Name: Imaging del meccanismo di cedimento microstrutturale nellanca umana (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-09-29T13:50:00.000+00:00
Duration: 8 min 43 s
Description: Scopri l'imaging micro-CT del femore umano sotto carico per studiare il meccanismo di frattura ossea. Questo metodo avanzato analizza l'interazione tra compartimenti trabecolari e corticali per migliorare la diagnosi dell'osteoporosi.

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Finanziamento dell'Australian Research Council (FT180100338; IC190100020) è ringraziato.

Il protocollo è stato sviluppato e testato con 12 campioni di femore ricevuti da un programma di donazione del corpo. I campioni sono stati ottenuti freschi e conservati a -20 °C presso il Laboratorio di Biomeccanica e Impianti della Flinders University (Tonsley, Australia Meridionale, Australia). L'umidità ossea è stata mantenuta per tutta la durata dell'esperimento. Le donatrici erano donne caucasiche (66-80 anni). L'autorizzazione etica è stata ottenuta dal Comitato Etico per la Ricerca Sociale e Comportamentale (SBREC) della Flinders University (Progetto # 6380).
1. Pianificazione di un incremento del passo di carico specifico del provino
<ol><li>Scansiona il campione del femore utilizzando uno scanner TC clinico mirato a uno spessore della fetta e a una dimensione dei pixel nel piano di circa 0,5-0,7 mm. Questo passaggio può essere completato da un radiologo esperto in qualsiasi struttura di imaging pubblica utilizzando protocolli di imaging standard preregistrati per la visualizzazione ossea.</li>
	<li>Insieme al campione, eseguire la scansione di un fantoccio di calibrazione della densitometria TC con cinque concentrazioni note di idrogenofosfato dipotassico (K2HPO4, intervallo di densità equivalente approssimativamente compreso tra 59 mg∙cm−3 e 375 mg∙cm−3).</li>
	<li>Segmentare la geometria ossea dalle immagini TC cliniche15, mesh la geometria segmentata dell'osso e mappare le proprietà isotrope del materiale elemento per elemento ai valori di densità ossea calibrati utilizzando la relazione densità-modulo elastico riportata da Schileo et al.8. Salvare la mesh per ulteriori analisi nel software a elementi finiti. Completa ogni passaggio seguendo le linee guida pertinenti fornite con il software di segmentazione e agli elementi finiti.</li>
	<li>Importare la mesh nel software a elementi finiti. Vincolare completamente l'estremità distale di 3-6 mm del modello. Applicare una forza nominale di 1.000 N, addotta di 8° dall'asse dell'asta femorale nel piano coronale e passante per il centro della testa del femore. Questa condizione di carico simula un'attività di appoggio statico su una gamba (orthoload.com).</li>
	<li>Risolvi il modello a elementi finiti utilizzando il solutore PCG integrato (tolleranza di convergenza: 1 x 10−7). NOTA: In questo caso è stato utilizzato il software agli elementi finiti ANSYS.<ol><li>Generare una tabella degli elementi contenente il primo e il terzo componente di deformazione principale in corrispondenza del centroide dell'elemento eseguendo i seguenti comandi: /POST1 COMMESTIBILE,, EPTO1,1 COMMESTIBILE,, EPTO3,3</li>
		<li>Calcolare il rapporto di deformazione tra la prima e la terza componente di deformazione principale nel modello e la deformazione di snervamento osseo in trazione (deformazione 0,73%) e compressione (deformazione 1,04%)8 (Figura 1) eseguendo i seguenti comandi: SMULT, RFT, EPTO1, ,1/0.0074,1, SMULT, RFT, EPTO3, ,1/0.0104,1,</li>
	</ol></li>
	<li>Scalare la forza nominale in base al rapporto di deformazione di picco sia in tensione che in compressione e scartare il più grande dei due per ottenere una stima del carico di frattura. Determinare l'incremento di carico come 1/4 del carico di frattura calcolato1.</li>
</ol><img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64947/64947fig01.jpg"> Figura 1: Il calcolo del carico di frattura. La mappa di deformazione agli elementi finiti, le equazioni utilizzate per convertire la forza nominale nel carico di frattura (a sinistra) e lo schema di carico che mostra il femore (al centro a destra), la coppa distale in alluminio (in alto a destra) e la presa di pressione in polietilene (in basso a destra). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64947/64947fig01large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
2. Preparazione dell'assemblaggio del campione del femore (Figura 2)
<ol><li>Togliere il campione dal congelatore (−20 °C).</li>
	<li>Scongelare a temperatura ambiente (RT) per 24 ore conservando il campione in un sacchetto di plastica impermeabile avvolto in materiale assorbente imbevuto di una soluzione fisiologica per mantenere l'umidità ossea.</li>
	<li>Tagliare la diafisi femorale a 180 mm dalla testa prossimale del femore.</li>
