Name: Metoda i oprzyrządowanie do badania złamań kości udowej w pozycji bocznej opadania na biodro (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-17T12:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 58 s
Description: Poznaj metodę testowania złamań kości udowej w pozycji bocznego opadania na biodro przy użyciu przyrządów z komórkami obciążeniowymi. Technika umożliwia uzyskanie powtarzalnych pomiarów wytrzymałości kości w badaniach osteoporozy.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Chcielibyśmy podziękować Głównemu Ośrodkowi Badań Materiałowych i Strukturalnych oraz Wydziałowi Inżynierii w Klinice Mayo za wsparcie techniczne. Ponadto chcielibyśmy podziękować Lawrence'owi J. Berglundowi, Jamesowi Bronkowi, Brantowi Newmanowi, dr Jornowi op den Buijsowi za ich pomoc podczas badania. Badanie to było wspierane finansowo przez Grainger Innovation Fund z Grainger Foundation.

1. Duży załącznik do oprawy
<ol>
	<li>Usuń standardowe osprzęty z maszyny.</li>
	<li>Rozsuń poprzeczkę, aby pomieścić wewnętrzne urządzenie.</li>
	<li>Umieść aluminiowy blok (część nr 1 w <silna klasa="xfig">Rysunek 1A) na maszynie i bezpiecznie przymocuj do maszyny za pomocą dwóch; otwór w środku mieści ogniwo obciążnikowe maszyny.</li>
	<li>Umieść główną konstrukcję oprawy (część nr 2 w <silna klasa="xfig">Rysunek 1B) na aluminiowym bloku i bezpiecznie przymocuj ją do bloku za pomocą 4.</li>
	<li>Umieść czterotonowy podnośnik pod częścią oprawy, która nie spoczywa na aluminiowym bloku, aby podeprzeć oprawę (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 1C).</li>
	<li>Zamontuj 6-kanałowy uchwyt czujnika wagowego (część nr 3 w <klasa silna = "xfig" >Rysunek 1D) na głównym osprzęcie i zabezpiecz go za pomocą 6.</li>
</ol>
2. Mocowanie poprzeczki
<ol>
	<li>Ustaw poprzeczkę maszyny na zero bezwzględne za pomocą sterowania podnoszeniem trawersy.</li>
	<li>Przymocuj pierwszą płytkę bazową (część nr 4 w <silna klasa="xfig">Rysunek 2B) do poprzeczki za pomocą 7 z zakrzywionymi krawędziami skierowanymi do przodu maszyny wytrzymałościowej.</li>
	<li>Przymocuj drugą płytę podstawy (część nr 5 w <klasa silna = "xfig" >Rysunek 2C) za pomocą jednej obrotowej. Śruba dopasowuje się do lewej i prawej kości podczas testowania. Druga płyta podstawy (część nr 5) może się swobodnie obracać wokół obrotowej względem pierwszej płyty podstawy (część nr 4). Orientacja drugiej płytki bazowej określa, czy konfiguracja jest przeznaczona dla prawej, czy lewej kości udowej.</li>
	<li>Przymocuj zespół dwóch łożysk ślizgowych (część nr 6 w <klasa silna = "xfig" >Rysunek 2D) do drugiej płyty podstawy (część nr 5) za pomocą 4 (dwie można uzyskać z jednej strony pierwszej płyty podstawy). Obróć drugą płytę podstawy w taki sposób, aby dostęp do drugiego zestawu był możliwy od góry od góry pierwszych płyt podstawy. 
	UWAGA: Aby zmienić orientację prowadnic z lewej kości na prawą kość, odkręca się 4 na górze pierwszej płyty podstawy, a następnie prowadnice są obracane wokół obrotowej i ponownie mocowane w wymaganej orientacji.</li>
	<li>Ręcznie obróć suwaki, które są prostopadłe do 6-kanałowego czujnika wagowego, ustawiając poprzeczkę maszyny w pozycji względnej 65°.</li>
</ol>
3. Oprzyrządowana oprawa, szybka kamera i ustawienie oświetlenia do eksperymentu
<ol>
	<li>Ustaw oprzyrządowane dolne mocowanie na standardowej serwohydraulicznej maszynie testującej. To urządzenie utrzyma kość udową i pomieści zarówno lewą, jak i prawą kość udową podczas upadku na biodrze (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 1).</li>
	<li>Skonfiguruj szybką kamerę i sprzęt oświetleniowy (<silna klasa="xfig">Rysunek 3A-3D).
	<ol>
		<li>Umieść światła o dużej intensywności na statywach po jednym z każdej strony maszyny i zabezpiecz je (<silna klasa="xfig">Rysunek 3A).</li>
