Obrazowanie mechanizmu uszkodzenia mikrostrukturalnego w ludzkim biodrze

Protokół ten umożliwia obserwację mikrostruktury całej kości udowej człowieka, która odkształca się pod wpływem obciążenia i złamania. Dzięki obrazowaniu całej kości udowej z rozdzielczością mikrostrukturalną, protokół ten umożliwia zbadanie, w jaki sposób różne przedziały korowe beleczkowania kości synergicznie określają jej zdolność do wytrzymania obciążenia. Pogłębienie naszej wiedzy na temat mechanizmu pękania kości może pomóc w opracowaniu zaawansowanych metod diagnostycznych osteoporozy.

Protokół ten został opracowany w australijskim synchrotronie, przystosowany do użytku w komercyjnym, wielkoobjętościowym mikrotomografie komputerowym na uniwersytecie i stosowany do badania różnych obszarów anatomicznych, w tym kolana i barku. W zasadzie można go rozszerzyć na materiały o rozmiarach podobnych do całych kości i stawów ludzkich. Badanie to wymaga specjalistycznej wiedzy w kilku dyscyplinach, w tym obrazowaniu, mechanice ciał stałych i modelowaniu obliczeniowym w biomechanice.

Aby rozpocząć, za pomocą klinicznego tomografu komputerowego, zeskanuj próbkę kości udowej z grubością plastra i rozmiarem piksela w płaszczyźnie około 0,5 do 0,7 milimetra. Wraz z próbką zeskanuj fantom kalibracji densytometrii CT z pięcioma znanymi stężeniami wodorofosforanu potasu barwnika. Następnie podziel geometrię kości na segmenty z klinicznych obrazów CT, skalibruj poziomy szarości na obrazach do odpowiadających im wartości gęstości kości i modułu Younga, wykorzystując zależność gęstości do modułu sprężystości.

Po utworzeniu siatki o geometrii segmentowej należy zaimportować siatkę do oprogramowania elementów skończonych. W pełni ograniczony na głębokości od trzech do sześciu milimetrów, dystalny koniec modelu, a następnie odtwórz konfigurację obciążenia w postawie pojedynczej nogi, przykładając siłę nominalną 1000 niutonów, odprowadzoną o osiem stopni od osi trzonu kości udowej w płaszczyźnie koronalnej i przechodząc przez środek głowy kości udowej. Rozwiąż model elementów skończonych za pomocą wbudowanego solwera PCG.

Następnie, wykonując wskazane polecenia, należy wygenerować tabelę elementów zawierającą składową odkształcenia pierwszej i trzeciej zasady w środku ciężkości elementu. Następnie należy wykonać wskazane polecenie, aby obliczyć stosunek odkształcenia między pierwszymi i trzecimi podstawowymi składowymi odkształcenia w modelu a odkształceniem plastyczności kości, intencją i kompresją. Przeskaluj siłę nominalną według szczytowego współczynnika odkształcenia, intencji i ściskania, a następnie odrzuć największą z nich, aby oszacować obciążenie zrywające.

Umieść stanowisko testowe na stoliku rotacyjnym mikro-CT z próbką w stanie referencyjnym bez obciążenia i rozpocznij skanowanie mikro-CT. Powtórz obrazowanie dwukrotnie dla stanu nieobciążonego i rozwiń po zeskanowaniu. Zastosuj przyrost siły, ręcznie uruchamiając mechanizm podnośnika śrubowego ze stałą szybkością około jednej sekundy na rundę i wykonaj obrazowanie mikro-CT.

Powtarzaj przyrost siły, aż próbka pęknie, na co wskazuje nagły spadek siły reakcji. Wykonaj obrazowanie mikrotomografią komputerową złamanej próbki. Następnie zwizualizuj sekwencję obrazów projekcyjnych na różnych etapach obciążenia.

