Este manuscrito, apresentamos um protocolo para fraturar cadavérico fêmures proximais de teste em uma queda lateral na configuração do quadril, usando luminárias instrumentadas, montadas em um frame hidráulico servo padrão. Nove sinais digitalizados, compreendendo as forças, momentos e deslocamento junto com dois fluxos de vídeo de alta velocidade são adquiridos durante o teste.
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Artigo de método
Método e fixação instrumentada para teste de fratura do fêmur em posição de queda sobre--quadril lateral
Neste artigo
Resumo
Resumo
Teste mecânico dos fêmures traz informações valiosas para a compreensão da contribuição de variáveis mensuráveis clinicamente como distribuição de densidade mineral óssea e da geometria sobre as propriedades mecânicas femorais. Atualmente, não há nenhum protocolo padrão para ensaios mecânicos de tais ossos geometricamente complexos para medida de resistência e rigidez. Para resolver esta lacuna, nós desenvolvemos um protocolo para testar fêmures cadavéricos à fratura e medir seus parâmetros biomecânicos. Este protocolo descreve um conjunto de dispositivos elétricos adaptávelas para acomodar as diversas magnitudes de carga e direções contabilidade para orientações de osso possível em uma queda na configuração do quadril, teste de velocidade, tamanho do osso e variações de perna perna direita esquerda. Os fêmures foram preparados para os testes realizados pela limpeza, corte, digitalização e envasamento a extremidade distal e trocânter maior entre em contato com superfícies em poly(methyl methacrylate) (PMMA) como apresentado em um protocolo diferente. As amostras preparadas foram colocadas no teste do dispositivo elétrico numa posição imitando uma queda lateral no quadril e carregadas para fratura. Durante os testes, duas forças verticais medidas de células de carga aplicada a cabeça do fêmur e trocanter maior, uma célula de carga de seis eixos medidas forças e momentos na diáfise femoral distal e um sensor de deslocamento medido deslocamento diferencial entre o trocanter e cabeça femoral entre em contato com o suporte. Câmeras de vídeo de alta velocidade foram utilizadas para sincronicamente, gravar a sequência de eventos de fratura durante o teste. A redução destes dados nos permitiu caracterizar a força, rigidez e fratura de energia por quase 200 osteoporóticos, osteopênicos, e pesquisa fêmures cadavéricos normais para o desenvolvimento de ferramentas de diagnóstico baseados em engenharia para a osteoporose.
Introdução
Desenvolvimento de novos métodos para avaliação do risco de fratura do fêmur e fratura prevenção para uma queda no quadril requerem uma compreensão abrangente dos processos biomecânicos envolvidos durante a fratura. Teste de força cadavérico fêmur proximal tem provado para ser eficaz em determinar a relação entre a resistência femoral e fatores que afetam a capacidade estrutural do fêmur fornecendo importantes insights neste processo1,2 , 3. resistência femoral medida experimentalmente também é usada para validação de computadorizada quantitativa com base em análise por elementos finitos (FEA/QCT) que permite uma estimativa não-invasiva de fratura força4,5, 6,7.
Até à data, não há nenhum procedimento padrão aceito para testar amostras toda femorais à fratura. Para isolar variáveis mensuráveis clinicamente (tais como a densidade mineral óssea e geometria) e sua influência na resistência femoral, é imperativo para testes a efectuar de forma controlada e repetível. Os fêmures cadavéricos têm formas irregulares e variedade em tamanhos8 e podem ser obtidos de cadáveres ou masculinos ou femininos de idades diferentes, tornando impossível para testar usando o built-in dispositivos elétricos de máquinas de teste de padrão. Em uma queda lateral no evento do quadril, o grande trocanter sofre carga compressiva, enquanto o fêmur proximal pode ocorrer carregamento complexo, incluindo compressão, tensão, flexão e torção momento. Tais cenários de carga de teste adiciona complexidade para o delineamento experimental. Portanto, um acessório, como um componente importante do protocolo do teste, deve ser especificamente projetado, fabricado e instalado para acomodar femorais amostras de diferentes formas e tamanhos e velocidades de testes diferentes. Este dispositivo elétrico também deve manter as amostras para testes em uma gama de orientações desejadas para simular cargas de possível impacto de uma queda no quadril. Para atender uma variedade de condições, o dispositivo elétrico precisa ter múltiplas fixas e mover componentes conectados de forma a minimizar jogar no sistema e obter uma resposta de carga-deslocamento suave.
