הפרוטוקול מאפשר למדוד את העיוות של מיקרו-מבנה העצם בכל עצם הירך האנושית הפרוקסימלית ואת הקשיחות שלה על ידי שילוב של סריקת מיקרו-CT בנפח גדול, שלב דחיסה בהתאמה אישית וכלי עיבוד תמונה מתקדמים.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
במאמר זה
סיכום
תקציר
הדמיה של מיקרו-מבנה העצם תחת עומסים הולכים וגדלים מאפשרת התבוננות בהתנהגות הכשל המיקרו-מבני של העצם. כאן, אנו מתארים פרוטוקול לקבלת רצף של תמונות מיקרו-מבניות תלת מימדיות של עצם הירך הפרוקסימלית כולה תחת עיוות הולך וגובר, הגורם לשברים רלוונטיים מבחינה קלינית של צוואר הירך. הפרוטוקול מודגם באמצעות ארבע פמורות מתורמות בגילאי 66-80 שנים בקצה התחתון של צפיפות המינרלים בעצם באוכלוסייה (טווח ציון T = -2.09 עד -4.75). שלב דחיסה רדיו-שקוף תוכנן לטעינת הדגימות המשכפלות עמידה על רגל אחת, תוך רישום העומס המופעל במהלך הדמיית טומוגרפיה מיקרו-ממוחשבת (micro-CT). רוחב שדה הראייה היה 146 מ"מ וגובה 132 מ"מ, וגודל הפיקסל האיזוטרופי היה 0.03 מ"מ. תוספת הכוח התבססה על תחזיות סופיות של עומס השבר. שלב הדחיסה שימש להחלת העקירה על הדגימה ולחוקק את תוספות הכוח שנקבעו. שברים תת-קפיטליים עקב פתיחה וגזירה של צוואר הירך התרחשו לאחר ארבע עד חמש עליות עומס. תמונות המיקרו-CT ומדידות כוח התגובה עובדו כדי לחקור את מאמץ העצם ואת יכולת ספיגת האנרגיה. חוסר יציבות של קליפת המוח הופיע בשלבי הטעינה המוקדמים. העצם התת-כונדרלית בראש הירך הראתה עיוותים גדולים שהגיעו ל-16% לפני השבר, ועלייה הדרגתית ביכולת התמיכה עד לשבר. אנרגיית העיוות עלתה באופן ליניארי עם התזוזה עד לשבר, בעוד שהנוקשות ירדה לערכים קרובים לאפס מיד לפני השבר. שלושה רבעים מאנרגיית השבר נלקחו על ידי הדגימה במהלך תוספת הכוח הסופית של 25%. לסיכום, הפרוטוקול שפותח חשף יכולת ספיגת אנרגיה יוצאת דופן, או סבילות לנזקים, ואינטראקציה סינרגית בין עצם קליפת המוח והעצם הטרבקולרית בגיל תורם מתקדם.
מבוא
שברים בצוואר הירך מהווים נטל משמעותי על האוכלוסייה המזדקנת. הדמיית טומוגרפיה מיקרו-ממוחשבת (micro-CT) ובדיקות מכניות נלוות מאפשרות התבוננות במיקרו-מבנה העצם ולימוד הקשר שלו לחוזק העצם, שינויים הקשורים לגיל ותזוזות תחת עומס 1,2. עם זאת, עד לאחרונה, מחקרי מיקרו-CT של עצם תחת עומס היו מוגבלים לליבות עצם שנכרתו3, חיות קטנות4 ויחידות עמוד שדרה אנושי5. הפרוטוקול הנוכחי יכול לכמת את התזוזה של המיקרו-מבנה של כל עצם הירך האנושית הפרוקסימלית תחת עומס ולאחר שבר.
מספר מחקרים נערכו כדי לחקור את הכשל של עצם הירך האנושית, ולעת....
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
פרוטוקול
הפרוטוקול פותח ונבדק עם 12 דגימות עצם הירך שהתקבלו מתוכנית תרומת גוף. הדגימות התקבלו טריות ואוחסנו בטמפרטורה של -20 מעלות צלזיוס במעבדה לביומכניקה ושתלים באוניברסיטת פלינדרס (טונסלי, דרום אוסטרליה, אוסטרליה). לחות העצם נשמרה לאורך כל הניסוי. התורמות היו נשים קווקזיות (גילאי 66-80). אישור אתיקה התקבל מוועדת האתיקה של המחקר החברתי וההתנהגותי (SBREC) של אוניברסיטת פלינדרס (פרויקט # 6380).
1. תכנון תוספת שלב עומס ספציפית לדגימה
- סרוק את דגימת עצם הירך באמצעות סורק CT קליני המכוון לעובי פרוסה ולגודל פיקסל במישור של כ- 0.5-0.7 מ"מ. שלב זה יכול להסתיים על ידי רדיוגרף מומחה בכל מתקן הדמיה ציבורי באמצעות פרוטוקולי הדמיה סטנ....
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
תוצאות
התמונות מציגות את עצם הירך הפרוקסימלית כולה, שקע הלחץ, מלט השיניים, האלומיניום ורקמת העטיפה. ניתן לראות את מיקרו-ארכיטקטורת העצם מתעוותת בהדרגה ככל שהעומס גדל לפני השבר ולאחר השבר (איור 4).
איור 4: שלב הדחיסה המחובר למחשב הנייד . (A) שלב הדחיסה, (B) המחשב הני.......
