Proximal Cadaveric Fémur Préparation de l'analyse des éléments finis à base de CT Fracture Force Test et quantitative

Résumé

Nous présentons un protocole robuste sur la façon de préserver et de préparer les fémurs cadavériques pour les tests de fracture et l'imagerie par tomodensitométrie quantitative avec soin. Ce procédé permet un contrôle précis des conditions d'entrée dans le but de déterminer les relations entre la densité minérale osseuse, la résistance à la rupture, et définissant la géométrie du modèle fini de l'élément et ses propriétés.

Résumé

les essais de rupture cadavérique est couramment utilisée pour comprendre les facteurs qui influent sur la force du fémur proximal. Parce que ex vivo des tissus biologiques sont sujettes à perdre leurs propriétés mécaniques au fil du temps, la préparation des échantillons pour l' essai expérimental doit être effectuée avec soin pour obtenir des résultats fiables qui représentent les conditions in vivo. Pour cette raison, nous avons conçu un protocole et un ensemble d'appareils pour préparer les échantillons fémoraux de telle sorte que leurs propriétés mécaniques ont connu des changements minimes. Les fémurs ont été maintenus dans un état congelé, sauf pendant les étapes de préparation et d'essais mécaniques. Les mesures cliniques pertinentes de la hanche et de la densité du cou minérale osseuse du fémur (DMO) ont été obtenus avec une clinique à double absorptiométrie à rayons X (DEXA) densitomètre d'os, et de la géométrie et de la distribution du minéral osseux 3D ont été obtenues à l'aide CT avec un fantôme d'étalonnage pour estimations quantitatives basées sur les valeurs gris. Toute éventuelle maladie des os, fracture, Ou la présence d'implants ou des artefacts affectant la structure osseuse, a été exclu avec des scans X-ray. Pour la préparation, tous les os ont été soigneusement nettoyés de l'excès de tissus mous, et ont été coupées et en pot à l'angle de rotation interne d'intérêt. Un dispositif de coupe a permis à l'extrémité distale de l'os devant être coupé en laissant le fémur proximal à une longueur souhaitée. Pour permettre le positionnement du col du fémur à des angles prescrits pendant plus tard, la tomodensitométrie et les essais mécaniques, les arbres ont été mises en pot supérieure du fémur en polyméthylméthacrylate (PMMA) en utilisant un appareil conçu spécifiquement pour les orientations souhaitées. Les données recueillies à partir de nos expériences ont ensuite été utilisés pour la validation de tomodensitométrie quantitative (QCT) à base de l'analyse par éléments finis (FEA), comme décrit dans un autre protocole. Dans ce manuscrit, nous présentons le protocole pour la préparation osseuse précise pour les essais mécaniques et à la suite de modélisation QCT / FEA. Le protocole actuel a été appliqué avec succès pour préparer environ 200 cadfémurs averic au cours d'une période de six ans.

Introduction

Déterminer la résistance réelle à la fracture fémorale proximale cadavérique à l’aide d’essais mécaniques est une méthode destructrice qui nécessite une approche d’essai rigoureuse pour des mesures précises. En particulier, des méthodes appropriées de préparation osseuse sont nécessaires pour maintenir une intégrité quasi in vivo des os avant l’essai de fracture mécanique ¹. Ceci est réalisé en stockant correctement les os et en minimisant la manipulation à température ambiante. Ces données de test sont largement utilisées pour valider les modèles QCT/FEA de fracture fémorale qui ont le potentiel d’être utilisés cliniquement pour comprendre le risque de fracture, en particulier chez les patients ostéoporotiques. Malheureusement, il n’existe actuellement aucune procédure standard pour préparer des échantillons de fémur proximal pour les tests mécaniques. Une bonne procédure d’essai doit garantir la répétabilité et la reproductibilité du processus de préparation. Par conséquent, les montages nécessaires à la préparation des échantillons doivent être soigneusement conçus et fabriqués afin de minimiser la probabilité de diverses erreurs de test. Nous devons également minimiser le temps de préparation pendant lequel le tissu osseux est à température ambiante et donc en danger de dégradation avec des modifications irréversibles des propriétés mécaniques.

