Summary
I dette manuskript præsenterer vi en protokol for at fraktur test dødt proksimale femora i en sidelæns falder på hip konfigurationen bruge instrumenterede armaturer monteret på en standard servo hydraulisk ramme. Ni digitaliserede signaler bestående af styrker, øjeblikke og fortrængning sammen med to høje hastighed video-streams er erhvervet under testen.
Abstract
Mekanisk testning af femora bringer værdifuld indsigt i forståelse bidrag af klinisk målelige variabler såsom bone mineral density distribution og geometri på de femoralis mekaniske egenskaber. I øjeblikket er der ingen standard-protokol til mekanisk testning af sådanne geometrisk komplekse knogler til foranstaltning styrke og stivhed. For at løse dette hul har vi udviklet en protokol for at teste dødt femora fraktur og måle deres biomekaniske parametre. Denne protokol beskriver et sæt af tilpasningsdygtige inventar til at rumme de forskellige belastning størrelser og retninger tegner sig for mulig knogle retningslinjer i et fald på hip konfiguration, test hastighed, knogle størrelse og venstre ben-højre ben variationer. Femora blev udarbejdet for afprøvning af rengøring, skæring, scanning og pottemuld den distale ende og større trochanter kontakt overflader i poly(methyl methacrylate) (PMMA) som præsenteres i en anden protokol. Rede modellerne blev placeret i test armaturet i stand efterligne en sidelæns fald på hoften og indlæst for at fraktur. Under testen, to load celler målt lodrette kræfter anvendes til lårbenshovedet og større trochanter, en seks-aksen vejecelle målte kræfter og øjeblikke på distale femoral akslen og et deplacement sensor målt differential forskydning mellem den Femurhoved og trochanter kontakt understøtter. Høj hastighed videokameraer blev brugt til at synkront optage sekvens af fraktur begivenheder under testen. Reduktion af denne data tillod os at karakterisere styrken, stivhed, og fraktur energi til næsten 200 osteoporotiske, osteopenic, og normal dødt femora for yderligere udvikling af teknik-baserede diagnostiske værktøjer til osteoporose forskning.
Introduction
Udvikling af nye metoder til vurdering af collum fraktur og brud forebyggelse til et fald på hoften kræver en omfattende forståelse af biomekaniske processerne under fraktur. Dødt proksimale femur styrke afprøvning har vist sig for at være effektiv til at bestemme forholdet mellem collum styrke og faktorer, der påvirker den strukturelle kapacitet af lårben at give vigtig indsigt i denne proces1,2 , 3. eksperimentelt målte femoral styrke bruges også til validering af kvantitative beregnet tomografi-baserede Finite Element analyse (QCT/FEA) som gør det muligt for en ikke-invasiv estimat af fraktur styrke4,5, 6,7.
Til dato, er der ingen accepterede standard procedure at teste hele femoral prøver at fraktur. For at isolere klinisk målelige variabler (såsom knoglemineraltætheden og geometri) og deres indflydelse på femoral styrke, er det bydende nødvendigt for eksperimentel afprøvning skal udføres på en kontrolleret og repeterbare måde. Dødt femora har uregelmæssige former og varierer i størrelser8 og kan fås fra enten mandlig eller kvindelig kadavere af forskellige aldre, hvilket gør det umuligt at teste ved hjælp af indbyggede inventar af standard test maskiner. I en sidelæns falder på hændelsen hip gennemgår større trochanter trykstyrke lastning, mens den proksimale femur kan opleve komplekse lastning herunder kompression, spænding, bøjning øjeblik og torsion. Test sådan lastning scenarier tilføjer kompleksitet til den eksperimentelle design. Derfor, et stativ, som en vigtig del af test-protokollen, skal være specifikt designet, fremstillet og installeret for at rumme femoral prøver i forskellige former og størrelser og forskellige test hastigheder. Dette stativ skal også holde modellerne for afprøvning i en række ønskede retningslinjer til at simulere mulige indvirkning belastninger fra et fald på hoften. For at imødekomme sådan en række betingelser, Armaturet skal have flere stationære og flytte komponenter forbundet på en måde at minimere spille i systemet og til at opnå en jævn belastning-forskydning svar.
