用于骨折强度测试和基于定量CT的有限元分析的近端尸体股骨制备

摘要

我们提出了一种可靠的方案，用于仔细保存和制备尸体股骨，以进行骨折测试和定量计算机断层扫描成像。该方法可精确控制输入条件，旨在确定骨密度、骨折强度之间的关系，并定义有限元模型的几何结构和属性。

摘要

尸体骨折测试常用于研究影响股骨近端强度的因素。因为 离体 生物组织随着时间推移容易丧失其力学性能，因此在实验测试前必须谨慎进行样本制备，以获得能够真实反映其特性的可靠结果 体内 条件。因此，我们设计了一套实验方案和固定装置，以制备股骨试样，使其力学性能变化最小化。除制备步骤和力学测试期间外，股骨均保持冷冻状态。使用临床双能X射线吸收测定法（DXA）骨密度仪获取全髋关节和股骨颈骨矿物质密度（BMD）的相关临床测量值，通过CT扫描结合校准体模，基于灰度值进行定量估算，获得骨矿物质的三维几何结构和分布情况。通过X射线扫描排除任何可能的骨病、骨折，或影响骨结构的植入物或伪影。制备过程中，所有骨骼均仔细清除多余的软组织，并在设定的内旋角度下进行截断和包埋。使用切割夹具将骨远端切除，保留所需长度的近端股骨。为在后续CT扫描和力学测试中实现股骨颈在指定角度的准确定位，采用特制夹具将近端股骨干包埋于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中。实验所获得的数据用于验证基于定量计算机断层扫描（QCT）的有限元分析（FEA），具体方法见另一实验方案。本文中，我们介绍用于力学测试及后续QCT/FEA建模的精确骨样制备方案。该方案已在6年时间内成功应用于约200例尸体股骨的制备。

引言

通过力学测试确定尸体股骨近端骨折强度是一种破坏性方法，需要采用严格的测试方案才能获得准确的测量结果。特别是，在进行力学骨折测试之前，必须采用适当的骨骼制备方法，以维持骨骼接近体内状态的完整性¹。这可通过适当的骨骼储存方式以及尽量减少在室温下的操作来实现。这些测试数据被广泛用于验证股骨骨折的定量CT/有限元分析（QCT/FEA）模型，这些模型有望在临床上用于评估骨折风险，尤其是在骨质疏松患者中。然而，目前尚无制备用于力学测试的股骨近端样本的标准化操作流程。良好的测试流程应确保样本制备过程的可重复性和可再现性。因此，样本制备所需的夹具必须经过精心设计和加工，以最大限度地降低各种测试误差的发生概率。我们还需要尽量缩短骨骼组织处于室温环境的时间，从而避免其发生降解，防止力学性能出现不可逆的改变。

为此，我们开发了一种可在多个制备步骤中保持骨组织完整性的方法。这一点至关重要，可确保骨组织在室温下的暴露时间最短，同时尽量减少冻融循环次数，因为冻融循环可能影响组织的物理特性²。整个操作流程耗时较长且较为复杂，各步骤跨越数周时间，并需协调扫描程序及人员安排。具体步骤包括：解冻骨样本，使用双能X线吸收测定法（DXA）扫描样本以获取骨密度（BMD）值，进行X射线检查以排除病变样本，最后通过CT扫描评估骨矿物质分布及股骨几何结构。所有样本均需进行测试前处理，包括清除骨表面多余的软组织，....

方案

注意：本方案中所述的所有研究均经梅奥诊所机构审查委员会（IRB）批准。骨骼样本在6年期间从多个机构获取，所有标本均在死亡后72小时内收集，用生理盐水浸湿的毛巾包裹，并在-20 °C下保存至进行处理。

1. 使用双能X线吸收法测量骨密度

1. 将保存在 -20 °C 冰箱中的标本取出，在室温下解冻约 24 小时；如果大部分软组织已被去除，则无需将标本从原始包装中取出。
2. 使用两个 5 磅的米袋来模拟软组织。用塑料袋覆盖 DXA 桌面上的两个米袋，以防止污染。在扫描过程中，米袋将模拟周围软组织（in vivo）环境，如图 1所示。
3. 用带塑料衬里的纸张保护 DXA 扫描仪表面，并将两个用塑料包裹的米袋放置在扫描仪台面上（图 1A）。
4. 将两个股骨（右侧和左侧）放置在米袋上方，使近端（包括股骨头）居中于米袋上，且后侧朝下（图 1B）。此体位模拟患者仰卧姿势。
5. 用另外两个 5 磅的米袋覆盖前侧暴露的股骨近端（图 1C）。
6. 将机器探头定位在股骨近端上方，按照本机构用于患者骨密度（BMD）测量的标准操作程序进行扫描（图 1C）。请遵循特定 DXA 设备制造商的操作说明。