	<li>Centrare la testa del femore sull'asse verticale del rig di allineamento allineando la presa a pressione in polietilene di forma concava (Figura 2D) e la testa del femore.</li>
	<li>Allineare il piano contenente il collo del femore e l'asse della diafisi con il piano frontale (Figura 2).</li>
	<li>Ruotare l'asse diafisario fino all'adduzione di 8° in modo che l'asse verticale rappresenti l'orientamento della forza di reazione dell'anca durante una posizione statica su una gamba sola (Figura 2).</li>
	<li>Preparare il cemento dentale seguendo le istruzioni del produttore.</li>
	<li>Invasare l'estremità distale del campione in una coppetta di alluminio profonda 55 mm, riempiendo la coppetta di alluminio con cemento dentale. Attendere non meno di 30 minuti affinché il cemento completi l'indurimento.</li>
	<li>Conservare il gruppo campione a −20 °C.</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64947/64947fig02.jpg"> Figura 2: L'impianto di allineamento. Una foto frontale (a sinistra) e laterale (a destra) del rig di allineamento che mostra (A) il telaio, (B) la tazza di alluminio, (C) un modello di femore sintetico e (D) la presa di pressione di forma sferica. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64947/64947fig02large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
3. Assemblaggio dello stadio di compressione
NOTA: Le dimensioni esterne dello stadio di compressione sono 245 mm di diametro, 576 mm di altezza e 14 kg di peso, escluso il campione. Lo stadio di compressione è costituito da due parti principali: la camera di compressione e l'attuatore, che vengono assemblati come segue:
<ol><li>Camera di compressione<ol><li>Montare la presa di pressione in polietilene (diametro 104 mm, altezza 60 mm) nella parte inferiore del cilindro in alluminio (diametro 203 mm, spessore parete 3 mm), che è chiuso da una piastra in alluminio saldata a un'estremità (in basso).</li>
	</ol></li>
	<li>Attuatore<ol><li>Assemblare la struttura superiore utilizzando il disco, le tre aste, la piastra triangolare e la guida verticale (Figura 3).</li>
		<li>Montare il meccanismo del martinetto a vite (corsa: 150 mm, carico massimo: 10.000 N, rapporto di trasmissione: 27:1, cilindrata per giro: 0,148 mm) sulla piastra triangolare.</li>
		<li>Montare l'adattatore angolare sulla guida lineare.</li>
		<li>Montare il tavolo x-y a basso attrito sull'adattatore angolare.</li>
		<li>Montare la cella di carico a sei gradi di libertà (errore di misura massimo: 0,005%; forza massima: 10.000 N; coppia massima: 500 Nm) sulla tavola a basso attrito allineando il piano x-z della cella di carico al piano frontale della struttura superiore.</li>
		<li>Collegare la vite dell'attuatore all'adattatore angolare.</li>
	</ol></li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64947/64947fig03.jpg"> Figura 3: Il gruppo dello stadio di compressione radiotrasparente su misura. Una foto (a sinistra) e un modello (a destra) della fase di compressione. (A) La camera di compressione, che è un cilindro di alluminio di 3 mm di spessore chiuso nella parte inferiore; (B) il gruppo attuatore con la struttura superiore; (C) il meccanismo del martinetto a vite; (D) la tavola x-y a basso attrito; e (E) la cella di carico a sei assi viene visualizzata e indicata sul modello. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64947/64947fig03large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
4. Impostazione dell'esperimento
<ol><li>Scongelare il campione a RT per 24 ore conservandolo in un sacchetto di plastica impermeabile avvolto in materiale assorbente imbevuto di una soluzione fisiologica per mantenere l'umidità ossea.</li>
	<li>Montare il gruppo provino a tazza in alluminio sulla cella di carico allineando il piano frontale del gruppo provino con quello dell'attuatore.</li>
	<li>Assemblare la struttura superiore, compreso il campione, nella camera di compressione. Fare attenzione ad allineare la testa del femore con la concavità sferica sulla presa di pressione in polietilene. Assicurarsi che la testa del femore sia innestata ma allentata all'interno della cavità sferica dell'incavo di pressione.</li>
	<li>Posizionare lo stadio di compressione sullo stadio di rotazione dello scanner micro-CT su Imaging and Medical Beamline (IMBL).</li>
	<li>Collegare la cella di carico (errore &lt; 0,005%; forza massima: 10.000 N; coppia massima: 500 Nm) all'amplificatore di deformazione.</li>
	<li>Collegare, tramite USB, l'amplificatore di deformazione ad un computer portatile dotato del software applicativo fornito con la cella di carico.</li>
	<li>Azionare il meccanismo a vite nella fase di compressione spostando il provino verso il basso verso la presa di pressione mentre si monitora la forza di reazione misurata dalla cella di carico nel laptop. Arrestare il meccanismo a vite una volta raggiunta una forza di compressione pari a 100 N. Scaricare il provino a 50 N di precarico.</li>
