이 프로토콜은 대용량 마이크로 CT 스캔, 맞춤형 압축 단계 및 고급 이미지 처리 도구를 결합하여 전체 근위 인간 대퇴골의 뼈 미세 구조 변형과 인성을 측정할 수 있습니다.
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이 논문에서
요약
초록
점진적으로 증가하는 하중 하에서 뼈 미세 구조를 이미징하면 뼈의 미세 구조 파괴 거동을 관찰할 수 있습니다. 여기에서는 점진적으로 증가하는 변형 하에서 전체 근위 대퇴골의 3차원 미세 구조 이미지 시퀀스를 획득하여 대퇴골 경부의 임상적으로 관련된 골절을 유발하는 프로토콜을 설명합니다. 이 프로토콜은 인구 내 골밀도의 하단에 있는 66-80세 여성 기증자의 대퇴골 4개를 사용하여 입증되었습니다(T-점수 범위 = −2.09에서 −4.75). 방사선 투명 압축 스테이지는 한쪽 다리 자세를 복제하는 표본을 로딩하는 동시에 마이크로 컴퓨터 단층 촬영(micro-CT) 이미징 중에 적용된 하중을 기록하도록 설계되었습니다. 시야각은 너비 146mm, 높이 132mm이고 등방성 픽셀 크기는 0.03mm였습니다. 힘 증가는 파괴 하중의 유한 요소 예측을 기반으로 했습니다. 압축 단계는 시편에 변위를 적용하고 규정된 힘 증가를 제정하는 데 사용되었습니다. 대퇴골 경부의 개방 및 전단으로 인한 자본하부 골절은 4-5번의 하중 증가 후에 발생했습니다. 마이크로 CT 영상과 반력 측정을 처리하여 뼈 변형률과 에너지 흡수 능력을 연구했습니다. 피질의 불안정성은 초기 로딩 단계에서 나타났습니다. 대퇴골두의 연골하골은 골절 전 16%에 달하는 큰 변형을 보였고, 골절까지 지지력이 점진적으로 증가했다. 변형 에너지는 변위와 함께 파단까지 선형적으로 증가하는 반면, 강성은 파단 직전에 거의 0에 가까운 값으로 감소합니다. 파괴 에너지의 3/4은 최종 25% 힘 증가 동안 시편에 의해 취해졌습니다. 결론적으로, 개발된 프로토콜은 놀라운 에너지 흡수 능력 또는 손상 내성과 고령 기증자 연령에서 피질과 섬유주 뼈 사이의 시너지 상호 작용을 보여주었습니다.
서론
대퇴골 경부의 골절은 고령 인구에게 큰 부담이 됩니다. 마이크로 컴퓨터 단층 촬영(micro-CT) 영상 및 수반되는 기계적 검사를 통해 뼈 미세 구조를 관찰하고 뼈 강도, 노화 관련 변화 및 하중 1,2 하에서의 변위와의 관계를 연구할 수 있습니다. 그러나 최근까지 하중을 받는 뼈에 대한 마이크로 CT 연구는 절제된 골심3, 소동물4 및 인간 척추 단위5로 제한되었다. 본 프로토콜은 하중을 받고 골절 후 전체 근위 인간 대퇴골의 미세 구조의 변위를 정량화할 수 있습니다.
인간 대퇴골의 부전을 조사하기 위해 여러 연구가 수행되었으며, 때때로 대조적인 결론에 도달했습니다. 예를 들어, 대뇌피질 및 섬유주 구조의 노화와 관련된 얇아짐은 뼈의 탄성 불안정성을 유발함으로써 골절에 대한 연령 관련 감수성을 결정하는 것으로 생각되며, 이는 탄성 불안정성이 없다고 가정할 때 피질 긴장 및 대퇴골 강도 예측의 높은 결정 계....
