Proximal Cadaveric Femur Preparação para Análise de Elementos Finitos baseado no CT Fracture Força Testes e Quantitativa

Resumo

Nós apresentamos um protocolo robusto sobre como preservar com cuidado e preparar fémures cadavérico para testes de fratura e tomografia computadorizada quantitativa. O método oferece um controle preciso sobre as condições de entrada para o propósito de determinar as relações entre a densidade mineral óssea, resistência à fratura, e definir finito geometria e propriedades elemento do modelo.

Resumo

testes de fratura Cadaveric é rotineiramente usado para entender os fatores que afetam a força do fêmur proximal. Porque ex vivo tecidos biológicos são propensos a perder as suas propriedades mecânicas ao longo do tempo, Preparação de amostras para o teste experimental deve ser realizada com cuidado para obter resultados confiáveis que representam as condições in vivo. Por essa razão, foi elaborado um protocolo e um conjunto de acessórios para preparar os espécimes femorais de tal forma que as suas propriedades mecânicas experientes alterações mínimas. Os fémures foram mantidos em um estado congelado, exceto durante as etapas de preparação e ensaios mecânicos. As medidas clínicas relevantes do total do quadril e fêmur densidade pescoço mineral óssea (DMO) foram obtidos com um densitômetro ósseo clínica dupla absorciometria de raios-X (DXA), e da geometria e distribuição de mineral óssea 3D foram obtidos utilizando CT com um fantasma de calibração para estimativas quantitativas baseadas nos valores de escala de cinzentos. Qualquer possível doença óssea, fratura, Ou a presença de implantes ou artefactos que afectam a estrutura óssea, foi descartada com exames de raios-X. Para a preparação, todos os ossos foram cuidadosamente limpos de tecido mole em excesso, e foram cortados e em vaso, com o ângulo de rotação interna de interesse. Um dispositivo de corte permitiu a extremidade distai do osso que se pretende cortar o fémur proximal, deixando a um comprimento desejado. Para permitir o posicionamento do colo do fêmur em ângulos prescritos durante a tarde tomografia computadorizada e ensaios mecânicos, os eixos proximais do fêmur foram envasadas em polimetilmetacrilato (PMMA), utilizando um dispositivo elétrico projetado especificamente para orientações desejadas. Os dados recolhidos a partir de nossas experiências foram então usados ​​para validação da tomografia computadorizada quantitativa (QCT) à base de análise de elementos finitos (FEA), como descrito em um protocolo diferente. Neste artigo, apresentamos o protocolo para a preparação óssea preciso para testes mecânicos e subsequente modelagem QCT / FEA. O actual protocolo foi aplicado com sucesso para preparar cerca de 200 cadfémures Averic ao longo de um período de tempo de 6 anos.

Introdução

Determinar a verdadeira resistência à fratura do fêmur proximal cadavérico com testes mecânicos é um método destrutivo que requer uma abordagem de teste rigorosa para medições precisas. Em particular, métodos adequados de preparação óssea são necessários para manter a integridade quase in vivo dos ossos antes do teste de fratura mecânica¹. Isso é conseguido pelo armazenamento adequado do osso e minimizando o manuseio à temperatura ambiente. Esses dados de teste são amplamente usados para validar modelos QCT / FEA de fratura de fêmur que têm o potencial de serem usados clinicamente para entender o risco de fratura, especialmente em pacientes osteoporóticos. Infelizmente, não existe um procedimento padrão atual para preparar amostras de fêmur proximal para testes mecânicos. Um bom procedimento de ensaio deve garantir a repetibilidade e a reprodutibilidade do processo de preparação. Portanto, os acessórios necessários para a preparação da amostra precisam ser cuidadosamente projetados e fabricados para minimizar a probabilidade de vários erros de teste. Também precisamos minimizar o tempo de preparação para o qual o tecido ósseo está à temperatura ambiente e, portanto, em perigo de degradação com alterações irreversíveis nas propriedades mecânicas.

