Summary
I detta manuskript presenterar vi ett protokoll för att fraktur test avlidna proximala platsen i en sidledes falla på hip konfigurationen med hjälp av instrumenterade fixturer monterad på en standard servo hydraulisk ram. Under testning förvärvade nio digitaliserade signaler bestående styrkor, stunder och deplacement tillsammans med två hög hastighet videoströmmar.
Abstract
Mekanisk provning av platsen ger värdefulla insikter i förstå bidrag kliniskt-mätbara variabler såsom bone mineral density distribution och geometri på femorala mekaniska egenskaper. För närvarande finns det inga standardprotokoll för mekanisk provning av sådana geometriskt komplexa ben att mäta styrka och styvhet. För att åtgärda denna brist har vi utvecklat ett protokoll för att testa avlidna platsen att fraktur och mäta deras biomekaniska parametrar. Det här protokollet beskriver en uppsättning anpassningsbara fixtures att rymma olika belastning magnituder och riktningar redovisning av möjliga ben riktlinjer i en falla på hip konfigurationen, testa hastighet, ben storlek och vänstra benet högra ben variationer. Platsen var förberedda för testning av rengöring, skär, skanning och planteringsjord den distala änden och större trochanter kontaktytor i poly(methyl methacrylate) (PMMA) som presenteras i ett annat protokoll. Beredda proverna placerades i testning fixturen i stånd härma en sidledes faller på höften och laddad för att fraktur. Under provningen, två belastning celler mätt vertikala krafter tillämpas på lårbenshuvudet och trochanter major, en six-axis lastcell uppmätta styrkor och stunder på distala femur axeln och en förskjutning sensor mätt differentiell förskjutning mellan de lårbenshuvudet och trochanter kontakta stöder. Hög hastighet videokameror användes synkront registrera fraktur händelseförloppet under testning. Minskning av denna data tillät oss att karakterisera styrkan, styvhet, och fraktur energi för nästan 200 osteoporotiska, osteopenic, och normala avlidna platsen för vidareutveckling av teknik-baserade diagnostiska verktyg för osteoporos forskning.
Introduction
Utveckling av nya metoder för femorala fraktur riskbedömning och fraktur prevention för en nedgång på höften kräver en omfattande förståelse av biomekaniska processer under fraktur. Avlidna proximala lårbenet styrka tester har visat sig vara effektiva i att bestämma förhållandet mellan femorala styrka och faktorer som påverkar den strukturella kapaciteten av lårbenet som ger viktiga insikter i denna process1,2 , 3. experimentellt uppmätta femorala styrka används också för validering av kvantitativ datortomografi-baserade finita elementanalys (QCT/FEA) vilket gör att en icke-invasiv uppskattning av fraktur styrka4,5, 6,7.
Hittills finns det ingen vedertagen standardförfarande att testa hela femorala exemplar till fraktur. För att isolera kliniskt-mätbara variabler (såsom bentäthet och geometri) och deras inflytande på femorala styrka, är det absolut nödvändigt för experimentell provning skall utföras på ett kontrollerat och repeterbara sätt. Avlidna platsen har oregelbundna former och utbud i storlekar8 och kan erhållas från antingen manliga eller kvinnliga kadaver av olika åldrar, vilket gör det omöjligt att testa använda inbyggda fixturer av standard provning maskiner. I sidled ramlar på hip evenemang genomgår ju större trochanter tryckkraft lastning, medan proximala lårbenet kan uppleva komplexa lastning inklusive komprimering, spänning, Böjande ögonblick och vridning. Testa sådan lastning scenarion lägger komplexitet till experimentell design. Därför måste en fixtur, som en viktig komponent i test protokoll, specifikt utformade, tillverkade, och installeras för att rymma femorala prover av olika former och storlekar och olika tester hastigheter. Denna armatur måste också hålla exemplaren för att testa i en rad önskad inriktning att simulera möjliga påverkan laster från en nedgång på höften. För att möta sådana olika villkor, fixturen behöver ha flera stationära och rörliga komponenter anslutna på ett sätt att minimera spela i systemet och för att få en jämn belastning-deplacement svar.