Pålidelige data erhvervelse er også kritisk under testen. Det eksperimentelle design skal optage den nødvendige vejeceller, deplacement transducere, signal forstærkere og balsam til præcist foranstaltning styrker og øjeblikke på alle støtter. Derudover høj hastighed videoer af både anteriore og posteriore visninger af lårbenet opnået synkront med erhvervelse af styrker er nødvendige for at hjælpe med at forstå sekvensen af begivenheder, der førte til fraktur, karakterisere fraktur typer, og netop definere femoral styrke4,9.
Mens der er værdifulde eksperimentelle undersøgelser i litteraturen på hele lårbenet test, publicerede protokoller enten mangler oplysninger om, hvordan de test blev udført eller er meget forskellig fra en undersøgelse til den anden at virkelig gøre dem reproducerbare10, 11. Målet med den nuværende arbejde var at indføre en protokol for mekanisk afprøvning af collum prøver, der kan bruges som udgangspunkt for et forsøg på at standardisere knoglevæv test, som kan være repeterbare og reproducerbar. Til dette formål, vi designede og fremstillede en test armatur, som blev brugt til at teste omkring 200 dødt femora. Test armaturet indgår en bunden armatur og en crosshead armatur. Bunden armaturet (figur 1A-E) holder lårbenet på en ønskede orientering under testen og omfatter en trochanter vejecelle og en 6-kanal vejecelle tilsluttet femurdiafyse. Det rummer også tre uafhængige oversættelser til positionering af knogle til fraktur test. En rotation punkt føjes til at efterligne knæleddet. De store dele af bunden armaturet var består af tykke stykker af rustfrit stål og aluminium til at gøre en meget stiv armatur. En vejecelle er knyttet til bunden armaturet til at måle trykstyrke styrker på større trochanter under testen. Crosshead armaturet (figur 2A-2E) omfatter to aluminium base plader og to meget stiv dias kuglelejer (knyttet sammen af en aluminiumplade), for at tage højde for flytning af lårbenshovedet under testen og også til at rumme til højre og venstre femora. En vejecelle inkluderet i crosshead armaturet foranstaltninger trykstyrke styrker. En aluminium cup knyttet til vejecelle bruges til at anvende en trykstyrke belastninger til lårbenshovedet. Vores metode blev brugt til venstre og højre femora af begge køn, med forskellige størrelser, hals-skaft vinkler, knoglemineraltætheden og belastningstilstande efterligne en sidelæns falder på hoften. Den teste hastigheder i vores forsøg blev sat på 5, 100 og 700 mm/s, men de kan være indstillet til andre værdier tilgængelige på test-maskine. Designet armaturet havde to hovedkomponenter, der tilsluttet crosshead test maskinen og den anden test rammen er tilsluttet. Begge dele blev instrumenteret med belastningsceller tilstrækkelige til at måle kraft og øjeblik randbetingelser overhovedet understøtter. Derudover blev to high-speed video kameraer brugt til at registrere hændelserne fraktur under testen. Efter fraktur, et sæt x-stråler og beregnet tomografi (CT) scanninger var opnået for post eksperimentelle fraktur analyser. Resultaterne fra disse forsøg, herunder fraktur styrke og energi er i øjeblikket anvendes til yderligere forskning i diagnoseredskaber til i sidste ende forbedre vurderingen af proksimalt brud styrke i osteoporotiske patienter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. stor armaturet vedhæftet fil
- fjerne standard inventar fra maskinen.
- Flytte crosshead fra hinanden til at rumme in-house armaturet.
- Aluminium blok (del nr. 1 i figur 1A) på maskinen og fastgør på maskinen ved hjælp af to bolte, hullet i midten rummer maskine vejecelle.
- Placer vigtigste armaturet struktur (del nr. 2 i figur 1B) på aluminium blok og sikkert vedhæfte det til blokken ved hjælp af 4 bolte.
- Placer et fire-ton jack under del af stativ, der ikke hvile på aluminium blok til at støtte armaturet ( figur 1 c).
- Montere 6-kanal belastning celle armaturet (del nr. 3 i figur 1 d) på den vigtigste armatur og Fastgør det med 6 skruer.
2. Crosshead armaturet vedhæftet
- indstille maskinen crosshead til absolutte nulpunkt bruger crosshead lift kontrol.
- Tillægger crosshead med 7 skruer med buede kanter vender mod forsiden af test maskinen første bundpladen (del nr. 4 i figur 2B).