À cette fin, nous avons développé une procédure qui préserve le tissu osseux à travers plusieurs étapes de préparation. Ceci est important pour garantir un temps d’exposition minimal à température ambiante tout en minimisant le nombre de cycles de gel/dégel qui peuvent affecter les propriétés physiques des tissus². L’ensemble de la procédure est long et non trivial, car les étapes se sont déroulées sur plusieurs semaines et ont nécessité une planification des procédures de numérisation et la disponibilité du personnel. Les étapes comprenaient la décongélation d’échantillons osseux, le dépistage des échantillons à l’aide de la scintigraphie DXA pour obtenir les valeurs de densité minérale osseuse (DMO), la radiographie pour exclure tout échantillon malade, et enfin la tomodensitométrie pour estimer la distribution de la géométrie minérale osseuse et fémorale. Tous les échantillons ont été préparés pour les tests en retirant les tissus mous étrangers de la surface de l’os, en coupant le fémur à la longueur requise pour les tests et en empoignant le fémur dans l’orientation souhaitée pour simuler une chute latérale sur la hanche lors des tests ultérieurs. Il est essentiel de garder la période de temps pour toutes ces opérations aussi courte que possible. Un protocole robuste est donc obligatoire pour une préparation cohérente des échantillons, la préservation des tissus entre les étapes et la réduction du temps de préparation global.

L’objectif de cet article est de présenter en détail les procédures impliquées dans la préparation d’échantillons fémoraux pour des essais mécaniques ultérieurs dans diverses conditions. La préservation du tissu osseux est cruciale dans ce processus, et nous y sommes parvenus en gardant les échantillons congelés entre les étapes et en les gardant soigneusement enveloppés dans des serviettes saturées de sel à tout moment, sauf lors du balayage et des tests mécaniques des os. Les fémoras ont également été maintenus enveloppés dans des serviettes humides salines pendant les étapes de durcissement du PMMA pour éviter la sécheresse du tissu osseux.

Protocole

NOTE: Toutes les études présentées dans ce protocole ont été approuvés par le comité d'examen institutionnel (IRB) à la Mayo Clinic. Les os ont été obtenus sur une période de 6 ans à partir de diverses organisations. Tous les échantillons ont été collectés dans les 72 heures après la mort, enveloppé dans une solution saline saturée serviettes, et conservés à -20 ° C jusqu'à ce que la préparation.

1. Mesurer la densité minérale osseuse par DXA

1. Retirer les échantillons conservés à -20 ° C congélateur pour décongeler à la température ambiante pendant environ 24 h; les échantillons ne doivent pas nécessairement être retiré de son emballage d'origine, si la plupart des tissus mous a été enlevée.
2. Utilisez deux 5 lb sacs de riz pour tenir compte des tissus mous. Couvrir les deux sacs de riz sur la table DXA avec des sacs en plastique pour éviter la contamination. Les sacs de riz simulent les tissus mous environnants (in vivo) pendant le balayage comme représenté sur la figure 1.
3. Protéger la surface du scanner DEXA avec du papier doublé de plastique et placez 2 ri en plastique enveloppésacs de bureaux sur la table du scanner (figure 1A).
4. Lay 2 fémurs (droite et gauche) sur le dessus des sacs de riz tels que l'extrémité proximale (y compris la tête fémorale) est centrée sur les sacs et le côté postérieur est vers le bas (figure 1B). Cela imite un patient couché sur le dos.
5. Couverture antérieure / exposée extrémité proximale du fémur avec deux sacs de riz 5 lb supplémentaires (figure 1c).
6. Tête de la machine de position sur le fémur proximal et de numérisation du fémur selon la procédure institutionnelle standard pour le patient mesure de la DMO (figure 1C). Suivez les instructions spécifiques du fabricant DXA.
   1. De l'interface du logiciel de la machine DXA effectuer une analyse du fémur normal. Sélectionnez l'examen du fémur, positionner le bras DXA sur le dessus du fémur cadavérique en appuyant sur la flèche gauche ou à droite en conséquence sur le bras DXA, et commencer l'examen en cliquant sur le bouton "start". Effectuer l'analyse de la DMO en cliquant sur "Analyser".
      NE PASE: Le T-score automatique résultant de l'analyse classifie l'os normal, ostéopénie ou ostéoporotique (figure 1D). Suivez les instructions spécifiques du fabricant DXA.

