Bildgebung des mikrostrukturellen Versagensmechanismus in der menschlichen Hüfte

Saulo Martelli; Egon Perilli

doi:10.3791/64947

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Methodenartikel

Bildgebung des mikrostrukturellen Versagensmechanismus in der menschlichen Hüfte

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DOI:

10.3791/64947

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29. September 2023

Saulo Martelli¹^,² , Egon Perilli²

¹School of Mechanical, Medical and Process Engineering, Queensland University of Technology, ²Medical Device Research Institute, College of Science and Engineering, Flinders University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Das Protokoll ermöglicht die Messung der Verformung der Knochenmikrostruktur im gesamten proximalen menschlichen Oberschenkelknochen und seiner Zähigkeit durch die Kombination von großvolumigem Mikro-CT-Scanning, einem maßgeschneiderten Kompressionstisch und fortschrittlichen Bildverarbeitungswerkzeugen.

Zusammenfassung

Die Abbildung der Knochenmikrostruktur unter progressiv zunehmender Belastung ermöglicht es, das mikrostrukturelle Versagensverhalten des Knochens zu beobachten. Hier beschreiben wir ein Protokoll zur Erstellung einer Sequenz von dreidimensionalen mikrostrukturellen Bildern des gesamten proximalen Femurs unter progressiv zunehmender Verformung, die klinisch relevante Frakturen des Oberschenkelhalses verursacht. Das Protokoll wird anhand von vier Femora von Spenderinnen im Alter von 66 bis 80 Jahren am unteren Ende der Knochenmineraldichte in der Bevölkerung demonstriert (T-Score-Bereich = −2,09 bis −4,75). Ein radiotransparenter Kompressionstisch wurde entwickelt, um die Proben zu belasten, die einen einbeinigen Stand nachahmen, während die aufgebrachte Last während der Mikro-Computertomographie (Mikro-CT) aufgezeichnet wird. Das Sichtfeld war 146 mm breit und 132 mm hoch, die isotrope Pixelgröße betrug 0,03 mm. Die Krafterhöhung basierte auf Finite-Elemente-Vorhersagen der Bruchlast. Die Druckstufe wurde verwendet, um die Verschiebung auf die Probe aufzubringen und die vorgeschriebenen Kraftschritte zu bewirken. Subkapitale Frakturen durch Öffnung und Scherung des Schenkelhalses traten nach vier bis fünf Belastungsschritten auf. Die Mikro-CT-Bilder und die Reaktionskraftmessungen wurden verarbeitet, um die Knochendehnung und die Energieabsorptionskapazität zu untersuchen. Eine Instabilität des Kortex trat bei den frühen Belastungsschritten auf. Der subchondrale Knochen im Hüftkopf zeigte große Verformungen von bis zu 16 % vor der Fraktur und eine fortschreitende Zunahme der Stützkapazität bis zur Fraktur. Die Verformungsenergie stieg linear mit der Verschiebung bis zum Bruch an, während die Steifigkeit unmittelbar vor dem Bruch auf Werte nahe Null abnahm. Drei Viertel der Bruchenergie wurden von der Probe während des letzten Kraftanstiegs von 25 % aufgenommen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das entwickelte Protokoll eine bemerkenswerte Energieabsorptionskapazität oder Schadenstoleranz und eine synergistische Interaktion zwischen kortikalem und trabekulärem Knochen im fortgeschrittenen Spenderalter aufzeigte.

Einleitung

Frakturen des Oberschenkelhalses sind eine große Belastung für die alternde Bevölkerung. Die mikrocomputertomographische Bildgebung (Mikro-CT) und die begleitende mechanische Prüfung ermöglichen es, die Mikrostruktur des Knochens zu beobachten und ihre Beziehung zur Knochenfestigkeit, ihre altersbedingten Veränderungen und Verschiebungen unter Belastung zu untersuchen ^1,2. Bis vor kurzem waren Mikro-CT-Untersuchungen von Knochen unter Belastung jedoch auf exzidierte Knochenkerne³, Kleintiere⁴ und menschliche Wirbelsäuleneinheiten⁵ beschrän....