- Vedhæft anden bundpladen (del nr. 5 i figur 2 c) bruger en drejelig skrue. Skruen plads til venstre og højre ben under testen. Den anden bundpladen (del nr. 5) er frit Drejeligt om pivot skruen i forhold til første bundpladen (del nr. 4). Orientering af den anden bundpladen bestemmer, hvis opsætningen er til højre eller venstre femur.
- Vedhæfte forsamlingen af to dias lejer (del nr. 6 i figur 2D) til den anden bundpladen (del nr. 5) ved hjælp af 4 skruer (to skruer kan tilgås fra den ene side af den første sokkel). Rotere den anden sokkel på en sådan måde, at det andet sæt af skruer kan tilgås fra toppen af den første Bundplader.
Bemærk: For at ændre retningen af dias fra venstre ben til højre ben, de 4 skruer på toppen af den første grundpladen er løste, og derefter dias er roteret om pivot skruen og fastgøres igen på den krævede orientering. - Manuelt rotere de dias, som er ortogonale i forhold til 6-kanal belastning celle ved at indstille maskinen crosshead til relative placering af 65°.
3. Instrumenteret armatur, High-speed kamera og belysning Setup for eksperiment
- sæt op instrumenterede bunden armaturet på en standard servo hydraulisk test maskine. Dette stativ vil holde lårbenet og rumme både venstre og højre femora i efteråret på den hofte konfiguration ( figur 1).
- Oprettet højhastighedskamera og lysudstyr ( figur 3A-3D).
- Position høj intensitet lys på stativer med en på hver side af maskinen og sikre dem ( figur 3A).
- Sat op stativer til højhastigheds kameraer på begge sider af den test maskine og slutte hvert kamera til data erhvervelse enheder ( figur 3B -3 C).
- Med kameraer på og forbundet med erhvervelse enhed, konfigurere kameraindstillinger; indstillet billedfrekvensen til 6000 frames per sekund (fps) og opløsning 1.024 x 512 pixel; opløsning kan reduceres til at rumme kamera interne hukommelse ( Figur 3D).
- Sæt lukkertid til 1 indramme/SEK (1/6000 fps). Også angive indstillingen for kameraet at optagelserne begynder før aktuatoren flytter (100 ms for hurtig test og 200 ms for langsom tests).
- Tilslutte den synkronisering kabel mellem to kameraer, Vælg udløser tilstanden i software indstilling af kameraer.
4. Kontrol/kalibrering indlæse celler for korrekte Data erhvervelse System (DAQ)
- indstilling op DAQ enhed
- Connect DAQ til test maskine, high-speed video kamera, load celler og lineær potentiometer som vist i ledninger skematisk i fig. 4.
- Kontrollér korrekt tilslutning af trochanteric vejecelle, hoved vejecelle, lineære potentiometer, 6-kanals vejecelle, og udløse signal til DAQ enheden ved at observere data signal spor i panelet Vis i DAQ software ved manuelt at skubbe på vejecelle.
- Kontrollere, at DAQ, Signal balsam og Pulse Generator er alle drevet ON.
- Konfigurere DAQ software til alle signaler fra vejeceller og lineær potentiometeret. I DAQ software, skal du vælge de " skridt setup > > konfiguration " fanen og oprette erhvervelse sats (Hz) for hver tilknyttet hver vejecelle signal-input. På den " Triggering " fanen, Vælg den relevante udløsende indstilling. Videoudstyr skal også udløses under retssagen kørsler for video/DAQ system synkronicitet.
- Anvender en nominel belastning (for eksempel et minimum af 200 lbs til et maksimum på 1600 lbs) til lårbenshovedet og trochanter load celler ved hjælp af standard servo hydraulisk maskine til at kontrollere rimelig belastning celle målinger og sammenligne med fabrikanten kalibrering datablade ( figur 5A).
- På samme måde gælder statiske belastninger for 6-kanal vejecelle ved hjælp af en dødvægt, som vist i figur 5B. Kontrollere funktionaliteten og kontrollere udførelse af 6-kanal vejecelle ( figur 5A -5B) ved beregning af procentvis forskelle mellem målte og teoretiske kraft og øjeblik værdier. Fejlen bør være mindre end 5%.