		<li>Ustaw statywy do szybkich kamer po obu stronach maszyny testującej i podłącz każdą kamerę do jednostek akwizycji danych (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 3B-3C).</li>
		<li>Gdy kamery są włączone i podłączone do modułu akwizycji, skonfiguruj ustawienia kamery; ustaw liczbę klatek na sekundę na 6000 klatek na sekundę (fps) i rozdzielczość na 1 024 x 512 pikseli; rozdzielczość można zmniejszyć, aby pomieścić pamięć wewnętrzną kamery (<silna klasa = "xfig">Rysunek 3D).</li>
		<li>Ustaw migawkę na 1 klatkę/s (1/6 000 kl./s). Ustaw również opcję kamery tak, aby nagrania rozpoczynały się przed ruchem siłownika (100 ms dla szybkich testów i 200 ms dla wolnych testów).</li>
		<li>Podłącz synchronizacyjny między dwiema kamerami; wybierz tryb wyzwalania w ustawieniach oprogramowania kamer.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Sprawdzanie/kalibracja komórek obciążnikowych pod kątem prawidłowego systemu akwizycji danych (DAQ)
<ol>
	<li>Ustawianie jednostki DAQ
	<ol>
		<li>Podłącz DAQ do maszyny testującej, szybkiej kamery wideo, ogniw obciążnikowych i potencjometru liniowego, jak pokazano na schemacie okablowania w <silna klasa = "xfig" > Rysunek 4.</li>
		<li>Sprawdź prawidłowe połączenie krętarzowego czujnika wagowego, głównego czujnika wagowego, potencjometru liniowego, 6-kanałowego czujnika wagowego i sygnału wyzwalającego z urządzeniem DAQ, obserwując ślady sygnału danych w panelu widoku oprogramowania DAQ poprzez ręczne naciśnięcie czujnika wagowego.</li>
		<li>Sprawdź, czy DAQ, kondycjoner sygnału i generator impulsów są włączone.</li>
		<li>Skonfiguruj oprogramowanie DAQ dla wszystkich sygnałów z ogniw obciążnikowych i potencjometru liniowego. W oprogramowaniu DAQ wybierz zakładkę "Step setup >> Configuration" (Konfiguracja krokowa) i ustaw szybkość akwizycji (Hz) dla każdego sygnału wejściowego powiązanego z każdym ogniwem obciążnikowym. Na karcie "Wyzwalanie" wybierz odpowiednią opcję wyzwalania. Sprzęt wideo powinien być również uruchamiany podczas próbnych uruchomień, aby zapewnić synchronizację systemu wideo/DAQ.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zastosuj obciążenie nominalne (na przykład minimum 200 funtów do maksimum 1600 funtów) do ogniw obciążnikowych głowy kości udowej i krętarza za pomocą standardowej maszyny serwohydraulicznej, aby zweryfikować rozsądne wymiary ogniwa obciążnikowego i porównać z arkuszami danych kalibracji producenta (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 5A).</li>
	<li>Podobnie, zastosuj obciążenia statyczne do 6-kanałowego ogniwa obciążnikowego, używając ciężaru własnego, jak pokazano na Rysunek 5B. Sprawdź funkcjonalność i zweryfikuj działanie 6-kanałowego czujnika wagowego (<silna klasa = "xfig">Rysunek 5A-5B), obliczając procentowe różnice między zmierzonymi a teoretycznymi wartościami siły i momentu. Błąd powinien być mniejszy niż 5%. 
	UWAGA: Wszystkie czujniki wagowe muszą być wcześniej skalibrowane przez ich producenta. Ten krok sprawdza tylko, czy ogniwa obciążnikowe działają, czy wszystkie połączenia są wykonane, a sygnały są rozsądne.</li>
	<li>Kalibracja potencjometru liniowego
	<ol>
		<li>Przymocuj osprzęt potencjometru liniowego do poprzeczki i umieść potencjometr liniowy w oprawie (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 5C). Dokręć, aby zablokować korpus potencjometru i podłącz złącze do jednostki DAQ.</li>
		<li>Ręcznie przesunąć siłownik (25 mm) na ramie obciążeniowej tak, aby położenie potencjometru przekładało się od maksymalnego ściskania do maksymalnego wysuwu i rejestrowało przemieszczenia oraz odpowiadające im napięcie (dla co najmniej trzech punktów danych). Wykreślić przemieszczenie w funkcji napięcia i dopasować funkcję liniową do danych (R2 >0,95). Wprowadź nachylenie równania liniowego (mm/V) jako współczynnik kalibracji do pola "Parametr skalowania" w oprogramowaniu DAQ.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Sprawdź ogólną konfigurację maszyny testującej, testując zastępczą kość z włókna szklanego do złamania, aby upewnić się, że wszystkie dane są funkcjonalne i rozsądne. Obejmuje to ogniwo obciążnikowe krętarza, ogniwo obciążnikowe głowy kości udowej, potencjometr liniowy, sześciokanałowe ogniwo obciążnikowe i sygnał spustowy (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 6).</li>