Para isso, desenvolvemos um procedimento que preserva o tecido ósseo em várias etapas de preparação. Isso é importante para garantir um tempo mínimo de exposição à temperatura ambiente, ao mesmo tempo em que minimiza o número de ciclos de congelamento/descongelamento que podem afetar as propriedades físicas do tecido². Todo o procedimento é longo e não trivial, pois as etapas ocorreram ao longo de várias semanas e exigiram agendamento para procedimentos de digitalização e disponibilidade de pessoal. As etapas incluíram o descongelamento de amostras ósseas, a triagem das amostras usando DXA para obter valores de densidade mineral óssea (DMO), raios-X para descartar quaisquer espécimes doentes e, finalmente, tomografia computadorizada para estimar a distribuição do mineral ósseo e da geometria femoral. Todas as amostras foram preparadas para o teste removendo tecidos moles estranhos da superfície óssea, cortando o fêmur no comprimento necessário para o teste e envasando o fêmur na orientação desejada para simular uma queda lateral no quadril durante os testes subsequentes. É essencial manter o período de tempo para todas essas operações o mais curto possível. Um protocolo robusto é, portanto, obrigatório para a preparação consistente da amostra, preservação do tecido entre as etapas e para reduzir o tempo total de preparação.

O objetivo deste trabalho é apresentar em detalhes os procedimentos envolvidos na preparação de amostras femorais para testes mecânicos subsequentes sob várias condições. A preservação do tecido ósseo é crucial neste processo e conseguimos isso mantendo as amostras congeladas entre as etapas e mantendo-as cuidadosamente embrulhadas em toalhas saturadas de solução salina o tempo todo, exceto durante a varredura e teste mecânico dos ossos. Os fêmures também foram mantidos envoltos em toalhas molhadas salinas durante as etapas de cura do PMMA para evitar o ressecamento do tecido ósseo.

Protocolo

NOTA: Todos os estudos apresentados neste protocolo foi aprovado pelo Institutional Review Board (IRB) na Mayo Clinic. Os ossos foram obtidas durante um período de 6 anos a partir de várias organizações. Todas as amostras foram recolhidas no prazo de 72 horas após a morte, envolvido em toalhas de solução salina saturada, e armazenadas a -20 ° C até à preparação.

1. medir a densidade mineral óssea usando DXA

1. Retirar amostras mantidas à temperatura de -20 ° C congelador a descongelar à temperatura ambiente durante cerca de 24 h; espécimes não precisa de ser removido da embalagem original, se a maioria dos tecidos moles foram removidos.
2. Use duas 5 lb sacos de arroz para dar conta dos tecidos moles. Cobrir os dois sacos de arroz na mesa de DXA com sacos plásticos para evitar a contaminação. Os sacos de arroz irá simular tecidos moles circundantes (in vivo) durante o varrimento como se mostra na Figura 1.
3. Proteger a superfície do scanner DEXA com papel de plástico revestido e colocá-2 RI plástico envolvidosacos ce na mesa do scanner (Figura 1A).
4. Coloque 2 fémures (direita e esquerda) na parte superior de sacos de arroz de modo a que a extremidade proximal (incluindo a cabeça femoral) é centrada em sacos e o lado posterior é para baixo (Figura 1B). Este imita um paciente deitado sobre suas costas.
5. Tampa anterior / expostos final do fêmur proximal com dois sacos de arroz de 5 libras adicionais (Figura 1C).
6. Cabeça da máquina de posição ao longo do fêmur proximal e digitalizar o fêmur de acordo com o procedimento institucional padrão para medição da DMO do paciente (Figura 1C). Siga as instruções específicas do fabricante DXA.
   1. A partir da interface do software da máquina DXA executar uma varredura normal fêmur. Selecione o exame fêmur, posicionar o braço DXA na parte superior do fémur cadavérico, pressionando a seta para a esquerda ou para a direita, consequentemente, o braço DXA, e iniciar o exame, clicando no botão "Iniciar". Realizar a análise BMD clicando em "Analisar".
      NÃOE: A T-score automática resultante da varredura classifica o osso como normal, osteopenia ou osteoporose (Figura 1D). Siga as instruções específicas do fabricante DXA.