Tillförlitlig datainsamling är också kritisk under provningen. Experimentell design måste införliva de nödvändiga lastceller, lägesgivare, signal förstärkare och balsam att exakt mäta krafter och moment på alla stöder. Dessutom hög hastighet videor av både främre och bakre vyerna av lårbenet erhålls synkront med förvärvet av krafter är nödvändiga för att förstå händelseförloppet som leder till fraktur, karakterisera fraktur typer, och exakt definiera femorala styrka4,9.
Medan det finns värdefulla experimentella studier i litteraturen på hela lårbenet testning, publicerade protokoll antingen saknar Detaljer på hur testningen utfördes eller skiljer sig mycket från en studie till en annan att verkligen göra dem reproducerbara10, 11. Målet för det aktuella arbetet var att införa ett protokoll för mekanisk provning av femorala prover som kan användas som utgångspunkt för ett försök för att standardisera benvävnad testning vilket kan vara repeterbara och reproducerbara. I detta syfte vi utformade och tillverkade en testning fixtur som användes för att testa ca 200 avlidna platsen. Testning fixturen ingår en botten fixturen och en krysspårskruvar fixtur. Botten fixturen (figur 1A-E) innehar lårbenet på en önskad orientering under testning och inkluderar en trochanter lastcell och en 6-kanals lastcell ansluten till femoral axeln. Det rymmer också tre oberoende översättningar för positionering av benet för fraktur testning. En Rotationspunkten läggs för att efterlikna knäleden. Större delar av botten fixturen var består av tjocka bitar av rostfritt stål och aluminium till göra en mycket hård fixtur. En lastcell är fäst botten fixturen att mäta tryckkraft styrkor på den större trochanter under provningen. Krysspårskruvar fixturen (figur 2A-2E) innehåller två Basplattor i aluminium och två mycket hård boll glidlager (bifogas tillsammans med en aluminiumplåt), att redovisa för förflyttning av lårbenshuvudet under testning och också för att tillgodose för höger och vänster platsen. En lastcell ingår i åtgärderna som krysspårskruvar fixtur tryckkraft krafter. En aluminium kopp bifogas lastcell används för att tillämpa de tryckkraft lasterna till lårbenshuvudet. Vår metod användes för vänster och höger platsen av båda könen, med olika storlekar, hals-axel vinklar, bentäthet och belastningsförhållanden härma en sidledes faller på höften. Testning hastigheterna i våra experiment fastställdes till 5, 100 och 700 mm/s, men de kan anges till ett värde som är tillgängliga på maskinen för provning. Designade fixturen hade två huvuddelar, en ansluten till krysspårskruvar i provningsmaskinen och den andra ansluten till testning ram. Båda delarna var instrumenterad med lastceller som är tillräcklig för att mäta kraft och ögonblick randvillkor alls stöder. Dessutom användes två höghastighetsvideokameror registrera fraktur händelserna under testning. Efter fraktur, en uppsättning av röntgen och beräknade datortomografi (CT) File erhölls för post experimentella fraktur analyser. Resultaten från dessa experiment inklusive fraktur styrka och energi för närvarande används för ytterligare forskning i diagnostiska verktyg så småningom förbättra bedömningen av proximala frakturer styrka osteoporotiska patienter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. stor fixtur bilaga
- ta standard fixturer från maskinen.
- Flytta krysspårskruvar isär för att rymma in-house fixturen.
- Placera blocket aluminium (del nr 1 i figur 1A) på maskinen och fäst på maskinen med två bultar; hålet i mitten rymmer den maskinen lastcell.
- Placera viktigaste fixtur struktur (del nr 2 i figur 1B) på blocket aluminium och ordentligt fäst den på blocket med 4 bultar.
- Placera en fyra-tons domkraft under delen av armatur som inte vilar på aluminium blocket att stödja fixturen ( figur 1 c).
- Montera 6-kanals belastning cell fixturen (del nr 3 i figur 1 d) på huvudsakliga fixturen och säkra den med 6 skruvar.
