Name: 人髋关节微观结构失效机制的成像 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-09-29T13:50:00.000+00:00
Duration: 8 min 43 s
Description: 了解人体股骨微观结构在载荷下变形与断裂的成像方法。该方案利用大体积显微CT扫描技术，结合定制压缩装置和先进图像处理工具，研究骨小梁与皮质骨协同承载机制，为骨质疏松症诊断和生物力学研究提供新途径。

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感谢澳大利亚研究理事会（FT180100338；IC190100020）提供的资助。

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
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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）。</li>
	<li>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。</li>
	<li>将网格导入有限元软件中。对模型远端3–6 mm区域施加完全约束。在冠状面内，沿股骨轴向内收8°的方向，在股骨头中心施加1,000 N的名义载荷。该加载条件模拟单腿站立的静态状态（orthoload.com）。</li>
	<li>使用内置的PCG求解器求解有限元模型（收敛容差：1 × 10−7）。 
	​注：此处使用了有限元软件ANSYS。
	<ol>
		<li>通过执行以下命令生成一个元素表，包含单元质心处的第一和第三主应变分量： 
		/POST1 
		ETABLE,, EPTO1,1 
		ETABLE,, EPTO3,3</li>
		<li>通过执行以下命令，计算模型中第一和第三主应变分量与骨组织在拉伸（0.73%应变）和压缩（1.04%应变）状态下的屈服应变之间的应变比8（图1）： 
		SMULT,RFT,EPTO1, ,1/0.0074,1, 
		SMULT, RFT,EPTO3, ,1/0.0104,1,</li>
	</ol>
	</li>
	<li>根据拉伸和压缩状态下的峰值应变比对名义载荷进行缩放，并舍去两者中的较大值，以估算骨折载荷。将载荷增量确定为计算所得骨折载荷的1/41。</li>
</ol>
<img alt="骨折载荷示意图与骨应力分析；包含 L1、L3 公式及压缩装置示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64947/64947fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 1"> 
图 1：骨折载荷的计算。 有限元应变图、用于将名义力转换为骨折载荷的公式（左），以及加载方案，显示股骨（中右）、远端铝制（右上）杯和聚乙烯压力关节窝（右下）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64947/64947fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
2. 股骨试样组件的制备（图2）
<ol>
	<li>从冷冻柜（−20 °C）中取出样本。</li>
	<li>在室温（RT）下解冻24小时，同时将样本置于防水塑料袋中，并用浸有生理溶液的吸水材料包裹，以保持骨组织的湿度。</li>
	<li>在距股骨头近端180 mm处切割股骨干。</li>
	<li>通过将凹形聚乙烯压力窝（图2D）与股骨头对齐，使股骨头在对准装置的垂直轴上居中。</li>
	<li>将包含股骨颈和骨干轴的平面与额状面对其（图2）。</li>
	<li>将骨干轴旋转至8°内收，使垂直轴代表单腿静态站立时髋关节反作用力的方向（图2）。</li>
	<li>按照制造商说明书配制牙科水泥。</li>
	<li>将样本远端包埋于一个深度为55 mm的铝制包埋杯中，并用牙科水泥填满铝杯。确保水泥固化时间不少于30分钟。</li>