</ol>
5. Przygotowanie kości do badania
<ol>
	<li>Rozmrażaj kości w temperaturze pokojowej przez 24 godziny i usuń wilgoć, nadmiar tłuszczu i wszelkie pozostałe miękkie tkanki za pomocą ręczników papierowych.</li>
	<li>Umieść kość w akrylowym urządzeniu do skanowania i przygotuj cement dentystyczny. Odmierz 60 g proszku PMMA i wymieszaj z 30 g płynnej żywicy pod wyciągiem, aż proszek się rozpuści. Mieszanina powinna być nalewa. Do tego procesu użyj jednorazowego kubka papierowego. Ten krok służy do zasadzenia krętarza większego w aluminiowym kubku (<silna klasa="xfig">Rysunek 7A).</li>
	<li>Wyrównaj aluminiowy kubek poniżej krętarza. Następnie wlej cement PMMA do połowy wysokości kubka i podnieś platformę mocowania, aby dopasować kość do kubka. Odczekaj 10-15 minut na polimeryzację.</li>
	<li>Zawiń kości w ręczniki nasączone solą fizjologiczną, aby uniknąć wysuszenia tkanek podczas polimeryzacji cementu kostnego.</li>
	<li>Przenieś kość do uchwytu testowego w maszynie wytrzymałościowej z aluminiowym kubkiem przymocowanym do krętarza (<silna klasa="xfig">Rysunek 7B)</li>
	<li>Wyśrodkuj aluminiową miseczkę na płycie przymocowanej do krętarza tensometrycznego i wyreguluj łożyska ślizgowe tak, aby aluminiowa miseczka lekko dotykała ogniwa obciążnikowego. Wyjmij kołek z urządzenia, aby umożliwić obrót urządzenia</li>
	<li>Wyśrodkuj i opuść poprzeczkę, aby zetknąć się z głową kości udowej.</li>
	<li>Przejrzyj ustawienie, pozycję kości, sygnały ogniwa obciążnikowego i pozycję miseczki. Przejrzyj również urządzenie DAQ; Upewnij się, że wszystkie urządzenia i czujniki wagowe są prawidłowo podłączone i sprawdź, czy wszystkie są włączone. Sprawdź konfigurację oprogramowania pod kątem prawidłowej odpowiedzi sygnału z każdego czujnika wagowego.</li>
	<li>Zrób zdjęcia kości udowej umieszczonej w oprawie z 2 stron.</li>
	<li>Ustaw przysłonę, aby wpuścić wystarczającą ilość światła na matrycę aparatu i kontroluj głębię ostrości. Sprawdź jakość obrazu, ustawiając ostrość na szyjce kości udowej. Proces ten powinien zapobiec wszelkim odblaskom i błyszczącym obszarom kości na obrazie, które miałyby wpływ na uchwycenie złamania.</li>
</ol>
6. Testowanie na złamanie
<ol>
	<li>Sprawdź, czy mechaniczna rama obciążeniowa serwomechanizmu jest zaprogramowana do odpowiedniej kontroli przemieszczenia 25 mm w celu przeprowadzenia testu pękania w mechanicznej ramie obciążeniowej serwomechanizmu zarówno podczas załadunku, jak i rozładunku. 
	UWAGA: Są to ustawienia specyficzne dla producenta i należy je wprowadzić i zweryfikować w panelu sterowania sprzętu testującego zgodnie ze specyfikacjami producenta.</li>
	<li>Sprawdź oświetlenie, aby zminimalizować odbicia w kamerach wideo i systemie akwizycji danych po raz ostatni.</li>
	<li>Kliknij ikonę start na panelu sterowania, aby zainicjować sekwencję testową do złamania kości udowej (<silna klasa="xfig">Rysunek 7C).</li>
	<li>Zrób zdjęcia złamanej kości udowej z 2 stron.</li>
	<li>Ręcznie wycofaj siłownik i wyjmij kość udową z maszyny.</li>
</ol>
7. Przygotowanie po złamaniu
<ol>
	<li>Usuń kość z uchwytu.</li>
	<li>Przyklej bliższy złamany koniec kości do trzonu, zawiń w mokre ręczniki i plastikowe torby (<silna klasa="xfig">Rysunek 7D), a następnie zamroź w temperaturze -20 °C.</li>
	<li>Zachowaj kości do dalszego obrazowania rentgenowskiego i tomografii komputerowej po złamaniu. 
	UWAGA: Szczegóły dotyczące tych procesów zostały wcześniej wyjaśnione w innym protokole naszej grupy (w trakcie przeglądu w JoVE) (Rysunek 7E).</li>
</ol>