2. Krysspårskruvar fixtur bifogade
- Ange den maskinen krysspårskruvar till absoluta nollpunkten med krysspårskruvar hiss kontroll.
- Tillmäter den krysspårskruvar 7 skruvarna med böjda kanter som vetter mot framsidan av provningsmaskinen första bottenplatta (del nr 4 i figur 2B).
- Bifoga andra bottenplatta (del nr 5 i figur 2 c) använder en roterande skruv. Skruven har plats för vänster och höger ben under provningen. Den andra bottenplattan (del nr 5) är gratis att vrida om pivot skruven i förhållande till första bottenplatta (del nr 4). Läggning av andra bottenplattan avgör om installationen är för höger eller vänster lårben.
- Bifoga montering av de två glidlager (del nr 6 i figur 2D) till andra bottenplattan (del nr 5) med 4 skruvar (två skruvar kan nås från ena sidan av den första bottenplattan). Rotera den andra bottenplattan så att den andra uppsättningen av skruvar kan nås från toppen av den första Bottenplattor.
Obs: Om du vill ändra orientering på bilderna från vänster ben till höger ben, de 4 skruvarna på toppen av första bottenplattan är knäppte och sedan diabilder är roteras om pivot skruven och fäst igen på krävs orientering. - Manuellt rotera bilder som är ortogonal till 6-kanals belastning cell genom att ange den maskinen krysspårskruvar relativa position 65°.
3. Instrumenterad fixtur, High-speed kamera och belysning Setup för Experiment
- uppsättning upp instrumenterade botten fixturen på en standard servo hydrauliska tester maskin. Denna fixtur kommer att hålla lårbenet och rymma både vänster och höger platsen i höst på hip konfiguration ( figur 1).
- Ställa in höghastighetskamera och belysningsutrustning ( figur 3A-3D).
- Placera hög intensitet ljus på stativ med en på varje sida om maskinen och säkra dem ( figur 3A).
- Ställa in stativ för höghastighets kameror på vardera sidan av testning maskin och ansluta varje kamera till data förvärv enheter ( figur 3B -3 C).
- Med kameror på och ansluten till enhetens förvärv, konfigurera kamerainställningarna; ange bildfrekvensen till 6000 bildrutor per sekund (fps) och upplösning på 1 024 x 512 pixlar; upplösning kan minskas för att rymma kamerans interna minne ( Figur 3D).
- Set slutaren 1 bildruta per sekund (1/6 000 fps). Också ange alternativet kameran så att inspelningarna påbörjas innan ställdonet flyttas (100 ms för snabba tester och 200 ms för långsam tester).
- Att synkronisera kabeln mellan två kameror, Välj trigger-läge i inställningen programvara av kameror.
4. Kontroll/kalibrera Ladda celler för korrekt Data förvärv System (DAQ)
- inrätta DAQ enhet
- Connect DAQ till testning maskin, hög hastighet videokamera, lastceller och linjär potentiometer som visas i ledningar schematiskt i figur 4.
- Kontrollera korrekt anslutning av trochanteric lastcell, huvudet lastcell, linjär potentiometer 6-kanals lastcell och utlösa signalen till DAQ enheten genom att observera data signal spår i panelen Visa av programvaran DAQ genom manuellt att trycka på lastcell.
- Kontrollera att de DAQ, Signal balsam och Pulse Generator är alla drivna ON.
- Konfigurera DAQ programvaran för alla signaler från lastcellerna och linjär potentiometern. Välj i DAQ programvaran, den " steg installationen > > konfiguration " fliken och ställa in andelen förvärv (Hz) för varje insignal som är associerad med varje lastcell. På den " triggning " fliken, Välj lämpligt utlösande alternativ. Videoutrustning ska också utlösas under rättegången körningar för video/DAQ system synchronicity.
- Tillämpas en nominell belastning (till exempel minst 200 lbs till högst 1600 lbs) till lårbenshuvudet och trochanter lastceller använder standard servo hydrauliska maskinen kontrollera rimlig belastning cell mätningar och jämför med tillverkaren kalibrering datablad ( figur 5A).