	<li>将样本组件储存于−20 °C环境中。</li>
</ol>
<img alt="关节力学图中股骨的位置；生物力学分析的角度测量设置。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64947/64947fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 2"> 
图 2：对准装置。 对准装置的前方（左）和侧方（右）照片，显示了（A）框架，（B）铝制浇铸杯，（C）合成股骨模型，以及（D）球形压力插座。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64947/64947fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
3. 压缩阶段组件装配
注意：压缩阶段的外部尺寸为直径 245 mm、高度 576 mm、重量 14 kg（不含样品）。压缩阶段由两个主要部分组成：压缩腔和驱动器，其组装方式如下：
<ol>
	<li>压缩室
	<ol>
		<li>将聚乙烯压力底座（直径 104 mm，高度 60 mm）安装在铝制圆筒（直径 203 mm，壁厚 3 mm）的底部，该圆筒一端（底部）由焊接的铝板封闭。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>驱动装置
	<ol>
		<li>使用圆盘、三根杆、三角板和垂直导轨组装顶部结构（图 3）。</li>
		<li>将螺旋千斤顶机构（行程：150 mm，最大负载：10,000 N，齿轮比：27:1，每转位移：0.148 mm）安装在三角板上。</li>
		<li>将角度适配器安装到直线导轨上。</li>
		<li>将低摩擦 x-y 平台安装到角度适配器上。</li>
		<li>通过将力传感器的 x-z 平面与顶部结构的前平面校准，将六自由度力传感器（最大测量误差：0.005%；最大力：10,000 N；最大扭矩：500 Nm）安装到低摩擦平台上。</li>
		<li>将驱动螺杆连接到角度适配器。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="静态平衡装置、骨骼测试装置、用于力学应力分析的标注图示。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64947/64947fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图3"> 
图3：定制的射线可穿透压缩台组件。 压缩台的照片（左）和模型（右）。(A) 压缩腔室，为底部封闭的3 mm厚铝制圆筒；(B) 带顶部结构的驱动器组件；(C) 螺旋千斤顶机构；(D) 低摩擦xy平台；以及(E) 六轴测力传感器在模型中显示并标注。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64947/64947fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
4. 实验设置
<ol>
	<li>在室温下解冻样本24小时，同时将其置于防水塑料袋中，并用浸有生理溶液的吸水材料包裹，以保持骨组织的湿润。</li>
	<li>将铝杯试样组件安装到载荷传感器上，使试样组件的前平面与执行器的前平面对齐。</li>
	<li>组装上部结构，包括试样，放入压缩腔中。注意将股骨头与聚乙烯压力承窝上的球面凹槽对齐。确保股骨头嵌入压力承窝的球形空腔内，但保持松动状态。</li>
	<li>将压缩载荷台放置于成像与医学光束线（IMBL）的微计算机断层扫描仪旋转台之上。</li>
	<li>连接负荷传感器（错误 &lt; 0.005%；最大作用力：10,000 N；最大扭矩：500 Nm）施加至应变放大器。</li>
	<li>连接， 通过 USB，将应变放大器连接至配备有随力传感器提供的应用软件的笔记本电脑。</li>