<ol><li>Bouxsein, M. L., Szulc, P., Munoz, F., Thrall, E., Sornay-Rendu, E., Delmas, P. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Contribution+of+trochanteric+soft+tissues+to+fall+force+estimates%2C+the+factor+of+risk%2C+and+prediction+of+hip+fracture+risk%5BTitle%5D)+AND+%22J+Bone+Miner+Res%22%5BJournal%5D)">Contribution of trochanteric soft tissues to fall force estimates, the factor of risk, and prediction of hip fracture risk.</a> J Bone Miner Res. 22, 825-831 (2007).</li>
<li>Rezaei, A., Dragomir-Daescu, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Femoral+Strength+Changes+Faster+With+Age+Than+BMD+in+Both+Women+and+Men%3A+A+Biomechanical+Study%5BTitle%5D)+AND+%22J+Bone+Miner+Res%22%5BJournal%5D)">Femoral Strength Changes Faster With Age Than BMD in Both Women and Men: A Biomechanical Study.</a> J Bone Miner Res. 30, 2200-2206 (2015).</li>
<li>Zani, L., Erani, P., Grassi, L., Taddei, F., Cristofolini, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strain+distribution+in+the+proximal+Human+femur+during+in+vitro+simulated+sideways+fall%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Strain distribution in the proximal Human femur during in vitro simulated sideways fall.</a> J Biomech. 48, 2130-2143 (2015).</li>
<li>Dragomir-Daescu, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Robust+QCT%2FFEA+models+of+proximal+femur+stiffness+and+fracture+load+during+a+sideways+fall+on+the+hip%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">Robust QCT/FEA models of proximal femur stiffness and fracture load during a sideways fall on the hip.</a> Ann Biomed Eng. 39, 742-755 (2011).</li>
<li>Schileo, E., Balistreri, L., Grassi, L., Cristofolini, L., Taddei, F. <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%3F%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">To what extent can linear finite element models of human femora predict failure under stance and fall loading configurations?</a> J Biomech. 47, 3531-3538 (2014).</li>
<li>Koivumaki, J. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ct-based+finite+element+models+can+be+used+to+estimate+experimentally+measured+failure+loads+in+the+proximal+femur%5BTitle%5D)+AND+%22Bone%22%5BJournal%5D)">Ct-based finite element models can be used to estimate experimentally measured failure loads in the proximal femur.</a> Bone. 50, 824-829 (2012).</li>
<li>Pottecher, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prediction+of+Hip+Failure+Load%3A+In+Vitro+Study+of+80+Femurs+Using+Three+Imaging+Methods+and+Finite+Element+Models%E2%80%94The+European+Fracture+Study+%28EFFECT%29%5BTitle%5D)+AND+%22Radiology%22%5BJournal%5D)">Prediction of Hip Failure Load: In Vitro Study of 80 Femurs Using Three Imaging Methods and Finite Element Models—The European Fracture Study (EFFECT).</a> Radiology. , 142796(2016).</li>
<li>Rivadeneira, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Femoral+neck+BMD+is+a+strong+predictor+of+hip+fracture+susceptibility+in+elderly+men+and+women+because+it+detects+cortical+bone+instability%3A+the+Rotterdam+Study%5BTitle%5D)+AND+%22J+Bone+Miner+Res%22%5BJournal%5D)">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.</a> J Bone Miner Res. 22, 1781-1790 (2007).</li>
<li>de Bakker, P. M., Manske, S. L., Ebacher, V., Oxland, T. R., Cripton, P. A., Guy, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((During+sideways+falls+proximal+femur+fractures+initiate+in+the+superolateral+cortex%3A+evidence+from+high-speed+video+of+simulated+fractures%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">During sideways falls proximal femur fractures initiate in the superolateral cortex: evidence from high-speed video of simulated fractures.</a> J Biomech. 42, 1917-1925 (2009).</li>
<li>Courtney, A. C., Wachtel, E. F., Myers, E. R., Hayes, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Age-related+reductions+in+the+strength+of+the+femur+tested+in+a+fall-loading+configuration%5BTitle%5D)+AND+%22J+Bone+Joint+Surg+Am%22%5BJournal%5D)">Age-related reductions in the strength of the femur tested in a fall-loading configuration.</a> J Bone Joint Surg Am. 77, 387-395 (1995).</li>
<li>Cheng, X. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessment+of+the+strength+of+proximal+femur+in+vitro%3A+relationship+to+femoral+bone+mineral+density+and+femoral%5BTitle%5D)+AND+%22Bone%22%5BJournal%5D)">Assessment of the strength of proximal femur in vitro: relationship to femoral bone mineral density and femoral.</a> Bone. 20, 213-218 (1997).</li>
<li>Courtney, A. C., Wachtel, E. F., Myers, E. R., Hayes, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+loading+rate+on+strength+of+the+proximal+femur%5BTitle%5D)+AND+%22Calcif+Tissue+Int%22%5BJournal%5D)">Effects of loading rate on strength of the proximal femur.</a> Calcif Tissue Int. 55, 53-58 (1994).</li>
<li>Keyak, J., Rossi, S., Jones, K., Les, C., Skinner, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prediction+of+fracture+location+in+the+proximal+femur+using+finite+element+models%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+engineering+%26+physics%22%5BJournal%5D)">Prediction of fracture location in the proximal femur using finite element models.</a> Medical engineering & physics. 23, 657-664 (2001).</li>
<li>Nishiyama, K. K., Gilchrist, S., Guy, P., Cripton, P., Boyd, S. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Proximal+femur+bone+strength+estimated+by+a+computationally+fast+finite+element+analysis+in+a+sideways+fall+configuration%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Proximal femur bone strength estimated by a computationally fast finite element analysis in a sideways fall configuration.</a> J Biomech. 46, 1231-1236 (2013).</li>
<li>Langton, C. M., Njeh, C. F. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLangton%2C+CM+%22The+physical+measurement+of+bone%22">The physical measurement of bone</a>. , CRC Press. (2016).</li>
<li>Ariza, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+explicit+finite+element+and+mechanical+simulation+of+the+proximal+femur+during+dynamic+drop-tower+testing%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Comparison of explicit finite element and mechanical simulation of the proximal femur during dynamic drop-tower testing.</a> J Biomech. 48, 224-232 (2015).</li>
</ol>