	<li>Selezionare lo scintillatore accoppiato a lente del sensore pco.edge singolo "Ruby" (http://archive.synchrotron.org.au/31-australian-synchrotron/imbl/811-preparation-for-imaging-experiments).</li>
	<li>Impostare il campo visivo su 76,31 mm x 64,39 mm, che per la dimensione della matrice di 2.560 pixel x 2.160 pixel fornisce una dimensione dei pixel di 29,81 μm.</li>
	<li>Impostare l'asse del tavolino rotante a 8 mm (orizzontalmente) dall'asse del campo visivo (modalità di scansione offset) per estendere il campo visivo a 145,71 mm x 64,39 mm con una dimensione dei pixel di 29,81 μm.</li>
	<li>Impostare i parametri di scansione su un'energia del fascio di 60 keV, un incremento di rotazione di 0,1°, due batch di rotazione di 180° (scansione off-set), un tempo di esposizione di 50 μs e una media dei fotogrammi di due per posizione di rotazione.</li>
	<li>Impostare la scansione in modo da acquisire cinque scansioni consecutive impilate verticalmente, con uno spostamento verticale di 26 mm ciascuna, in modo che l'altezza totale del volume scansionato sia di 132,2 mm per un tempo di scansione totale di 30 minuti.</li>
</ol>5. Prove meccaniche con concomitante imaging microstrutturale
<ol><li>Eseguire l'imaging micro-CT (dimensione dei pixel: 0,03 mm) due volte nella condizione di riferimento (considerata come condizione di deformazione zero).</li>
	<li>Applicare l'incremento di forza azionando manualmente il meccanismo del martinetto a vite a una velocità costante di circa 1 s per giro (0.1-0.2 mm/s).</li>
	<li>Eseguire l'imaging micro-CT.</li>
	<li>Ripetere i passaggi 5.2 e 5.3 fino a provocare la frattura del provino, come indicato da un improvviso calo della forza di reazione.</li>
	<li>Eseguire l'imaging micro-TC del campione fratturato.</li>
	<li>Unisci le 1.800 immagini di proiezione (dimensioni 2.560 x 896 pixel, 76,8 mm x 26,88 mm, larghezza x altezza, immagini in virgola mobile a 32 bit). Il processo unisce due immagini di proiezione (scattate in modalità di scansione offset orizzontale) e le cinque immagini spostate verticalmente, producendo così un'unica immagine di proiezione.<ol><li>Ricostruite il volume delle immagini in sezione trasversale (4.407 immagini, ciascuna immagine ha una dimensione di 4.888 x 4.888 pixel) e salvatele come file a virgola mobile a 32 bit in formato . Formato TIFF (occupa 392 GB di spazio su disco).</li>
		<li>Applicare un filtro gaussiano 3 x 3 per ridurre il rumore. Convertire le immagini in 8 bit (256 immagini con livello di grigio, salvate in formato bitmap, che occupano circa 100 GB per volume). NOTA: In questo lavoro, l'elaborazione delle immagini è stata condotta utilizzando il software disponibile presso l'Australian Synchrotron sotto la guida dell'operatore dell'IMBL.</li>
	</ol></li>
</ol>6. Calcolo del campo di spostamento e deformazione
<ol><li>Sottocampionare le immagini in sezione trasversale di quattro (120 μm/pixel) per ridurre il tempo di calcolo.</li>
	<li>Co-registrare rigidamente nello spazio le immagini del provino sotto carico con quelle del provino nella condizione di riferimento scarica. Utilizzare la diafisi distale come bersaglio della co-registrazione (File supplementare 1 e File supplementare 2).</li>
	<li>Creazione di modelli tridimensionali di superficie (. STL) per la visualizzazione dopo la binarizzazione delle immagini micro-CT11.</li>
	<li>Registrare in modo elastico il volume dell'immagine nel volume di riferimento utilizzando una dimensione della griglia pari a 50 pixel (SDER = 0,076% di errore di deformazione, BoneDVC, https://bonedvc.insigneo.org/dvc/) per determinare gli spostamenti ai nodi della griglia.</li>
	<li>Convertire la griglia in un modello a elementi finiti. Applicare lo spostamento nodale calcolato da BoneDVC al modello. Risolvi il modello per determinare il tensore di deformazione sull'intero volume osseo.</li>
	<li>Ripetere l'analisi nella regione che mostra i livelli di deformazione più elevati utilizzando le immagini a piena risoluzione.</li>
	<li>Mappare le mappe di deformazione DVC alle immagini a piena risoluzione utilizzando l'interpolazione cubica con la funzione interp3 (Matlab)2.</li>
	<li>Visualizza gli spostamenti, la deformazione e le immagini microstrutturali per la visualizzazione e l'animazione di grandi volumi (Matlab)2.</li>
</ol>7. Analisi
<ol><li>Visualizzare la deformazione permanente dell'osso (danneggiamento) sovrapponendo le immagini ottenute nelle condizioni di scarico e dopo la frattura2.</li>
	<li>Visualizzare la progressiva deformazione microstrutturale dell'osso sovrapponendo i modelli tridimensionali in condizioni di carico, a livelli di carico crescenti e post-frattura2.</li>
	<li>Visualizzare la deformazione dell'osso nel punto di frattura2.</li>
	<li>Analizzare l'energia di deformazione, la rigidezza e lo spostamento utilizzando statistiche descrittive e metodi di regressione2.</li>
</ol>