Bemærk: Alle vejeceller skal have været kalibreret af fabrikanten på forhånd. Dette trin kontrollerer kun at load celler fungerer, alle tilslutninger er foretaget og signalerne er rimelig. - Kalibrering lineær potentiometeret
- Secure lineær potentiometer armaturet til crosshead og placere den lineære potentiometer i armaturet ( figur 5 c). Stramme skruerne for at låse potentiometer kroppen og sæt stikket i DAQ unit.
- Flytte manuelt aktuator (25 mm) på rammen belastning, så stillingen potentiometer oversætter fra maksimal komprimering til maksimal udvidelse og optage forskydninger og den tilsvarende spænding (for mindst tre datapunkter). Plot forskydning vs spænding og passe en lineær funktion til data (R 2 > 0,95). Input hældningen af den lineære ligning (mm/V) som kalibreringsfaktoren ind i den " skalering parameter " kasse med DAQ software.
- Kontrollere den samlede test MASKINOPSÆTNING ved at teste en surrogat glasfiber knogle til fraktur for at sikre alle dataopsamling er funktionelle og rimelige. Dette omfatter trochanter vejecelle, collum hoved vejecelle, lineære potentiometer, seks-kanals vejecelle og trigger signal ( figur 6).
5. Knogler at forberede Testing
- tø knogler ved stuetemperatur i 24 timer og fjerne fugt, overskydende fedt og eventuelle resterende blødt væv ved hjælp af paper håndklæder.
- Placer knogle i akryl scanning armatur, og forberede dental cement. Måle 60 g af PMMA pulver og bland med 30 g af flydende harpiks under stinkskab, indtil pulveret er opløst. Blandingen skal være pourable. Brug en engangs papir kop for denne proces. Dette trin er for potning større trochanter i en aluminium cup ( figur 7A).
- Juster aluminium cup under trochanter. Derefter hælde PMMA cement til halv højde af cup, og hæve armaturet platform til at passe knoglen ind i kop. Giver mulighed for 10-15 min til polymerisering.
- Wrap knogler i saltvand gennemblødt håndklæder at undgå væv tørhed under knogle cement polymerisering.
- Flytte knogle til test armaturet i test maskinen med aluminium cup knyttet til trochanter ( figur 7B)
- Center i aluminium cup på den plade, der er knyttet til trochanteric vejecelle og justere dias lejer, så aluminium cup lidt rører vejecelle. Fjerne stiften fra armaturet til mulighed for rotation af armaturet
- Center og lavere crosshead for kontakt med lårbenshovedet.
- Anmeldelse setup, knogle holdning, belastning celle signaler og cup holdning. Også gennemgå DAQ enhed; sikre, at alle udstyr og load cellerne er tilsluttet korrekt, og kontroller, at alle er tændt. Kontroller software konfiguration for ordentlig signal svar fra hver vejecelle.
- Tage billeder af lårbenet placeret i armaturet fra 2 sider.
- Indstille blænde til at tillade lys nok på kamera sensor og kontrol af dybdeskarphed. Kontrollere billedkvaliteten ved at fokusere på lårbenshalsen. Denne proces bør forhindre enhver blænding og glans knogle regioner i det billede, der vil påvirke indfange hændelsen fraktur.
6. Test til fraktur
- Bekræft servo mekanisk belastning ramme er programmeret til passende forskydning kontrol af 25 mm for fraktur test i rammen servo mekanisk belastning for både lastning og losning.
Bemærk: Disse er producent-specifikke indstillinger og bør være input og verificeret i Kontrolpanel af testudstyr ifølge producentens specifikationer. - Kontrollere belysning for at minimere refleksioner i video-kameraer, og dataoptegningssystem en sidste gang.
- Klik på ikonet start fra Kontrolpanel for at starte testen sequence for at fraktur test lårbenet ( figur 7C).
- Tage billeder af det brækkede lårbenet fra 2 sider.
- Manuelt trække aktuator og fjerne lårbenet fra maskine.
7. Efter fraktur forberedelse
- fjerne knogle fra armaturet.
- Tape proksimale brudt slutningen af knogle til skaft, wrap i våde håndklæder og plastikposer ( figur 7 d), og derefter fryse ved -20 ° C.
- Bevare knogler for yderligere efter fraktur røntgen og CT billeddannelse.
