Summary
En este manuscrito, presentamos un protocolo de examen cadavérico fémures proximales de la fractura en una caída hacia un lado sobre la cadera configuración utilizando accesorios instrumentados montados sobre un bastidor hidráulico de servo estándar. Nueve señales digitalizadas que comprende las fuerzas, momentos y desplazamientos junto con dos secuencias de vídeo de alta velocidad se adquieren durante la prueba.
Abstract
Ensayos mecánicos de los fémures aporta información valiosa en la comprensión de la contribución de variables medibles clínicamente como distribución de la densidad mineral ósea y la geometría en las propiedades mecánicas femorales. Actualmente, no existe ningún protocolo estándar para la prueba mecánica de tales huesos geométricamente complejos a la medida de fuerza y rigidez. Para hacer frente a este vacío hemos desarrollado un protocolo para probar fémures cadavéricos para fracturar y para medir sus parámetros biomecánicos. Este protocolo describe un conjunto de accesorios adaptables para dar cabida a las diferentes magnitudes de carga y direcciones representan orientaciones posibles del hueso en una caída en la configuración de la cadera, prueba velocidad, tamaño del hueso y las variaciones de la pierna derecha pierna izquierda. Los fémures estaban preparados para la prueba de limpieza, corte, análisis y rellenado el extremo distal y el trocánter mayor en contacto con superficies en poly(methyl methacrylate) (PMMA) que se presenta en un protocolo diferente. Las muestras preparadas se colocaron en el luminario de prueba en una posición que mímico una caída lateral en la cadera y cargadas para fracturar. Durante la prueba, dos carga células midieron las fuerzas verticales aplicación a la cabeza femoral y el trocánter mayor, una célula de carga de seis ejes medidas fuerzas y momentos en el eje femoral distal y un sensor de desplazamiento medición el desplazamiento diferencial entre la trocánter y cabeza del fémur en contacto con soportes. Se utilizaron cámaras de vídeo de alta velocidad síncrono grabar la secuencia de eventos de fractura durante la prueba. La reducción de los datos nos ha permitido caracterizar la fuerza, rigidez, y fractura de energía para casi 200 osteoporosis, osteopenia, e investigación de fémures cadavéricos normales para el desarrollo de herramientas de diagnóstico basadas en la ingeniería para la osteoporosis.
Introduction
Desarrollo de nuevos métodos para la evaluación del riesgo de fractura de fémur y prevención de fracturas por una caída sobre la cadera requieren una comprensión global de los procesos biomecánicos implicados durante la fractura. Prueba de resistencia de fémur proximal cadavérico ha demostrado para ser eficaz en la determinación de la relación entre la fuerza femoral y factores que afectan la capacidad estructural del fémur proporciona penetraciones importantes en este proceso1,2 , 3. fuerza femoral medido experimentalmente también se utiliza para la validación de la base de la tomografía computada cuantitativa análisis por elementos finitos (QCT/FEA) que permite una estimación no invasiva de fractura resistencia4,5, 6,7.
Hasta la fecha, no existe ningún procedimiento estándar aceptada para probar especímenes enteros femorales fractura. Para aislar variables clínico mensurable (por ejemplo, la densidad mineral ósea y la geometría) y su influencia en la fuerza femoral, es imprescindible para las pruebas experimentales a llevarse a cabo de manera controlada y repetible. Cadavéricos fémures tienen formas irregulares y gama en tamaños8 y pueden obtener de cadáveres ya sea masculinos o femeninos de diferentes edades, lo que hace imposible realizar las pruebas utilizando incorporados accesorios de máquinas de ensayo de la norma. En una caída hacia los lados en el evento de cadera, el trocánter mayor se somete a carga a la compresión, mientras que el fémur proximal puede experimentar carga compleja incluida la compresión, tensión, momento de flexión, torsión. Estos escenarios de carga de la prueba agrega complejidad al diseño experimental. Por lo tanto, un accesorio, como un componente importante de lo protocolo de pruebas, debe ser específicamente diseñado, fabricado e instalado para acomodar muestras femorales de diferentes formas y tamaños y diversas velocidades de prueba. Este accesorio debe contener también las muestras para la prueba en una gama de orientaciones deseadas para simular cargas de posible impacto de una caída sobre la cadera. Para satisfacer una variedad de condiciones, la lámpara debe tener múltiples fijas y componentes en movimiento conectan de una manera para minimizar el juego en el sistema y para obtener una respuesta de carga-desplazamiento suave.