	<li>通过操作压缩台上的螺杆机构，使试样向下移动至压力插座，同时监测笔记本电脑中测力传感器记录的反作用力。当压缩力达到100 N时，停止螺杆机构的运动。随后将试样卸载至50 N的预载荷。</li>
	<li>选择单个 pco.edge 传感器镜头耦合闪烁体“Ruby”（http://archive.synchrotron.org.au/31-australian-synchrotron/imbl/811-preparation-for-imaging-experiments）。</li>
	<li>将视野设置为 76.31 mm × 64.39 mm，在 2,560 像素 × 2,160 像素的阵列尺寸下，对应的像素大小为 29.81 μm.</li>
	<li>将旋转台的轴心设置在视场轴心水平方向8 mm处（偏移扫描模式），以在像素尺寸为 29.81 μm.</li>
	<li>将扫描参数设置为束流能量 60 keV，旋转步进 0.1°，两批 180° 旋转（偏移扫描），曝光时间为 50 μs，每个旋转位置进行两次帧平均。</li>
	<li>设置扫描以获取五次连续的垂直堆叠扫描，每次垂直移动26 mm，使扫描体积的总高度为132.2 mm，总扫描时间为30 min。</li>
</ol>
5. 伴随显微结构成像的力学测试
<ol>
	<li>在参考状态下（视为零应变状态）进行两次显微CT成像（像素尺寸：0.03 mm）。</li>
	<li>通过手动操作螺旋千斤顶机构施加力增量，速率保持恒定，约为每秒1圈（0.1–0.2 mm/s）。</li>
	<li>进行显微CT成像。</li>
	<li>重复步骤5.2和步骤5.3，直至试样发生断裂，表现为反作用力突然下降。</li>
	<li>对断裂后的试样进行显微CT成像。</li>
	<li>拼接1,800张投影图像（尺寸为2,560像素 × 896像素，76.8 mm × 26.88 mm，宽×高，32位浮点图像）。该过程将两张在水平偏移扫描模式下获取的投影图像与五张垂直位移的图像进行拼接，从而生成单张投影图像。
	<ol>
		<li>重建横截面图像的体数据（共4,407张图像，每张图像尺寸为4,888 × 4,888像素），并以32位浮点格式保存为.TIFF文件（占用磁盘空间392 GB）。</li>
		<li>应用3 × 3高斯滤波器以降低噪声。将图像转换为8位（256级灰度图像，保存为位图格式，每个体数据约占用100 GB）。 
		​注意：本研究中，图像处理是在澳大利亚同步辐射中心IMBL线站操作人员指导下，使用该处提供的软件完成的。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. 位移场与应变场的计算
<ol>
	<li>将横截面图像进行四倍下采样（120 μm/像素），以减少计算时间。</li>
	<li>将加载状态下样本的图像与未加载参考状态下样本的图像进行刚性空间配准。以远端骨干作为配准目标（补充文件 1 和 补充文件 2）。</li>
	<li>对显微CT图像进行二值化处理后，创建三维表面模型（.STL文件）用于可视化11。</li>
	<li>使用等于50像素的网格尺寸，将图像体积弹性配准到参考体积（SDER = 0.076% 应变误差，BoneDVC，https://bonedvc.insigneo.org/dvc/），以确定网格节点处的位移。</li>
	<li>将网格转换为有限元模型。将BoneDVC计算得到的节点位移施加到模型上。求解模型以确定整个骨体积内的应变张量。</li>
	<li>在应变水平最高的区域，使用全分辨率图像重复上述分析。</li>
	<li>使用Matlab中的interp3函数进行三次插值，将DVC应变图映射到全分辨率图像上2。</li>
	<li>对位移、应变及微结构图像进行可视化，用于大体积可视化与动画制作（Matlab）2。</li>
</ol>
7. 分析
<ol>
	<li>通过叠加未加载状态和骨折后的图像，显示骨的永久变形（损伤）2。</li>
	<li>通过叠加未加载状态、载荷逐步增加时以及骨折后的三维模型，显示骨的渐进性微结构变形2。</li>
	<li>显示骨折位置处骨的应变2。</li>
	<li>使用描述性统计和回归方法分析骨的变形能、刚度和位移2。</li>
</ol>

