Proximal del fémur de cadáver preparación para el análisis de elementos finitos basado en CT Fracture Fuerza Pruebas y cuantitativa

Resumen

Se presenta un robusto protocolo sobre la manera de preservar cuidadosamente y preparar los fémures de cadáver para las pruebas de la fractura y la tomografía computarizada cuantitativa. El método proporciona un control preciso sobre las condiciones de entrada para el propósito de determinar las relaciones entre la densidad mineral ósea, resistencia a la fractura, y la definición de la geometría finita modelo de elementos y propiedades.

Resumen

pruebas de fractura Cadaveric se utiliza rutinariamente para entender los factores que afectan la fuerza fémur proximal. Debido ex vivo tejidos biológicos son propensos a perder sus propiedades mecánicas con el tiempo, la muestra de la preparación para las pruebas experimentales debe realizarse con cuidado para obtener resultados fiables que representan las condiciones in vivo. Por esa razón, hemos diseñado un protocolo y un conjunto de accesorios para preparar las muestras de fémur de tal manera que sus propiedades mecánicas experimentaron cambios mínimos. Los fémures se mantuvieron en un estado congelado, excepto durante las etapas de preparación y ensayos mecánicos. Se obtuvieron los medidas clínicas pertinentes de cadera total y femoral densidad cuello mineral ósea (BMD) con un densitómetro óseo clínica absorciometría dual de rayos X (DXA), y se obtuvieron la geometría y distribución de mineral de hueso 3D utilizando CT con un cuerpo de calibración para estimaciones cuantitativas basadas en los valores de escala de grises. Cualquier posible enfermedad ósea, fractura, O la presencia de implantes o artefactos que afectan a la estructura ósea, se descartó la tomografía de rayos X. Para la preparación, todos los huesos se limpiaron cuidadosamente del exceso de tejido blando, y fueron cortadas y en maceta en el ángulo de rotación interna de interés. Un accesorio de corte permite que el extremo distal del hueso para ser cortada dejando el fémur proximal en una longitud deseada. Para permitir el posicionamiento del cuello femoral en ángulos prescritos durante más tarde de exploración CT y ensayos mecánicos, los ejes femorales proximales se maceta en polimetilmetacrilato (PMMA) con un accesorio diseñado específicamente para orientaciones deseadas. Los datos recogidos de nuestros experimentos se utilizaron luego para la validación de la tomografía computarizada cuantitativa (QCT) basado en el análisis de elementos finitos (FEA), como se describe en un protocolo diferente. En este manuscrito, presentamos el protocolo para la preparación del hueso preciso para ensayos mecánicos y posterior modelado QCT / FEA. El actual protocolo se aplicó con éxito para preparar aproximadamente 200 cadfémures Averic lo largo de un período de 6 años.

Introducción

Determinar la verdadera resistencia a la fractura femoral proximal cadavérica con pruebas mecánicas es un método destructivo que requiere un enfoque de prueba riguroso para mediciones precisas. En particular, son necesarios métodos adecuados de preparación ósea para mantener la integridad casi in vivo de los huesos antes de la prueba de fractura mecánica¹. Esto se logra mediante el almacenamiento adecuado de los huesos y minimizando la manipulación a temperatura ambiente. Estos datos de prueba se utilizan ampliamente para validar modelos QCT/FEA de fractura femoral que tienen el potencial de usarse clínicamente para comprender el riesgo de fractura, especialmente en pacientes osteoporóticos. Desafortunadamente, no existe un procedimiento estándar actual para preparar muestras de fémur proximal para pruebas mecánicas. Un buen procedimiento de prueba debe garantizar la repetibilidad y la reproducibilidad del proceso de preparación. Por lo tanto, los accesorios necesarios para la preparación de muestras deben diseñarse y fabricarse cuidadosamente para minimizar la probabilidad de diversos errores de prueba. También necesitamos minimizar el tiempo de preparación durante el cual el tejido óseo está a temperatura ambiente y, por lo tanto, en peligro de degradación con cambios irreversibles en las propiedades mecánicas.

