiento de falla microestructural del hueso. En este trabajo se describe un protocolo para la obtención de una secuencia de imágenes microestructurales tridimensionales de todo el fémur proximal sometido a una deformación progresivamente creciente, causante de fracturas clínicamente relevantes del cuello femoral. El protocolo se demuestra utilizando cuatro fémures de donantes femeninas de 66 a 80 años en el extremo inferior de la densidad mineral ósea de la población (rango de puntuación T = −2,09 a −4,75). Se diseñó una etapa compresiva radiotransparente para cargar las muestras replicando una postura de una pierna, mientras se registraba la carga aplicada durante la obtención de imágenes de microtomografía computarizada (micro-TC). El campo de visión era de 146 mm de ancho y 132 mm de alto, y el tamaño de píxel isotrópico era de 0,03 mm. El incremento de fuerza se basó en predicciones de elementos finitos de la carga de fractura. La etapa de compresión se utilizó para aplicar el desplazamiento a la muestra y promulgar los incrementos de fuerza prescritos. Las fracturas subcapitales debidas a la apertura y cizallamiento del cuello femoral ocurrieron después de cuatro a cinco incrementos de carga. Las imágenes de micro-TC y las mediciones de la fuerza de reacción se procesaron para estudiar la deformación ósea y la capacidad de absorción de energía. La inestabilidad de la corteza apareció en los primeros pasos de carga. El hueso subcondral de la cabeza femoral presentaba grandes deformaciones que alcanzaban el 16% antes de la fractura, y un aumento progresivo de la capacidad de soporte hasta la fractura. La energía de deformación aumentó linealmente con el desplazamiento hasta la fractura, mientras que la rigidez disminuyó a valores cercanos a cero inmediatamente antes de la fractura. Tres cuartas partes de la energía de fractura fue tomada por la muestra durante el incremento final de fuerza del 25%. En conclusión, el protocolo desarrollado reveló una notable capacidad de absorción de energía, o tolerancia al daño, y una interacción sinérgica entre el hueso cortical y trabecular a una edad avanzada del donante.

Introduction

Las fracturas del cuello femoral son una carga importante para la población que envejece. La microtomografía computarizada (micro-TC) y las pruebas mecánicas concomitantes permiten observar la microestructura ósea y estudiar su relación con la fuerza ósea, sus cambios relacionados con la edad y los desplazamientos bajo carga ^1,2. Sin embargo, hasta hace poco, los estudios de micro-TC de hueso bajo carga se limitaban a núcleos óseos extirpados³, animales pequeños⁴ y unidades de columna vertebral humana⁵. El presente protocolo permite cuantificar el desplazamiento de la microestructura de todo el fémur humano proximal bajo carga y tras una fractura.

Se han realizado varios estudios para investigar el fracaso del fémur humano y, en ocasiones, estos han llegado a conclusiones contrastantes. Por ejemplo, se cree que el adelgazamiento de las estructuras corticales y trabeculares relacionado con la edad determina la susceptibilidad a la fractura relacionada con la edad al causar inestabilidad elástica del hueso^6,7, lo que contrasta aparentemente con el alto coeficiente de determinación de la deformación cortical y las predicciones de resistencia femoral asumiendo que no hay inestabilidad elástica (R² = 0,80-0,97)^8,9. Sin embargo, estos estudios han subestimado sistemáticamente la fuerza femoral (21-29%), poniendo en tela de juicio las respuestas óseas frágiles y cuasi-frágiles implementadas en los modelos ^8,10. Una posible explicación para estos hallazgos aparentemente contrastantes puede residir en un comportamiento de fractura diferente de los huesos enteros en comparación con los núcleos óseos aislados. Por lo tanto, la observación de las respuestas de deformación y fractura de la microestructura ósea en fémures proximales completos puede avanzar en el conocimiento de la mecánica de fractura de cadera y aplicaciones relacionadas.

Los métodos actuales para obtener imágenes de huesos humanos enteros con resolución micrométrica son limitados. El pórtico y el tamaño del detector deben proporcionar un volumen de trabajo adecuado para alojar el fémur proximal humano (aproximadamente 13 cm x 10 cm, ancho x largo) y, posiblemente, un tamaño de píxel del orden de 0,02-0,03 mm para garantizar que se puedan capturar las características microarquitectónicas pertinentes¹¹. En la actualidad, estas especificaciones pueden ser cumplidas por algunas instalaciones de sincrotrón¹ y algunos escáneres de microtomografía computarizada de gran volumen disponibles en el mercado^12,13. La etapa compresiva debe ser radiotransparente para minimizar la atenuación de los rayos X y generar una fuerza suficiente para causar una fractura en el fémur humano (por ejemplo, entre 0,9 kN y 14,3 kN para mujeres blancas de edad avanzada)¹⁴. Esta gran variación de la carga de fractura complica la planificación del número de pasos de carga hasta la fractura, el tiempo total del experimento y la cantidad correspondiente de datos producidos. Para abordar este problema, la carga y la ubicación de la fractura se pueden estimar mediante el modelado de elementos finitos mediante el uso de la distribución de la densidad ósea de la muestra a partir de imágenes de tomografía computarizada (TC) clínica ^1,2. Finalmente, después del experimento, el gran volumen de datos generados debe ser procesado para estudiar los mecanismos de falla y la capacidad de disipación de energía en todo el fémur humano.

En este trabajo se describe un protocolo para la obtención de una secuencia de imágenes microestructurales tridimensionales de todo el fémur proximal sometido a una deformación progresivamente creciente, que provoca fracturas clínicamente relevantes del cuello femoral². El protocolo incluye la planificación del incremento gradual de la compresión de la muestra, la carga a través de una platina compresiva radiotransparente personalizada, la obtención de imágenes a través de un escáner micro-CT de gran volumen y el procesamiento de las imágenes y los perfiles de carga.

Protocol

El protocolo se desarrolló y probó con 12 muestras de fémur recibidas de un programa de donación de cuerpos. Los especímenes se obtuvieron frescos y se almacenaron a -20 °C en el Laboratorio de Biomecánica e Implantes de la Universidad de Flinders (Tonsley, Australia del Sur, Australia). La humedad ósea se mantuvo durante todo el experimento. Las donantes fueron mujeres caucásicas (66-80 años de edad). La autorización ética se obtuvo del Comité de Ética de Investigación Social y del Comportamiento (SBREC) …

Representative Results

Las imágenes muestran todo el fémur proximal, el alveolo a presión, el cemento dental, la copa de aluminio y el tejido de envoltura. La microarquitectura ósea se puede ver deformarse progresivamente a medida que aumenta la carga antes de la fractura y después de la fractura (Figura 4). Figura 4: La etapa…

Discussion

El presente protocolo permite estudiar la micromecánica de las fracturas de cadera en tres dimensiones ex vivo. Se ha diseñado, fabricado y probado a medida una etapa compresiva radiotransparente (aluminio) capaz de aplicar una deformación progresiva a la mitad proximal del fémur humano y medir la fuerza de reacción. En este protocolo se emplea un escáner de micro-TC de gran volumen para proporcionar una secuencia temporal de volúmenes de imagen que muestran todo el fémur proximal con carga progresiva a …

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