<ol><li>Martelli, S., Perilli, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-elapsed+synchrotron-light+microstructural+imaging+of+femoral+neck+fracture%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">Time-elapsed synchrotron-light microstructural imaging of femoral neck fracture.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 84, 265-272 (2018).</li>
<li>Martelli, S., Giorgi, M., Dall' Ara, E., Perilli, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Damage+tolerance+and+toughness+of+elderly+human+femora%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Biomaterialia%22%5BJournal%5D)">Damage tolerance and toughness of elderly human femora.</a> Acta Biomaterialia. 123, 167-177 (2021).</li>
<li>Perilli, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dependence+of+mechanical+compressive+strength+on+local+variations+in+microarchitecture+in+cancellous+bone+of+proximal+human+femur%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Dependence of mechanical compressive strength on local variations in microarchitecture in cancellous bone of proximal human femur.</a> Journal of Biomechanics. 41 (2), 438-446 (2008).</li>
<li>Thurner, P. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-lapsed+investigation+of+three-dimensional+failure+and+damage+accumulation+in+trabecular+bone+using+synchrotron+light%5BTitle%5D)+AND+%22Bone%22%5BJournal%5D)">Time-lapsed investigation of three-dimensional failure and damage accumulation in trabecular bone using synchrotron light.</a> Bone. 39 (2), 289-299 (2006).</li>
<li>Jackman, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative%2C+3D+visualization+of+the+initiation+and+progression+of+vertebral+fractures+under+compression+and+anterior+flexion%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Bone+and+Mineral+Research%22%5BJournal%5D)">Quantitative, 3D visualization of the initiation and progression of vertebral fractures under compression and anterior flexion.</a> Journal of Bone and Mineral Research. 31 (4), 777-788 (2016).</li>
<li>Mayhew, P. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Relation+between+age%2C+femoral+neck+cortical+stability%2C+and+hip+fracture+risk%5BTitle%5D)+AND+%22Lancet%22%5BJournal%5D)">Relation between age, femoral neck cortical stability, and hip fracture risk.</a> Lancet. 366 (9480), 129-135 (2005).</li>
<li>Nazarian, A., Stauber, M., Zurakowski, D., Snyder, B. D., Müller, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+interaction+of+microstructure+and+volume+fraction+in+predicting+failure+in+cancellous+bone%5BTitle%5D)+AND+%22Bone%22%5BJournal%5D)">The interaction of microstructure and volume fraction in predicting failure in cancellous bone.</a> Bone. 39 (6), 1196-1202 (2006).</li>
<li>Schileo, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((To+what+extent+can+linear+finite+element+models+of+human+femora+predict+failure+under+stance+and+fall+loading+configurations%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">To what extent can linear finite element models of human femora predict failure under stance and fall loading configurations.</a> Journal of Biomechanics. 47 (14), 3531-3538 (2014).</li>
<li>Schileo, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+accurate+estimation+of+bone+density+improves+the+accuracy+of+subject-specific+finite+element+models%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">An accurate estimation of bone density improves the accuracy of subject-specific finite element models.</a> Journal of Biomechanics. 41 (11), 2483-2491 (2008).</li>
<li>Dall'ara, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+nonlinear+QCT-based+finite+element+model+validation+study+for+the+human+femur+tested+in+two+configurations+in+vitro%5BTitle%5D)+AND+%22Bone%22%5BJournal%5D)">A nonlinear QCT-based finite element model validation study for the human femur tested in two configurations in vitro.</a> Bone. 52 (1), 27-38 (2013).</li>
<li>Perilli, E., Parkinson, I. H., Reynolds, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-CT+examination+of+human+bone%3A+from+biopsies+towards+the+entire+organ%5BTitle%5D)+AND+%22Annali+dell%27Istituto+Superiore+di+Sanit%C3%A0%22%5BJournal%5D)">Micro-CT examination of human bone: from biopsies towards the entire organ.</a> Annali dell'Istituto Superiore di Sanità. 48 (1), 75-82 (2012).</li>
<li>Wearne, L. S., Rapagna, S., Taylor, M., Perilli, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-CT+scan+optimisation+for+mechanical+loading+of+tibia+with+titanium+tibial+tray%3A+A+digital+volume+correlation+zero+strain+error+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">Micro-CT scan optimisation for mechanical loading of tibia with titanium tibial tray: A digital volume correlation zero strain error analysis.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 134, 105336(2022).</li>
<li>Bennett, K. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ex+vivo+assessment+of+surgically+repaired+tibial+plateau+fracture+displacement+under+axial+load+using+large-volume+micro-CT%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Ex vivo assessment of surgically repaired tibial plateau fracture displacement under axial load using large-volume micro-CT.</a> Journal of Biomechanics. 144, 111275(2022).</li>
<li>Falcinelli, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiple+loading+conditions+analysis+can+improve+the+association+between+finite+element+bone+strength+estimates+and+proximal+femur+fractures%3A+A+preliminary+study+in+elderly+women%5BTitle%5D)+AND+%22Bone%22%5BJournal%5D)">Multiple loading conditions analysis can improve the association between finite element bone strength estimates and proximal femur fractures: A preliminary study in elderly women.</a> Bone. 67, 71-80 (2014).</li>
<li>Orthopedic Image Segmentation. Synopsys. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/ortho-medical-image-segmentation.html">https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/ortho-medical-image-segmentation.html</a> (2020).</li>
</ol>