Adquisición de datos confiable también es crítico durante la prueba. El diseño experimental debe incorporar las células de carga necesario, transductores de desplazamiento, amplificadores de señal y acondicionadores para exactamente medir fuerzas y momentos apoya en todo. Además, vídeos de alta velocidad de las vistas anteriores y posteriores del fémur obtenido sincrónicamente con la adquisición de fuerzas son necesarias para ayudar a entender la secuencia de acontecimientos que condujeron a la fractura, caracterizar tipos de fractura y precisamente definir fuerza femoral4,9.
Aunque hay valiosos estudios experimentales en la literatura sobre todo fémur pruebas, protocolos publicados carecen de detalles sobre cómo se realizó la prueba o son muy diferentes de un estudio a otro para que verdaderamente sean reproducibles10, 11. El objetivo del presente trabajo fue presentar un protocolo para pruebas mecánicas de muestras femorales que pueden utilizarse como punto de partida de un esfuerzo para normalizar el tejido óseo que puede ser repetible y reproducible de la prueba. Para ello, hemos diseñado y fabricado un accesorio de prueba que se utilizó para probar fémures cadáver cerca de 200. El accesorio de prueba incluye un accesorio de la parte inferior y un soporte de cruceta. El accesorio de la parte inferior (figura 1A-E) mantiene el fémur en una orientación deseada durante la prueba e incluye una célula de carga de trocánter y una célula de carga de 6 canales conectados al eje femoral. También acomoda tres traducciones independientes para permitir la colocación del hueso para la prueba de fractura. Un punto de rotación se agrega a la articulación de la rodilla. Las mayores partes de la armadura inferior se componen de trozos gruesos de acero inoxidable y aluminio para hacer un accesorio muy tieso. Una célula de carga está conectada a la lámpara de la parte inferior para medir fuerzas de compresión sobre el trocánter mayor durante la prueba. La luminaria de la cruceta (figura 2A-2E) incluye dos placas de base de aluminio y dos rodamientos de bolas muy rígida de la diapositiva (Unidos juntos por una placa de aluminio), para tener en cuenta el movimiento de la cabeza femoral durante la prueba y también para dar cabida a para fémures derecho e izquierdos. Una célula de carga había incluido en las medidas de fijación de la cruceta fuerzas de compresión. Una taza de aluminio unida a la célula de carga se utiliza para aplicar las cargas a la compresión a la cabeza femoral. Nuestro método se utilizó para fémures izquierdos y derechos de ambos sexos, con diferentes tamaños, ángulos de eje cuello, densidad mineral ósea y mímico un lado de las condiciones de carga caen sobre la cadera. Las velocidades de prueba en nuestros experimentos se establecieron en 5, 100 y 700 mm/s, pero puede establecer en cualquier valor disponible en la máquina de prueba. El aparato diseñado tenía dos componentes principales, uno conectado a la cruceta de la máquina de prueba y el otro conectado a la estructura de la prueba. Ambas partes fueron instrumentadas con celdas de carga suficientes para medir fuerza y condiciones de límite de momento apoya en todo. Además, se utilizaron dos cámaras de vídeo de alta velocidad para grabar los eventos de fractura durante la prueba. Después de la fractura, se analiza un conjunto de rayos x y tomografía computarizada (TC) se obtuvieron para el análisis de fractura experimental post. Resultados obtenidos de estos experimentos incluyendo fractura fuerza y energía se utilizan actualmente para la investigación adicional en herramientas de diagnóstico para finalmente mejorar la evaluación de la fuerza de fractura proximal en pacientes osteoporóticas.
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Protocol
1. gran accesorio accesorio
- quitar accesorios estándar de la máquina.
- Mover la cruceta aparte para acomodar el accesorio interno.
- Colocar el bloque de aluminio (parte n º 1 en la figura 1A) en la máquina y sujete firmemente la máquina con dos pernos, el agujero en el centro acomoda la celda de carga de máquina.
- Coloque la estructura principal de la luminaria (parte n º 2 en la figura 1B) en el bloque de aluminio y asegure firmemente al bloque con 4 tornillos.