<ol><li>Martelli, S., Perilli, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-elapsed+synchrotron-light+microstructural+imaging+of+femoral+neck+fracture%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">Time-elapsed synchrotron-light microstructural imaging of femoral neck fracture.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 84, 265-272 (2018).</li>
<li>Martelli, S., Giorgi, M., Dall' Ara, E., Perilli, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Damage+tolerance+and+toughness+of+elderly+human+femora%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Biomaterialia%22%5BJournal%5D)">Damage tolerance and toughness of elderly human femora.</a> Acta Biomaterialia. 123, 167-177 (2021).</li>
<li>Perilli, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dependence+of+mechanical+compressive+strength+on+local+variations+in+microarchitecture+in+cancellous+bone+of+proximal+human+femur%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Dependence of mechanical compressive strength on local variations in microarchitecture in cancellous bone of proximal human femur.</a> Journal of Biomechanics. 41 (2), 438-446 (2008).</li>
<li>Thurner, P. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-lapsed+investigation+of+three-dimensional+failure+and+damage+accumulation+in+trabecular+bone+using+synchrotron+light%5BTitle%5D)+AND+%22Bone%22%5BJournal%5D)">Time-lapsed investigation of three-dimensional failure and damage accumulation in trabecular bone using synchrotron light.</a> Bone. 39 (2), 289-299 (2006).</li>
<li>Jackman, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative%2C+3D+visualization+of+the+initiation+and+progression+of+vertebral+fractures+under+compression+and+anterior+flexion%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Bone+and+Mineral+Research%22%5BJournal%5D)">Quantitative, 3D visualization of the initiation and progression of vertebral fractures under compression and anterior flexion.</a> Journal of Bone and Mineral Research. 31 (4), 777-788 (2016).</li>
<li>Mayhew, P. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Relation+between+age%2C+femoral+neck+cortical+stability%2C+and+hip+fracture+risk%5BTitle%5D)+AND+%22Lancet%22%5BJournal%5D)">Relation between age, femoral neck cortical stability, and hip fracture risk.</a> Lancet. 366 (9480), 129-135 (2005).</li>
<li>Nazarian, A., Stauber, M., Zurakowski, D., Snyder, B. D., Müller, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+interaction+of+microstructure+and+volume+fraction+in+predicting+failure+in+cancellous+bone%5BTitle%5D)+AND+%22Bone%22%5BJournal%5D)">The interaction of microstructure and volume fraction in predicting failure in cancellous bone.</a> Bone. 39 (6), 1196-1202 (2006).</li>
<li>Schileo, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((To+what+extent+can+linear+finite+element+models+of+human+femora+predict+failure+under+stance+and+fall+loading+configurations%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">To what extent can linear finite element models of human femora predict failure under stance and fall loading configurations.</a> Journal of Biomechanics. 47 (14), 3531-3538 (2014).</li>
<li>Schileo, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+accurate+estimation+of+bone+density+improves+the+accuracy+of+subject-specific+finite+element+models%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">An accurate estimation of bone density improves the accuracy of subject-specific finite element models.</a> Journal of Biomechanics. 41 (11), 2483-2491 (2008).</li>
<li>Dall'ara, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+nonlinear+QCT-based+finite+element+model+validation+study+for+the+human+femur+tested+in+two+configurations+in+vitro%5BTitle%5D)+AND+%22Bone%22%5BJournal%5D)">A nonlinear QCT-based finite element model validation study for the human femur tested in two configurations in vitro.</a> Bone. 52 (1), 27-38 (2013).</li>
<li>Perilli, E., Parkinson, I. H., Reynolds, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-CT+examination+of+human+bone%3A+from+biopsies+towards+the+entire+organ%5BTitle%5D)+AND+%22Annali+dell%27Istituto+Superiore+di+Sanit%C3%A0%22%5BJournal%5D)">Micro-CT examination of human bone: from biopsies towards the entire organ.</a> Annali dell'Istituto Superiore di Sanità. 48 (1), 75-82 (2012).</li>
<li>Wearne, L. S., Rapagna, S., Taylor, M., Perilli, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-CT+scan+optimisation+for+mechanical+loading+of+tibia+with+titanium+tibial+tray%3A+A+digital+volume+correlation+zero+strain+error+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">Micro-CT scan optimisation for mechanical loading of tibia with titanium tibial tray: A digital volume correlation zero strain error analysis.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 134, 105336(2022).</li>
<li>Bennett, K. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ex+vivo+assessment+of+surgically+repaired+tibial+plateau+fracture+displacement+under+axial+load+using+large-volume+micro-CT%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Ex vivo assessment of surgically repaired tibial plateau fracture displacement under axial load using large-volume micro-CT.</a> Journal of Biomechanics. 144, 111275(2022).</li>
<li>Falcinelli, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiple+loading+conditions+analysis+can+improve+the+association+between+finite+element+bone+strength+estimates+and+proximal+femur+fractures%3A+A+preliminary+study+in+elderly+women%5BTitle%5D)+AND+%22Bone%22%5BJournal%5D)">Multiple loading conditions analysis can improve the association between finite element bone strength estimates and proximal femur fractures: A preliminary study in elderly women.</a> Bone. 67, 71-80 (2014).</li>
<li>Orthopedic Image Segmentation. Synopsys. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/ortho-medical-image-segmentation.html">https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/ortho-medical-image-segmentation.html</a> (2020).</li>
</ol>

