本文中，我们介绍了一种利用安装在标准伺服液压框架上的仪器化夹具，对尸体近端股骨进行髋部侧向跌倒构型下骨折测试的实验方案。测试过程中采集了包括力、力矩和位移在内的九个数字化信号，以及两路高速视频流。
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摘要
摘要
股骨的力学测试为理解骨矿物质密度分布和几何形态等临床可测量变量对股骨力学性能的影响提供了有价值的见解。目前，针对此类几何结构复杂的骨骼，尚无测量其强度和刚度的标准测试方案。为填补这一空白，我们开发了一种对尸体股骨进行断裂测试并测量其生物力学参数的实验方案。本方案描述了一套可调节的夹具，能够适应髋部跌倒构型中可能出现的不同骨骼取向所导致的各种载荷大小和方向、测试速度、骨骼尺寸以及左右腿的差异。股骨样本的制备包括清理、切割、扫描，并使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）包埋远端和大转子接触面，具体步骤见另一独立方案。制备完成的样本被安置在测试夹具中，模拟侧向跌倒时髋部的受力状态，直至发生骨折。测试过程中，两个测力传感器分别测量施加于股骨头和大转子的垂直力，一个六轴测力传感器测量股骨远端骨干处的力和力矩，一个位移传感器测量股骨头与转子接触支撑之间的相对位移。高速摄像机同步记录测试过程中的骨折事件序列。通过对数据的分析，我们得以表征近200例骨质疏松、骨量减少及正常尸体股骨的强度、刚度和骨折能量，为进一步开发基于工程学原理的骨质疏松症诊断工具提供支持。
引言
开发用于评估股骨骨折风险及预防髋部跌倒所致骨折的新方法，需要全面了解骨折发生过程中的生物力学机制。尸体近端股骨强度测试已被证实可有效确定股骨强度与影响股骨结构承载能力因素之间的关系，从而为此过程提供重要见解1,2,3。实验测得的股骨强度还被用于验证基于定量计算机断层扫描的有限元分析（QCT/FEA），后者能够无创地估算骨折强度4,5,6,7。
迄今为止，尚无公认的测试完整股骨标本至骨折的标准流程。为了分离出临床可测量的变量（如骨矿物质密度和几何形态）及其对股骨强度的影响，实验测试必须以受控且可重复的方式进行。尸体股骨形状不规则，尺寸各异8，可来源于不同年龄的男性或女性尸体，因此无法使用标准试验机的内置夹具进行测试。在髋部侧向跌倒事件中，大转子承受压缩载荷，而股骨近端可能经历包括压缩、拉伸、弯曲力矩和扭转在内的复杂载荷。此类加载情景的测试增加了实验设计的复杂性。因此，作为测试方案的重要组成部分，夹具必须专门设计、制造和安装，以适应不同形状和尺寸的股骨样本以及不同的测试速度。该夹具还必须能够以多种期望的方向固定标本，以模拟髋部跌倒时可能产生的冲击载荷。为满足如此多样的条件，夹具需要具备多个固定和可动部件，并以尽量减少系统间隙的方式连接，从而获得平滑的载荷-位移响应。
测试过程中可靠的数据采集也至关重要。实验设计必须包含必要的载荷传感器、位移换能器、信号放大器和调节器，以准确测量各支撑点的力和力矩。此外，需同步获取股骨前侧和后侧的高速视频，并与力信号采集同步进行，以帮助理解导致骨折的事件序列、表征骨折类型，并精确定义股骨强度4,9。
尽管文献中已有许多关于完整股骨测试的有价值实验研究，但已发表的实验方案要么缺乏对测试实施过程的详细描述，要么各研究之间差异显著，难以真正实现可重复性10,11。本研究的目标是提出一种可用于股骨样本力学测试的标准化操作流程，作为建立可重复、可复现骨组织测试方法的起点。为此，我们设计并制造了一种测试夹具，并利用该夹具测试了约200个尸体股骨样本。该测试夹具包括底部夹具和横梁夹具两部分。底部夹具（图1A-E）用于在测试过程中固定股骨的期望方向，包含一个大转子测力传感器和一个连接至股骨干的六通道测力传感器。它还具备三个独立的平移自由度，以便在骨折测试前对骨骼进行精确定位。此外，设置了一个旋转支点以模拟膝关节。底部夹具的主要部件由厚实的不锈钢和铝合金制成，以确保夹具具有极高的刚性。一个测力传感器安装在底部夹具上，用于测量测试过程中大转子所受的压缩力。横梁夹具（图2A-2E）包含两块铝合金基板和两组高刚性滑动球轴承（通过一块铝合金板连接），以适应测试过程中股骨头的运动，并兼容左右两侧股骨的测试。横梁夹具中也集成了一个测力传感器，用于测量压缩力。