Autorzy nie ujawnili żadnych istotnych informacji.

Zaproponowaliśmy protokół testu złamania proksymalnej kości udowej zwłoki w konfiguracji upadku na biodro, za pomocą którego z powodzeniem przebadaliśmy około 200 próbek. Protokół zawiera kilka zaprojektowanych przez nas uchwytów do testowania wytrzymałości kości udowej w różnych warunkach obciążenia. Uchwyt pozwala na badanie zarówno prawej, jak i lewej kości udowej przy różnych prędkościach testowych i orientacji kości. Po zamontowaniu oprawy i przyrządów pomiarowych, kość udowa z włókna szklanego jest testowana pod ką...

Opracowanie nowych metod oceny ryzyka złamania kości udowej i zapobiegania złamaniom w przypadku upadku na biodro wymaga wszechstronnego zrozumienia procesów biomechanicznych zachodzących podczas złamania. Badanie siły proksymalnej kości udowej zwłok okazało się skuteczne w określaniu związku między wytrzymałością kości udowej a czynnikami wpływającymi na zdolność strukturalną kości udowej, dostarczając ważnych informacji w tym procesie1,2,3. Eksperymentalnie zmierzona wytrzymałość kości udowej jest również wykorzystywana do walidacji ilościowej analizy elementów skończonych opartej na tomografii komputerowej (QCT/FEA), która umożliwia nieinwazyjne oszacowanie wytrzymałości na złamanie4,5,6,7.
Do tej pory nie ma akceptowanej standardowej procedury badania całych próbek kości udowej pod kątem złamania. Aby wyizolować klinicznie mierzalne zmienne (takie jak gęstość mineralna i geometria kości) oraz ich wpływ na wytrzymałość kości udowej, konieczne jest przeprowadzenie badań eksperymentalnych w sposób kontrolowany i powtarzalny. Kości udowe zwłok mają nieregularne kształty i rozmiary8 i mogą być uzyskane zarówno ze zwłok męskich, jak i żeńskich w różnym wieku, co uniemożliwia testowanie przy użyciu wbudowanych uchwytów standardowych maszyn testujących. W przypadku bocznego upadku na biodro krętarz większy jest poddawany obciążeniu ściskającemu, podczas gdy bliższa kość udowa może doświadczać złożonego obciążenia, w tym ściskania, rozciągania, momentu zginającego i skręcania. Testowanie takich scenariuszy obciążenia zwiększa złożoność projektu eksperymentalnego. Dlatego mocowanie, jako jeden z ważnych elementów protokołu testowego, musi być specjalnie zaprojektowane, wyprodukowane i zainstalowane, aby pomieścić próbki kości udowej o różnych kształtach i rozmiarach oraz różnych prędkościach testowych. To urządzenie musi również utrzymywać próbki do testowania w różnych pożądanych orientacjach, aby symulować możliwe obciążenia udarowe spowodowane upadkiem na biodro. Aby sprostać tak różnorodnym warunkom, oprawa musi mieć wiele nieruchomych i ruchomych elementów połączonych w taki sposób, aby zminimalizować luzy w systemie i uzyskać płynną reakcję obciążenia i przemieszczenia.
Niezawodne pozyskiwanie danych jest również kluczowe podczas testowania. Projekt eksperymentalny musi obejmować niezbędne ogniwa obciążnikowe, przetworniki przemieszczenia, wzmacniacze sygnału i kondycjonery w celu dokładnego pomiaru sił i momentów na wszystkich podporach. Dodatkowo, nagrania wideo z dużą prędkością zarówno przedniego, jak i tylnego widoku kości udowej, uzyskane synchronicznie z nabyciem sił, są niezbędne, aby pomóc zrozumieć sekwencję zdarzeń prowadzących do złamania, scharakteryzować typy złamań i precyzyjnie określić siłę kości udowej4,9.
Chociaż w literaturze istnieją cenne badania eksperymentalne na temat testowania całej kości udowej, opublikowane protokoły albo nie zawierają szczegółów na temat sposobu przeprowadzenia testu, albo bardzo się od nich różnią, co sprawia, że są one naprawdę powtarzalne10,11. Celem obecnych prac było wprowadzenie protokołu badań mechanicznych próbek z kości udowej, który może być wykorzystany jako punkt wyjścia do podjęcia działań na rzecz standaryzacji badań tkanki kostnej, które mogą być powtarzalne i odtwarzalne. W tym celu zaprojektowaliśmy i wykonaliśmy przyrząd testowy, który został wykorzystany do przetestowania około 200 kości udowej zwłok. Osprzęt testowy zawierał dolny uchwyt i uchwyt poprzeczny. Dolne mocowanie (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 1A-E) utrzymuje kość udową w pożądanej orientacji podczas testowania i zawiera ogniwo obciążnikowe krętarza oraz 6-kanałowe ogniwo obciążnikowe połączone z trzonem kości udowej. Obsługuje również trzy niezależne translacje, aby umożliwić ustawienie kości do badania złamań. Dodawany jest punkt obrotu, który naśladuje staw kolanowy. Główne części dolnego mocowania zostały wykonane z grubych kawałków stali nierdzewnej i aluminium, aby uzyskać bardzo sztywne mocowanie. Ogniwo obciążnikowe jest przymocowane do dolnego uchwytu w celu pomiaru sił ściskających na większym krętarzu podczas testowania. Mocowanie poprzeczne (<silna klasa="xfig">Rysunek 2A-2E) zawiera dwie aluminiowe płyty bazowe i dwa bardzo sztywne łożyska kulkowe ślizgowe (połączone ze sobą aluminiową płytą), aby uwzględnić ruch głowy kości udowej podczas testu, a także dostosować się do prawej i lewej kości udowej. Ogniwo obciążnikowe zawarte w uchwycie poprzeczki mierzy siły ściskające. Aluminiowy kubek przymocowany do ogniwa obciążnikowego służy do przykładania obciążeń ściskających do głowy kości udowej. Nasza metoda została zastosowana do lewej i prawej kości udowej obu płci, o różnych rozmiarach, kątach nachylenia szyi i trzonu, gęstości mineralnej kości i warunkach obciążenia naśladujących boczny upadek na biodro. Prędkości testowe w naszych eksperymentach zostały ustawione na 5, 100 i 700 mm/s, ale można je ustawić na dowolną wartość dostępną na maszynie testowej. Zaprojektowane oprawowanie składało się z dwóch głównych elementów, jednego połączonego z poprzeczką maszyny wytrzymałościowej, a drugiego połączonego z ramą testową. Obie części zostały oprzyrządowane za pomocą ogniw obciążnikowych wystarczających do pomiaru warunków brzegowych siły i momentu na wszystkich podporach. Dodatkowo wykorzystano dwie szybkie kamery wideo do zarejestrowania zdarzeń związanych z pęknięciami podczas testów. Po złamaniu wykonano zestaw zdjęć rentgenowskich i tomografii komputerowej (CT) do poeksperymentalnych analiz złamań. Wyniki uzyskane z tych eksperymentów, w tym wytrzymałość i energia złamania, są obecnie wykorzystywane do dodatkowych badań w narzędziach diagnostycznych, aby ostatecznie poprawić ocenę siły złamania proksymalnego u pacjentów z osteoporozą.