- Colocar un jack de cuatro toneladas en la parte del aparato que no se apoye en el bloque de aluminio para apoyar el aparato ( figura 1).
- Instale el aparato de la célula de carga de 6 canales (parte no. 3 en figura 1) en el accesorio principal y asegúrelo con 6 tornillos.
2. Cruceta accesorio accesorio
- fijar la cruceta de la máquina al cero absoluto mediante cruceta lift control.
- Fije la primera placa base (parte Nº 4 en la figura 2B) a la cruceta mediante 7 tornillos con sus bordes curvados hacia el frente de la máquina de prueba.
- Una segunda placa de base (parte Nº 5 en la figura 2) utilizando un tornillo giratorio. El tornillo acomoda los huesos izquierdos y derechos durante la prueba. La segunda placa base (parte Nº 5) es libre para girar sobre el tornillo de pivote con respecto a la primera base (parte Nº 4). Orientación de la placa base segunda determina si la configuración es para fémur izquierdo o derecho.
- Anexe el montaje de los rodamientos de dos diapositivas (parte n ° 6 en la Figura 2D) a la segunda base (parte Nº 5) con 4 tornillos (tornillos pueden accederse desde un lado de la primera placa base). Gire la placa base segunda de tal manera que el segundo conjunto de tornillos se puede acceder desde la parte superior de la primer placa.
Nota: Para cambiar la orientación de las diapositivas de izquierda hueso a hueso derecho, los 4 tornillos en la parte superior la primera placa base se desató, y luego diapositivas se gira sobre el tornillo de pivote fijadas otra vez en la orientación requerida. - Gire manualmente las diapositivas que son ortogonales a 6 canales carga celular estableciendo la cruceta de la máquina en la posición relativa de 65°.
3. Instrumentados accesorio, cámara de alta velocidad y configuración de iluminación para experimento
máquina- conjunto para arriba el accesorio del fondo instrumentado en un prueba hidráulica servo estándar. Este accesorio se mantenga fémur y acomodar fémures izquierdos y derechos en el otoño en la configuración de la cadera ( figura 1).
- Configurar cámara de alta velocidad y equipos de iluminación ( Figura 3A-3D).
- Coloque luces de alta intensidad sobre trípodes con uno a cada lado de la máquina y fijar ( Figura 3A).
- Configurar trípodes para cámaras de alta velocidad a ambos lados de la prueba de la máquina y conectan cada cámara a unidades de adquisición de datos ( figura 3B -3 C).
- Con las cámaras encendidas y conectadas a la unidad de adquisición, configurar ajustes de la cámara; establecer fotogramas a 6000 frames por segundo (fps) y resolución de 1.024 x 512 píxeles; resolución puede ser reducida para dar cabida a memoria interna cámara ( Figura 3D).
- Conjunto obturador a 1 frame/sec (1/6.000 fps). También establecer la opción de la cámara que las grabaciones empiezan antes de que el actuador mueve (100 ms para las pruebas rápidas y 200 ms para pruebas lento).
- El cable de sincronización entre las dos cámaras, el modo del disparador seleccione en la configuración del software de las cámaras fotográficas.
4. Células de carga de verificación/calibración de sistema adecuado de adquisición datos (DAQ)
- montar unidad DAQ
- Conecte el DAQ para la prueba de la máquina, cámara de vídeo de alta velocidad, celdas de carga y potenciómetro lineal como se muestra en el cableado esquemática en la figura 4.
- Verifique la conexión correcta de la célula de carga trocantérica, célula de carga principal, potenciómetro lineal, célula de carga de 6 canales y activar señal a dispositivo DAQ mediante la observación de rastros de señal de datos en el panel de vista del software DAQ empujando manualmente en la celda de carga.
- Verificar que los DAQ, acondicionador de señal y generador de pulso todo encendido ON.
- Configurar el software DAQ para todas las señales de las células de carga y el potenciómetro lineal. En el software DAQ, seleccione la " configuración de paso > > configuración " pestaña y configurar la velocidad de adquisición (Hz) para cada entrada de señal asociado a cada celda de carga. En el " disparo " pestaña, seleccione la opción de activación adecuada. Equipo de vídeo también debe accionar durante funcionamientos de ensayo para asegurar la sincronía del sistema DAQ/video.