Con este fin, hemos desarrollado un procedimiento que preserva el tejido óseo a través de múltiples pasos de preparación. Esto es importante para garantizar un tiempo de exposición mínimo a temperatura ambiente y, al mismo tiempo, minimizar el número de ciclos de congelación/descongelación que pueden afectar a las propiedades físicas de los tejidos². Todo el procedimiento es largo y no trivial, ya que los pasos ocurrieron durante varias semanas y requirieron una programación para los procedimientos de escaneo y la disponibilidad del personal. Los pasos incluyeron la descongelación de las muestras óseas, el cribado de las muestras mediante DXA para obtener los valores de densidad mineral ósea (DMO), radiografías para descartar cualquier espécimen enfermo y, finalmente, una tomografía computarizada para estimar la distribución del mineral óseo y la geometría femoral. Todos los especímenes se prepararon para la prueba mediante la eliminación de tejidos blandos extraños de la superficie ósea, el corte del fémur a la longitud requerida para la prueba y la colocación del fémur en la orientación deseada para simular una caída lateral sobre la cadera durante las pruebas posteriores. Es esencial que el período de tiempo para todas estas operaciones sea lo más corto posible. Por lo tanto, es obligatorio un protocolo sólido para la preparación constante de las muestras, la conservación del tejido entre pasos y para reducir el tiempo total de preparación.

El objetivo de este artículo es presentar en detalle los procedimientos involucrados en la preparación de muestras femorales para pruebas mecánicas posteriores en diversas condiciones. La preservación del tejido óseo es crucial en este proceso, y lo logramos manteniendo las muestras congeladas entre pasos y manteniéndolas cuidadosamente envueltas en toallas saturadas de solución salina en todo momento, excepto cuando se escanean y se prueban mecánicamente los huesos. Los fémures también se mantuvieron envueltos en toallas húmedas con solución salina durante los pasos relacionados con el curado con PMMA para evitar la sequedad del tejido óseo.

Protocolo

NOTA: Todos los estudios presentados en este protocolo fue aprobado por el Consejo de Revisión Institucional (IRB) de la Clínica Mayo. Los huesos fueron obtenidos en un periodo de 6 años a partir de diversas organizaciones. Todas las muestras se recogieron dentro de las 72 horas de la muerte, envuelto en toallas de solución salina saturada, y se almacena a -20 ° C hasta la preparación.

1. La medición de la densidad mineral ósea Usando DXA

1. Retire especímenes conservados a -20 ° C congelador para descongelar a temperatura ambiente durante aproximadamente 24 h; especímenes no necesitan ser retirado de su embalaje original si la mayoría de los tejidos blandos se ha eliminado.
2. Use dos 5 libras bolsas de arroz para dar cuenta de los tejidos blandos. Cubrir las dos bolsas de arroz en la mesa de DXA con bolsas de plástico para evitar la contaminación. Las bolsas de arroz simularán tejido blando circundante (in vivo) durante la exploración, como se muestra en la Figura 1.
3. Proteger la superficie del escáner DEXA con papel forrado de plástico y coloque 2 ri envueltos en plásticoce bolsas sobre la mesa del escáner (Figura 1A).
4. Coloque 2 fémures (derecha e izquierda) en la parte superior de las bolsas de arroz tal que el extremo proximal (incluyendo la cabeza femoral) se centra en las bolsas y el lado posterior es hacia abajo (Figura 1B). Esto imita a un paciente acostado sobre su espalda.
5. Cubierta anterior / extremo proximal del fémur expuesta con dos bolsas de arroz de 5 libras adicionales (Figura 1C).
6. Cabeza de la máquina la posición sobre el fémur proximal y escanear el fémur de acuerdo con el procedimiento institucional estándar para la medición de la densidad mineral ósea del paciente (Figura 1C). Siga las instrucciones específicas del fabricante de DXA.
   1. Desde la interfaz de software de la máquina DXA realizar una exploración fémur normal. Seleccione el examen fémur, posicionar el brazo DXA en la parte superior del fémur de cadáver pulsando en la flecha izquierda o derecha en consecuencia en el brazo DXA, y la del examen haciendo clic en el botón "Inicio". Realizar el análisis de la densidad mineral ósea haciendo clic en "Analizar".
      NOE: El T-automática puntuación resultante de la exploración del hueso clasifica como normal, osteopenia u osteoporosis (Figura 1D). Siga las instrucciones específicas del fabricante de DXA.