2. Limpeza, corte e perfuração do Distal End of the Bone

1. Limpe as mais proximais 300 mm do fêmur pela remoção cuidadosa de qualquer tecido mole restante do osso. Este passo é necessário para permitir que o PMMA em contactar o osso durante o processo de envasamento em preparação para o teste mecânico. Os ossos não necessitam de ser descongeladas a temperatura ambiente, durante este processo.
2. Higienizar o espaço de trabalho com álcool isopropílico a 70% e cobrir a mesa com almofadas de papel absorvente com filme plástico de um lado (Figura 2A). Conjunto do fémur sobre a mesa (Figura 2B) para a totalidade do processo começando com a limpeza de corte (Figura 2A a 2H). Use equipamento de proteção individual (EPI), incluindo luvase proteção para os olhos.
3. Raspe o excesso de periósteo e cortar o excesso de tecido, utilizando um raspador e bisturi (Figura 2C, 2H).
4. Coloque o osso no suporte de corte feito por medida, como mostrado na Figura 2D com a cabeça do fémur contra a placa de acrílico do dispositivo.
5. Alinhar e segurar a diáfise contra os dois pinos no dispositivo elétrico de corte (Figura 2D).
6. Fixe o osso para a fixação apertando para baixo a placa entalhada na diáfise; se o osso não deitar no dispositivo elétrico, pendurar extremidade distal da mesa ao topo e também zip opcionalmente amarrar o colo do fêmur, conforme necessário para manter a amostra no lugar (Figura 2D).
7. Cortar o eixo distai do fémur usando o cortador de molde (Figura 2E) através da placa ranhurada como guia; segure osso com um pano seco / toalha para uma melhor aderência.
8. Retirar o osso do imóvel; comprimento do osso normal após corte é 255 mm (Figura2F).
9. Limpar a cavidade medular da medula utilizando uma cureta de aproximadamente 25 mm de profundidade. Em seguida, insira uma gaze para ajudar a secar a superfície interior. Remover a gaze imediatamente antes da colocação da extremidade distai do fémur no molde. Agarrar o osso com uma toalha seca / pano e fazer um furo 10 milímetros através da extremidade distal em cerca de 25 mm a partir da extremidade proximal corte do espécime. Nota: Este é para permitir que o PMMA para penetrar no canal e fixe o osso com firmeza.

3. Potting the Bone

1. Concepção e recipiente de envasamento fabricar. Os recipientes são feitos de envasamento de 5 mm de espessura folhas de acrílico e tem as seguintes dimensões externas: 50 mm de secção quadrada 50 mm e 100 mm de altura (Figura 3A).
2. Etiqueta do recipiente envasamento com a identificação óssea adequada (Figura 3A e 3B - ver etiqueta na caixa de acrílico).
3. Ajuste o dispositivo elétrico de incorporação para a orientação certa (perna esquerdaou perna direita; por exemplo, 15 ° ou 30 ° de rotação interna).
4. Coloque recipiente envasamento na base da incorporação de fixação, local óssea no recipiente de envasamento (Figura 3B) e alinhar pescoço com ponteiro no dispositivo elétrico (Figura 3C) para ajustar o ângulo de rotação interna do osso para o valor desejado.
5. Medir 60 g de PMMA em pó e misturar-se com 30 g de resina líquida sob hotte até que o pó esteja dissolvido. A mistura deve ser que se pode vazar. Use um copo de papel descartável para este processo.
6. Despeje a mistura em um recipiente de envasamento com o osso sob uma coifa (Figura 3D), deixar curar por cerca de 10 - 15 min até PMMA é claro e duro. Isso só deve preencher ~ 1/2 do recipiente envasamento com PMMA. Cuidadosamente embrulhar o osso em solução salina saturada toalhas para prevenir o ressecamento do tecido devido à geração de calor durante o PMMA de polimerização (Figura 3E).
7. Verifique periodicamente o fêmur para garantir que ele permanece alinhada nacontentor durante a cura.
8. Remover fémur da luminária envasamento e enrole com uma solução salina embebida de toalha de papel (Figura 3E).
9. Prepare 90 g de PMMA sob uma coifa como explicado no passo 3.5 e encher o recipiente envasamento completamente. Curar o PMMA durante cerca de 10 - 15 min até que se torne difícil.
10. Depois de resina cura, enrole firmemente osso / rewrap em soro fisiológico embebido toalhas de papel, cubra com espécimes saco de plástico e armazenar a -20 ° C no congelador.