Tutti gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse.

Il presente protocollo consente di studiare ex vivo la micromeccanica delle fratture dell'anca in tre dimensioni. Uno stadio di compressione radiotrasparente (alluminio) in grado di applicare una deformazione progressiva alla metà prossimale del femore umano e di misurare la forza di reazione è stato progettato, prodotto e testato su misura. In questo protocollo viene utilizzato uno scanner micro-CT di grande volume per fornire una sequenza temporale di volumi di immagine che visualizzano l'intero femore prossim...

Le fratture del collo del femore sono un onere importante per la popolazione anziana. L'imaging con tomografia microcomputerizzata (micro-TC) e i conseguenti test meccanici consentono di osservare la microstruttura ossea e di studiarne la relazione con la resistenza ossea, i cambiamenti legati all'età e gli spostamenti sotto carico 1,2. Tuttavia, fino a poco tempo fa, gli studi di micro-TC dell'osso sotto carico erano limitati ai nuclei ossei asportati3, ai piccoli animali4 e alle unità della colonna vertebrale umana5. Il presente protocollo è in grado di quantificare lo spostamento della microstruttura dell'intero femore umano prossimale sotto carico e dopo una frattura.
Diversi studi sono stati condotti per indagare il cedimento del femore umano e, a volte, questi hanno raggiunto conclusioni contrastanti. Ad esempio, si ritiene che l'assottigliamento delle strutture corticali e trabecolari correlato all'età determini la suscettibilità alla frattura legata all'età causando instabilità elastica dell'osso6,7, che è in apparente contrasto con l'alto coefficiente di determinazione delle previsioni di deformazione corticale e forza femorale assumendo l'assenza di instabilità elastica (R2 = 0,80-0,97)8,9. Ciononostante, tali studi hanno sistematicamente sottostimato la resistenza femorale (del 21%-29%), mettendo così in discussione le risposte ossee fragili e quasi fragili implementate nei modelli 8,10. Una possibile spiegazione per questi risultati apparentemente contrastanti potrebbe risiedere in un diverso comportamento di frattura di intere ossa rispetto ai nuclei ossei isolati. Pertanto, l'osservazione delle risposte alla deformazione e alla frattura della microstruttura ossea in interi femori prossimali può far progredire la conoscenza della meccanica della frattura dell'anca e delle relative applicazioni.
I metodi attuali per l'imaging di intere ossa umane con risoluzione micrometrica sono limitati. Il gantry e le dimensioni del rivelatore devono fornire un volume di lavoro adeguato per ospitare il femore prossimale umano (circa 13 cm x 10 cm, larghezza x lunghezza) e possibilmente una dimensione dei pixel dell'ordine di 0,02-0,03 mm per garantire che le caratteristiche microarchitettoniche rilevanti possano essere catturate11. Queste specifiche possono attualmente essere soddisfatte da alcuni impianti di sincrotrone1 e da alcuni scanner micro-CT di grandi volumi disponibili in commercio12,13. La fase di compressione deve essere radiotrasparente per ridurre al minimo l'attenuazione dei raggi X e generare una forza sufficiente a causare una frattura al femore umano (ad esempio, tra 0,9 kN e 14,3 kN per le donne bianche anziane)14. Questa grande variazione del carico di frattura complica la pianificazione del numero di fasi di carico da fratturare, il tempo complessivo dell'esperimento e la corrispondente quantità di dati prodotti. Per risolvere questo problema, il carico e la posizione della frattura possono essere stimati tramite modellazione agli elementi finiti utilizzando la distribuzione della densità ossea del campione dalle immagini cliniche di tomografia computerizzata (TC) 1,2. Infine, dopo l'esperimento, il grande volume di dati generati deve essere elaborato per studiare i meccanismi di guasto e la capacità di dissipazione dell'energia nell'intero femore umano.
In questo articolo descriviamo un protocollo per ottenere una sequenza di immagini microstrutturali tridimensionali dell'intero femore prossimale in deformazione progressivamente crescente, che provoca fratture clinicamente rilevanti del collo del femore2. Il protocollo include la pianificazione dell'incremento graduale della compressione del campione, il caricamento tramite uno stadio di compressione radiotrasparente personalizzato, l'imaging tramite uno scanner micro-CT di grande volume e l'elaborazione delle immagini e dei profili di carico.