一个连接在测力传感器上的铝合金杯状结构用于向股骨头施加压缩载荷。本方法适用于不同性别、不同尺寸、不同颈干角、骨密度以及模拟髋部侧向跌倒载荷条件的左右侧股骨。实验中的测试速度设定为5、100和700 mm/s，但也可根据测试设备的性能设定为其他任意可用速度。所设计的夹具包含两个主要组件，一个连接至测试机的横梁，另一个连接至测试框架。两个部件均配备有测力传感器，足以测量所有支撑点处的力和力矩边界条件。此外，使用两台高速摄像机记录测试过程中的骨折事件。骨折后，获取一系列X射线图像和计算机断层扫描（CT）图像，用于实验后的骨折分析。这些实验所获得的结果，包括骨折强度和能量吸收等参数，目前正被用于进一步研究诊断工具，以期改善对骨质疏松患者近端股骨骨折强度的评估。
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方案
1. 大型装置固定
- 从机器上拆下标准夹具。
- 将横梁分开，以便安装自制夹具。
- 将铝块（图1A中的部件编号1）放置在机器上，并使用两个螺栓将其牢固固定在机器上；铝块中心的孔用于容纳机器的载荷传感器。
- 将主夹具结构（图1B中的部件编号2）放置在铝块上，并使用4个螺栓将其牢固地连接到铝块上。
- 在夹具未接触铝块的部分下方放置一个四吨千斤顶，以支撑夹具（图1C）。
- 将六通道载荷传感器夹具（图1D中的部件编号3）安装到主夹具上，并使用6个螺钉固定。
2. 横梁夹具的安装
- 使用横梁升降控制将机器横梁设置为绝对零位。
- 使用7个螺钉将第一块基板（图2B中的部件编号4）固定到横梁上，使其弯曲边缘朝向测试机前方。
- 使用一个枢轴螺钉安装第二块基板（图2C中的部件编号5）。该螺钉可在测试过程中适配左侧和右侧骨骼。第二块基板（部件编号5）可相对于第一块基板（部件编号4）绕枢轴螺钉自由旋转。第二块基板的方向决定了装置适用于右侧或左侧股骨。
- 使用4个螺钉将两个滑动轴承组件（图2D中的部件编号6）固定到第二块基板（部件编号5）上（其中两个螺钉可从第一块基板的一侧接入）。旋转第二块基板，使第二组螺钉可从第一块基板顶部进行操作。
注意：若需将滑轨方向从左侧骨骼切换至右侧骨骼，应先松开第一块基板顶部的4个螺钉，然后绕枢轴螺钉旋转滑轨组件，再在所需方向上重新紧固。 - 通过将机器横梁设置为相对位置65°，手动旋转与六通道负荷传感器正交的滑轨。
3. 实验用带仪器夹具、高速相机及照明装置的设置
- 将仪器化底部夹具安装在标准伺服液压测试机上。该夹具用于固定股骨，并可适配髋部跌倒配置下的左侧和右侧股骨（图1）。
- 设置高速摄像机和照明设备（图3A-3D）。
- 将高亮度光源安装在三脚架上，分别置于测试机两侧并固定（图3A）。
- 在测试机两侧架设高速摄像机的三脚架，并将每台摄像机连接至数据采集单元（图3B-3C）。
- 开启摄像机并连接至采集单元后，配置摄像机参数：设置帧速率为每秒6000帧（fps），分辨率为1,024 × 512像素；可根据摄像机内部存储容量适当降低分辨率（图3D）。
- 设置快门速度为1帧/秒（1/6,000 fps）。同时设置摄像机选项，使录制在作动器启动前开始（快速测试为100 ms，慢速测试为200 ms）。
- 使用同步线连接两台摄像机；在摄像机软件设置中选择触发模式。
4. 检查/校准载荷传感器以确保数据采集系统（DAQ）正常工作
- 设置数据采集单元
- 将数据采集仪（DAQ）连接到试验机、高速摄像机、测力传感器和线性电位计，连接方式如接线示意图所示 图4.
- 通过手动按压测力传感器，并在数据采集软件的查看面板中观察数据信号波形，检查大转子测力传感器、头部测力传感器、线性电位计、六通道测力传感器以及触发信号与数据采集设备的连接是否正确。
- 确认数据采集仪、信号调理器和脉冲发生器均已开启电源。
- 配置DAQ软件以采集来自载荷传感器和线性电位计的所有信号。在DAQ软件中，选择 "步骤设置 >> 配置" 标签，并为每个与负荷传感器相关的信号输入设置采集速率（Hz）。在 "触发" 选择相应的触发选项。在试运行期间，还应触发视频设备，以确保视频与数据采集系统同步。
- 使用标准伺服液压机对股骨头和大转子载荷传感器施加额定载荷（例如，最小200 lbs至最大1600 lbs），以验证载荷传感器测量值的合理性，并与制造商提供的校准数据表进行比较图 5A).