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프로토콜
이 프로토콜은 시신 기증 프로그램에서 받은 12개의 대퇴골 표본으로 개발 및 테스트되었습니다. 표본을 신선하게 채취하여 플린더스 대학(호주 남호주 톤슬리)의 생체역학 및 임플란트 실험실에서 -20°C에서 보관했습니다. 뼈 수분은 실험 내내 유지되었습니다. 기증자는 백인 여성(66-80세)이었다. 플린더스 대학교(Flinders University)의 사회 및 행동 연구 윤리 위원회(Social and Behavioural Research Ethics Committee, SBREC)로부터 윤리 허가를 받았습니다(프로젝트 # 6380).
1. 시편별 하중 단계 증가 계획
- 슬라이스 두께와 약 0.5-0.7mm의 면내 픽셀 크기를 대상으로 하는 임상 CT 스캐너를 사용하여 대퇴골 검체를 스캔합니다. 이 단계는 모든 공공 영상 시설의 전문 방사선 기사가 뼈 시각화를 위해 사전 녹화된 표준 영상 프로토콜을 사용하여 완료할 수 있습니다.
- 표본과 함께 5가지 알려진 농도의 인산수소칼륨(K2HPO4, 등가 밀도 범위 약 59mg∙cm−3 및 375mg∙cm−3)으로 CT 밀도 측정 보정 팬텀을 스캔합니다. ....
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결과
이미지에는 전체 근위 대퇴골, 압력 소켓, 치과용 시멘트, 알루미늄 컵 및 포장 조직이 표시됩니다. 뼈 미세 구조는 골절 전과 골절 후에 하중이 증가함에 따라 점진적으로 변형되는 것을 볼 수 있습니다(그림 4).
그림 4: 랩톱 컴퓨터에 연결된 압축 스테이지 (A) 압축 단계, (B) 랩톱 및 (C) 데이터 수집 장치. 시편 어셈블리는 압축 챔버(오른쪽)에 투명하게 오버레이됩니다.
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토론
본 프로토콜은 고관절 골절의 시간 경과 미세역학을 생체 외에서 3차원으로 연구할 수 있습니다. 인간 대퇴골의 근위 절반에 점진적 변형을 가하고 반력을 측정할 수 있는 방사선 투명(알루미늄) 압축 스테이지가 맞춤 설계, 제조 및 테스트되었습니다. 이 프로토콜에는 대용량 마이크로 CT 스캐너가 사용되어 마이크로미터 해상도에서 점진적 로딩으로 전체 근위 대퇴골을 표시하는 이미지 볼륨의 시간적 시퀀스를 제공합니다. 이 작업에서 변위 및 변형 필드는 이미지의 탄성 공동 정합을 사용하여 계산되었습니다. 이 프로토콜은 근위 대퇴골의 미세 구조의 변형을 표시할 수 있도록 하고 파괴 지점까지 규정된 증분 하중에 대한 반응으로 시편의 변형 에너지와 강성을 제공합니다.
프로토콜의 중요한 측면에는 a) 실험 시간을 제어하기 위해 각 표본의 하중 단계를 결정하고, b) 실험 전반에 걸쳐 뼈 수분을 유지하고, c) 골절 지점까지 하중을 받는 동안 뼈의 마이크로 CT 이미징을 가능하게 하고.......