- Använder likaså statiska laster på 6-kanals lastcell med en dödvikt som visas i figur 5B. Kontrollera funktionen och prestanda för 6-kanals lastcell ( figur 5A -5B) genom att beräkna procentuella skillnader mellan uppmätta och teoretiska kraft och ögonblick värden. Felet bör vara mindre än 5%.
Obs: Alla lastceller måste ha kalibrerats av tillverkaren i förväg. Detta steg kontrollerar endast att lastcellerna fungerar, alla anslutningar görs och signalerna är rimlig. - Kalibrera den linjär potentiometern
- säkra linjär potentiometer fixturen till Pozidriv och placera den linjär potentiometern i fixturen ( figur 5 c). Dra åt skruvarna för att låsa potentiometer kroppen och Anslut kontakten till affärsenhet. DAQ
- Manuellt flytta ställdonet (25 mm) på Last ramen så att den potentiometer ståndpunkten översätter från maximal kompression till maximal förlängning och rekord förskjutningar och den motsvarande spänningen (för minst tre datapunkter). Rita förskjutningen vs. spänning och passar en linjär funktion av uppgifter (R 2 > 0,95). Mata in lutningen på den linjära ekvationen (mm/V) som kalibreringsfaktorn in den " skalning parametern " box av programvaran DAQ.
- Verifierar den övergripande testa maskin setup genom att testa ett surrogat glasfiber ben till fraktur för att kontrollera alla datainsamling är funktionella och rimliga. Detta inkluderar trochanter lastcell, femorala huvud lastcell, linjär potentiometer, sex-kanals BELASTNINGSCELLEN och utlösa signalen ( figur 6).
5. Förbereda ben för testning
- Tina ben i rumstemperatur i 24 h och ta bort fukt, överflödigt fett och eventuella återstående mjuk vävnad med hjälp av paper handdukar.
- Placera benet i den akryl skanning fixtur och förbereda dentala cement. Mäta 60 g PMMA pulver och blanda med 30 g flytande harts under spiskåpa tills pulvret är upplöst. Blandningen ska vara rinnbara. Använd ett papper kopp för denna process. Detta steg är för ingjutning ju större trochanter i en aluminium cup ( figur 7A).
- Justera aluminium koppen under den. Sedan Häll PMMA cement till halva höjden av koppen och höja fixtur plattformen för att passa benet i koppen. Gör 10-15 min för polymerisation.
- Wrap ben i saltlösning blöta handdukar att undvika vävnad torrhet under ben cement polymerisation.
- Flytta ben till provningsfixturen i provningsmaskinen med aluminium kopp bifogas trochanter ( figur 7B)
- Centrum aluminium cup på plattan bifogas den trochanteric lastcell och justera glidlager så att aluminium koppen något vidrör lastcell. Ta bort PIN-koden från fixturen för rotation av fixtur
- Center och lägre krysspårskruvar för kontakt med lårbenshuvudet.
- Granskning setup, benpositionen, belastning cell signaler och kopp läge. Även granska DAQ enhet; Se till att all utrustning och laddar cellerna är korrekt anslutna, och verifierar att alla är påslagna. Kontrollera programvara setup för korrekt signal svar från varje lastcell.
- Ta bilder av lårbenet placeras i fixturen från 2 sidor.
- Ställa in bländaren att tillåta tillräckligt med ljus på kamerasensorn och styra skärpedjupet. Kontrollera bildkvaliteten genom att fokusera på lårbenshalsen. Denna process bör förhindra bländning och glänsande ben regioner i bilden som skulle påverka fånga händelsen fraktur.
6. Testning för frakturen
- Kontrollera ramen servo mekanisk belastning är programmerad för lämpliga deplacement kontroll över 25 mm för fraktur test i ramen servo mekanisk belastning för både lastning och lossning.