- 类似地，通过使用如图所示的砝码对六通道测力传感器施加静态载荷 图5B. 检查6通道载荷传感器的功能并验证其性能（图 5A-5B通过计算测量值与理论值之间的力和力矩的百分比差异来评估误差，误差应小于5%。
注意：所有载荷传感器必须已由制造商预先完成校准。此步骤仅用于检查载荷传感器是否正常工作，所有连接是否已正确接通，以及信号是否合理。 - 校准线性电位器
- 将线性电位器固定装置安装到横梁上，并将线性电位器放入该固定装置中（图5C）。拧紧螺丝以固定电位器主体，并将连接器插入DAQ设备。
- 手动移动加载架上的致动器（25 mm），使电位计位置从最大压缩状态移动至最大伸展状态，记录位移及对应的电压值（至少三个数据点）。绘制位移-电压关系图，并对数据进行线性拟合（R2 >0.95）。将线性方程的斜率（mm/V）作为校准因子输入 "缩放参数" DAQ 软件的框
- 通过测试一根替代用玻璃纤维骨直至其断裂，验证整个测试设备的设置，以确保所有数据采集功能正常且结果合理。这包括大转子负荷传感器、股骨头负荷传感器、线性电位计、六通道负荷传感器以及触发信号图6).
5. 准备用于测试的骨骼
- 将骨骼在室温下解冻24小时，并用纸巾去除水分、多余脂肪及残留的软组织。
- 将骨骼放入丙烯酸扫描夹具中，并准备牙科水泥。在通风橱中称取60 g PMMA粉末，加入30 g液态树脂，搅拌至粉末完全溶解，混合物应具有可倾倒的流动性。此过程使用一次性纸杯完成。该步骤用于将大转子包埋于铝杯中（图7A）。
- 将铝杯对准大转子下方，倒入PMMA水泥至铝杯一半高度，然后升高夹具平台，使骨骼进入铝杯中。静置10–15分钟以完成聚合。
- 用生理盐水浸湿的毛巾包裹骨骼，以防止骨水泥聚合过程中组织干燥。
- 将带有连接铝杯的骨骼转移至测试机的测试夹具中（图7B）。
- 将铝杯对准连接于转子负荷传感器的平板中心，并调节滑动轴承，使铝杯轻微接触负荷传感器。移除夹具中的销钉，以允许夹具自由旋转。
- 对准并降低横梁，使其与股骨头接触。
- 检查装置设置、骨骼位置、负荷传感器信号及铝杯位置。同时检查数据采集（DAQ）设备，确保所有设备和负荷传感器正确连接，并确认所有设备均已通电。检查软件设置，验证每个负荷传感器的信号响应是否正常。
- 从两个侧面拍摄固定在夹具中的股骨照片。
- 调节光圈，使足够的光线到达相机传感器，并控制景深。通过对股骨颈区域对焦来检查图像质量。该过程应避免图像中出现反光或光泽骨面区域，以免影响骨折事件的捕捉效果。
6. 断裂测试
- 确认伺服机械加载框架已设置为在加载和卸载过程中对骨折试验采用适当的位移控制，位移量为 25 mm。
注意：这些是制造商特定的设置，应根据制造商的技术规范在测试设备的控制面板中输入并核实。 - 最后检查一次照明条件，以尽量减少视频摄像机中的反光，并再次确认数据采集系统正常运行。
- 点击控制面板上的启动图标，开始测试程序，对股骨进行骨折试验（图 7C）。
- 从两个不同角度拍摄断裂后股骨的照片。
- 手动回缩作动器，并将股骨从机器中取出。
7. 骨折后处理
- 从固定装置上取下骨骼。
- 用胶带将骨骼近端断裂处固定于骨干上，用湿毛巾包裹后装入塑料袋中（图7D），随后在 -20 °C 下冷冻保存。
- 保留骨骼以用于骨折后的X射线和CT成像分析。
注意：这些操作的详细步骤已在本课题组另一份正在JoVE审稿中的方案中进行说明（图7E）。
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结果
标准夹具从试验机上拆除后，安装自行设计的夹具。首先安装并固定底部重型夹具（图1），该夹具包含一个延伸臂，用于安装六通道测力传感器，同时可使股骨干保持设定的内收角度。接着安装横梁夹具，该夹具包含两个无摩擦滑动轴承，用于在骨折过程中施加载荷并允许股骨头自由移动（图2）。上部夹具可调节，适用于测试左腿和右腿。所有夹具安装完毕后，安装高速摄像机和照明设备，并对摄像机图像进行焦点、对比度和景深的测试（图3）。随后将所有仪器连接至数据采集单元（DAQ）（图4），并对单轴测力传感器、六轴测力传感器以及线性电位计分别进行功能检查和校准（图5）。之后对所有仪器进行测试，以确认各测力传感器输出信号正常（图6）。接下来将大转子置入丙烯酸夹具...