结果

尸体股骨以冷冻状态运输，并在准备开始前保存于 -20 °C 环境中。采用双能X线吸收测定法（DXA）扫描仪对每根标本进行骨密度（BMD）扫描，测量其髋关节整体及股骨颈部位的BMD值，并计算T值（图1）。T值表示所测BMD值与健康青年人群平均值相比的标准差数目，其范围通常为：骨质疏松骨骼≤-2.5，骨量减少骨骼介于-1至-2.5之间，正常骨骼则高于-1。扫描完成后，清除骨骼上多余的组织，并使用实验室自行设计和制作的切割夹具切除远端部分（图2）。随后，将标本远端嵌入固定夹具中，以便保持所需的内旋方向；将远端置入嵌入容器后，注入液态聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）以填满容器（图3）。对成对的骨骼及单独的骨骼分别获取X射线图像，以判断是否存在骨折或癌症等可能影响股骨强度的病变（图4）。若发现此类异常情况，在后续分析中应详细记录骨骼的病理状态。最后，使用特制的丙烯酸CT扫描夹具对股骨进行CT扫描，以获取CT图像；该夹具可将骨骼固定在预设的特定方位（内收.......

讨论

我们提出了一种可靠的骨样本制备方案，用于确保在模拟髋部侧向跌倒配置下进行股骨强度的力学测试及定量计算机断层扫描/有限元分析（QCT/FEA）建模。该方法已成为我们实验室的标准内部操作流程。在六年的时间里，尽管人员有所更替，仍成功按照此方案制备了约200根股骨样本。该方案的实施结果包括：利用双能X线吸收测定法（DXA）对骨状况进行分类，通过X射线排除转移性病变、既往骨折或植入物，并通过CT获取骨矿物质分布和三维几何结构，以用于后续的QCT/FEA建模。切割、包埋和扫描夹具的设计可适配左侧和右侧股骨，并满足未来测试、建模和分析所需的多种骨取向。实验室自制的夹具确保了测试样本的可重复性和可复现性。

由于骨实验的复杂性，以及在进行力学测试前需要结合骨密度（BMD）、X射线和CT扫描，股骨必须经历多次冻融循环。通过采用适当的方案以尽量减少在室温下的暴露时间，冷冻保存骨样本可有效维持组织的力学测试性能，即使长期保存亦如此^3,4。先前的研究表明，在-20 °C下冷冻骨组织不会改变.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
CT 样品容器和扫描夹具	内部自制	不适用	定制设计与制造
CT 扫描仪	西门子	Somatom Definition 扫描仪（Siemens，美国宾夕法尼亚州马尔文）	CT 扫描设备
定量 CT 模体	Midways 公司，美国加利福尼亚州旧金山	型号 3 CT 校准模体	用于从 CT 图像的 Hounsfield 单位获取骨密度（BMD）值
双能 X 射线吸收测定仪	通用电气	不适用	GE Lunar iDXA 骨密度扫描仪或其他类似 BMD 扫描仪
Hygenic 正畸树脂（PMMA）	Patterson 牙科供应公司	H02252	受控物质，需获得适当批准后方可购买
冷冻柜	Kenmore	不适用	用于骨骼的 -20 °C 储存
X 射线扫描仪	通用电气	46-270615P1	X 射线成像设备。
X 射线胶片	柯达	不适用	用于显示 X 射线图像
X 射线显影液	柯达 X-Omatic	M35A X-OMAT	用于显影 X 射线图像
X 射线暗盒	柯达 X-Omatic	不适用	用于装载 X 射线胶片
5 磅大米袋	Great Value	不适用	用于在 DXA 扫描过程中模拟软组织
生理盐水（0.9% 氯化钠）	百特公司	NDC 0338-0048-04	用于保持样本湿润
手术刀和刮匙	Bard-Parker	不适用	用于清除骨骼上的软组织
石膏切割器	Stryker	810-BD001	用于切割股骨干
钻孔机	博世	不适用	用于对股骨干进行钻孔
通风橱	Hamilton	70532	制备 PMMA 时用于通风