Obs: Dessa är tillverkaren särskilda inställningar och bör ingång och verifierats i Kontrollpanelen på provutrustning som enligt tillverkarens specifikationer. - Verifierar belysning för att minimera reflektioner i videokameror och datainsamlingssystemet en sista gång.
- Klicka på startikonen från Kontrollpanelen för att inleda testet sekvens för att fraktur test lårbenet ( figur 7 c).
- Ta bilder av det brutna lårbenet från 2 sidor.
- Manuellt återkalla ställdon och ta bort lårbenet från maskin.
7. Efter fraktur förberedelser
- ta bort ben från fixturen.
- Tejp proximala brutna änden av ben till axel, Linda in i våta handdukar och plastpåsar ( figur 7 d) och sedan frysa på -20 ° C.
- Bevara ben för ytterligare efter fraktur röntgen och CT bilddiagnostik.
Obs: Detaljer för dessa processer har förklarats tidigare i ett annat protokoll från vår grupp (under granskning på JoVE) ( figur 7E).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
In-House armaturer monteras efter standard fixturer tas bort från maskinen för provning. Första botten tung fixturen monteras och säkrade (figur 1). Detta inkluderar en förlängda arm för att hålla 6-kanals lastcell som också möjliggör femorala axeln anpassas önskad adduktion vinkel. Därefter monteras krysspårskruvar fixturen inklusive två friktionsfri glidlager för att rymma tillämpningen av belastning och femorala huvudrörelser under fraktur (bild 2). Den övre fixturen är justerbar för att testa både vänster och höger ben. När alla fixturer är monterade, installeras hög hastighet videokameror och belysning. Bilderna i kameran är testade för skärpa, kontrast och skärpedjup (figur 3). Alla instrument kopplas sedan till en DAQ enhet (figur 4) och axel, sexaxlade lastceller och linjär potentiometern kontrolleras för funktionalitet och kalibrerad, respektive (figur 5). Alla instrument är sedan testade för att säkerställa korrekt signaler från de olika lastcellerna (figur 6). Ju större trochanter är nästa placerad i en akryl fixtur för ingjutning. Lårbenet är sedan laddas in i testing fixturen och splittrat. Efter fraktur lårbenet avlägsnas från fixturen. Trasiga delar är tejpade ihop och hela proverna förpackas i plastpåsar. Proverna är sedan avbildas med röntgen och skannas med CT för ytterligare fraktur typ klassificering (figur 7). Uppmätta resultaten inkluderar 3 krafter och 3 stunder på femorala axeln som mäts med 6-kanals lastcell och reaktionen kraft på lårbenshuvudet. De viktigaste resultaten skall användas för ytterligare QCT/FEA validering är dock den kraft som registreras på trochanter och förskjutningen inspelad i lårbenshuvudet (figur 8).
Figur 1: botten fixturen Installation. (A) Placera aluminiumblock (del nr 1) på maskinens bord, (B) att placera de viktigaste fixtur bottenstrukturen (del nr 2) och säkra den med aluminium block, (C) Main struktur är installerat och säkrade i förlägga, (D) Montering av 6-kanals belastning cell fixtur (del nr 3) på den huvudsakliga bottenstrukturen (del nr 2), (E) justera femorala axelvinkel efter installationen av hela botten fixturen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: krysspårskruvar fixtur Installation. (A) ta bort fixturer från maskinen ställdon, (B) första bottenplatta (del nr 4) är installerat första, (C) bifoga andra bottenplattan (del nr 5), (D) bifoga montering av de två glidlager (del nr 6) till den andra bottenplatta, (E) slutfört installationen övre beslagets; (F) hela testning fixtur installerad på maskinen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: belysning och kameror Installation. (A) inrättande av lampor och sköldar; (B) fästa höghastighetståg kameran på stativ; (C) installation objektivet till kameraenheten; (D) anslutning av kameran till datorer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: Schematisk. DAQ enhet med alla input/output enheter anslutna till DAQ. