人体髋关节微结构失效机制的成像研究

摘要

该方案通过结合大体积显微CT扫描、定制压缩载台以及先进的图像处理工具，实现了对整个人类股骨近端骨微结构变形及其韧性的测量。

摘要

在逐步增加载荷的情况下对骨微结构进行成像，可实现对骨组织微结构失效行为的观察。本文介绍了一种在逐步增加变形载荷条件下获取完整股骨近端三维微结构图像序列的实验方案，该载荷可导致临床上常见的股骨颈骨折。本方案以四例女性捐献者的股骨为样本，其年龄介于66至80岁之间，骨密度处于人群较低水平（T值范围为−2.09至−4.75）。设计了一种射线透明的压缩加载装置，用于模拟单腿站立状态对样本施加载荷，同时在 微计算机断层扫描（micro-CT）成像过程中记录所施加的载荷。扫描视野宽度为146 mm，高度为132 mm，各向同性像素尺寸为0.03 mm。载荷增量基于有限元法对骨折载荷的预测结果确定。利用该压缩装置对样本施加位移，并实现预设的力增量加载。在经历四到五次载荷增量后，因股骨颈张开和剪切作用而出现股骨头下骨折。对micro-CT 图像及反作用力测量数据进行处理，以研究骨组织的应变特性与能量吸收能力。皮质骨的不稳定性在早期加载阶段即已显现。股骨头软骨下骨在 骨折前表现出显著变形，最大应变达16%，并在 骨折前持续提升其承载能力。变形能随位移呈线性增长直至 骨折，而刚度在 骨折前迅速下降至接近零。最终25%的载荷增量过程中，样本吸收了约四分之三的骨折能量。综上所述，本研究所建立的实验方案揭示了在高龄捐献者中，骨组织具有显著的能量吸收能力（即损伤耐受性），以及皮质骨与松质骨之间存在的协同作用机制。

引言

股骨颈骨折对老年人群构成了重大负担。微型计算机断层扫描（micro-CT）成像与同步力学测试 可实现对骨微结构的观察，并用于研究骨微结构与骨强度之间的关系、其随年龄变化的特征以及在载荷作用下的位移情况^1,2。然而，直到最近，载荷下骨组织的micro-CT研究仍局限于离体骨芯³、小型动物⁴以及人体脊柱节段⁵。本实验方案可量化整个近端人类股骨在载荷作用下及骨折后的微结构位移。

已有若干研究致力于探讨人类股骨的断裂失效问题，但这些研究有时得出了相互矛盾的结论。例如，人们认为皮质骨和小梁骨结构随年龄增长而变薄，会导致骨的弹性失稳，从而决定年龄相关的骨折易感性^6,7，这与假设无弹性失稳条件下皮质应变和股骨强度预测具有高决定系数（R² = 0.80–0.97）的结果明显相悖^8,9。然而，此类研究系统性地低估了股骨强度（低估幅度为21%–29%），因而对模型中所采用的脆....

方案

本方案使用来自遗体捐赠项目的12个股骨样本进行开发和测试。样本新鲜获取后，保存于澳大利亚南澳大利亚州托恩斯利弗林德斯大学生物力学与植入物实验室（−20 °C）。实验过程中始终保持骨骼的水分。捐赠者为高加索裔女性（年龄66至80岁）。本研究已获得弗林德斯大学社会与行为研究伦理委员会（SBREC）的伦理批准（项目编号 # 6380）。

1. 规划特定样本的载荷步长增量

1. 使用临床CT扫描仪对股骨标本进行扫描，目标层厚和面内像素尺寸约为0.5–0.7 mm。此步骤可在任何公共影像机构由专业放射技师采用标准预设的骨骼可视化成像协议完成。
2. 与标本同时扫描一个CT密度测定校准体模，该体模包含五个已知浓度的磷酸氢二钾（K₂HPO₄，等效密度范围约为59 mg∙cm⁻³ 至 375 mg∙cm⁻³）。
3. 从临床CT图像中分割出骨组织几何结构¹⁵，对分割后的骨几何结构进行网格划分，并根据Schileo等人报道的密度-弹性模量关系⁸，逐单元将各向同性材料属性映射到校准后的骨密度值上。将生成的网格保存，用于有限元软件中的进一步分析。按照分割与有限元软件提供的相关指南完成每一步操作。
4. 将网格导入有限元软件中....