<table><tbody><tr><td>Tessuto assorbente</td><td>N/A</td><td></td><td>Mantenere l'umidità dell'osso durante l'esperimento</td></tr><tr><td>Banco di allineamento</td><td>Rig su misura</td><td></td><td>per posizionare il campione nella tazza di invasatura</td></tr><tr><td>Tazza di invasatura in alluminio</td><td>Tazza di invasatura</td><td>su misura</td><td></td></tr><tr><td>Sega ossea</td><td>N/A</td><td></td><td>Taglio del campione a misura</td></tr><tr><td>Phantom di calibrazione QCT Pro</td><td>Mindways Software, Inc., Austin, USA</td><td>Calibrazione CT 13002</td><td>Calibrazione dei livelli di grigio nelle immagini in livelli equivalenti di densità minerale ossea (cenere)</td></tr><tr><td>Scanner clinico di tmografia computerizzata</td><td>General Electric Medical Systems Co., Wisconsin, USA</td><td>Optima CT660</td><td>Imaging preliminare per la previsione della fase di carico per la frattura</td></tr><tr><td>Fase di compressione Su</td><td>misura</td><td></td><td>Uno stadio di compressione radiotrasparente da 10 kg per l'applicazione e il mantenimento attraverso l'imaging di una deformazione prescritta al campione.</td></tr><tr><td>Cemento dentale</td><td>Soesterberg, Paesi Bassi</td><td>Vertex RS</td><td></td></tr><tr><td>Campione di femore</td><td>Science Care, Phoenix, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Software di analisi agli elementi finiti</td><td>ANSYS Inc., Canonsburg, USA</td><td>ANSYS Mechanical APDL</td><td>Pacchetto software agli elementi finiti</td></tr><tr><td>Congelatore</td><td>N/A Conservare</td><td></td><td>i campioni a -20 &deg; C</td></tr><tr><td>Disco rigido</td><td>Dell</td><td></td><td>Spazio su disco: 500 GB per volume</td></tr><tr><td>Software di segmentazione e segmentazione delle immagini</td><td>Skyscan-Bruker, Kontich, Belgio</td><td>Analizzatore CT</td><td>Software di elaborazione delle immagini</td></tr><tr><td>Segmentazione elastica delle immagini</td><td>Università di Sheffield</td><td>Bone DVC</td><td>https://bonedvc.insigneo.org/dvc/</td></tr> <tr><td>Software di elaborazione e automazione delle immagini</td><td>The MathWork Inc.</td>Software <td>di elaborazione delle immagini</td> <td>Matlab</td></tr><tr><td>Software di registrazione delle immagini</td><td>Skyscan-Bruker, Kontich, Belgio</td><td>DataViewer</td><td>Software di elaborazione delle immagini</td></tr> Software <tr><td>di segmentazione delle immagini e modellazione FE</td><td>Simpleware, Exeter, Regno Unito</td><td>Scan IP</td><td>Software di elaborazione ossea</td></tr><tr><td>Script di cucitura delle immagini</td><td>Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU</td><td></td><td>Lo script è disponibile presso IMBL</td></tr><tr><td>Visualizzazione dell'immagine</td><td>Kitware, Clifton Park, NY, USA</td><td>Paraview</td><td>Visualizzazione dell'immagine</td></tr><tr><td>Visualizzazione dell'immagine</td><td>Australian National University</td><td>Dristhi</td><td>Visualizzazione dell'immagine: doi:10.1117/12.935640</td></tr><tr><td>Imaging and Medical beamline</td><td>Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU</td><td></td><td>Large object micro-CT beamline presso l'Australian Synchrotron</td></tr><tr><td>Laptop</td><td>Dell Inc., USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tavolo x-y a basso attrito</td><td>THK Co., Tokyo, Giappone</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Software di acquisizione del segnale NI</td><td>National Instruments, Austin, TX</td><td>NI-DAQmx</td><td></td></tr><tr><td>Soluzione salina tamponata con fosfato</td><td>Su misura</td><td></td><td>Mantenere l'umidità ossea durante l'esperimento</td></tr><tr><td>Sacchetto di plastica</td><td>N/A</td><td></td><td>Mantenere l'umidità ossea durante l'esperimento</td></tr><tr><td>Ferroviario</td><td>SKF Inc., Lansdale, PA, USA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Meccanismo a vite</td><td>&nbsp; Benzlers, &Ouml; rebro, Svezia</td><td>Serie BD (riduttore caldo)</td><td>corsa: 150 mm, carico massimo: 10.000 N, rapporto di trasmissione: 27:1, a cilindrata per giro: 0,148 mm</td></tr><tr><td>Singolo sensore pco.edge, scintillatore accoppiato a lente</td><td>sincrotrone australiano, Clayton, VIC, AU</td><td></td><td>Rivelatore Ruby FOV: 141 x 119 mm; 2560 x 2160 px; 55 &; m/px; </td></tr><tr><td>Cella di carico a sei assi</td><td>ME-Me&szlig; 50 fps systeme GmbH, Hennigsdorf, GE</td><td>K6D6</td><td>Errore di misura massimo: 0,005%; forza massima: 10000 N; coppia massima: 500 Nm</td></tr><tr><td>Amplificatore di deformazione</td><td>ME-Me&szlig; systeme GmbH, Hennigsdorf, GE</td><td>GSV-1A8USB K6D/M16</td><td></td></tr></tbody></table>

imaging del meccanismo di cedimento microstrutturale nell'anca umana

Imaging of the Microstructural Failure Mechanism in the Human Hip

L'imaging della microstruttura ossea sotto carichi progressivamente crescenti consente di osservare il comportamento di cedimento microstrutturale dell'osso. In questo articolo descriviamo un protocollo per ottenere una sequenza di immagini microstrutturali tridimensionali dell'intero femore prossimale in deformazione progressivamente crescente, causando fratture clinicamente rilevanti del collo del femore. Il protocollo è stato dimostrato utilizzando quattro femori di donatrici di età compresa tra 66 e 80 anni all'estremità inferiore della densità minerale ossea nella popolazione (intervallo T-score = da -2,09 a -4,75). Uno stadio di compressione radiotrasparente è stato progettato per caricare i campioni replicando una posizione su una gamba, registrando al contempo il carico applicato durante l'imaging con tomografia microcomputerizzata (micro-CT). Il campo visivo era largo 146 mm e alto 132 mm, e la dimensione isotropa dei pixel era di 0,03 mm. L'incremento della forza si basava su previsioni agli elementi finiti del carico di frattura. La fase di compressione è stata utilizzata per applicare lo spostamento al provino e attuare gli incrementi di forza prescritti. Le fratture sub-capitali dovute all'apertura e al taglio del collo del femore si sono verificate dopo quattro o cinque incrementi di carico. Le immagini micro-TC e le misurazioni della forza di reazione sono state elaborate per studiare la deformazione ossea e la capacità di assorbimento dell'energia. L'instabilità della corteccia è apparsa nelle prime fasi di carico. L'osso subcondrale della testa del femore presentava grandi deformazioni che raggiungevano il 16% prima della frattura, e un progressivo aumento della capacità di sostegno fino alla frattura. L'energia di deformazione aumentava linearmente con lo spostamento fino alla frattura, mentre la rigidezza diminuiva a valori prossimi allo zero immediatamente prima della frattura. Tre quarti dell'energia di frattura sono stati prelevati dal provino durante l'incremento finale della forza del 25%. In conclusione, il protocollo sviluppato ha rivelato una notevole capacità di assorbimento dell'energia, o tolleranza al danno, e un'interazione sinergica tra l'osso corticale e quello trabecolare in età avanzata del donatore.

Le immagini mostrano l'intero femore prossimale, l'alveolo di pressione, il cemento dentale, la coppetta di alluminio e il tessuto di avvolgimento. La microarchitettura ossea può essere vista deformarsi progressivamente all'aumentare del carico prima e dopo la frattura (Figura 4).
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64947/64947fig04.jpg"> Figura 4: La fase di...