- Aplicar una carga nominal (por ejemplo un mínimo de 200 libras hasta un máximo de 1600 libras) a la cabeza del fémur y trocánter celdas de carga usando la máquina hidráulica servo estándar para verificar la carga razonable celular mediciones y comparar al fabricante hojas de datos de calibración ( figura 5A).
- Del mismo modo, aplicar cargas estáticas a la celda de carga de 6 canales utilizando un peso muerto como se muestra en la figura 5B. Comprobar el funcionamiento y comprobar el rendimiento de la célula de carga de 6 canales ( figura 5A -5B) mediante el cálculo de porcentajes diferencias entre los valores de momento y fuerza teórica y medida. El error debe ser menos del 5%.
Nota: Todas las células de carga deben haberse calibradas por el fabricante de antemano. Este paso sólo comprueba que funcionan las células de carga, todas las conexiones están hechas y las señales son razonables. - Calibrar el potenciómetro lineal
- asegurar el aparato de potenciómetro lineal a la cruceta y el potenciómetro lineal en el aparato ( figura 5). Apriete los tornillos para cerrar el cuerpo del potenciómetro y enchufe el conector en la unidad DAQ
- Mover manualmente el actuador (25 mm) en el marco de carga para que la posición del potenciómetro se traduce de la compresión máxima en extensión máxima y desplazamientos de registro y la correspondiente tensión (al menos tres puntos). Trama de desplazamiento vs tensión y ajustar una función lineal a los datos (R 2 > 0.95). De entrada la pendiente de la ecuación lineal (mm/V) como el factor de calibración en el " parámetro de escalamiento " caja del software DAQ.
- Verifique la configuración de la máquina prueba general probando un hueso de fibra de vidrio de sustituto a la fractura para asegurarse de que toda adquisición de datos es funcional y razonable. Esto incluye celda de carga de trocánter, célula de carga de cabeza femoral, potenciómetro lineal, la célula de carga de seis canales y la señal de disparo ( figura 6).
5. Preparación de los huesos para pruebas
- descongelar los huesos a temperatura ambiente durante 24 h y eliminar humedad, exceso de grasa y cualquier tejido blando restante utilizando papor toallas.
- Colocar el hueso en el acrílico lámpara de exploración y preparar el cemento dental. Medir 60 g de polvo PMMA y mezcla con 30 g de resina líquida bajo campana hasta que el polvo se disuelva. La mezcla debe ser vertible. Use una taza de papel disponible para este proceso. Este paso es para el encapsulamiento del trocánter mayor en una taza de aluminio ( Figura 7A).
- Alinee la taza de aluminio por debajo del trocánter. Luego, vierta cemento PMMA a mitad de la altura de la Copa y eleve la plataforma accesorio para encajar el hueso en la Copa. Permita 10-15 min para la polimerización.
- Huesos de plástico en solución salina empapada toallas para evitar la sequedad del tejido durante la polimerización del cemento de hueso.
- Mover el hueso para el accesorio de la prueba en la máquina de prueba con la taza de aluminio atado trocánter ( figura 7B)
- Centro de la Copa de aluminio en la placa adherida a la célula de carga trocantérica y ajustar cojinetes de diapositiva para que la taza de aluminio toca ligeramente la celda de carga. Retire el pasador de la luminaria para permitir la rotación de la lámpara
- centro y bajo la cruceta para el contacto con la cabeza femoral.
- Revisar configuración, posición del hueso, las señales de la célula de carga y posición de la taza. También revisar el dispositivo DAQ; Asegúrese de que todas las celdas del equipo y la carga están conectadas correctamente y verificar que todos están encendidos. Compruebe la configuración del software para la respuesta de la señal correcta de cada celda de carga.
- Tomar fotos del fémur se colocan en la luminaria de 2 lados.
- Ajusta la abertura para permitir la suficiente luz sobre el sensor de la cámara y controlar la profundidad de campo. Compruebe la calidad de imagen, centrándose en el cuello femoral. Este proceso debe prevenir cualquier fulgor y regiones de hueso brillante en la imagen que pueden afectar a capturar el evento fractura.
6. La prueba para fractura de
- verificar el marco de carga mecánica servo está programado para el control de desplazamiento apropiada de 25 mm para la prueba de la fractura en el marco de carga mecánica servo para carga y descarga.