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: kalibrering och verifieringsprocessen. Kontrollera funktionen av (A) Single axis lastceller för lårbenshuvudet och större trochanter kraft mätningar, och (B) sex-kanals lastcell för femorala axel krafter och moment mätningar. (C) kalibrering av den linjär potentiometern för mätning av femorala huvud förskjutning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: mekanisk provning Set-up. Alla instrument är anslutna och synkroniseras för att kommunicera med maskinen och videokameror. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7: lårbenet före och efter fraktur testning. (A) Potting ju större trochanter i aluminium cup fylld med PMMA; (B) ben placeras i testning fixturen med den större trochanter vilar på lägre BELASTNINGSCELLEN medan krysspårskruvar fixturen är kontakt med lårbenshuvudet; (C) Fractured bone höger efter mekanisk provning; (D) ta bort brutna lårben från maskinen och tejpa de trasiga delarna tillsammans; inslagning lårbenet i plastpåsar; (E) röntgen och CT scanning efter fraktur. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8: kraft-deplacement kurva. Kraft-deplacement kurvor för platsen testade för att fraktur vid 5 och 100 mm/s. Kraften registreras vid större trochanter och the deplacement är inspelad på lårbenshuvudet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi föreslog ett protokoll till fraktur testa proximala avlidna platsen i ett fall på hip konfigurationen som vi har framgångsrikt testat ca 200 prover. Protokollet innehåller flera interna designade fixturer för femorala styrka tester för olika belastningsfall. Fixturen tillåter testning av både höger och vänster platsen vid olika tester hastigheter och ben riktlinjer. Efter montering av fixturen och mätinstrument, är en glasfiber lårbenet testat för att fraktur för att säkerställa att alla maskin- och programvara verktyg är korrekt anslutna, arbeta synkront, och de signaler och videor spelas in korrekt. Strax före faktiska avlidna lårbenet fraktur test spänns femorala axeln krukväxt i PMMA i fixturen. Mekanisk provning protokollet bygglov för femorala fraktur testning på en repeterbar och konsekvent sätt.
Under provningen, femorala axel erfarenheter böjande och vridande deformation medan lårbenshuvudet och större trochanter är komprimerade. För att undvika laterala lastning av preparatet, är Pozidriv fixturen utformad med två kors lager som tillåter rörelser i horisontalplanet med minimal friktion. Detta försäkrar tillämpningen av en vertikal belastning på lårbenshuvudet oavsett ben deformation och rumsliga rörelser av huvudet under provningen. Dessutom är denna övre fixtur utformad för att rymma vänster och höger platsen genom att helt enkelt rotera beståndsdel plattan som visas i figur 2 c.
Botten fixturen, ansluten till botten av maskinen för provning, är utformad för att hålla de avlidna platsen på önskad adduktion vinklar under provningen. Denna armatur ingår också en enda axel lastcell mätning av tryckkraft laster på trochanter och en sex-kanals lastcell som bifogas den distala änden av femorala axeln för att mäta de tre krafterna och tre ögonblick i axeln. Dessutom rymmer fixturen rotation av lårbenet om en virtuell punkt som simulerar knäleden.
Benvävnad, liknar andra biologiska vävnader, har stam-rate beroende av mekaniska egenskaper, och följaktligen femorala styrka och fraktur egenskaper ändras med tester hastighet12. Protokollet och testning fixturen bör därför kunna användas för mekanisk femorala provning vid olika hastigheter och har plats för en rad förvärv datautrustning, prov frekvens, höghastighetskamera typer och ljusförhållanden. Med det nuvarande protokollet, vi har framgångsrikt testat platsen vid olika hastigheter skilde sig genom två tiopotenser (5 100 och 700 mm/s) att efterlikna hastigheten på olika traumatiska händelser.
Hög hastighet videokameror tillåtna inspelning fraktur händelseförloppet för vidare analys. För att få användbara data, synkroniserades alla testning komponenter under testningen för att ordentligt visualisera mekanik av fraktur. Genom synkronisering lastcell, kan förskjutning och spricka initiering och förökning data analyseras tillsammans för att bilda en heltäckande bild av fraktur.