2. Limpieza, Corte y Perforación del extremo distal del hueso

1. Limpiar las más proximales 300 mm del fémur quitando cuidadosamente cualquier tejido blando restante del hueso. Este paso es necesario para permitir que PMMA para contactar el hueso durante el proceso de encapsulación en la preparación para el ensayo mecánico. Los huesos no necesitan ser descongeladas a temperatura ambiente durante este proceso.
2. Desinfectar el área de trabajo con alcohol isopropílico al 70% y cubrir la mesa con almohadillas absorbentes de papel con lámina de plástico en un lado (Figura 2A). El sistema entero del fémur sobre la mesa (Figura 2B) para todo el proceso a partir de la limpieza para el corte (Figura 2A a 2H). Llevar equipo de protección individual (EPI), incluyendo guantesy protección para los ojos.
3. Raspe el exceso periostio y cortar el exceso de tejido usando un raspador y el bisturí (Figura 2C, 2H).
4. Colocar el hueso en el accesorio de corte a medida, como se muestra en la Figura 2D con la cabeza del fémur contra la placa de acrílico de la luminaria.
5. Alinear y sostener la diáfisis contra los dos pines en el dispositivo de corte (Figura 2D).
6. Asegure el hueso para la fijación apretando hacia abajo la placa ranurada en la diáfisis; si el hueso no está liso sobre el soporte sujetador, pasar el extremo distal de la tapa de tabla y también opcionalmente postal atar el cuello femoral según sea necesario para mantener el espécimen en su lugar (Figura 2D).
7. Cortar el eje distal del fémur usando el cortador de molde (Figura 2E) a través de la placa ranurada como guía; mantener los huesos con un trapo / toalla seca para un mejor agarre.
8. Retirar el hueso de la luminaria; la longitud del hueso normal después de corte es de 255 mm (figura2F).
9. Limpiar la cavidad medular ósea usando una cureta aproximadamente 25 mm de profundidad. A continuación, inserte una gasa para ayudar a secar la superficie interior. Retire la gasa antes de colocar el extremo distal del fémur en el molde. Agarre el hueso con una toalla / trapo seco y perforar un agujero de 10 mm a través del extremo distal de aproximadamente 25 mm desde el extremo proximal cortada de la muestra. Nota: Esto es para permitir que el PMMA para penetrar en el canal y asegurar firmemente el hueso.

3. encapsulamiento del hueso

1. Diseño y fabricación fabrique contenedor para macetas. Los recipientes para macetas están hechas de láminas de acrílico de 5 mm de espesor y tienen las siguientes dimensiones exteriores: 50 mm por 50 mm de sección transversal cuadrada y 100 mm de altura (Figura 3A).
2. Etiqueta del envase para macetas con una identificación apropiada del hueso (Figura 3A y 3B - vea la etiqueta del cuadro acrílico).
3. Ajuste el dispositivo de empotramiento para la orientación adecuada (pierna izquierdao la pierna derecha; por ejemplo, 15 ° o 30 ° de rotación interna).
4. Coloque contenedor de encapsulación en la base de la incorporación de accesorio, lugar de hueso en el contenedor de encapsulación (Figura 3B) y alinear el cuello con el puntero a accesorio (Figura 3C) para ajustar el ángulo de rotación interna del hueso en el valor deseado.
5. Medir 60 g de polvo de PMMA y se mezcla con 30 g de resina líquida bajo campana de humos hasta que se haya disuelto el polvo. La mezcla debe ser vertible. Use una taza de papel desechable para este proceso.
6. Verter la mezcla en el recipiente para macetas con hueso bajo una campana de extracción (Figura 3D), se deja curar durante aproximadamente 10 - 15 min hasta que el PMMA es claro y duro. Esto sólo debe llenar ~ 1/2 del recipiente para macetas con PMMA. Envuelva cuidadosamente el hueso en toallas salinas saturadas para evitar la sequedad del tejido debido a la generación de calor durante la polimerización de PMMA (Figura 3E).
7. Compruebe periódicamente el fémur para asegurar que permanece alineado en elrecipiente durante el curado.
8. Retire el fémur del artefacto para macetas y envolver con una toalla de papel empapado de solución salina (Figura 3E).
9. Preparar 90 g de PMMA bajo una campana de extracción como se explica en el paso 3.5 y llenar el recipiente completamente encapsulado. Curar el PMMA de aproximadamente 10 - 15 min hasta que sea difícil.
10. Después de resina se ha curado, envuelva firmemente / hueso vuelva a enrollar en solución salina empapada toallas de papel, cubrir con muestras de bolsa de plástico y almacenar a -20 ° C en el congelador.