所有作者均声明无利益冲突。

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&#160;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...

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&#160;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性及准脆性骨响应提出了质疑8,10。这些看似矛盾的发现可能源于完整骨骼与分离骨芯在断裂行为上的差异。因此，观察完整近端股骨中骨微结构的变形与断裂响应，有助于深化对髋部骨折力学机制及相关应用的理解。
目前，以微米级分辨率对完整的人类骨骼进行成像的方法存在局限性。扫描设备的机架和探测器尺寸必须提供足够的工作空间，以容纳人类近端股骨（约13 cm × 10 cm，宽×长），并可能需要达到约0.02–0.03 mm量级的像素尺寸，以确保能够捕捉到关键的微结构特征。11目前，部分同步辐射设施可满足这些规格要求。1 以及一些市售的大体积显微CT扫描仪12,13压缩平台必须具有射线透过度，以尽量减少X射线衰减，同时产生足以导致人类股骨骨折的力（例如，老年白人女性的骨折力范围为0.9 kN至14.3 kN）。14较大的断裂载荷变异给断裂所需载荷步数的规划、整体实验时间以及相应产生的数据量带来了困难。为解决这一问题，可对断裂载荷和断裂位置进行预估。 通过 基于临床计算机断层扫描（CT）图像获取的标本骨密度分布进行有限元建模1,2最后，实验结束后，需要对生成的大量数据进行处理，以研究完整人体股骨的失效机制和能量耗散能力。
本文描述了一种获取完整股骨近端在逐步增加形变过程中三维微结构图像序列的实验方案，该过程可导致临床上常见的股骨颈骨折2包括规划逐步递增的步骤&#160;标本压缩与加载 通过 一种定制的射频透明压缩载物台，成像 通过 大容量微型CT扫描仪，以及图像和载荷曲线的处理。

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

人体髋关节微结构失效机制的成像研究

Imaging of the Microstructural Failure Mechanism in the Human Hip

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&#160;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&#160;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&#160;骨折前表现出显著变形，最大应变达16%，并在&#160;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&#160;骨折，而刚度在&#160;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。

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）。
<img alt="静态平衡实验；载荷传感器装置测量机械应力；笔记本电脑进行数据分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64947/64947fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="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）。 <a href="https://www.jove....