Bemærk: Detaljer for disse processer har forklaret tidligere i en anden protokol fra vores gruppe (under revision på JoVE) ( figur 7E).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
In-House armaturer er monteret efter de standard inventar er fjernet fra test-maskine. Først skal er bunden tunge armaturet monteret og sikret (figur 1). Dette omfatter en forlænget arm for at holde de 6-kanal vejecelle, som også giver femurdiafyse skal justeres på en ønskede adduktion vinkel. Næste, crosshead armaturet herunder to friktionsløs dias lejer er monteret for at imødekomme ansøgningen af belastning og femorale hoved bevægelse under fraktur (figur 2). Den øverste armatur kan justeres for at teste både venstre og højre ben. Når alle armaturer er monteret, er høj hastighed videokameraer og lysarmaturer installeret. Billeder i kameraet er testet for fokus, kontrast og dybde af felt (figur 3). Alle instrumenter er derefter forbundet til en DAQ enhed (figur 4) og single-akse, seks-aksen vejeceller og lineær potentiometeret er tjekket for funktionalitet og kalibreret, henholdsvis (figur 5). Alle instrumenter er derefter testet for at sikre ordentlig signaler fra de forskellige vejeceller (figur 6). Jo større trochanter er næste placeret i en akryl armatur til pottemuld. Lårbenet er derefter indlæses i test armaturet og brækket. Efter fraktur fjernes i lårben fra armaturet. Ødelagte dele er tapede sammen og hele prøverne er pakket ind i plastikposer. Prøverne er derefter afbildet med røntgen og scannet med CT for yderligere fraktur klassifikation (figur 7). Målte resultater omfatter 3 styrker og 3 øjeblikke på femurdiafyse, som er målt med 6-kanal vejecelle og reaktionen tvinge på lårbenshovedet. De vigtigste resultater skal anvendes til yderligere QCT/FEA validering er dog kraft optaget på større trochanter og fordrivelse indspillet på lårbenshovedet (figur 8).
Figur 1: nederste armaturet Installation. (A) markedsføring aluminium blok (del nr. 1) på maskine tabel, (B) markedsføring vigtigste bunden armaturet struktur (del nr. 2) og sikre det til aluminium blok, (C) Main struktur er installeret og sikrede i sted, (D) Montering af 6-kanals belastning celle armaturet (del nr. 3) på den vigtigste bund struktur (del nr. 2), (E) justering femurdiafyse vinkel efter installation af hele bunden armaturet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Crosshead armaturet Installation. (A) Fjern inventar fra maskine aktuator, (B) første bundpladen (del nr. 4) er installeret første gang, (C) vedhæftes den anden bundpladen (del nr. 5), (D) montering samling af to dias lejer (del nr. 6) den anden bundpladen, (E) afsluttet installationen af øvre armaturet; (F) hele test armaturet installeret på maskinen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: belysning og kameraer Installation. (A) opsætning af lamper og skjolde; (B) knyttet højhastigheds kameraet til stativ; (C) installation linsen til kamera-enhed; (D) tilslutte kameraet til computere. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: skematisk Diagram. DAQ enhed med alle input/output-enheder tilsluttet DAQ. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: kalibrering og verifikationsprocessen. Kontrol funktionaliteten af (A) enkelt akse vejeceller til lårbenshovedet og større trochanter kraft målinger, og (B) seks-kanals vejecelle femurdiafyse styrker og øjeblikke målinger; (C) kalibrering af den lineære potentiometer til måling af collum hoved forskydning. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: mekanisk testning Set-up. Alle instrumenter er tilsluttet og synkroniseret til at kommunikere med maskinen, og video-kameraer. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: lårbenet før og efter fraktur test. (A) potning større trochanter i aluminium cup fyldt med PMMA; (B) knogle placeret i test armaturet med større trochanter hvilende på den lavere vejecelle mens crosshead Armaturet er i kontakt med lårbenshovedet; (C) Fractured knogle ret efter mekanisk afprøvning; (D) fjernelse brækket lårben fra maskinen og tape de ødelagte dele sammen; indpakning lårbenet i plastikposer; (E) røntgen og CT-scanning efter fraktur. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8: Force-forskydning kurve. Kraft-forskydning kurver for femora testet for at fraktur på 5 og 100 mm/s. Kraften, der er optaget på den større trochanter og the forskydning er indspillet i lårbenshovedet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi har foreslået en protokol til fraktur teste proksimale dødt femora i et fald på hip konfiguration, som vi har med succes testet ca 200 prøver. Protokollen indeholder flere in-house designede armaturer til femoralis styrke afprøvning under forskellige belastningstilstande. Armaturet giver mulighed for prøvning af både højre og venstre femora på forskellige test hastigheder og knogle retningslinjer. Efter montering af armaturet og måleinstrumenter, er en glasfiber lårbenet testet til at fraktur for at forsikre, at alle hardware og software værktøjerne er korrekt tilsluttet, arbejder synkront, og de signaler og videoer er korrekt registreret. Lige før selve dødt lårbenet fraktur test, er femurdiafyse potteplanter i PMMA fastspændt i armaturet. Den mekaniske teste protokol det muligt for collum fraktur afprøvning i en gentagelig og ensartet måde.
