人髋关节微观结构失效机制的成像

该协议能够观察整个人体股骨在负荷和骨折下变形的微观结构。通过以微观结构分辨率对整个股骨进行成像，该协议可以研究骨骼的不同小梁皮质隔室如何协同确定其承受负荷的能力。加深我们对骨折机制的理解可以为骨质疏松症的先进诊断方法提供信息。

该协议由澳大利亚同步加速器开发，适用于大学的商用大体积显微CT扫描仪，并应用于研究不同的解剖区域，包括膝盖和肩部。原则上，它可以扩展到与整个人体骨骼和关节大小相似的材料。这项研究需要多个学科的专业知识，包括成像、固体力学和生物力学中的计算建模。

首先，使用临床 CT 扫描仪扫描股骨标本，切片厚度和平面内像素大小约为 0.5 至 0.7 毫米。在标本旁边，用五种已知浓度的染料磷酸氢钾扫描 CT 密度校准模型。接下来，从临床 CT 图像中分割骨几何形状，将图像中的灰度级别校准为相应的骨密度值，并使用密度与弹性模量的关系校准杨氏模量。

创建分割几何体的网格后，将网格导入有限元软件。完全约束 3 到 6 毫米深，即模型的远端，然后通过施加 1000 牛顿的标称力来复制单腿站立载荷配置，从冠状平面的股骨轴轴外展 8 度并穿过股骨头的中心。使用内置的 PCG 求解器求解有限元模型。

然后，通过执行指示的命令，生成一个单元表，其中包含单元质心处的第一和第三性原理应变分量。接下来，执行指示的命令，计算模型中第一和第三主应变分量与骨屈服应变、意图和压缩之间的应变比。按峰值应变比、意图和压缩来缩放标称力，并丢弃两者中最大的一个来估计断裂载荷。

将测试台放置在显微CT旋转台上，使试样处于参考卸载状态，然后开始显微CT扫描。在空载条件下重复成像两次，并在扫描后展开电缆。通过以每轮约一秒的恒定速率手动启动螺旋千斤顶机构来施加力增量，并进行显微CT成像。

重复力的增加，直到试样断裂，如反作用力突然下降所示。对骨折标本进行显微 CT 成像。然后可视化不同加载步骤下的投影图像序列。

将显微 CT 图像分样 4 个，以减少计算时间。使用远端骨干作为共同配准的目标，在空间中严格地将负载下的标本图像与未加载参考条件下的图像进行共同配准。在对显微 CT 图像进行二值化后，创建用于可视化的表面三维模型。

使用骨骼 DVC 确定图像在 50 像素大小的网格上的位移。然后，通过将网格转换为有限元模型来确定应变张量。在节点处应用计算出的位移并求解模型。

接下来，使用三次插值，使用 Mac-Lab 中的 inter P three 函数，对位移和应变体积进行重新采样，以匹配显微 CT 图像的原始尺寸。可视化位移、应变和微观结构图像，实现大体积可视化和动画。对于骨变形分析，通过叠加在空载条件下和骨折后获得的图像来显示骨骼的永久变形。

然后，通过在空载条件下、增加的载荷水平和骨折后叠加三维模型来显示骨骼的渐进性微观结构变形。显示骨折位置的骨应变。最后，采用描述性统计和回归方法，对变形能量、刚度和位移进行分析。

显微 CT 成像和伴随的机械检查可以观察股骨颈骨折。动画显示股骨头逐渐向内侧旋转，同时向远端移动直至骨折。头曲在窝下变平，观察到局部皮质不稳定，但未观察到下层小梁体积不稳定。

骨折的发生是通过弯曲皮质而发生的，要么沿着主要的压缩小梁群进展，要么通过与主要压缩小梁轴成约 45 度的剪切。应变超过骨产量，一旦四人成功达到预期骨折载荷的50%，骨折前的压缩率达到8%至16%。在峰值压缩下，在头部区域观察到永久变形。

破坏发生在复杂应变状态下，表现出压缩、拉伸和剪切应变。变形能量是位移直至断裂的线性函数，表现出稳定的断裂行为。复制协议的一个关键方面是获得载荷步长增量，这对于控制导致骨折位移和实验规划所需的载荷步数非常重要。

获得高质量的图像对于有意义的数据分析也很重要。认为弹性不稳定性导致 60 岁以上骨折事件急剧增加，因此将脆性预防研究的重点放在皮质厚度上。该协议在轻度骨质疏松性骨骼中表现出的弹性稳定的骨折行为将当前的焦点转移到皮质和小梁相互作用上。

该程序可以推进骨力学的考虑模型，为脆性诊断和植入式设备的设计提供信息。