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。

在逐步增加载荷的情况下对骨微结构进行成像，可实现对骨微结构失效行为的观察。本文描述了……

本方案能够实现对整个人类股骨在受力和断裂过程中微观结构变化的观察。通过以微结构分辨率对整个人类股骨进行成像，该方案使得研究骨的不同小梁和皮质骨区域如何协同决定其承受载荷能力成为可能。深入理解骨断裂机制有助于推动骨质疏松症先进诊断方法的发展。该实验方案最初在澳大利亚同步加速器开发，后经调整适用于大学的商用大体积显微CT扫描仪，并已用于研究包括膝关节和肩关节在内的不同解剖区域。原则上，该方法可推广至与完整人体骨骼和关节尺寸相似的材料。本研究需要多个学科领域的专业知识，包括成像技术、固体力学以及生物力学中的计算建模。首先，使用临床CT扫描仪对股骨样本进行扫描，扫描层厚和平面内像素尺寸约为0.5至0.7毫米。同时，在样本旁边扫描一个CT密度测定校准体模，该体模包含五种已知浓度的染料磷酸氢二钾。接下来，从临床CT图像中分割出骨组织的几何结构，利用密度与弹性模量之间的关系，将图像中的灰度值校准为相应的骨密度值和杨氏模量。在对分割后的几何结构创建网格后，将该网格导入有限元软件。将模型远端深度为三至六毫米的部分完全固定，然后通过在冠状面内从股骨干轴线外展八度并穿过股骨头中心施加1000牛顿的名义力，模拟单腿站立的加载状态。使用内置的PCG求解器求解该有限元模型。然后通过执行指定的命令，生成一个包含单元体中心处第一和第三主应变分量的单元表。接下来，执行指定命令，计算模型中第一与第三主应变分量之间的应变比，以及骨屈服应变在拉伸和压缩状态下的应变比。将名义力乘以峰值应变比（拉伸和压缩），并舍去两者中较大的值，以估算骨折载荷。将测试装置置于微计算机断层扫描（micro-CT）旋转台上，使试样处于参考的无载荷状态，并开始进行 micro-CT 扫描。对无载荷状态重复扫描两次，扫描完成后解开电缆。通过手动以每秒约一圈的恒定速率操作螺旋千斤顶机构施加力增量，并进行 micro-CT 成像。重复施加力增量，直至试样发生断裂，断裂表现为反作用力突然下降。对断裂后的试样进行显微CT成像，随后在不同载荷步骤下可视化投影图像序列。将显微CT图像进行四倍子采样，以减少计算时间。以远端骨干作为配准目标，在空间上对加载载荷下的样本图像与无载荷参考状态下的图像进行刚性配准。对显微CT图像进行二值化处理后，构建表面三维模型以用于可视化。使用骨组织数字体积相关法（bone DVC），确定在50像素大小网格上图像中的位移。然后通过将该网格转换为有限元模型，计算应变张量。在节点处施加计算得到的位移，并求解该模型。接下来，使用 Mac-Lab 中的 inter P three 函数进行三次插值，对位移和应变体数据进行重采样，使其尺寸与原始 micro-CT 图像的尺寸一致。对位移、应变及微结构图像进行大体积可视化和动画呈现。在骨变形分析中，通过叠加卸载条件下和骨折后获得的图像，显示骨的永久变形情况。然后通过叠加无负载状态、载荷逐步增加时以及骨折后的三维模型，展示骨组织微观结构的渐进性变形。显示骨折位置处骨组织的应变情况。最后，利用描述性统计和回归分析方法，对变形能、刚度和位移进行分析。微型CT成像与同步力学测试可用于观察股骨颈骨折。一段动画显示，股骨头在向远端移动直至发生骨折的过程中逐渐向内侧旋转。在髋臼下方，股骨头曲率变平，此处观察到局部皮质骨不稳定，但其下方的骨小梁结构体积未出现不稳定。骨折起始是由于皮质骨发生弯曲，可沿主要的压缩性骨小梁组延伸，或在距主要压缩性骨小梁轴约45度方向发生剪切。当载荷达到预期骨折载荷的50%后，应变即超过骨的屈服点，在骨折前可达到8%至16%的压缩变形。在峰值压缩状态下，可在头部区域观察到永久性形变。在复杂的应变状态下发生失效，表现出压缩、拉伸和剪切应变。变形能是位移的线性函数，直至断裂，显示出稳定的断裂行为。复制该方案的一个关键方面是获得载荷步长增量，这对于控制导致断裂所需载荷步数与位移的关系以及实验规划至关重要。获得高质量的图像对于数据的有意义分析也至关重要。过去人们认为弹性失稳导致60岁以上人群骨折事件急剧增加，这一观点使研究重点集中在皮质厚度的脆性预防上。本方案在轻度骨质疏松骨骼中所展示的弹性稳定骨折行为，将当前的研究焦点转向了皮质骨与小梁骨之间的相互作用。该方法可推进骨力学的精确建模，为骨脆性诊断及植入式器械的设计提供依据。

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人髋关节微观结构失效机制的成像

在本研究中，使用了 原位 将讨论用于纤维关节生物力学的加载装置与微米级X射线计算机断层扫描技术的结合应用。可通过整体关节生物力学变化识别的实验读数包括：1）反作用力与位移的关系， 即 牙槽窝内牙齿的移位及其对载荷的反应性响应，2）三维（3D）空间构型与形态测量学 即 牙齿与牙槽窝之间的几何关系，以及加载轴线改变导致的读数1和读数2的变化 即...