Il protocollo consente di misurare la deformazione della microstruttura ossea nell'intero femore umano prossimale e la sua tenacità combinando la scansione micro-TC di grandi volumi, uno stadio compressivo personalizzato e strumenti avanzati di elaborazione delle immagini.

Imaging del meccanismo di cedimento microstrutturale nell'anca umana

Imaging the bone microstructure under progressively increasing loads allows for observing the microstructural failure behavior of bone. Here, we describe ...

Questo protocollo consente di osservare la microstruttura dell'intero femore umano mentre si deforma sotto carico e frattura. Attraverso l'imaging dell'intero femore con risoluzione microstrutturale, questo protocollo permette di studiare come il diverso compartimento corticale trabecolare dell'osso, determini sinergicamente la sua capacità di sopportare il carico. Far progredire la nostra comprensione del meccanismo della frattura ossea può informare i metodi diagnostici avanzati per l'osteoporosi.Questo protocollo è stato sviluppato presso il sincrotrone australiano, adattato per l'uso in uno scanner micro-CT commerciale di grande volume presso l'Università e applicato per studiare diverse regioni anatomiche, tra cui il ginocchio e la spalla. In linea di principio, può essere esteso a materiali di dimensioni simili a ossa e articolazioni umane intere. Questo studio richiede competenze in diverse discipline, tra cui l'imaging, la meccanica dei solidi e la modellazione computazionale in biomeccanica.Per iniziare, utilizzando uno scanner TC clinico, scansionare il campione del femore con uno spessore della fetta e una dimensione dei pixel nel piano di circa 0,5-0,7 millimetri. Accanto al campione, scansionare un fantoccio di calibrazione della densitometria TC, con cinque concentrazioni note di colorante potassio idrogeno fosfato. Successivamente, segmentare la geometria ossea dalle immagini TC cliniche, calibrare i livelli di grigio nelle immagini ai corrispondenti valori di densità ossea e al modulo di Young, utilizzando la relazione densità/modulo elastico.Dopo aver creato una mesh della geometria segmentata, importarla nel software ad elementi finiti. Completamente vincolato da tre a sei millimetri di profondità, l'estremità distale del modello, quindi replica una configurazione di carico di posizione a gamba singola applicando una forza nominale di 1000 Newton, abdotta di otto gradi dall'asse dell'asta femorale nel piano coronale e passante per il centro della testa del femore. Risolvi il modello a elementi finiti utilizzando il solutore PCG integrato.Quindi, eseguendo i comandi indicati, generare una tabella degli elementi contenente i componenti di deformazione del primo e del terzo principio in corrispondenza del baricentro dell'elemento. Successivamente, eseguire il comando indicato per calcolare il rapporto di deformazione tra le componenti di deformazione del primo e del terzo principio nel modello e la deformazione, l'intenzione e la compressione dello snervamento osseo. Scalare la forza nominale in base al rapporto di deformazione di picco, all'intenzione e alla compressione e scartare il più grande dei due per stimare il carico di frattura.Posizionare un banco di prova sullo stadio di rotazione micro-CT con il provino nella condizione di riferimento scarico e avviare la scansione micro-CT. Ripetere l'imaging due volte per la condizione di scarico e srotolare il cavo dopo la scansione. Applicare l'incremento di forza azionando manualmente il meccanismo del martinetto a vite a una velocità costante di circa un secondo per giro ed eseguire l'imaging micro-CT.Ripetere l'incremento della forza fino a quando il provino non si rompe, come indicato da un improvviso calo della forza di reazione. Eseguire l'imaging micro-TC del campione fratturato. Quindi visualizzare la sequenza delle immagini di proiezione a vari livelli di caricamento.Sottocampionare le immagini micro-CT per quattro, per ridurre il tempo di calcolo. Co-registrare rigidamente, nello spazio, le immagini del provino sotto carico, con quelle nella condizione di riferimento scarico, utilizzando la diafisi distale come bersaglio della co-registrazione. Crea modelli tridimensionali di superficie per la visualizzazione dopo aver binarizzato le immagini micro-CT.Determinare lo spostamento delle immagini su una griglia di 50 pixel, utilizzando il DVC osseo. Quindi determinare il tensore di deformazione, convertendo la griglia in un modello a elementi finiti. Applicate lo spostamento calcolato in corrispondenza dei nodi e risolvete il modello.Successivamente, utilizzando l'interpolazione cubica, con la funzione inter P tre in Mac-Lab, ricampionare i volumi di spostamento e deformazione in modo che corrispondano alle dimensioni delle dimensioni originali delle immagini micro-CT. Visualizza gli spostamenti, la deformazione e le immagini microstrutturali per la visualizzazione e l'animazione di grandi volumi. Per l'analisi della deformazione ossea, visualizzare la deformazione permanente dell'osso sovrapponendo le immagini ottenute in condizioni di scarico e dopo la frattura.Quindi visualizzare la progressiva deformazione microstrutturale dell'osso sovrapponendo i modelli tridimensionali in condizioni di carico, a livelli di carico crescenti e post frattura. Visualizzare la deformazione dell'osso nella posizione della frattura. Infine, utilizzando la statistica descrittiva e i metodi di regressione, analizza l'energia di deformazione, la rigidezza e lo spostamento.L'imaging micro-TC e i conseguenti test meccanici consentono di osservare le fratture del collo del femore. Un'animazione ha mostrato che la testa del femore ruotava progressivamente medialmente, mentre si muoveva distalmente fino alla frattura. La curvatura della testa si è appiattita sotto l'alveolo, dove è stata osservata instabilità corticale locale, ma nessuna instabilità del volume trabecolare sottostante.L'insorgenza della frattura avviene piegando la corteccia, progredendo lungo il gruppo trabecolare compressivo principale, o tagliando a circa 45 gradi dall'asse trabecolare di compressione principale. La deformazione ha superato la resa ossea, una volta che i quattro hanno superato il 50% del carico di frattura previsto, raggiungendo l'8-16% di compressione prima della frattura. È stata osservata una deformazione permanente nella regione della testa sotto il picco di compressione.Il cedimento si è verificato in uno stato di deformazione complesso, mostrando compressione, tensione e deformazione di taglio. L'energia di deformazione era una funzione lineare dello spostamento fino alla frattura, mostrando un comportamento di frattura stabile. Un aspetto critico per la replica del protocollo è l'ottenimento dell'incremento del passo di carico, che è importante per controllare il numero di gradini di carico necessari per causare una frattura allo spostamento e la pianificazione dell'esperimento.Anche l'ottenimento di immagini di buona qualità è importante per un'analisi significativa dei dati. La convinzione che l'instabilità elastica che richiede il forte aumento degli incidenti di frattura sopra i 60 anni di età ha focalizzato il caso della ricerca nella prevenzione della fragilità sullo spessore corticale. Il comportamento di frattura elasticamente stabile dimostrato da questo protocollo, in ossa leggermente osteoporotiche, sposta l'attenzione attuale sulle interazioni corticali e trabecolari.Questa procedura può far progredire modelli considerativi della meccanica ossea, informare la diagnosi di fragilità e la progettazione di dispositivi impiantabili.