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
דיון
הפרוטוקול הנוכחי מאפשר לחקור את המיקרומכניקה של שברי ירך בתלת מימד ex vivo. שלב דחיסה רדיו-שקוף (אלומיניום) המסוגל להחיל עיוות פרוגרסיבי על המחצית הפרוקסימלית של עצם הירך האנושית ולמדוד את כוח התגובה תוכנן, יוצר ונבדק בהתאמה אישית. סורק micro-CT בנפח גדול משמש בפרוטוקול זה כדי לספק רצף זמני של נפחי תמונה המציגים את עצם הירך הפרוקסימלית כולה עם עומס פרוגרסיבי ברזולוציה מיקרומטרית. בעבודה זו חושבו שדות התזוזה והמאמץ באמצעות רישום משותף אלסטי של התמונות. הפרוטוקול מאפשר להציג את העיוות של המיקרו-מבנה של עצם הירך הפ.......
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
גילויים
כל המחברים מצהירים כי אין ניגודי עניינים.
תודות
מימון ממועצת המחקר האוסטרלית (FT180100338; IC190100020) זוכה להכרת תודה.
....הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| רקמה סופגת | N/A | שמור על לחות העצם לאורך כל הניסוי | |
| מתקן יישור | בהתאמה | למיקום הדגימה בכוס העציץ | |
| עציצים מאלומיניום | עציצים | בהתאמה אישית | |
| מסור עצם | N/A | חתוך את הדגימה לגודל | |
| כיול פנטום QCT Pro | Mindways תוכנה, בע"מ, אוסטין, ארה"ב | כיול CT 13002 | כיול רמות אפור בתמונות לרמות צפיפות מינרלים (אפר) שוות ערך |
| סורק טמוגרפיה ממוחשבת קלינית | ג'נרל אלקטריק מערכות רפואיות ושות', ויסקונסין, ארה"ב | אופטימה CT660 | הדמיה ראשונית לחיזוי שלב העומס לשבר |
| שלב דחיסה | בהתאמה | אישיתשלב דחיסה רדיו-שקוף של 10 ק"ג ליישום ותחזוקה של הדמיה דרך עיוות שנקבע לדגימה. | |
| מלט שיניים | סוסטרברג, הולנד | Vertex RS | |
| Femur דגימת Science | Care, פיניקס, ארה"ב | ||
| תוכנה לניתוח אלמנטים סופיים | ANSYS Inc., Canonsburg, ארה"ב | ANSYS מכני APDL | חבילת תוכנה של אלמנטים סופיים |
| מקפיא | N/A | חנות דגימות ב-20 מעלות; C | |
| כונן קשיח | שטח דיסק של Dell | : 500 GB לכל נפח | |
| תוכנת ניפוי ופילוח תמונה | Skyscan-Bruker, Kontich, Belgium | CT | analyzer תוכנת עיבוד תמונה |
| פילוח אלסטי של תמונה | שפילד | בון DVC | https://bonedvc.insigneo.org/dvc/ |
| תוכנת עיבוד ואוטומציה של תמונה | The MathWork Inc. | עיבוד תמונה | Matlab |
| תוכנת רישום תמונה | Skyscan-Bruker, Kontich, Belgium | עיבוד תמונה | DataViewer |
| פילוח תמונה ומידול FE Simpleware | , Exeter, UK | Scan IP | Bone egmentation software |
| stiching script | סינקרוטרון אוסטרלי, קלייטון, VIC, AU | הסקריפט זמין ב-IMBL | |
| הדמיית תמונה | Kitware, קליפטון פארק, ניו יורק, ארה"ב | Paraview | הדמיית תמונה |
| הדמיית תמונה | האוניברסיטה הלאומית האוסטרלית | Dristhi | הדמיית תמונה: doi:10.1117/12.935640 |
| הדמיה וקו אלומה רפואי | סינקרוטרון אוסטרלי, קלייטון, ויקטוריה, AU | קו אלומה מיקרו-CT של אובייקט גדול במחשב נייד סינכרוטרון האוסטרלי | |
| Dell Inc., ארה" | |||
| שולחן x-y בעל חיכוך נמוך | THK Co., טוקיו, יפן | ||
| NI תוכנת רכישת אותות | NI National Instruments, אוסטין, טקסס | NI-DAQmx | |
| תמיסת מלח חוצצת פוספט | בהתאמה | שמור על לחות העצם לאורך כל הניסוי | |
| שקית ניילון | N/A | שמור על לחות העצם לאורך כל הניסוי | |
| רכבת | SKF בע"מ, לנסדייל, פנסילבניה, ארה"ב | ||
| מנגנון בורג ג'ק | nbsp; Benzlers, Ö rebro, שוודיה | Serie BD (יחידת הילוכים חמה) | מהלך: 150 מ"מ, עומס מרבי: 10,000 N, יחס הילוכים: 27:1, תזוזה לכל סיבוב: 0.148 מ"מ |
| חיישן pco.edge יחיד, נצנוץ מצמד עדשה | סינקרוטרון אוסטרלי, קלייטון, VIC, AU | גלאי רובי FOV: 141 x 119 מ"מ; 2560 x 2160 פיקסלים; 55 ומיקרו; m/px; 50 פריימים לשנייה | |
| תא עומס שישה צירים | ME-Meß systeme GmbH, Hennigsdorf, GE | K6D6 | שגיאת מדידה מקסימלית: 0.005%; כוח מרבי: 10000 N; מומנט מקסימלי: 500 Nm |
| מגבר מתח | ME-Meß systeme GmbH, הניגסדורף, GE | GSV-1A8USB K6D/M16 |
מקורות
- Martelli, S., Perilli, E. Time-elapsed synchrotron-light microstructural imaging of femoral neck fracture. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 84, 265-272 (2018).
- Martelli, S., Giorgi, M., Dall' Ara, E., Perilli, E.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הדפסות חוזרות והרשאות