4. Imaging o osso com raios-X

(CUIDADO! Operar com a devida atenção para a radiação de raios-X ao utilizar a máquina)

1. Se estiver usando filmes para raios-X, por sua vez developer de raios-X em pelo menos 20 min (por fabricante instruções) antes da digitalização, girando o botão no sentido horário (na sala de desenvolvedor).
2. Garantir que há o filme não exposto na cassete antes de radiografar; cassete só deve ser aberta em um quarto escuro.
3. Ligue máquina sobre adesbloquear e alargar a cabeça da máquina.
4. Coloque um carrinho no caminho do feixe e colocar uma cassete no carrinho sob o feixe (Figura 4A).
5. Lugar e posição do fémur na cassete (Figura 4B); duas orientações serão capturados: Vista medial-lateral e vista ântero-posterior. Rotular as imagens de amostra em conformidade.
6. Após a primeira exposição, troque os locais de chumbo e ossos.
7. Cubra a metade já exposto com chumbo e expor o osso no segundo orientação do lado não exposto. Isso permite que o usuário use um filme de raios-X para um único osso em duas orientações (Figura 4C-D).
8. Mudar a cassete e girar cada fémur na segunda orientação.
9. No caso de um único fémur, cobre metade da fita com uma cobertura de chumbo para evitar a exposição inicial de todo o filme para raios-X.
10. Mova atrás da parede portátil a revestida de chumbo para proteção pessoal e usar o gatilho para exporos ossos.
11. Na conclusão, o retorno da cabeça de raios-X para bloquear e posição loja, gire a chave para OFF na máquina de raio-X e remover filme de raios-X exposto.
12. Desenvolver o filme para obter imagens de raios-X (Figura 4E) usando um colaborador da película regular. Ligue a luz branca no quarto e localizar o desenvolvedor filme. Acender a luz vermelha e desligar a luz branca antes de abrir a gaveta e prosseguir com o processo de revelação de filmes. Abra a gaveta e colocar o filme através do desenvolvedor. Ligar a luz branca e desligar a luz vermelha quando o filme tem sido desenvolvido.

5. CT Scanning of Bones

1. Retire os ossos do congelador cerca de 24 h antes da digitalização. Ossos devem ser completamente descongeladas antes da digitalização.
2. Assegurar os ossos são embrulhados em sacos de plástico para a digitalização para minimizar clean-up no final.
3. Lugar e prenda o fémur e o fantasma de calibração no suporte tomografia computadorizada (Figura 5A-B). a fixture prende o fantasma calibração (Figura 5C) e também segura o fémur numa orientação (Figura 5D-E) idêntico com a orientação desejada para o teste mecânico subsequente. Este registro cruz é necessário para usar os dados da tomografia computadorizada (Figura 5F) no processo de modelagem QCT / FEA (descrito em um protocolo diferente).
   NOTA: O dispositivo elétrico é projetado de tal forma que ele expõe o fêmur para a digitalização CT sem obstruir o fêmur proximal (cabeça femoral, pescoço, trocânter maior, eo eixo proximal).
4. Verifique se o dispositivo elétrico junto com o fêmur no scanner CT está devidamente alinhada com os lasers do sistema como guias (Figura 5D-E). Re-verifique o alinhamento do dispositivo com o laser eixo longo CT (pressionando a laser botão on / off). O fantasma não necessita de estar alinhado com o laser, uma vez que é fixado no suporte. Zerar a posição da tabela no painel de controle da máquina, pressionando o butto de zeron (→ 0 ←) no painel de controle.
5. Seguindo o procedimento operacional padrão CT, operar a máquina CT em 120 kVp, 216 mAs, 1 s tempo de rotação, e arremesso de 1 usando o modo de alta resolução ultra-(Zuhr). Isto dá uma espessura de corte de 0,4 mm e um tamanho de pixel de 0,30-0,45 mm, dependendo do tamanho do campo de visão (FOV).
6. Conferir tomografia computadorizada de dados anterior ao teste mecânico para assegurar que as imagens de interesse são capturados e guardados. Refreeze o osso a -20 ° C até ao dia da experiência.