2. Nettoyage, découpe et de perçage de la Distal End of the Bone

1. Nettoyer les plus proximales 300 mm du fémur en enlevant soigneusement toute tissu mou restant de l'os. Cette étape est nécessaire pour permettre le PMMA pour contacter l'os au cours du processus d'enrobage en préparation pour les essais mécaniques. Les os ne doivent pas être décongelés à la température ambiante pendant ce processus.
2. Assainir l'espace de travail avec 70% d' alcool isopropylique et couvrir la table avec des tampons de papier absorbant avec un film plastique sur un côté (figure 2A). Réglez le fémur entier sur la table (figure 2B) pour l'ensemble du processus en commençant par le nettoyage à la coupe (figure 2A à 2H). Porter un équipement de protection individuelle (EPI), y compris des gantset une protection oculaire.
3. Gratter excès périoste et couper l' excès de tissu à l' aide d' un grattoir et un scalpel (figure 2C, 2H).
4. Placez l'os dans la découpe appareil-mesure comme le montre la figure 2D avec la tête du fémur contre la plaque acrylique de l'appareil.
5. Alignez et maintenez la diaphyse contre les deux broches sur le dispositif de coupe (figure 2D).
6. Fixer l'os pour la fixation par serrage en bas de la plaque fendue sur la diaphyse; si l' os ne se trouve pas à plat sur luminaire, accrocher l' extrémité distale de table et aussi zip éventuellement lier le col du fémur au besoin pour maintenir l'échantillon en place (figure 2D).
7. Couper la tige distale du fémur en utilisant l'outil de coupe de coulée (Figure 2F) à travers la plaque fendue comme un guide; maintenir l'os avec un chiffon / serviette sèche pour une meilleure adhérence.
8. Retirer l'os de l'appareil; longueur de l' os normal après la coupe est de 255 mm (Figure2F).
9. Nettoyer la cavité médullaire osseuse en utilisant une curette environ 25 mm de profondeur. Ensuite, insérez une éponge de gaze pour aider à sécher la surface intérieure. Retirer la gaze juste avant de placer l'extrémité distale du fémur dans le moule. Grip l'os avec une serviette / chiffon sec et percer un trou de 10 mm à l'extrémité distale à environ 25 mm de l'extrémité proximale coupée de l'échantillon. Note: Ceci est de permettre au PMMA de pénétrer dans le canal et fixer l'os fermement.

3. Empocher the Bone

1. Conception et conteneur de rempotage fabriquent. Les conteneurs d'empotage sont faits de 5 mm d' épaisseur des feuilles d'acrylique et ont les dimensions extérieures suivantes: 50 mm par 50 mm de section carrée et 100 mm de hauteur (figure 3A).
2. Étiquette conteneur de rempotage avec identification osseuse appropriée (figure 3A et 3B - voir l' étiquette sur la boîte acrylique).
3. Réglez le plongement appareil à la bonne orientation (jambe gaucheou la jambe droite; par exemple 15 ° ou 30 ° de rotation interne).
4. Placer le contenant de rempotage dans la base d'encastrement luminaire, lieu d' os dans le récipient d'enrobage (figure 3B) et aligner le cou avec le pointeur dans fixation (figure 3C) pour régler l'angle de rotation interne de l'os à la valeur désirée.
5. Mesurer 60 g de poudre de PMMA et mélanger avec 30 g de résine liquide sous une hotte jusqu'à ce que la poudre soit dissoute. Le mélange doit être versable. Utilisez un papier jetable pour ce processus.
6. Verser le mélange dans le récipient de rempotage avec os sous une hotte (Figure 3D), laisser sécher pendant environ 10 - 15 min jusqu'à ce que le PMMA est clair et dur. Cela ne devrait remplir ~ 1/2 du récipient de rempotage avec PMMA. Envelopper soigneusement l'os dans une solution saline saturée serviettes pour prévenir la sécheresse des tissus en raison de la production de chaleur pendant la PMMA polymérisation (Figure 3E).
7. Contrôler régulièrement le fémur pour assurer qu'elle reste alignée dans lerécipient pendant le durcissement.
8. Retirer du fémur empotage luminaire et envelopper avec une solution saline imbibé serviette en papier (Figure 3E).
9. Préparer 90 g de PMMA sous une hotte, comme expliqué à l'étape 3.5 et remplir le récipient d'enrobage complètement. Cure PMMA pour environ 10 - 15 min jusqu'à ce qu'elle devienne dure.
10. Après la résine a durci, bien envelopper / RÉEMBALLAGE os dans une solution saline imbibé de serviettes en papier, couvrir avec des spécimens de sac et de stocker en plastique à -20 ° C dans le congélateur.