结果

图像显示了完整的股骨近端、压力插座、牙科水泥、铝杯以及包裹的组织。随着载荷增加，在骨折前和骨折后可以观察到骨微结构逐渐发生变形（图4）。

图 4：压缩阶段连接至笔记本电脑。 （A）压缩阶段，（B）笔记本电脑，以及（C）数据采集装置。样品组件以透明方式叠加显示在压缩腔体上（右侧）。

讨论

本方案可实现对髋部骨折三维微力学随时间变化过程的研究 离体一个放射透明（铝制）压缩载物台 一种可对人股骨近端施加渐进性变形并测量其反作用力的装置已定制设计、制造并完成测试。本方案采用大体积显微CT扫描仪，获取在微米级分辨率下随渐进加载过程变化的全股骨近端图像序列。本研究通过图像的弹性共配准方法计算位移场和应变场。该方案能够显示股骨近端微结构的变形过程，并提供试样在规定逐级载荷作用下直至骨折发生时的变形能与刚度数据。

该实验方案的关键环节包括：a）确定每个样本的加载步长以控制实验时间；b）在整个实验过程中保持骨骼的湿润；c）在加载状态下对骨骼进行显微CT成像，直至骨折发生；d）确保成像过程中骨骼的移动最小化；e）存储和处理大量的图像数据。尽管该方案最初是为在特定同步辐射设施（澳大利亚克莱顿维多利亚州澳大利亚同步辐射中心成像与医学光束线）测试股骨近端而设计和使用的，但最近已成功应用于商用的大体积显微CT扫描仪，并扩展至不同的解剖区域^12,13.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
吸水性组织	N/A		在整个实验过程中保持骨骼的湿润
对准装置	定制		用于将样本定位在浇铸杯中的装置
铝制浇铸杯	定制		浇铸杯
骨锯	N/A		将样本切割至所需尺寸
QCT Pro 校准体模	Mindways Software, Inc., 奥斯汀, 美国	CT Calibration 13002	将图像中的灰度值校准为等效骨矿物质（灰分）密度值
临床计算机断层扫描仪	通用电气医疗系统公司, 威斯康星, 美国	Optima CT660	用于预测骨折载荷步长的初步成像
压缩载物台	定制		一个10 kg重、可透射X射线的压缩载物台，用于在成像过程中施加并维持对样本的预定形变
牙科水泥	Soesterberg, 荷兰	Vertex RS
股骨样本	Science Care, 凤凰城, 美国
有限元分析软件	ANSYS 公司, 坎农斯堡, 美国	ANSYS Mechanical APDL	有限元软件包
冷冻柜	N/A		在 -20 °C 下储存样本
硬盘	Dell		磁盘空间：每体积 500 GB
图像二值化与分割软件	Skyscan-Bruker, Kontich, 比利时	CT analyzer	图像处理软件
图像弹性分割	谢菲尔德大学	Bone DVC	https://bonedvc.insigneo.org/dvc/
图像处理与自动化软件	The MathWorks 公司	Matlab	图像处理软件
图像配准软件	Skyscan-Bruker, Kontich, 比利时	DataViewer	图像处理软件
图像分割与有限元建模软件	Simpleware, 埃克塞特, 英国	Scan IP	骨分割软件
图像拼接脚本	澳大利亚同步加速器, Clayton, 维多利亚州, 澳大利亚		该脚本可在 IMBL 获取
图像可视化	Kitware, Clifton Park, 纽约州, 美国	Paraview	图像可视化
图像可视化	澳大利亚国立大学	Dristhi	图像可视化: doi:10.1117/12.935640
成像与医学光束线	澳大利亚同步加速器, Clayton, 维多利亚州, 澳大利亚		澳大利亚同步加速器上的大型物体显微CT光束线
笔记本电脑	Dell Inc., 美国
低摩擦x-y平台	THK 公司, 东京, 日本
NI信号采集软件	国家仪器公司, 奥斯汀, 德克萨斯州, 美国	NI-DAQmx
磷酸盐缓冲盐水溶液	自制		在整个实验过程中保持骨骼的湿润
塑料袋	N/A		在整个实验过程中保持骨骼的湿润
导轨	SKF 公司, 兰斯代尔, 宾夕法尼亚州, 美国
螺旋千斤顶机构	Benzlers, Örebro, 瑞典	Serie BD (温齿轮单元)	行程：150 mm，最大载荷：10,000 N，传动比：27:1，每转位移：0.148 mm
单 pco.edge 传感器，透镜耦合闪烁体	澳大利亚同步加速器, Clayton, 维多利亚州, 澳大利亚		探测器 Ruby 视场：141 x 119 mm；2560 x 2160 像素；55 µm/像素；50 fps
六轴力传感器	ME-Meßsysteme GmbH, Hennigsdorf, 德国	K6D6	最大测量误差：0.005%；最大力：10000 N；最大扭矩：500 Nm
应变放大器	ME-Meßsysteme GmbH, Hennigsdorf, 德国	GSV-1A8USB K6D/M16