Nota: Estos son fabricante ajustes específicos y deben ser entrados y verifica en el panel de control del equipo de prueba según las especificaciones del fabricante. - Verificar la iluminación para reducir al mínimo reflexiones en las cámaras de vídeo y el sistema de adquisición de datos una vez final.
- Haga clic en el icono de inicio desde el panel de control para iniciar la secuencia de la prueba para fractura de fémur de prueba ( figura 7).
- Tomar fotos del fémur fracturado de 2 lados.
- Actuador de retracción y sacar el fémur de máquina manualmente.
7. Preparación posterior a la fractura
- extraer hueso accesorio.
- Extremo roto proximal de la cinta del hueso y del eje, envolver en toallas mojadas y bolsas de plástico ( figura 7), entonces congelar a -20 ° C.
- Preservar los huesos para más fractura posterior radiografía y CT la proyección de imagen.
Nota: Los detalles de estos procesos han sido previamente explicados en otro protocolo de nuestro grupo (examina Jove) ( figura 7E).
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Representative Results
Accesorios internos se montan después de desconectar los accesorios estándar de la máquina de prueba. En primer lugar, el aparato pesado inferior está había montado y había asegurado (figura 1). Esto incluye un brazo extendido para sostener la célula de carga de 6 canales que permite el eje femoral esté alineado en un ángulo de aducción deseada. A continuación, el aparato de cruceta incluyendo dos rodamientos de deslizamiento sin fricción está montado para dar cabida a la aplicación de carga y movimiento de la cabeza femoral durante fractura (figura 2). El accesorio superior es ajustable para las piernas izquierdas y derecha de la prueba. Una vez montados todos los accesorios, se instalan cámaras de vídeo de alta velocidad y accesorios de iluminación. Se analizan las imágenes de la cámara para enfoque, contraste y profundidad de campo (figura 3). Todos los instrumentos de entonces están conectados a una unidad DAQ (figura 4) y un eje, celdas de carga de seis ejes y el potenciómetro lineal se comprueba la funcionalidad y calibrados, respectivamente (figura 5). Todos los instrumentos entonces se prueban para asegurar adecuadas señales de las células de carga diferentes (figura 6). El trocánter mayor se coloca luego en un accesorio de acrílico para encapsulamiento. El fémur es entonces cargado en el aparato de prueba y fracturado. Después de fractura del fémur de la luminaria. Piezas rotas son pegadas juntas y las muestras todas están envueltos en bolsas de plástico. Las muestras son entonces imágenes con rayos x y analizadas con CT para otros clasificación de tipo de fractura (figura 7). Resultados medidos incluyen 3 fuerzas y 3 momentos en el eje femoral que se miden con la célula de carga de 6 canales y la reacción de la fuerza en la cabeza femoral. Sin embargo, los principales resultados que se utilizará para su posterior validación de la QCT/FEA son la fuerza registrada en el trocánter mayor y el desplazamiento en la cabeza femoral (figura 8).
Figura 1: instalación del luminario de fondo. (A) coloca el bloque de aluminio (parte Nº 1) en la mesa de la máquina, (B) colocación de la estructura de la luminaria principal inferior (parte Nº 2) y fíjelo al bloque de aluminio, la estructura principal (C) está instalado y asegurado en lugar, (D) Montar el accesorio de celular de carga de 6 canales (parte Nº 3) en la estructura principal inferior (parte Nº 2), (E) ajuste del eje femoral ángulo después de la instalación de la lámpara de fondo entero. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: instalación del luminario cruceta. (A) Quite los accesorios del actuador de la máquina, (B) primera placa base (parte Nº 4) es instalado primero, (C) colocar la segunda placa de base (parte Nº 5), (D) fijación del conjunto de los cojinetes de dos diapositivas (parte n ° 6) a la segunda base, completado (E) instalación de la lámpara superior; (F) todo aparato instalado en la máquina de prueba. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: iluminación e instalación de cámaras. (A) configuración de lámparas y pantallas; (B) colocar la cámara de alta velocidad para el trípode; (C) instalar la lente a la unidad de cámara; (D) conectar la cámara a las computadoras. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: diagrama esquemático. Unidad DAQ con todos los dispositivos de entrada/salida conectado al DAQ. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: proceso de verificación y calibración de. Comprobación de la funcionalidad de células de carga de eje único (A) para mediciones de fuerza de mayor trocánter y cabeza femoral y célula de carga (B) seis canales para mediciones de fuerzas y momentos del eje femoral; (C) calibración del potenciómetro lineal para medir el desplazamiento de cabeza femoral. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: instalación de ensayos mecánicos. Todos los instrumentos son conectados y sincronizados para comunicarse con la máquina y las cámaras de vídeo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: antes y después de la prueba de fractura de fémur. (A) encapsulamiento el trocánter mayor en la Copa de aluminio relleno con PMMA; (B) hueso colocado en el aparato de prueba con el trocánter mayor descansando en la celda de carga más baja mientras que el accesorio de la cruceta está en contacto con la cabeza femoral; (C) fracturados del hueso derecho después de pruebas mecánicas; (D) extracción fracturado el fémur de la máquina y encintado de las piezas quebradas fémur de embalaje en bolsas de plástico; (E) radiografía y CT la exploración después de la fractura. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: curva fuerza-desplazamiento. Curvas de fuerza-desplazamiento de fémures probados para fractura en 5 y 100 mm/seg. La fuerza se registra en el trocánter mayor y thdesplazamiento e es grabado en la cabeza femoral. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Propusimos un protocolo de fractura probar fémures cadavéricos proximal en una caída sobre la cadera configuración con la que hemos probado con éxito cerca de 200 muestras. El protocolo incluye varios accesorios diseño internos para prueba bajo condiciones de carga distintas de la fuerza femoral. El aparato permite probar fémures derecho e izquierdos a velocidades de prueba diferentes y orientaciones de hueso. Después de montar el aparato y los instrumentos de medida, un fémur de fibra de vidrio es la prueba para fractura para asegurar que todas las herramientas de hardware y software están correctamente conectadas, trabajando sincrónicamente, y las señales y los videos se graban correctamente. Justo antes de la prueba de fractura de fémur cadáver real, el eje femoral maceta de PMMA se sujeta en la luminaria. Permite que el protocolo de pruebas mecánico para fractura de fémur en una manera repetible y consistente.
Durante la prueba, se comprimen las experiencias de eje femoral flexión y deformación torsional, mientras que la cabeza femoral y el trocánter mayor. Para evitar carga lateral de la muestra, el accesorio de la cruceta está diseñado con dos rodamientos cruzados que permite el movimiento en el plano horizontal con fricción mínima. Esto asegura la aplicación de una carga vertical a la cabeza femoral independientemente de la deformación del hueso y movimiento espacial de la cabeza durante la prueba. Además, esta luminaria superior está diseñada para acomodar fémures izquierdos y derechos con una simple rotación de un componente de la placa como se muestra en la figura 2.
El aparato inferior, conectado a la parte inferior de la máquina de prueba, está diseñado para sostener los fémures cadavéricos en ángulos de aducción deseada durante la prueba. Este aparato también incluye una célula de carga de eje cargas compresivas en el trocánter y una célula de seis canales de carga unida al extremo distal del eje femoral para medir las tres fuerzas y tres momentos en el eje de medición. Además, el aparato tiene capacidad para la rotación del fémur sobre un punto virtual de simulación de articulación de la rodilla.
Tejido óseo, similar a otros tejidos biológicos, tiene características mecánicas dependiente grado de deformación y fuerza, por consiguiente, femoral y fractura propiedades cambiará con las pruebas de velocidad12. Por lo tanto, el protocolo y el luminario de prueba deben ser capaces de ser utilizado para ensayos mecánicos femoral a diferentes velocidades y dar cabida a una gama de equipo de adquisición de datos, las frecuencias de la muestra, tipos de cámara de alta velocidad y las condiciones de iluminación. Con el protocolo actual, hemos probado con éxito fémures en varias velocidades difieren en dos órdenes de magnitud (5, 100 y 700 mm/s) para imitar la velocidad de varios eventos traumáticos.
Cámaras de vídeo de alta velocidad permitió grabar la secuencia de la fractura de eventos para su posterior análisis. Con el fin de obtener datos útiles, todos los componentes de prueba fueron sincronizados durante la prueba para visualizar correctamente la mecánica de la fractura. A través de la célula de carga de sincronización, datos de desplazamiento y los datos de iniciación y propagación de crack pueden analizarse juntos para ayudar a formar una imagen completa de la fractura.