4. Imagerie l'os avec X-ray

(ATTENTION! Faire fonctionner avec des soins appropriés pour les rayons X lors de l' utilisation de la machine)

1. Si vous utilisez des films pour rayons X, tourner développeur de rayons X sur au moins 20 min (par les instructions du fabricant) avant la numérisation en tournant dans le sens horaire du bouton (dans la salle des développeurs).
2. Assurez-vous qu'il est un film non exposé dans la cassette avant la radiologie; la cassette ne doit être ouvert dans une pièce sombre.
3. Mettez la machine àdéverrouiller et étendre la tête de la machine.
4. Placer un chariot sous le chemin du faisceau et de placer une cassette dans le chariot sous la poutre (figure 4A).
5. Placer et positionner le fémur sur la cassette (figure 4B); deux orientations seront capturés: vue médio-latérale et vue antéro-postérieur. Etiqueter les images spécimen en conséquence.
6. Après la première exposition, permuter les conducteurs et les os endroits.
7. Couvrir la moitié déjà exposés au plomb et d'exposer l'os dans la seconde orientation sur le côté non exposé. Cela permet à l'utilisateur d'utiliser une pellicule à rayons X pour un seul os dans deux orientations (figure 4C-D).
8. Changez la cassette et faire tourner chaque fémur dans la seconde orientation.
9. Dans le cas d'un fémur, couvrir la moitié de la cassette avec un couvercle conducteur pour éviter une exposition initiale de l'ensemble du film à rayons-X.
10. Déplacer derrière le mur portatif de plomb doublé pour la protection personnelle et d'utiliser le déclencheur pour exposerles os.
11. A la fin, retour tête à rayons X pour verrouiller et la position du magasin, tourner la clé sur OFF machine à rayons X et de retirer le film X-ray exposée.
12. Développer le film pour obtenir des images à rayons X (Figure 4E) en utilisant un développeur de film régulier. Allumez la lumière blanche dans la chambre et localiser le développeur de film. Allumez la lumière rouge et éteindre la lumière blanche avant d'ouvrir la cassette et poursuivre le processus de développement de films. Ouvrez la cassette et mettre le film à travers le développeur. Allumez la lumière blanche et éteindre la lumière rouge une fois que le film a été développé.

5. CT Numérisation de Bones

1. Retirer les os du congélateur environ 24 h avant la numérisation. Bones doivent être complètement décongelés avant la numérisation.
2. Assurer les os sont enveloppés dans des sacs en plastique pour la numérisation afin de minimiser le nettoyage à la fin.
3. Placer et fixer le fémur et le fantôme d'étalonnage dans l'appareil de tomodensitométrie (figure 5A-B). Le Félange détient le calibrage fantôme (figure 5C) et détient également le fémur dans une orientation (Figure 5D-E) identique à l'orientation souhaitée pour l' essai mécanique ultérieure. Cette inscription croisée est nécessaire pour utiliser les données de tomodensitométrie (figure 5F) dans le processus de modélisation QCT / FEA (décrit dans un protocole différent).
   NOTE: L'appareil est conçu de telle sorte qu'il expose le fémur pour la tomodensitométrie sans obstruer le fémur proximal (tête du fémur, du cou, du grand trochanter et l'arbre proximal).
4. Assurez - vous que le luminaire avec le fémur dans le tomodensitomètre est correctement aligné avec les lasers du système en tant que guides (figure 5D-E). Re-vérifier l'alignement de l'appareil avec le laser longue axe CT (en appuyant sur laser bouton marche / arrêt). Le fantôme n'a pas besoin d'être aligné avec le laser comme il est fixé dans le luminaire. Zéro, la position de la table à partir du panneau de la machine de commande en appuyant sur le butto zéron (→ 0 ←) sur le panneau de commande.
5. Après CT procédure d'exploitation standard, faire fonctionner la machine CT à 120 kVp, 216 mAs, le temps de rotation de 1, et pas de 1 en utilisant le mode haute résolution ultra (Zuhr). On obtient ainsi une épaisseur de tranche de 0,4 mm, et une taille de pixel de 0,30 à 0,45 mm selon la taille du champ de vision (FOV).
6. Voir CT-scan des données avant l'essai mécanique pour faire en sorte que les images d'intérêt sont capturées et enregistrées. Recongeler l'os à -20 ° C jusqu'au jour de l'expérience.