Aquisição de dados confiáveis também é fundamental durante o teste. O delineamento experimental deve incorporar as células de carga necessário, Transdutores de deslocamento, amplificadores de sinal e condicionadores com precisão de medida de forças e momentos em todos os suporta. Além disso, vídeos de alta velocidade de ambas as vistas anteriores e posteriores do fêmur obtidos sincronicamente com a aquisição de forças são necessários para ajudar a compreender a sequência de eventos que levaram à fratura, caracterizar tipos de fratura e precisamente Defina a resistência femoral4,9.
Embora existam estudos experimentais valiosos na literatura no fêmur inteiro testando, protocolos publicados ou faltam de detalhes sobre como o teste foi executado ou são muito diferentes de um estudo para outro tornar verdadeiramente lhes reprodutíveis10, 11. O objetivo do atual trabalho foi apresentar um protocolo para ensaio mecânico de amostras femorais que podem ser usadas como ponto de partida para um esforço para padronizar testes que podem ser repetíveis e reprodutíveis de tecido ósseo. Para este fim, nós projetado e fabricado um teste dispositivo elétrico que foi usado para testar a cerca de 200 fêmures cadavéricos. O dispositivo de teste elétrico incluído um dispositivo elétrico inferior e um dispositivo elétrico do crosshead. A fixação inferior (figura 1A-E) detém o fêmur em uma orientação desejada durante o teste e inclui uma célula de carga do trocanter e uma célula de carga de 6 canais ligados à diáfise femoral. Também acomoda três traduções independentes para permitir o posicionamento do osso para o ensaio de fratura. Um ponto de rotação é adicionado para imitar a articulação do joelho. As partes principais da fixação do fundo eram constituídas por pedaços grossos de aço inoxidável e alumínio tornar-se um dispositivo elétrico muito duro. Uma célula de carga é anexada para a fixação do fundo para medir forças compressivas sobre o grande trocanter durante o teste. A fixação do crosshead (Figura 2A-2E) inclui duas placas de base de alumínio e dois rolamentos de esferas de slides muito dura (conectados juntos por uma placa de alumínio), para dar conta do movimento da cabeça do fêmur durante o teste e, também, para acomodar para os fêmures esquerdos e direito. Uma célula de carga abrangidos pelas medidas de fixação do crosshead forças compressivas. Um copo de alumínio ligado à célula de carga é usado para aplicar as cargas compressivas na cabeça femoral. Nosso método foi usado para os fêmures esquerdos e direito de ambos os sexos, com vários tamanhos, ângulos cervicodiafisário, densidade mineral óssea e condições imitando um lateral de carga cair sobre as ancas. As velocidades de testes em nossos experimentos foram definidas 5, 100 e 700 mm/s, mas podem ser definidos como qualquer valor disponível na máquina de teste. O dispositivo elétrico projetado tinha dois componentes principais, um ligado ao crosshead da máquina de teste e outro ligado ao quadro de teste. Ambas as partes foram instrumentadas com células de carga suficientes para medir a força e as condições de contorno de momento em tudo suporta. Além disso, duas câmeras de vídeo de alta velocidade foram usadas para registrar os eventos de fratura durante o teste. Após fratura, examina um conjunto de raios-x e tomografia computadorizada (CT) foram obtidos para as análises de fratura experimental do post. Resultados obtidos nestes experimentos incluindo fratura força e energia são atualmente utilizados para pesquisas adicionais em ferramentas de diagnóstico para eventualmente melhorar a avaliação da força de fratura proximal em pacientes osteoporóticos.
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Protocolo
1. apego grande dispositivo elétrico
- remover dispositivos elétricos padrão da máquina.
- Mover do crosshead separados para acomodar a fixação interna.
- Coloque o bloco de alumínio (parte n º 1 na figura 1A) na máquina e firmemente na máquina usando dois parafusos; o buraco no centro acomoda a célula de carga máquina.
- Colocar a estrutura principal do dispositivo elétrico (parte n º 2 na figura 1B) no bloco de alumínio e anexá-lo com segurança para o bloco com 4 parafusos.
- Coloque um jack de quatro toneladas sob a parte do dispositivo elétrico que não descansa sobre o bloco de alumínio para suportar o dispositivo elétrico ( Figura 1).
- Montar a fixação de célula de carga de 6 canais (parte n º 3 na Figura 1) na fixação do principal e fixá-lo com 6 parafusos.
2. Acessório de fixação do crosshead
- conjunto crosshead máquina para zero absoluto usando controle de elevador do crosshead.
- Anexar a primeira placa base (parte n º 4 na Figura 2B) ao crosshead usando 7 parafusos com bordas curvas, virado para a frente da máquina de teste.