Under testen, femurdiafyse erfaringer bøjning og torsions deformation mens lårbenshovedet og større trochanter er komprimeret. For at undgå laterale lastning af modellen, er crosshead armaturet designet med to cross lejer tillader bevægelse i det vandrette plan med minimal friktion. Dette sikrer anvendelsen af en lodret belastning til lårbenshovedet uanset knogle deformation og rumlig bevægelse af hovedet under testen. Derudover er denne øverste armaturet designet til at imødekomme venstre- og femora ved at blot dreje en plade komponent som vist i figur 2 c.
Bunden armaturet, forbundet til bunden af test maskinen er designet til at holde de dødt femora på ønskede adduktion vinkler under testen. Dette armatur indeholder også en enkelt akse vejecelle måling trykstyrke belastninger på trochanter og en seks-kanals vejecelle knyttet til den distale ende af femurdiafyse at måle de tre kræfter og tre øjeblikke i akslen. Derudover rummer armaturet rotation af lårbenet om et virtuelt punkt simulering af knæleddet.
Knoglevæv, svarer til andre biologiske væv, har stamme-rate afhængig af mekaniske egenskaber, og derfor femoral styrke og fraktur egenskaber ændres med test hastighed12. Protokollen og test armaturet bør derfor kunne anvendes til mekanisk femoral test med forskellige hastigheder og rumme for en række data erhvervelse udstyr, prøve frekvenser, højhastighedskamera typer og lysforhold. Med den nuværende protokol, har vi med succes testet femora på forskellige hastigheder afveg ved at to størrelsesordener (5, 100 og 700 mm/s) til at efterligne hastigheden af forskellige traumatiske begivenheder.
Høj hastighed videokameraer tilladt optagelse fraktur sekvens af hændelser for yderligere analyse. For at opnå nyttige data, blev alle test komponenter synkroniseret under testen for at korrekt visualisere mekanik af fraktur. Gennem synkronisering vejecelle, kan fordrivelse og knæk indledning og formering data analyseres sammen for at danne et samlet billede af fraktur.
For at undgå knusning af større trochanter på grund af uensartet kontakt og uønskede kontakt stress er koncentration, trochanter potteplanter i en PMMA-fyldt cup. Derudover er bunden af koppen rund til at rulle på de lavere armaturet overflade. Dette fører til en lodret udrykningsstyrke samtidig forhindre laterale begrænsning af den støtte, der kan påvirke fraktur styrke eller type. Dette design valg var nødvendige for at opnå nøjagtige femoral styrke, og fraktur tilstande svarende til dem, der er observeret klinisk.
I andre eksperimentelle undersøgelser, kun de mest proksimale del af femora blev testet ved at skære en stor del af femurdiafyse fra prøver, fører til meget kort prøver13. I modsætning hertil er tester den nuværende protokol 255 mm lange proksimale femur prøver. Armaturet er designet med en stål arm udvide varigheden af prøven til at omfatte en rotation punkt nær fjernet knæleddet til mere realistisk efterligne en sidelæns fald på hoften. Denne udvidelse arm indeholder et 6-komponent vejecelle, som bruges til at måle de tre kræfter og tre øjeblikke udviklet i femurdiafyse under fraktur test. Disse overvejelser er magen til dem, der er beskrevet i tidligere undersøgelser, og hjælpe os til mere præcist, forstå styrker bidrage til fraktur og vurdere femoral stivhed og styrke14.
