تصوير آلية الفشل المجهري في الورك البشري

يتيح هذا البروتوكول مراقبة البنية المجهرية لعظم الفخذ البشري بأكمله أثناء تشوهه تحت الحمل والكسر. من خلال تصوير عظم الفخذ بأكمله بدقة مجهرية ، يجعل هذا البروتوكول من الممكن دراسة كيفية تحديد المقصورة القشرية التربيقية المختلفة للعظم بشكل تآزري قدرتها على تحمل الحمل. يمكن أن يؤدي تعزيز فهمنا لآلية كسر العظام إلى إبلاغ طرق التشخيص المتقدمة لهشاشة العظام.

تم تطوير هذا البروتوكول في السنكروترون الأسترالي ، وتم تكييفه للاستخدام في ماسح التصوير المقطعي المحوسب الصغير التجاري كبير الحجم في الجامعة وتطبيقه لدراسة منطقة تشريحية مختلفة ، بما في ذلك الركبة والكتف. من حيث المبدأ ، يمكن تمديده إلى مواد ذات حجم مماثل للعظام والمفاصل البشرية الكاملة. تتطلب هذه الدراسة خبرة في العديد من التخصصات ، بما في ذلك التصوير والميكانيكا الصلبة والنمذجة الحسابية في الميكانيكا الحيوية.

للبدء ، باستخدام ماسح التصوير المقطعي المحوسب السريري ، قم بمسح عينة عظم الفخذ بسمك شريحة وحجم بكسل داخل المستوى من 0.5 إلى 0.7 ملم تقريبا. إلى جانب العينة ، قم بمسح شبح معايرة قياس كثافة التصوير المقطعي المحوسب ، مع خمسة تركيزات معروفة من فوسفات هيدروجين البوتاسيوم الصبغي. بعد ذلك ، قم بتقسيم هندسة العظام من صور التصوير المقطعي المحوسب السريرية ، ومعايرة المستويات الرمادية في الصور إلى قيم كثافة العظام المقابلة ، ومعامل يونغ ، باستخدام علاقة الكثافة بمعامل المرونة.

بعد إنشاء شبكة من الهندسة المجزأة ، قم باستيراد الشبكة إلى برنامج العناصر المحدودة. مقيد بالكامل بعمق ثلاثة إلى ستة ملليمترات ، الطرف البعيد للنموذج ، ثم يكرر تكوين تحميل موقف أحادي الساق من خلال تطبيق قوة اسمية تبلغ 1000 نيوتن ، يتم اختطافها بمقدار ثماني درجات من محور عمود الفخذ في المستوى الإكليلي ويمر عبر مركز رأس الفخذ. حل نموذج العناصر المحدودة باستخدام أداة حل PCG المدمجة.

ثم عن طريق تنفيذ الأوامر المشار إليها ، قم بإنشاء جدول عناصر يحتوي على مكونات سلالة المبدأ الأول والثالث في سنترويد العنصر. بعد ذلك ، قم بتنفيذ الأمر المشار إليه لحساب نسبة الإجهاد بين مكونات سلالة المبدأ الأول والثالث في النموذج وسلالة إنتاجية العظام والنية والضغط. قم بقياس القوة الاسمية حسب نسبة إجهاد الذروة والنية والضغط ، وتجاهل الأكبر من الاثنين لتقدير حمل الكسر.

ضع جهاز اختبار في مرحلة دوران التصوير المقطعي المحوسب الدقيق مع العينة في حالة التفريغ المرجعية وابدأ الفحص بالأشعة المقطعية الدقيقة. كرر التصوير مرتين لحالة التفريغ وقم بفك الكابل بعد المسح الضوئي. قم بتطبيق زيادة القوة عن طريق تشغيل آلية الرافعة اللولبية يدويا بمعدل ثابت يبلغ ثانية واحدة تقريبا لكل جولة ، وقم بإجراء التصوير المقطعي المحوسب الدقيق.

كرر زيادة القوة حتى تنكسر العينة ، كما يتضح من الانخفاض المفاجئ في قوة رد الفعل. إجراء التصوير المقطعي المحوسب الدقيق للعينة المكسورة. ثم تصور تسلسل صور الإسقاط في خطوات تحميل مختلفة.