in situ 骨-牙周膜-牙齿纤维关节的压缩加载与相关无创成像

在生物医学研究中，动物模型常被用于模拟严重的骨损伤。由于小鼠体型较小，大多数研究团队难以在其体内建立稳定的骨缺损模型。本文中，我们描述了一种在小鼠中建立和分析实验性股骨缺损的简便方法。...

一种简单的小鼠股骨临界尺寸缺损模型

在本实验方案中，采用数字图像相关技术估算股骨表面在骨折测试过程中的应变。该方法的创新之处在于股骨表面应用了高对比度的随机散斑图案，并结合了精确设定的照明条件、高速视频采集以及数字图像相关分析来进行应变计算。...

一种利用数字图像相关法在骨折测试期间估算尸体股骨皮质应变的方法

在软骨内骨愈合过程中，评估骨折愈合组织中组织发育情况对于监测愈合进程至关重要。本文报道了一种适用于小鼠股骨的磁共振成像（MRI）兼容外固定装置，可在小鼠骨再生过程中实现MRI扫描。...

体内评估小鼠股骨骨折愈合过程中骨痂发育：采用一种适用于小鼠股骨的磁共振成像兼容骨固定装置

微型X射线计算机断层扫描技术在获取无损人体标本的三维信息方面具有显著效果，但在观察软组织时存在局限性。使用磷钨酸作为对比剂可解决这一问题。我们采用该对比剂对人体精细的纤维肌肉组织（眼轮匝肌支持韧带）进行了观察研究。...

使用微米级X射线计算机断层扫描结合磷钨酸染色技术可视化人纤维肌性组织

我们采用地质学（钻孔）取样方法，从人类股骨前侧获取用于同步辐射显微计算机断层扫描（SRµCT）实验的、尺寸均一的皮质骨样本。该方法具有破坏性小、效率高的特点，所获得的圆柱形样本可最大限度减少因样本形状不规则导致的成像伪影，从而改善骨微结构的可视化效果与分析质量。...

高通量皮质骨样本制备与同步辐射显微CT分析的切片、取芯及图像处理指南

微型计算机断层扫描（µCT）是一种非破坏性成像工具，在临床前研究中对评估骨结构具有重要作用，然而目前在分析骨愈合骨痂的µCT操作流程方面尚缺乏统一共识。本研究提供了一套逐步实施的µCT实验方案，可用于监测骨折愈合过程。...

利用微型计算机断层扫描评估骨骨折愈合

我们开发了一种力学成像分析流程，用于研究动脉粥样硬化斑块在结构和力学特性上的异质性。该分析流程能够关联纤维斑块组织中胶原纤维取向的局部主导角度与分散程度、破裂行为以及应变特征图谱。...

研究局部胶原结构与动脉粥样硬化斑块纤维组织力学特性相关性的方法

我们提出了一种在多个层次水平上评估骨再生的实验方案。该多模态方法能够实现跨不同长度尺度的结构分析，有效解决了样本制备中的挑战，并为评价生物材料促进骨再生的效果提供了可靠的分析流程。...

评估骨再生与支架性能的多模态方法

我们介绍一种技术，可实现分子束中不同构象体或团簇在空间上的分离。利用静电偏转器根据其质荷比对不同物种进行分离，从而获得单一构象体或特定化学计量比团簇的气相集合体。...

分子构象体与团簇的空间分离

了解人体股骨微观结构在载荷下变形与断裂的成像方法。该方案利用大体积显微CT扫描技术，结合定制压缩装置和先进图像处理工具，研究骨小梁与皮质骨协同承载机制，为骨质疏松症诊断和生物力学研究提供新途径。

人体髋关节微结构失效机制的成像研究

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