Podpróbkuj obrazy mikro-CT o cztery, aby skrócić czas obliczeń. Sztywno rejestrować w przestrzeni obrazy próbki pod obciążeniem z obrazami w stanie odniesienia bez obciążenia, wykorzystując dystalny trzon jako cel korejestracji. Tworzenie trójwymiarowych modeli powierzchni do wizualizacji po binaryzacji obrazów mikro-CT.

Określ przemieszczenie obrazów na siatce o rozmiarze 50 pikseli za pomocą DVC kości. Następnie określ tensor odkształcenia, przekształcając siatkę w model elementów skończonych. Zastosuj obliczone przemieszczenie w węzłach i rozwiąż model.

Następnie, używając interpolacji sześciennej, z funkcją inter P trzy w Mac-Lab, ponownie próbkuj objętości przemieszczenia i odkształcenia, aby dopasować rozmiar oryginalnego rozmiaru obrazów mikro-CT. Wizualizuj przemieszczenia, odkształcenia i obrazy mikrostrukturalne w celu wizualizacji i animacji dużych objętości. W celu analizy deformacji kości należy przedstawić trwałe odkształcenie kości poprzez nałożenie obrazów uzyskanych w warunkach nieobciążonych i po złamaniu.

Następnie wyświetl postępującą mikrodeformację strukturalną kości poprzez nałożenie trójwymiarowych modeli w warunkach nieobciążonych, przy rosnących poziomach obciążenia i po złamaniu. Wyświetla odkształcenie kości w miejscu złamania. Na koniec, korzystając ze statystyk opisowych i metod regresji, przeanalizuj energię odkształcenia, sztywność i przemieszczenie.

Obrazowanie mikrotomografią komputerową oraz towarzyszące jej badania mechaniczne pozwalają na obserwację złamań szyjki kości udowej. Animacja pokazała, że głowa kości udowej stopniowo obracała się przyśrodkowo, jednocześnie przesuwając się dystalnie aż do złamania. Krzywizna głowy spłaszczyła się pod zębodołem, gdzie zaobserwowano miejscową niestabilność kory mózgowej, ale nie zaobserwowano niestabilności leżącej pod spodem objętości beleczkowej.

Początek złamania następuje przez zgięcie kory, albo postępując wzdłuż głównej uciskającej grupy beleczkowej, albo przez ścinanie pod kątem około 45 stopni od głównej głównej głównej ściskającej osi beleczkowania. Szczep przekroczył wydajność kości, gdy czwórce udało się osiągnąć 50% oczekiwanego obciążenia złamaniem, osiągając od 8 do 16% kompresji przed złamaniem. Zaobserwowano trwałą deformację w obszarze głowy pod wpływem ucisku szczytowego.

Uszkodzenie nastąpiło w złożonym stanie odkształcenia, wykazującym odkształcenie ściskające, rozciągające i ścinające. Energia odkształcenia była liniową funkcją przemieszczenia aż do pęknięcia, wykazującą stabilne zachowanie podczas pękania. Krytycznym aspektem dla odtworzenia protokołu jest uzyskanie przyrostu kroku obciążenia, co jest ważne dla kontrolowania liczby kroków obciążenia wymaganych do spowodowania pęknięcia lub przemieszczenia i planowania eksperymentu.

Uzyskanie dobrej jakości obrazów jest również ważne dla miarodajnej analizy danych. Przekonanie, że niestabilność sprężysta, która wymaga gwałtownego wzrostu liczby złamań powyżej 60 roku życia, skupiło się na badaniach nad zapobieganiem kruchości na grubości kory mózgowej. Stabilne elastycznie zachowanie złamań wykazane przez ten protokół, w lekko osteoporotycznych kościach, przesuwa obecną uwagę na interakcje korowe i beleczkowe.

Procedura ta może przyczynić się do rozwoju przemyślanych modeli mechaniki kości, dostarczyć informacji na temat diagnozy kruchości i projektowania urządzeń wszczepialnych.