عينة فرعية من صور التصوير المقطعي المحوسب الدقيق بمقدار أربعة ، لتقليل وقت الحساب. شارك بشكل صارم ، في الفضاء ، في تسجيل صور العينة تحت الحمل ، مع تلك الموجودة في الحالة المرجعية التي تم تفريغها ، باستخدام الحجاب الحاجز البعيد كهدف للتسجيل المشترك. إنشاء نماذج سطحية ثلاثية الأبعاد للتصور بعد نشر صور التصوير المقطعي المحوسب الدقيق.

حدد الإزاحة في الصور عبر شبكة بحجم 50 بكسل ، باستخدام DVC العظمي. ثم حدد موتر الإجهاد ، عن طريق تحويل الشبكة إلى نموذج عنصر محدود. تطبيق الإزاحة المحسوبة في العقد وحل النموذج.

بعد ذلك ، باستخدام الاستيفاء التكعيبي ، مع وظيفة inter P Three في Mac-Lab ، أعد أخذ عينات من أحجام الإزاحة والإجهاد لتتناسب مع حجم الحجم الأصلي لصور التصوير المقطعي المحوسب الدقيق. تصور الإزاحات والإجهاد والصور الهيكلية المجهرية للتصور والرسوم المتحركة ذات الحجم الكبير. لتحليل تشوه العظام ، اعرض التشوه الدائم للعظم عن طريق تراكب الصور التي تم الحصول عليها في ظروف التفريغ وبعد الكسر.

ثم عرض التشوه الهيكلي الجزئي التدريجي للعظم عن طريق تراكب النماذج ثلاثية الأبعاد في ظروف التفريغ ، عند زيادة مستويات الحمل ، وبعد الكسر. عرض إجهاد العظم في موقع الكسر. أخيرا ، باستخدام الإحصاء الوصفي وطرق الانحدار ، قم بتحليل طاقة التشوه والصلابة والإزاحة.

يسمح التصوير المقطعي المحوسب الدقيق والاختبارات الميكانيكية المصاحبة له بمراقبة كسور عنق الفخذ. أظهرت الرسوم المتحركة أن رأس عظم الفخذ يدور تدريجيا وسطيا ، بينما يتحرك بعيدا حتى الكسر. تم تسطيح انحناء الرأس تحت التجويف ، حيث لوحظ عدم استقرار قشري محلي ، ولكن لا يوجد عدم استقرار في الحجم التربيقي الأساسي.

يحدث ظهور الكسر عن طريق ثني القشرة ، إما التقدم على طول المجموعة التربيقية الانضغاطية الرئيسية ، أو عن طريق القص عند حوالي 45 درجة من المحور الرئيسي الانضغاطي ، المحور التربيقي. تجاوز الإجهاد إنتاجية العظام ، بمجرد أن نجح الأربعة بنسبة 50٪ من حمل الكسر المتوقع ، ووصل إلى ثمانية إلى 16٪ من الضغط قبل الكسر. لوحظ تشوه دائم في منطقة الرأس تحت ضغط الذروة.

حدث الفشل تحت حالة إجهاد معقدة ، تظهر الضغط والتوتر وإجهاد القص. كانت طاقة التشوه دالة خطية للإزاحة حتى الكسر ، مما يدل على سلوك كسر مستقر. يتمثل أحد الجوانب الحاسمة لتكرار البروتوكول في الحصول على زيادة خطوة الحمل ، وهو أمر مهم للتحكم في عدد خطوات الحمل المطلوبة لإحداث كسر في الإزاحة والتخطيط للتجربة.

يعد الحصول على صور عالية الجودة أمرا مهما أيضا لإجراء تحليل هادف للبيانات. الاعتقاد بأن عدم الاستقرار المرن الذي يتطلب زيادة حادة في حوادث الكسور فوق 60 سنة من العمر ركز حالة البحث في الوقاية من الهشاشة على سمك القشرة. سلوك الكسر المستقر المرن الذي أظهره هذا البروتوكول ، في عظام هشاشة العظام الخفيفة ، يحول التركيز الحالي إلى التفاعلات القشرية والتربيقية.

يمكن لهذا الإجراء تطوير نماذج مراعية لميكانيكا العظام ، وإبلاغ تشخيص الهشاشة وتصميم الأجهزة القابلة للزرع.