<table><tbody><tr><td>Tomograf komputerowy</td><td>Skaner Siemens</td><td>Somatom Definition (Siemens, Malvern, PA)</td><td>Sprzęt do skanowania CT</td></tr><tr><td>Ilościowy CT Phantom</td><td>Midways Inc, San Francisco, CA</td><td>Model 3 Kalibracja CT Fantom</td><td>Służy do uzyskiwania wartości BMD z jednostek Hounsfield w obrazie CT</td></tr><tr><td>Higieniczna żywica ortodontyczna (PMMA)</td><td>Patterson Dental Supply</td><td>H02252</td><td>Substancja kontrolowana i można ją kupić z odpowiednim zatwierdzenie</td></tr><tr><td>Zamrażarka</td><td>Kenmore</td><td>N/A</td><td>Jest to schowek -20oC do</td></tr><tr><td>skanera rentgenowskiego</td> kości <td>Sprzęt do obrazowania rentgenowskiego</td> <td>General Electric</td><td>46-270615P1</td>.</tr><tr><td>Filmy rentgenowskie</td><td>Kodak</td><td>N/A</td><td>Służy do wyświetlania obrazów rentgenowskich</td></tr><tr><td>Wywoływacz rentgenowski</td><td>Kodak X-Omatic</td><td>M35A X-OMAT</td><td>Służy do wywoływania obrazów rentgenowskich</td></tr><tr><td>Kaseta rentgenowska</td><td>Kodak X-Omatic</td><td>N/A</td><td>Służy do przechowywania filmów rentgenowskich</td></tr><tr><td>Sól fizjologiczna (0,9% chlorek sodu)</td><td>Baxter</td><td>NDC 0338-0048-04</td><td>Służy do utrzymywania próbek w stanie uwodnionym</td></tr><tr><td>Skalpele i skrobaki</td><td>Bard-Parker</td><td>N/A</td><td>Służy do oczyszczania kości z tkanek miękkich</td></tr><tr><td>Okap dymowy</td><td>Hamilton</td><td>70532</td><td>Używany do wentylacji podczas przygotowywania PMMA do zalewania próbek</td></tr><tr><td>Jednoosiowe ogniwo obciążnikowe</td><td>Techniki przetworników, Temecula, CA, USA</td><td>LPU-3K; S/N 219627</td><td>Pojemność 3000 LBS</td></tr><tr><td>Sześciokanałowy czujnik wagowy</td><td>JR3, Woodland, CA</td><td>45E15A4</td><td>Nośność mechaniczna 1000N</td></tr><tr><td>Potencjometr liniowy</td><td>Novotechnik, Southborough, MA, USA</td><td></td><td>Służy do uzyskiwania przemieszczeń liniowych podczas testowania</td></tr><tr><td>Łożysko kulkowe</td><td>ślizgowe Schneeberger</td><td>Typ NK</td><td>Część uchwytu testującego</td></tr><tr><td>Mechaniczna maszyna wytrzymałościowa</td><td>MTS, Minneapolis, MN</td><td>858 Mini Bionix II</td><td>Służy do kompresji kości udowej</td></tr><tr><td>Jednostka oświetleniowa</td><td>ARRI</td><td></td><td>Potrzebna do szybkich nagrań wideo</td></tr><tr><td>szybka kamera wideo</td><td>Photron Inc., San Diego, CA, USA</td><td>Photron Fastcam APX-RS</td><td>Służy do przechwytywania szybkich nagrań wideo ze zdarzeń złamania</td></tr><tr><td>Photron FASTCAM Viewer</td><td>Photron Inc., San Diego, CA, USA</td><td>Ver.3392(x64)</td><td>Służy do przeglądania nagrań wideo z dużą prędkością</td></tr><tr><td>Obiektyw aparatu</td><td>Zeiss</td><td>Zeiss Planar L4/50 ZF</td><td>Obiektyw Potrzebne do wysokiej rozdzielczości obrazu</td></tr><tr><td>Płyta kondycjonera sygnału (DAQ)</td><td>National Instruments</td><td></td><td>Złącze sygnału wejściowego/wyjściowego</td></tr><tr><td>Signal Express</td><td>National Instruments</td><td>N/A Oprogramowanie</td><td>do akwizycji danych</td></tr><tr><td>Komputer przenośny</td><td>Dell</td><td>N/A</td><td>Służy do monitorowania i pozyskiwania wszystkich sygnałów z procedury testowej</td></tr></tbody></table>

metoda i oprzyrządowanie do badania złamań kości udowej w pozycji bocznej opadania na biodro

Method and Instrumented Fixture for Femoral Fracture Testing in a Sideways Fall-on-the-Hip Position

Mechaniczne badanie kości udowej dostarcza cennych informacji na temat wpływu klinicznie mierzalnych zmiennych, takich jak gęstość mineralna kości kości, rozkład i geometria, na właściwości mechaniczne kości udowej. Obecnie nie ma standardowego protokołu badań mechanicznych tak złożonych geometrycznie kości w celu pomiaru wytrzymałości i sztywności. Aby wypełnić tę lukę, opracowaliśmy protokół do badania kości udowej zwłok pod kątem złamania i pomiaru ich parametrów biomechanicznych. Protokół ten opisuje zestaw regulowanych mocowań, aby dostosować się do różnych wielkości i kierunków obciążenia, biorąc pod uwagę możliwe orientacje kości w konfiguracji upadku na biodro, prędkość testową, rozmiar kości i różnice między lewą nogą a prawą nogą. Kość udową przygotowano do testów poprzez oczyszczenie, cięcie, skanowanie i zalewanie powierzchni styku dystalnego końca i kantara większego z poli(metakrylanu metylu) (PMMA), jak przedstawiono w innym protokole. Przygotowane próbki umieszczono w uchwycie badawczym w pozycji imitującej upadek na bok na biodro i obciążono do złamania. Podczas testów dwa czujniki wagowe mierzyły siły pionowe przyłożone do głowy kości udowej i krętarza większego, sześcioosiowe ogniwo obciążnikowe mierzyło siły i momenty w dystalnym trzonie kości udowej, a czujnik przemieszczenia mierzył różnicę przemieszczeń między głową kości udowej a podporami stykowymi krętarza. Szybkie kamery wideo zostały wykorzystane do synchronicznego rejestrowania sekwencji pęknięć podczas testów. Redukcja tych danych pozwoliła nam scharakteryzować siłę, sztywność i energię złamania dla prawie 200 osteoporotycznych, osteopenicznych i normalnych kości udowych zwłok w celu dalszego rozwoju inżynieryjnych narzędzi diagnostycznych do badań nad osteoporozą.

Własne uchwyty montuje się po usunięciu uchwytów standardowych z maszyny testowej. Najpierw montuje się i zabezpiecza dolny, ciężki uchwyt (Rysunek 1). Zawiera on przedłużone ramię do trzymania 6-kanałowej ogniwa obciążenia, co umożliwia również ustawienie trzonu kości udowej pod żądanym kątem odwiedzenia. Następnie montuje się uchwyt trawerka obejmujący dwa łożyska ślizgowe bez tarcia, aby umożliwić przyłożenie obciążenia oraz ruch głowy kości udowej podczas...

W tym manuskrypcie prezentujemy protokół do badania złamania bliższej kości udowej zwłok w konfiguracji bocznego upadku na biodro przy użyciu oprzyrządowanych uchwytów zamontowanych na standardowej ramie serwohydraulicznej. Podczas testów rejestrowanych jest dziewięć cyfrowych sygnałów obejmujących siły, momenty i przemieszczenia wraz z dwoma strumieniami wideo o dużej prędkości.