De 3 load celler, der bruges i vores armaturet førte til redundans i de indsamlede data, der tillod os at analysere magtbalancen og øjeblikke i de vigtigste vertikal retning. På tidspunktet for peak trochanter kraft, vi observeret meget lignende størrelser målt ved de forskellige vejeceller, med gennemsnitlige relative fejl på omkring 2%, hvilket er en meget tilfredsstillende eksperimentelle fejl for denne kategori af biomekaniske tests.
Denne protokol har flere potentielle begrænsninger. En væsentligste begrænsning kunne være, at overholdelse af armaturet og test maskinen kan påvirke den målte deplacement og stivhed15. Dette bliver mere relevant for normal femora, der kræver en større belastning for fraktur. Men vi har designet vores armatur med tykke stål og aluminium plader til at opretholde en stivhed mindst én størrelsesorden højere end i femoral stivhed. Ved hjælp af en stikprøve af omkring 200 femora, vi har bemærket en gennemsnitlig fejl på omkring 5% i den målte femoral stivhed på grund af armaturet overholdelse. En korrektionsfaktor blev derefter beregnet for hver lårben at rette stivhed værdier. En yderligere potentielle begrænsning, der kan føre til fejl er, at rækkefølgen af test trin skal følges nøje. For eksempel, for den første modellen testet, pin at holde lårbenet placeret før kontakt med hovedet og trochanter armaturet overflader ikke blev fjernet og fraktur test blev afsluttet uden en rotation punkt på den distale ende (fast ende). En ændring af protokollen kræves en rød lange bånd knyttet til pin (figur 1E) og en anden operatør til at bekræfte, at PIN-koden blev fjernet før testning. Også, mens teste hastigheder var varierede betydeligt fra 5-700 mm/s, vores test blev dog kvasistatiske eksperimenter. For at få indblik i den dynamiske opførsel af proksimale femur fraktur under højere hastighed læsning som følge af påvirkninger, kunne en drop-tower test være ansat16.
Mens test blev udført på forskellige tidspunkter og forskellige operatører, var alle femora brækket ved hjælp af samme protokol, inventar og vejeceller dermed fjerne usikkerhederne relateret til repeterbarhed af eksperimentet. Med lignende tiltag, den nuværende protokol kan vedtages og inventar redesignet til at teste i holdning konfiguration eller fraktur andre knogle typer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingen relevante oplysninger.
Acknowledgments
Vi vil gerne takke materialer og strukturelle test Core facilitet og Division of Engineering på Mayo Clinic for teknisk support. Desuden vil vi gerne takke Lawrence J. Berglund, James Bronk, Brant Newman, Jorn op den Buijs, Ph.D., for deres hjælp i løbet af undersøgelsen. Denne undersøgelse blev økonomisk støttet af Grainger innovationsfond fra Grainger Foundation.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| CT scanner | Siemens | Somatom Definition scanner (Siemens, Malvern, PA) | CT scanning equipment |
| Quantitative CT Phantom | Midways Inc, San Francisco, CA | Model 3 CT calibration Phantom | Used for obtaining BMD values from Hounsfield units in the CT image |
| Hygenic Orthodontic Resin (PMMA) | Patterson Dental Supply | H02252 | Controlled substance and can be purchased with proper approval |
| Freezer | Kenmore | N/A | This is a -20oC storage for bones |
| X-ray scanner | General Electric | 46-270615P1 | X-ray imaging equipment. |
| X-ray films | Kodak | N/A | Used to display x-ray images |
| X-ray developer | Kodak X-Omatic | M35A X-OMAT | Used for developing X-ray images |
| X-ray Cassette | Kodak X-Omatic | N/A | Used for holding x-ray films |
| Physiologic Saline (0.9% Sodium Chloride) | Baxter | NDC 0338-0048-04 | Used for keeping samples hydrated |
| Scalpels and scrapers | Bard-Parker | N/A | Used to clean the bone from soft tissue |
| Fume Hood | Hamilton | 70532 | Used for ventilation when preparing PMMA for potting of specimens |
| Single axis load cell | Transducer Techniques, Temecula, CA, USA | LPU-3K; S/N 219627 | Capacity 3000 LBS |
| Six channel load cell | JR3,Woodland, CA | 45E15A4 | Mechanical load rating 1000N |
| Linear potentiometer | Novotechnik, Southborough, MA, USA | Used to acquire linear displacements during testing | |
| Slide ball bearing | Schneeberger | Type NK | Part of the testing fixture |
| Mechanical testing machine | MTS, Minneapolis, MN | 858 Mini Bionix II | Used for compression of femur |
| Lighting unit | ARRI | Needed for high speed video recordings | |
| high-speed video camera | Photron Inc., San Diego, CA, USA | Photron Fastcam APX-RS | Used to capture the high speed video recordings of the fracture events |
| Photron FASTCAM Viewer | Photron Inc., San Diego, CA, USA | Ver.3392(x64) | Used to view the high speed video recordings |
| Camera lens | Zeiss | Zeiss Planar L4/50 ZF Lens | Needed to high image resolution |
| Signal conditioner board (DAQ) | National Instruments | Input/output signal connector | |
| Signal Express | National Instruments | N/A | Data acquisition software |
| Laptop Computer | Dell | N/A | Used to monitor and acquire all signals from the testing procedure |
References
- Bouxsein, M. L., Szulc, P., Munoz, F., Thrall, E., Sornay-Rendu, E., Delmas, P. D. Contribution of trochanteric soft tissues to fall force estimates, the factor of risk, and prediction of hip fracture risk. J Bone Miner Res. 22, 825-831 (2007).