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In questo studio, sarà discusso l'uso di un dispositivo in situ loading accoppiato con tomografia micro-computerizzata a raggi X per la biomeccanica articolare fibrosi. Letture sperimentali identificabili con una variazione complessiva delle biomeccanica articolare saranno: 1) forza reazionaria contro lo spostamento, vale a dire lo spostamento del dente nella presa alveolare e la sua risposta reazionaria a carico, 2) tridimensionale (3D) configurazione spaziale e morfometria, cioè geometrico...

In situ carico di compressione e Correlativo imaging non invasiva del Bone-parodontale legamento-dente Fibrosa comune

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Un semplice Critical dimensioni femorale Difetto Modello in Mice

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Un metodo per stimare il femore cadaverico corticale ceppi durante frattura test utilizzando correlazione di immagini digitali

La valutazione dello sviluppo del tessuto nel callo di frattura durante endochondral guarigione ossea è essenziale monitorare il processo di guarigione. Qui, segnaliamo l'uso di una risonanza magnetica (RM)-fixator esterno compatibile per il femore del mouse per consentire MRI scansioni durante la rigenerazione ossea nei topi.

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La tomografia computerizzata a raggi X microagrafica è efficace nell'ottenere informazioni tridimensionali da campioni umani non danneggiati, ma ha un successo limitato nell'osservazione dei tessuti molli. L'uso di agente di contrasto dell'acido fosfoca e può risolvere questo problema. Abbiamo implementato questo agente di contrasto per esaminare i tessuti fibromuscolari delicati umani (l'orbicularis che mantiene il legamento).

Uso della micrografia computerizzata a raggi X con preparazione dell'acido fosfongstico per visualizzare il tessuto fibromuscolare umano

Abbiamo utilizzato un protocollo di campionamento geologico (coring) per procurare campioni ossei corticali di dimensioni uniformi per esperimenti SRμCT dall'aspetto anteriore della femora umana. Questo metodo è minimamente distruttivo, efficiente, si traduce in campioni cilindrici che riducono al minimo gli artefatti di imaging da forme campione irregolari e migliorano la visualizzazione e l'analisi microarchitettonica.

Guida all'elaborazione di sezioni, coring e immagini per l'approvvigionamento e l'analisi di campioni ossei corticali ad alta produttività per synchrotron Micro-CT

La microtomografia computerizzata (μCT) è uno strumento di imaging non distruttivo che è fondamentale per valutare la struttura ossea negli studi preclinici, tuttavia c'è una mancanza di consenso sulle procedure μCT per l'analisi del callo di guarigione ossea. Questo studio fornisce un protocollo μCT passo-passo che consente il monitoraggio della guarigione delle fratture.

Valutazione della guarigione delle fratture ossee mediante tomografia microcomputerizzata

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Proponiamo un protocollo per valutare la rigenerazione ossea a vari livelli gerarchici. Questo approccio multimodale consente un'analisi strutturale su diverse scale di lunghezza, affrontando efficacemente le sfide nella preparazione del campione. Fornisce inoltre un flusso di lavoro affidabile per valutare l'efficacia dei biomateriali nel promuovere la rigenerazione ossea.

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Presentiamo una tecnica che consente la separazione spaziale di diversi conformatori o ammassi presenti in un fascio molecolare. Un deflettore elettrostatico è usato per separare le specie dal loro rapporto massa-dipolo momento, portando alla produzione di insiemi in fase gassosa di un singolo conformere o stechiometria a grappolo.

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Scopri l'imaging micro-CT del femore umano sotto carico per studiare il meccanismo di frattura ossea. Questo metodo avanzato analizza l'interazione tra compartimenti trabecolari e corticali per migliorare la diagnosi dell'osteoporosi.

Imaging del meccanismo di cedimento microstrutturale nell'anca umana

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