Metoda i oprzyrządowanie do badania złamań kości udowej w pozycji bocznej opadania na biodro

Mechanical testing of femora brings valuable insights into understanding the contribution of clinically-measureable variables such as bone mineral density ...

Ogólnym celem tego eksperymentalnego protokołu badania złamania kości udowej zwłok jest uzyskanie spójnych, powtarzalnych pomiarów wytrzymałości na złamanie. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w badaniach nad osteoporozą, mierząc różnice między osteoporozą a normalną siłą kości udowej. Główną zaletą tej techniki jest to, że aparatura testująca naśladuje fizjologiczne miejsce oparte na upadku na biodro.Aby zamocować duży uchwyt, najpierw bezpiecznie przymocuj aluminiowy blok do maszyny. Następnie użyj, aby przymocować główną konstrukcję oprawy do aluminiowego bloku i podeprzeć oprawę, umieszczając czterotonowy podnośnik pod częścią oprawy, która nie spoczywa na bloku aluminiowym. Następnie użyj większej liczby, aby przymocować sześciokanałowe ogniwo obciążnikowe do głównego osprzętu.W celu zamocowania uchwytu poprzecznego, przymocuj pierwszą płytę podstawy z poprzeczką maszyny ustawioną na zero bezwzględne i zakrzywionymi krawędziami płyty podstawy, skierowanymi do przodu maszyny wytrzymałościowej. Użyj jednej obrotowej, aby przymocować drugą płytę podstawy. Następnie przymocuj zespół dwóch łożysk ślizgowych do drugiej płyty podstawy.Obróć drugą płytę podstawy w taki sposób, aby dostęp do drugiego zestawu był możliwy od góry pierwszej płyty podstawy. Następnie ustaw poprzeczki maszyny w pozycji względnej 65 stopni, aby umożliwić ręczny obrót prowadnic, prostopadły do sześciokanałowego ogniwa obciążnikowego. Po zamontowaniu oprzyrządowanego urządzenia na standardowej maszynie hydraulicznej serwera, przymocuj szybką kamerę i sprzęt oświetleniowy do statywów.Ustaw kamerę przodem do maszyny testującej i podłącz kamerę do jednostki akwizycji danych. Po podłączeniu systemu akwizycji danych należy ręcznie popchnąć ogniwo obciążnikowe i obserwować ślady sygnału danych w panelu podglądu oprogramowania DAQ. Aby potwierdzić prawidłowe podłączenie i synchronizację sygnału wyzwalającego, tricanteryczny czujnik wagowy, czujnik wagowy głowicy, potencjometr liniowy i sześciokanałowe ogniwo obciążnikowe.Skalibruj potencjometr liniowy, przymocuj osprzęt potencjometru liniowego do poprzeczki i przymocuj potencjometr do oprawy. Dokręć, aby zablokować korpus potencjometru i podłącz złącze do jednostki DAQ. Następnie ręcznie przesuń siłownik o 25 milimetrów na ramie obciążeniowej, tak aby pozycja potencjometru zmieniła się od maksymalnego ściskania do maksymalnego wysuwu i zapisz przemieszczenia i odpowiadające im napięcie dla co najmniej trzech punktów danych.Wykreśl przemieszczenie w funkcji napięcia i dopasuj funkcję liniową do danych. Następnie wprowadź nachylenie równania liniowego jako współczynnik kalibracji do pola parametrów skanowania w oprogramowaniu DAQ. Aby przygotować kość do badania, umieść czystą, rozmrożoną 24-godzinną kość w akrylowym urządzeniu skanującym i wymieszaj 60 gramów proszku poli lub PMMA z 30 gramami płynnej żywicy w jednorazowym kubku pod wyciągiem, aż proszek się rozpuści.Gdy PMMA jest zdatny do nalewania, wyrównaj aluminiowy kubek poniżej tricantera i zdekantuj cement PMMA do połowy wysokości kubka. Podnieś platformę mocującą, aby dopasować kość do kubka i pozwól PMMA na polimeryzację przez 10 do 15 minut. Gdy PMMA jest czysty i twardy, przesuń kość do uchwytu testowego i wyśrodkuj aluminiowy kubek na płytce, przymocowany do tricanterycznego ogniwa obciążnikowego.Wyreguluj sześciokanałowe etapy liniowe ogniwa obciążnikowego tak, aby aluminiowy kubek lekko dotykał ogniwa obciążnikowego i wyjmij kołek z oprawy, aby obrócić się na boki urządzenia. Następnie wyśrodkuj i opuść poprzeczkę, aby zetknęła się z głową kości udowej i zobrazuj kość udową z dwóch stron. Po sprawdzeniu, czy mechaniczna rama obciążeniowa serwomechanizmu jest odpowiednio zaprogramowana, kliknij start, aby zainicjować sekwencję testową w celu złamania testowej kości udowej.Po zakończeniu testu ręcznie wycofaj siłownik. Usuń kość z uchwytu i przyklej bliższy złamany koniec kości do trzonu. Następnie zawiń kość w mokre ręczniki i plastikowe torby i umieść kość z powrotem w 20 stopniach Celsjusza.Po złamaniu można wykreślić siłę zarejestrowaną na większym tricanter i przemieszczenie zarejestrowane na głowie kości udowej, za pomocą sześciokanałowego ogniwa obciążnikowego. Uszkodzone części kości można następnie skleić ze sobą w celu dalszego obrazowania i klasyfikacji typu złamania. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać, aby sprawdzić, czy wszystkie systemy akwizycji danych działają prawidłowo z kośćmi udowymi z włókna szklanego przed przetestowaniem próbek zwłok.Po opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się biomechaniką obliczeniową do walidacji ilościowych przewidywań siły w osteoporotycznych kościach udowych opartych na ilościowej tomografii komputerowej. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak testować kości udowe zwłok w konfiguracji upadków na biodrach.

method-instrumented-fixture-for-femoral-fracture-testing-sideways

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Niniejszy artykuł opisuje metodę stabilizacji złamań kości długich opartą na zastosowaniu zmodyfikowanych zewnętrznych stabilizatorów Ilizarova 1-3. Po zastosowaniu stabilizatorów i wywołaniu urazu kostnego można oceniać proces gojenia, przeprowadzać osteogenezę dystrakcyjną lub tworzyć staw rzekomy bądź defekt o rozmiarze krytycznym w celu badania interwencji terapeutycznych.