Résultats

Les fémurs cadavériques ont été expédiés congelés et conservés à -20 ° C jusqu'à ce que la préparation a commencé. L' analyse de la DMO a été réalisée à l' aide d' un scanner DEXA pour mesurer la hanche totale et du col DMO ainsi que T-score pour chaque échantillon (figure 1). Un T-score est le nombre d'écarts-types de la DMO mesurée par rapport aux valeurs moyennes pour les jeunes sujets en bonne santé. Elle peut aller de -2,5 ou moins pour les os ostéoporotiques, entre...

Discussion

Nous avons présenté un os solide protocole de préparation pour assurer les tests et QCT / FEA modélisation mécanique de la force fémorale dans une chute latérale de la configuration de la hanche. Cette méthode est devenue notre protocole standard interne. Au cours de 6 ans, avec le personnel variant, environ 200 fémurs ont été préparés avec succès suivant ce protocole. Les résultats du protocole comprend la classification des conditions d'os à l'aide de DXA, excluant les maladies métastatiques, fractures antérie...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Conteneur d’enrobage CT et dispositif de balayage	Fabriqué en interne	N/A	conçu et fabriqué sur mesure
	Siemens	Somatom Definition (Siemens, Malvern, PA)	Équipement de balayage CT
Quantitatif CT Phantom Midways	Inc, San Francisco, CA	Modèle 3 Étalonnage CT Phantom	Utilisé pour obtenir les valeurs BMD des unités Hounsfield dans l’image
Scanner absorptiométrie à rayons X à double énergie	General Electric	N/A	GE Lunar iDXA scanner pour la santé des os ou tout scanner BMD similaire
Résine orhodontique hygénique (PMMA)	Patterson Dental Supply	H02252	Substance contrôlée et peut être acheté avec l’approbation appropriée
Congélateur	Kenmore	N/A	Il s’agit d’un -20 ° ; C stockage pour scanner à rayons X d’os
	General Electric	; 46-270615P1	Appareil d’imagerie par rayons X.  ;   ;
Films radiographiques	Kodak	N/A	Utilisé pour l’affichage d’images radiographiques
Révélateur de rayons X	Kodak X-Omatic	M35A X-OMAT  ;	Utilisé pour le développement d’images radiographiques
Cassette à rayons X	Kodak X-Omatic	N/A	Utilisé pour tenir des films radiographiques
Sacs de riz de 5 livres Great	Value	N/A  ;	Utilisé pour imiter les tissus mous pendant le processus de balayage DXA
Solution saline physiologique (chlorure de sodium à 0,9 %)	Baxter	NDC 0338-0048-04	Utilisé pour garder les échantillons
hydratés Scalpels et grattoirs	Bard-Parker	N/A	Utilisé pour nettoyer l’os des tissus mous
Coupe-plâtre	Stryker	810-BD001	Utilisé pour couper l’arbre fémoral
Perceuse	Bosch	N/A	Utilisé pour percer l’arbre fémoral
Hotte	Hamilton	70532	Utilisé pour la ventilation lors de l’utilisation de la fabrication de PMMA

Scanner CT Scanner CT