Obrazowanie mechanizmu uszkodzenia mikrostrukturalnego w ludzkim biodrze

Saulo Martelli; Egon Perilli

doi:10.3791/64947

Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Obrazowanie mechanizmu uszkodzenia mikrostrukturalnego w ludzkim biodrze

2.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/64947

⸱

29 września 2023

Saulo Martelli¹^,² , Egon Perilli²

¹School of Mechanical, Medical and Process Engineering, Queensland University of Technology, ²Medical Device Research Institute, College of Science and Engineering, Flinders University

W tym artykule

Podsumowanie

Protokół umożliwia pomiar deformacji mikrostruktury kości w całej proksymalnej ludzkiej kości udowej oraz jej wytrzymałości poprzez połączenie dużego skanowania mikro-tomografem komputerowym, specjalnie wykonanego etapu kompresji i zaawansowanych narzędzi do przetwarzania obrazu.

Streszczenie

Obrazowanie mikrostruktury kości pod stopniowo rosnącymi obciążeniami pozwala na obserwację zachowania kości pod kątem uszkodzeń mikrostrukturalnych. W tym miejscu opisano protokół uzyskiwania sekwencji trójwymiarowych obrazów mikrostrukturalnych całej bliższej części kości udowej pod wpływem stopniowo narastającej deformacji, powodującej klinicznie istotne złamania szyjki kości udowej. Protokół wykazano przy użyciu czterech kości udowych od dawczyń w wieku 66-80 lat w dolnej granicy gęstości mineralnej kości w populacji (zakres T-score = −2,09 do −4,75). Zaprojektowano przezroczysty dla promieni rentgenowskich stopień ściskający do ładowania próbek odtwarzających postawę na jednej nodze, przy jednoczesnym rejestrowaniu przyłożonego obciążenia podczas obrazowania za pomocą mikrotomografii komputerowej (mikro-CT). Pole widzenia miało 146 mm szerokości i 132 mm wysokości, a izotropowy rozmiar piksela wynosił 0,03 mm. Przyrost siły oparto na przewidywaniach obciążenia niszczącego za pomocą elementów skończonych. Etap ściskania został użyty do przyłożenia przemieszczenia do próbki i wprowadzenia zalecanych przyrostów siły. Złamania podkapitałowe spowodowane rozwarciem i ścinaniem szyjki kości udowej wystąpiły po czterech do pięciu przyrostach obciążenia. Obrazy mikro-CT i pomiary siły reakcji zostały przetworzone w celu zbadania naprężenia kości i zdolności absorpcji energii. Niestabilność kory pojawiła się na wczesnych etapach ładowania. Kość podchrzęstna w głowie kości udowej wykazywała duże deformacje sięgające 16% przed złamaniem oraz postępujący wzrost zdolności podparcia aż do złamania. Energia odkształcenia wzrastała liniowo wraz z przemieszczeniem aż do pęknięcia, podczas gdy sztywność spadła do wartości bliskich zeru bezpośrednio przed pęknięciem. Trzy czwarte energii pęknięcia zostało pobrane przez próbkę podczas końcowego przyrostu siły o 25%. Podsumowując, opracowany protokół ujawnił niezwykłą zdolność absorpcji energii, czyli tolerancję na uszkodzenia, oraz synergiczną interakcję między kością korową i beleczkową w zaawansowanym wieku dawcy.

Wprowadzenie

Złamania szyjki kości udowej są dużym obciążeniem dla starzejącej się populacji. Obrazowanie mikrotomografią komputerową (micro-CT) i towarzyszące mu badania mechaniczne pozwalają na obserwację mikrostruktury kości i badanie jej związku z wytrzymałością kości, zmianami związanymi z wiekiem i przemieszczeniami pod obciążeniem¹^,². Jednak do niedawna badania mikrotomografii komputerowej kości pod obciążeniem ograniczały się do wyciętych rdzeni kostnych³, small animals⁴ i human spine units⁵. Niniejszy protokół może określić ilościowo przemiesz....