Tworzenie sztywno stabilizowanych złamań do oceny kostnienia błonowego, osteogenezy dystrakcyjnej lub gojenia ubytków o rozmiarze krytycznym

Przedstawiono ulepszoną metodę mechanicznego testowania zakotwiczenia kości na powierzchniach potencjalnych implantów. Metoda ta pozwala na wyrównanie siły rozrywającej dokładnie prostopadle lub równolegle do płaszczyzny powierzchni implantu i zapewnia dokładny sposób kierowania sił zakłócających na dokładny obszar wokół implantu.

Ulepszona metoda badań mechanicznych do oceny zakotwiczenia implantu kostnego

Przedstawiamy solidny protokół, jak starannie zabezpieczyć i przygotować kość udową zwłok do testów złamań i ilościowego obrazowania tomografii komputerowej.  Metoda zapewnia precyzyjną kontrolę nad warunkami wejściowymi w celu określenia zależności między gęstością mineralną kości, wytrzymałością na złamania oraz zdefiniowaniem geometrii i właściwości modelu elementów skończonych.

Przygotowanie bliższej części kości udowej do badania wytrzymałości na pękanie i ilościowej analizy elementów skończonych opartej na tomografii komputerowej

W tym protokole, naprężenia powierzchni kości udowej są szacowane podczas testów złamań przy użyciu techniki cyfrowej korelacji obrazu. Nowatorstwo metody polega na zastosowaniu stochastycznego wzoru plamek o wysokim kontraście na powierzchni kości udowej, starannie dobranym oświetleniu, szybkim przechwytywaniu wideo i cyfrowej analizie korelacji obrazu do obliczeń odkształceń.

Metoda szacowania naprężeń kory kości udowej zwłok podczas badania złamań z wykorzystaniem cyfrowej korelacji obrazu

Model mysiego zamkniętego złamania kości udowej jest potężną platformą do badania gojenia złamań i nowatorskich strategii terapeutycznych przyspieszających regenerację kości. Celem tego protokołu chirurgicznego jest wygenerowanie jednostronnie zamkniętych złamań kości udowej u myszy za pomocą śródszpikowego pręta stalowego do stabilizacji kości udowej.

Generowanie zamkniętych złamań kości udowej u myszy: model do badania gojenia kości

Celem protokołu jest optymalizacja parametrów generowania pęknięć, aby uzyskać spójne złamania. Protokół ten uwzględnia różnice w wielkości i morfologii kości, które mogą występować między zwierzętami. Dodatkowo opisano ekonomiczny, regulowany aparat do łamania.

Projektowanie aparatury do pękania i optymalizacja protokołu dla złamań stabilizowanych metodą zamkniętą u gryzoni

Modele in vivo krytycznych wymiarów kości u ssaków są niezbędne dla badaczy badających mechanizmy leczenia i terapie ortopedyczne. W tym miejscu wprowadzamy protokół tworzenia powtarzalnych, segmentowych ubytków kości udowej u szczurów stabilizowanych za pomocą stabilizacji zewnętrznej.

Wiarygodny i powtarzalny model segmentalnej wady kości udowej o krytycznej wielkości u szczurów stabilizowany za pomocą niestandardowego stabilizatora zewnętrznego

Obecny protokół opisuje rozwój powtarzalnej platformy testowej dla mysich szyjek kości udowych w układzie zginania wspornikowego. Niestandardowe prowadnice drukowane w 3D zostały użyte do konsekwentnego i sztywnego mocowania kości udowych w optymalnym ustawieniu.

Zginanie wspornikowe mysich szyjek kości udowej

Tutaj prezentujemy protokół dostępu do prowadnika śródszpikowego gwoździa udowego u otyłych pacjentów za pomocą własnego szydła. Użycie nowego szydła z dystalnym pozycjonerem do wprowadzania prowadnika i otwierania kości może zwiększyć wydajność wprowadzania prowadnika i zmniejszyć trudność operacji.

Leczenie z blokowaniem gwoździ śródszpikowych w przypadku złamania międzykrętarzowego kości udowej przy użyciu nowego szydła z pozycjonerem dystalnym

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.

Obrazowanie mechanizmu uszkodzenia mikrostrukturalnego w ludzkim biodrze

Source:Anthony J. Yosick1,2, Christine Massie1, Emma Knapp2, Hani A. Awad1,2,31Department of Biomedical Engineering, University of Rochester, US2Center for Musculoskeletal Research, Department of Orthopedics, University of Rochester Medical Center, USA3Department of Orthopedics, University of Rochester Medical Center, USAThe video demonstrates fall-related wrist fractures using human cadaver forearms with varying bone densities. Specimens are standardized by removing upper soft tissue,...

Simulating Fall-Induced Wrist Fractures Using a Cadaveric Human Forearm Specimen

Poznaj metodę testowania złamań kości udowej w pozycji bocznego opadania na biodro przy użyciu przyrządów z komórkami obciążeniowymi. Technika umożliwia uzyskanie powtarzalnych pomiarów wytrzymałości kości w badaniach osteoporozy.

Metoda i oprzyrządowanie do badania złamań kości udowej w pozycji bocznej opadania na biodro

Przeglądaj więcej filmów