För att undvika krossning av den större trochanter på grund av icke-enhetlig kontakt och oönskade kontakt stress är koncentration, trochanter krukväxt i en PMMA-fyllda kopp. Dessutom, är botten av koppen runda för att kunna rulla på det lägre ytbehandlar av fixtur. Detta leder till en vertikal insatsstyrka samtidigt förhindra laterala begränsning från det stöd som kan påverka den fraktur styrka eller typ. Denna designval var nödvändigt för att erhålla korrekt femorala styrka och fraktur lägen liknar dem som observerats kliniskt.
I andra experimentella studier testades endast den mest proximala delen av platsen genom att skära av en stor del av femorala axeln från prover, vilket leder till mycket kort exemplar13. Däremot testar det nuvarande protokollet 255 mm lång proximala femur exemplar. Fixturen är utformad med en stål arm att utöka längden på provet för att innehålla en rotationspunkt nära borttagna knäleden till mer realistiskt härma en sidledes faller på höften. Här förlängningsarm inlemmar en 6-komponent lastcell som används för att mäta de tre krafterna och tre ögonblick utvecklats femorala axeln under fraktur testning. Dessa överväganden är liknande dem som beskrivs i tidigare studier, och hjälper oss till mer exakt, förstå de krafter som bidrar till fraktur och uppskatta femorala styvhet och styrka14.
3 Ladda cellerna som används i vår armatur som ledde till redundans i förvärvade data som tillät oss att analysera maktbalansen och stunder i huvudsakliga vertikal riktning. Vid tidpunkten för peak trochanter kraft, vi observerade mycket liknande storheter mäts av de olika lastceller, med genomsnittliga relativa fel på cirka 2%, vilket är en mycket tillfredsställande experimentella fel för denna kategori av biomekaniska tester.
Detta protokoll har flera potentiella begränsningar. En huvudsakliga begränsning kan vara att att fixturen och provningsmaskinen kan påverka de uppmätta förskjutning och stelhet15. Detta blir mer relevanta för normala platsen som kräver en större belastning till fraktur. Dock har vi utformat vår armatur med tjockt stål och aluminium plattor att upprätthålla en styvhet minst en storleksordning större än den femorala stelhet. Med ett urval av ca 200 platsen, märkte vi ett genomsnittligt fel på cirka 5% i den uppmätta femorala stelhet p.g.a. fixtur överensstämmelse. En korrektionsfaktor beräknades sedan för varje lårbenet att korrigera stelhet värdena. En ytterligare potentiella begränsning som kan leda till fel är att sekvensen av testning steg måste följas strikt. Till exempel för det första exemplaret testade, PIN-koden att hålla lårbenet placerad innan att ta kontakt med huvud och trochanter fixtur ytorna inte togs bort och fraktur testning slutfördes utan en rotationspunkten på den distala änden (fast slutet). En ändring av protokollet krävs en röd lång menyfliksområdet bifogas pin (figur 1E) och en andra operatören bekräfta att stiftet togs bort före testning. Också, medan du testar hastigheter var varierade avsevärt från 5-700 mm/s, våra tester var ändå kvasi-statiska experiment. För att få inblick i proximala lårbenet fraktur under högre hastighet laddar såsom följd effekter dynamiska beteende, kan en droppe-tornet-test vara sysselsatta16.
Medan testning utfördes vid olika tillfällen och av olika aktörer, var alla platsen splittrat använda samma protokoll, fixturer och lastceller därmed undanröja osäkerheter relaterade till repeterbarhet av experimentet. Med liknande tillvägagångssätt, det nuvarande protokollet kan antas och fixturer omgjorda att testa i hållning konfiguration eller fraktur andra ben typer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inga relevanta upplysningar.
Acknowledgments
Vi vill tacka de material och strukturell testning Core Facility och Division of Engineering på Mayo Clinic för teknisk support. Dessutom vill vi tacka Lawrence J. Berglund, James Bronk, Brant Newman, Jorn op den Buijs, Ph.D., för deras hjälp under studien. Denna studie stöddes ekonomiskt av Grainger innovationsfonden från stiftelsen 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
- 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).