Resultados

Os fémures de cadáveres foram enviados congelada e mantida a -20 ° C até à preparação começou. Digitalização DMO foi realizada utilizando um scanner DXA para medir total do quadril e pescoço DMO, bem como T-score para cada amostra (Figura 1). A T-score é o número de desvios padrão da DMO medidos comparados com os valores médios para indivíduos jovens e saudáveis. Ela pode variar de -2,5 ou inferior para ossos osteoporóticos, entre -1 e -2,5 para ossos osteopénicas e maio...

Discussão

Foi apresentado um protocolo de preparação óssea robusta para assegurar testes e QCT / FEA modelagem mecânica de força femoral em uma queda para o lado da configuração do quadril. Este método tornou-se o nosso protocolo padrão in-house. Ao longo de 6 anos, com diferentes pessoal, cerca de 200 fémures foram preparadas com sucesso seguindo este protocolo. Os resultados do protocolo inclui classificar condições ósseas usando DXA, descartando doenças metastáticas, fraturas anteriores, ou implantes usando raios-X, e obter a ...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Recipiente de envasamento de TC e dispositivo de varredura	Fabricado internamente	N/A	projetado e fabricado sob medida
	Scanner	definição Siemens Somatom (Siemens, Malvern, PA)	Equipamento de varredura de TC
Quantitativo CT Phantom	Midways Inc, San Francisco, CA	Calibração de TC Modelo 3 Phantom	Usado para obter valores de BMD de unidades Hounsfield na imagem de TC
Scanner de Absorciometria de Raios-X de Energia	Dupla General Electric	N/A	GE Lunar iDXA scanner para saúde óssea ou qualquer scanner BMD similar Resina
Orhodôntica Higênica (PMMA)	Patterson Dental Supply	H02252	Substância controlada e pode ser comprada com a devida aprovação
Freezer	Kenmore	N/A	Este é um -20 ° C para
scanner de raios-X	General Electric	46-270615P1	Equipamento de imagem de raios-X.
Filmes de raios-X	Kodak	N/A	Usado para exibir imagens de raios-x
Desenvolvedor de raios-X	Kodak X-Omatic	M35A X-OMAT	Usado para revelar imagens de raios-X
de Raios-X	Kodak X-Omatic	N/A	Usado para segurar filmes de Raios-X
Sacos de Arroz de 5 libras	Grande Valor	N/A	Usado para imitar tecidos moles durante o processo de digitalização DXA
Solução salina fisiológica (cloreto de sódio a 0,9%)	Baxter	NDC 0338-0048-04	Usado para manter as amostras hidratadas
Bisturis e raspadores	Bard-Parker	N / A	Usado para limpar o osso do tecido mole
Cortador de gesso	Stryker	810-BD001	Usado para cortar a haste femoral
Máquina de perfuração	Bosch	N / A	Usado para perfurar a haste femoral
Capuz de exaustão	Hamilton	70532	Usado para ventilação ao usar a fabricação de PMMA

Scanner de TC Scanner de TC de de ossos