Para evitar aplastamiento del trocánter mayor debido a contacto no uniforme y la tensión del contacto no deseado la concentración, el trocánter es potted en una taza llena de PMMA. Además, el fondo de la taza es redondo para permitir que el rodillo en la superficie inferior de la luminaria. Esto conduce a una fuerza de reacción vertical evitando la restricción lateral de la asistencia que podría afectar la fuerza de fractura o tipo. Esta elección de diseño fue necesaria obtener precisa fuerza femoral y fractura de modos similares a los observados clínicamente.
En otros estudios experimentales, sólo la parte más proximal de los fémures fueron probados por el corte de la mayor parte del eje femoral de muestras, a ejemplares muy corta13. En cambio, el actual protocolo de pruebas de muestras femoral proximal largo 255 mm. El accesorio está diseñado con un brazo de acero que se extiende la longitud de la muestra para incluir un punto de rotación cerca de la articulación quitado para imitar más realista una caída lateral en la cadera. Este brazo de extensión incorpora una celda de carga 6-componente que se utiliza para medir las tres fuerzas y tres momentos se convirtió en el eje femoral durante la prueba de fractura. Estas consideraciones son similares a las descritas en estudios anteriores y nos ayuden a más exactamente, comprender las fuerzas que contribuyen a la fractura y para estimar la rigidez femoral y fuerza14.
Las células de 3 carga utilizadas en nuestra luminaria led para redundancia en los datos adquiridos que nos permitieron analizar el equilibrio de fuerzas y momentos en la dirección vertical principal. En el momento del trocánter de pico de la fuerza, observamos muy similares magnitudes medidos por las células de carga diferentes, con errores relativos promedio de alrededor del 2%, que es un error experimental muy satisfactorio para esta categoría de pruebas biomecánicas.
Este protocolo tiene varias limitaciones potenciales. Una limitación principal podría ser que el cumplimiento de la instalación y la máquina de prueba puede afectar la medida de desplazamiento y rigidez15. Esto se convierte en más relevante para fémures normales que requieren una carga mayor a la fractura. Sin embargo, hemos diseñado nuestra lámpara con gruesas placas de acero y aluminio para mantener una rigidez por lo menos un orden de magnitud mayor que la rigidez femoral. Utilizando una muestra de cerca de 200 fémures, nos dimos cuenta de un error promedio de alrededor del 5% en la rigidez medida femoral debido al cumplimiento de la luminaria. Luego se calculó un factor de corrección para que cada fémur corregir los valores de rigidez. Una limitación potencial adicional que puede inducir a error es que la secuencia de pasos de prueba debe ser seguida estrictamente. Por ejemplo, para la primera muestra analizada, el perno que mantiene el fémur colocado antes de hacer contacto con las superficies de fijación de la cabeza y el trocánter no fue removido y la prueba de fractura se completó sin un punto de rotación en el extremo distal (extremo fijada). Una modificación del protocolo requiere un rojo larga cinta conectada al pin (Figura 1E) y un segundo operador para confirmar que el perno fue quitado antes de la prueba. También, durante la prueba de velocidad se varió considerablemente de 5-700 mm/s, nuestras pruebas fueron sin embargo cuasi-estáticas experimentos. Para ganar la penetración en el comportamiento dinámico de la fractura de fémur proximal con mayor velocidad de carga como resultado de impactos, una prueba de torre de caída podría ser empleado16.
Mientras que la prueba fue realizada en diferentes épocas y por distintos operadores, los fémures fueron fracturados utilizando el mismo protocolo, accesorios y células de carga eliminando así las incertidumbres relacionadas con la capacidad de repetición del experimento. Con similar enfoque, puede adoptarse el actual protocolo y accesorios rediseñaron a prueba en configuración de postura o a otros tipos de hueso de la fractura.
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Disclosures
Los autores no tienen ninguna información relevante.
Acknowledgments
Nos gustaría agradecer a las instalaciones centrales para pruebas estructurales y materiales División de ingeniería de Mayo Clinic por soporte técnico. Además, nos gustaría agradecer a Lorenzo J. Berglund, James Bronk, Brant Newman, den de op de Jorn Buijs, pH.d., por su ayuda durante el estudio. Este estudio fue apoyado financieramente por el fondo de innovación de Grainger de la Fundación Grainger.
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
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