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讨论
我们提出了一种用于在髋部跌倒构型下对尸体近端股骨进行骨折测试的实验方案，已成功应用于约200个样本的测试。该方案包含多个自主设计的夹具，用于在不同加载条件下进行股骨强度测试。该夹具可适用于左右两侧股骨的测试，并支持不同的测试速度和骨组织方向。在安装夹具和测量仪器后，首先对一根玻璃纤维材质的股骨进行至骨折的测试，以确保所有硬件和软件工具均已正确连接、同步运行，且信号与视频记录正常。在正式进行尸体股骨骨折测试前，将用PMMA包埋固定的股骨干部分夹紧于夹具中。该力学测试方案可实现股骨骨折测试的可重复性和一致性。
测试过程中，股骨干会经历弯曲和扭转变形，而股骨头和大转子则受到压缩。为了避免对试样施加侧向载荷，横梁夹具设计有两个交叉轴承，可在水平面内以极小的摩擦力实现移动。这确保了无论骨骼发生何种变形以及股骨头在测试过程中的空间运动如何，载荷始终垂直作用于股骨头。此外，通过简单旋转一个板状组件，该上部夹具即可适配左侧和右侧股骨，如图2C所示。
底部夹具连接在试验机的底部，用于在...
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披露
作者无相关披露信息。
致谢
我们感谢梅奥诊所（Mayo Clinic）的材料与结构测试核心设施及工程部提供的技术支持。此外，我们感谢 Lawrence J. Berglund、James Bronk、Brant Newman 以及 Jorn op den Buijs 博士在本研究过程中给予的帮助。本研究由格兰杰基金会（Grainger Foundation）的格兰杰创新基金提供资金支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| CT 扫描仪 | Siemens | Somatom Definition 扫描仪 (Siemens, Malvern, PA) | CT 扫描设备 |
| 定量 CT 模体 | Midways Inc, San Francisco, CA | 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 |
| Hygenic 正畸树脂（PMMA） | Patterson Dental Supply | H02252 | 受控物质，需经适当批准后方可购买 |
| 冷冻柜 | Kenmore | N/A | 用于骨骼的 -20oC 储存 |
| X 射线扫描仪 | 通用电气（General Electric） | 46-270615P1 | X 射线成像设备 |
| X 射线胶片 | 柯达（Kodak） | N/A | 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 | N/A | 用于存放 X 射线胶片 |
| 生理盐水（0.9% 氯化钠） | 百特（Baxter） | NDC 0338-0048-04 | 用于保持样本湿润 |
| 手术刀和刮匙 | Bard-Parker | N/A | 用于清除骨骼上的软组织 |
| 通风橱 | Hamilton | 70532 | 用于在制备用于样本包埋的 PMMA 时提供通风 |
| 单轴力传感器 | Transducer Techniques, Temecula, CA, USA | LPU-3K; S/N 219627 | 量程 3000 磅 |
| 六通道力传感器 | JR3, Woodland, CA | 45E15A4 | 机械载荷额定值 1000 N |
| 线性电位计 | Novotechnik, Southborough, MA, USA | 用于在测试期间获取线性位移数据 | |
| 滑动球轴承 | Schneeberger | 型号 NK | 测试夹具的组成部分 |
| 力学测试机 | MTS, Minneapolis, MN | 858 Mini Bionix II | 用于股骨压缩测试 |
| 照明装置 | ARRI | 高速视频录制所需 | |
| 高速摄像机 | Photron Inc., San Diego, CA, USA | Photron Fastcam APX-RS | 用于捕捉骨折事件的高速视频 |
| Photron FASTCAM 查看软件 | Photron Inc., San Diego, CA, USA | Ver.3392(x64) | 用于查看高速视频记录 |
| 摄像镜头 | 蔡司（Zeiss） | Zeiss Planar L4/50 ZF 镜头 | 用于实现高图像分辨率 |
| 信号调理板（DAQ） | 国家仪器公司（National Instruments） | 输入/输出信号连接器 | |
| Signal Express | 国家仪器公司（National Instruments） | N/A | 数据采集软件 |
| 笔记本电脑 | 戴尔（Dell） | N/A | 用于监控和采集测试过程中的所有信号 |
参考文献
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