4. Proyección de imagen del hueso con la radiografía

(PRECAUCIÓN! Operar con el cuidado adecuado para la radiación de rayos X cuando se utiliza la máquina)

1. Si el uso de películas para rayos X, a su vez promotora de rayos X en al menos 20 minutos (por fabricante instrucciones) antes de la digitalización girando el mando hacia la derecha (en la sala de desarrollador).
2. Asegúrese de que hay película sin exponer en el casete antes de una radiografía; casete debe ser abierto en un cuarto oscuro.
3. Encender la máquina dedesbloquear y extender el cabezal de la máquina.
4. Colocar un carro debajo de la trayectoria del haz y colocar un casete en el carro debajo de la viga (Figura 4A).
5. Lugar y posición del fémur en el cassette (Figura 4B); serán capturados dos orientaciones: vista medial-lateral y una vista antero-posterior. Etiquetar las imágenes del espécimen en consecuencia.
6. Después de la primera exposición, cambiar los lugares de plomo y hueso.
7. Cubrir el medio ya expuesta con plomo y exponer el hueso en la segunda orientación en la cara no expuesta. Esto permite al usuario utilizar una película de rayos X para un solo hueso en dos orientaciones (Figura 4C-D).
8. Cambiar el cassette y rotar cada fémur en la segunda orientación.
9. En el caso de un solo fémur, cubrir la mitad de la casete con una cubierta de plomo para evitar la exposición inicial de toda la película a los rayos X.
10. Moverse detrás de la pared portátil forrado de plomo para la protección personal y utilizar el disparador para exponerlos huesos.
11. Al finalizar, volver la cabeza de rayos X para bloquear y almacenar la posición, gire la llave a OFF en la máquina de rayos X y retire la película de rayos X expuesta.
12. Desarrollar la película para obtener imágenes de rayos X (Figura 4E) utilizando un revelador de la película regular. Encender la luz blanca en la habitación y localizar el revelador de la película. Encender la luz roja y apagar la luz blanca antes de abrir el cassette y proceder con el proceso de desarrollo de la película. Abra el casete y poner la película a través de la promotora. Encender la luz blanca y se apagará la luz roja una vez que la película ha sido desarrollado.