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공개 사항
모든 저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
감사의 글
호주 연구 위원회(Australian Research Council, FT180100338; IC190100020)는 감사하게 인정합니다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 흡수성 조직 | N/A | 실험 내내 뼈 수분 유지 | |
| 얼라인먼트 리그 | 포팅 컵에 표본을 배치하기 위한 | 맞춤형 | |
| 알루미늄 포팅 컵 | 맞춤형 | 포팅 컵 | |
| 뼈 | N/A | 표본을 크기에 맞게 절단 | |
| 캘리브레이션 팬텀 QCT Pro | Mindways Software, Inc., Austin, USA | CT Calibration 13002 | 이미지의 그레이 레벨을 동등한 뼈 미네랄(회분) 밀도 수준으로 보정 |
| 임상 컴퓨터 단층 촬영 스캐너 | General Electric Medical Systems Co., Wisconsin, USA | Optima CT660 | 파단에 대한 하중 단계 예측을 위한 예비 이미징 |
| 압축 단계 | 맞춤 제작 | 10kg의 방사선 투과 압축 단계는 시편에 규정된 변형을 통해 이미징을 적용하고 유지하기 위한 것입니다. | |
| 치과 용 시멘트 | Soesterberg, 네덜란드 | Vertex RS | |
| 대퇴골 표본 | Science Care, 피닉스, 미국 | ||
| 유한 요소 해석 소프트웨어 | ANSYS Inc., Canonsburg, USA | ANSYS Mechanical APDL | 유한 요소 소프트웨어 패키지 |
| 냉동고 | N / A | -20 °C에 표본 보관; C | |
| 하드 드라이브 | Dell | 디스크 공간: 볼륨당 500GB | |
| 이미지 나레이션 및 세분화 소프트웨어 | Skyscan-Bruker, Kontich, Belgium | CT 분석기 | 이미지 처리 소프트웨어 |
| 이미지 탄력적 세분화 | The University of Sheffield | Bone DVC | https://bonedvc.insigneo.org/dvc/ |
| 이미지 처리 및 자동화 소프트웨어 | The MathWork Inc. | Matlab | 이미지 처리 소프트웨어 |
| 이미지 등록 소프트웨어 | Skyscan-Bruker, Kontich, Belgium | DataViewer | 이미지 처리 소프트웨어 |
| 이미지 분할 및 FE 모델링 소프트웨어 | Simpleware, Exeter, UK | Scan IP | Bone egmentation 소프트웨어 |
| 이미지 스티칭 스크립트 | 호주 syncrotron, Clayton, VIC, AU | 스크립트는 IMBL | |
| 이미지 시각화 | Kitware, Clifton Park, NY, USA | Paraview | 이미지 시각화 |
| 이미지 시각화 | Australian National University | Dristhi | 이미지 시각화: doi:10.1117/12.935640 |
| 이미징 및 의료 빔라인 | 호주 싱크로트론, 클레이튼, 빅토리아, AU | USA의 대형 객체 마이크로 CT 빔라인 | |
| 저마찰 x-y 테이블 | THK Co., Tokyo, Japan | ||
| NI 신호 수집 소프트웨어 | National Instruments, 텍사스 주 오스틴 | NI-DAQmx | |
| 인산염 완충 식염수 | 주문 제작 | 실험 내내 뼈 수분 유지 | |
| 비닐 봉지 | N / A | 실험 내내 뼈 수분 유지 | |
| Rail | SKF Inc., Lansdale, PA, USA | ||
| 스크류 잭 메커니즘 | 벤즐러, Ö rebro, 스웨덴 | Serie BD (웜 기어 유닛) | 스트로크 : 150mm, 최대 하중 : 10,000 N, 기어비 : 27 : 1, 회전 당 변위 : 0.148 mm |
| 단일 pco.edge 센서, 렌즈 결합 신틸레이터 | 호주 싱크로 트론, 클레이튼, VIC, AU | 검출기 루비 FOV : 141 x 119 mm; 2560 x 2160 픽셀, 55 &마이크로; m/픽셀; 50 fps | |
| 6 축 로드셀 | ME-Meß systeme GmbH, Hennigsdorf, GE | K6D6 | 최대 측정 오류: 0.005%; 최대 힘: 10000N; 최대 토크: 500Nm |
| 스트레인 증폭기 | ME-Meß systeme GmbH, Hennigsdorf, GE | GSV-1A8USB K6D/M16 |
참고문헌
- Martelli, S., Perilli, E. Time-elapsed synchrotron-light microstructural imaging of femoral neck fracture. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 84, 265-272 (2018).
- Martelli, S., Giorgi, M., Dall' Ara, E., Perilli, E.
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