- Rezaei, A., Dragomir-Daescu, D. Femoral Strength Changes Faster With Age Than BMD in Both Women and Men: A Biomechanical Study. J Bone Miner Res. 30, 2200-2206 (2015).
- Zani, L., Erani, P., Grassi, L., Taddei, F., Cristofolini, L. Strain distribution in the proximal Human femur during in vitro simulated sideways fall. J Biomech. 48, 2130-2143 (2015).
- Dragomir-Daescu, D., et al. Robust QCT/FEA models of proximal femur stiffness and fracture load during a sideways fall on the hip. Ann Biomed Eng. 39, 742-755 (2011).
- Schileo, E., Balistreri, L., Grassi, L., Cristofolini, L., Taddei, F. To what extent can linear finite element models of human femora predict failure under stance and fall loading configurations? J Biomech. 47, 3531-3538 (2014).
- Koivumaki, J. E., et al. Ct-based finite element models can be used to estimate experimentally measured failure loads in the proximal femur. Bone. 50, 824-829 (2012).
- Pottecher, P., et al. Prediction of Hip Failure Load: In Vitro Study of 80 Femurs Using Three Imaging Methods and Finite Element Models—The European Fracture Study (EFFECT). Radiology. , 142796 (2016).
- Rivadeneira, F., et al. Femoral neck BMD is a strong predictor of hip fracture susceptibility in elderly men and women because it detects cortical bone instability: the Rotterdam Study. J Bone Miner Res. 22, 1781-1790 (2007).
- de Bakker, P. M., Manske, S. L., Ebacher, V., Oxland, T. R., Cripton, P. A., Guy, P. During sideways falls proximal femur fractures initiate in the superolateral cortex: evidence from high-speed video of simulated fractures. J Biomech. 42, 1917-1925 (2009).
- Courtney, A. C., Wachtel, E. F., Myers, E. R., Hayes, W. C. Age-related reductions in the strength of the femur tested in a fall-loading configuration. J Bone Joint Surg Am. 77, 387-395 (1995).
- Cheng, X. G., et al. Assessment of the strength of proximal femur in vitro: relationship to femoral bone mineral density and femoral. Bone. 20, 213-218 (1997).
- Courtney, A. C., Wachtel, E. F., Myers, E. R., Hayes, W. C. Effects of loading rate on strength of the proximal femur. Calcif Tissue Int. 55, 53-58 (1994).
- Keyak, J., Rossi, S., Jones, K., Les, C., Skinner, H. Prediction of fracture location in the proximal femur using finite element models. Medical engineering & physics. 23, 657-664 (2001).
- Nishiyama, K. K., Gilchrist, S., Guy, P., Cripton, P., Boyd, S. K. Proximal femur bone strength estimated by a computationally fast finite element analysis in a sideways fall configuration. J Biomech. 46, 1231-1236 (2013).
- Langton, C. M., Njeh, C. F. The physical measurement of bone. , CRC Press. (2016).
- Ariza, O., et al. Comparison of explicit finite element and mechanical simulation of the proximal femur during dynamic drop-tower testing. J Biomech. 48, 224-232 (2015).