5. exploración por TAC de los Huesos

1. Quitar los huesos del congelador aproximadamente 24 h antes de la digitalización. Los huesos deben descongelarse completamente antes de escanear.
2. Asegurar que los huesos están envueltos en bolsas de plástico para la exploración para minimizar la limpieza al final.
3. Colocar y fijar el fémur y el cuerpo de calibración en el dispositivo de exploración por TAC (Figura 5A-B). La Fixture sostiene el cuerpo de calibración (Figura 5C) y también tiene el fémur en una orientación (Figura 5D-E) idéntica a la orientación deseada para la prueba mecánica posterior. Se requiere este registro cruz para utilizar los datos de la exploración CT (Figura 5F) en el proceso de modelado QCT / FEA (descrito en un protocolo diferente).
   NOTA: La base está diseñada de tal manera que se expone el fémur para la exploración CT sin obstruir el fémur proximal (cabeza femoral, el cuello, trocánter mayor, y el eje proximal).
4. Asegúrese de que el aparato junto con el fémur en el escáner CT está correctamente alineado con el láser del sistema como guías (Figura 5D-E). Vuelva a comprobar la alineación de la fijación con la larga láser eje CT (pulsando láser de encendido / apagado). El fantasma NO tiene que estar alineado con el láser, ya que se asegura en el accesorio. Cero la posición de la tabla desde el panel de control de la máquina pulsando el botón c ceron (→ 0 ←) en el panel de control.
5. Tras CT procedimiento operativo estándar, operar la máquina CT en 120 kVp, mAs 216, 1 s, tiempo de rotación y el tono de 1 utilizando el modo de ultra alta resolución (del mediodía). Esto da un grosor de corte de 0,4 mm, y un tamaño de píxel de 0,30 hasta 0,45 mm dependiendo del tamaño del campo de visión (FOV).
6. Ver la tomografía axial computarizada de datos antes de la prueba mecánica para asegurar que las imágenes de interés son capturados y guardados. Vuelva a congelar el hueso a -20 ° C hasta el día del experimento.

Resultados

Los fémures de cadáver se enviaron congelados y se mantuvieron a -20 ° C hasta que comenzó la preparación. DMO de exploración se realizó con un escáner DEXA para medir la cadera total y el cuello, así como la DMO T-score para cada muestra (Figura 1). Un puntaje T es el número de desviaciones estándar de la DMO medida en comparación con los valores medios de los sujetos jóvenes sanos. Puede variar desde -2.5 o inferior para huesos osteoporóticos, entre -1 y -2,5 para los ...

Discusión

Se presenta un protocolo de preparación de hueso robusto para asegurar las pruebas y QCT / FEA mecánica de modelado de la fuerza del fémur en una caída de lado en la configuración de la cadera. Este método se convirtió en nuestro protocolo estándar de la casa. A lo largo de 6 años, con el personal que varían, alrededor de 200 fémures se prepararon con éxito después de este protocolo. Los resultados del protocolo incluye la clasificación de afecciones óseas mediante DXA y descartar enfermedades metastásicas, fracturas pr...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Contenedor de encapsulado de TC y accesorio de escaneo	Fabricación interna	N/A	diseñado y fabricado a medida
	Escáner Siemens	Somatom Definition (Siemens, Malvern, PA)	Equipo de exploración
CT Quantitativo CT Phantom	Midways Inc, San Francisco, CA	Modelo 3 Calibración CT Phantom	Se utiliza para obtener valores de DMO de unidades de Hounsfield en la imagen de TC
Escáner de absorciometría de rayos X de energía	dual General Electric	N/A	GE Escáner iDXA lunar para la salud ósea o cualquier escáner similar de DMO
Resina ortodoncia higiénica (PMMA)	Patterson Dental Supply	H02252	Sustancia controlada y se puede comprar con la aprobación adecuada
Congelador	Kenmore N	/A	Este es un -20 ° C almacenamiento para huesos
escáner de rayos X	General Electric	46-270615P1	Equipo de imágenes de rayos X.
Películas de rayos X	Kodak	N/A	Se utiliza para mostrar imágenes de rayos X
Revelador de rayos X	Kodak X-Omatic	M35A X-OMAT	Se utiliza para revelar imágenes de rayos X
Casete de rayos X	Kodak X-Omatic	N/A	Se utiliza para sostener películas de rayos X
Bolsas de arroz de 5 libras	Gran valor	N/A	Se utiliza para imitar tejidos blandos durante el proceso de escaneo DXA
Solución salina fisiológica (cloruro de sodio al 0,9%)	Baxter	NDC 0338-0048-04	Se utiliza para mantener las muestras hidratadas
Bisturíes y raspadores	Bard-Parker	N/A	Se utiliza para limpiar el hueso de los tejidos blandos
Cortador de fundición	Stryker	810-BD001	Se utiliza para cortar el eje femoral
Máquina perforadora	Bosch	N/A	Se utiliza para perforar el eje femoral
Campana extractora	Hamilton	70532	Se utiliza para la ventilación cuando se utiliza la fabricación de PMMA

Escáner de tomografía computarizada