- Anexar segunda placa base (parte n º 5 na Figura 2) usando um parafuso pivotante. O parafuso acomoda ossos direito e esquerdos durante o teste. A segunda placa de base (parte n º 5) é livre para girar sobre o parafuso pivô em relação à primeira placa base (parte n º 4). Orientação da segunda placa de base determina se a instalação é para direita ou esquerda fêmur.
- Prender o conjunto dos dois slide rolamentos (parte n º 6 na Figura 2D) para a segunda placa de base (parte n º 5) com 4 parafusos (2 parafusos podem ser acessados de um lado da placa de base primeiro). Gire a segunda placa de base de tal forma que o segundo conjunto de parafusos pode ser acessado da parte superior do primeiras as placas de base.
Nota: Para alterar a orientação dos slides de osso esquerdo para direito osso, os 4 parafusos na parte superior da placa de base primeiro são soltar e slides são girados sobre o parafuso pivô e prendidos outra vez na orientação necessária. - Manualmente girar os slides que são ortogonais a carga de 6 canais de célula, definindo a cruzeta de máquina para a posição relativa de 65°.
3. Instrumentados dispositivo elétrico, câmera de alta velocidade e configuração de iluminação para o experimento
máquina- conjunto até a fixação inferior instrumentado em um teste hidráulico servo padrão. Este dispositivo elétrico vai segurar o fêmur e acomodar os fêmures esquerdos e direito em queda na configuração do quadril ( Figura 1).
- Configurar câmera de alta velocidade e equipamento de iluminação ( Figura 3A-3D).
- Posicionar luzes de alta intensidade em tripés com um de cada lado da máquina e fixe-os ( Figura 3A).
- Configurar tripés para câmeras de alta velocidade em ambos os lados do teste da máquina e conectem cada câmera para unidades de aquisição de dados ( Figura 3B -3 C).
- Com as câmeras ligadas e conectadas à unidade de aquisição, configurar as configurações da câmera; definir a taxa de quadros para 6000 frames por segundo (fps) e resolução de 1.024 x 512 pixels; resolução pode ser reduzida para acomodar a memória interna da câmera ( Figura 3D).
- Conjunto obturador para quadro 1/seg (1/6.000 fps). Também definir a opção de câmera, tal que as gravações começam antes o atuador (100 ms para testes rápidos e 200 ms para testes de lentas).
- Conecte o cabo de sincronização entre as duas câmeras; modo de gatilho selecione na configuração das câmeras software.
4. Células de carga verificando/aferição para sistema adequado de aquisição de dados (DAQ)
- criação de unidade DAQ
- Connect o DAQ para o teste de máquina, câmara de vídeo de alta velocidade, células de carga e potenciômetro linear como mostrado na fiação esquemática na Figura 4.
- Verificar a correcta conexão da célula de carga trocantérica, célula de carga de cabeça, potenciômetro linear, célula de carga de 6 canais e disparar o sinal para o dispositivo DAQ observando traços de sinal de dados no painel de visualização do software DAQ empurrando manualmente na célula de carga.
- Verificar que o DAQ, condicionador de sinal e um gerador de pulso são todos powered ON.
- Configurar o software DAQ para todos os sinais das células de carga e o potenciômetro linear. No software DAQ, selecione o " instalação passo > > configuração " guia e configurar a taxa de aquisição (Hz) para cada entrada de sinal associada a cada célula de carga. Sobre o " Gatilhando " guia, selecione a opção apropriada do disparo. Equipamento de vídeo também deve ser disparado durante testes para garantir o sincronismo do sistema de vídeo/DAQ.
- Aplicar uma carga nominal (por exemplo, um mínimo de 200 libras para um máximo de 1600 lbs) a cabeça do fêmur e células de carga de trocanter usando a máquina hidráulica servo padrão para verificar a carga razoável cela medições e comparam com o fabricante folhas de dados de calibração ( Figura 5A).
- Da mesma forma, aplicar cargas estáticas de célula de carga de 6 canais, usando um peso morto, como mostrado na Figura 5B. Verificar a funcionalidade e verificar o desempenho da célula de carga de 6 canais ( Figura 5A -5B) calculando porcentagem diferenças entre valores de momento e força medida e teórica. O erro deve ser inferior a 5%.
Nota: Todas as células de carga devem foram calibradas pelo fabricante com antecedência. Esta etapa só verifica que as células de carga estão funcionando, todas as conexões são feitas e os sinais são razoáveis.
Calibrando o potenciômetro linear - de
- fixar o dispositivo elétrico linear potenciômetro para crosshead e coloque o potenciômetro linear a fixação ( Figura 5). Aperte os parafusos para prender o corpo do potenciômetro e ligue o conector da unidade DAQ
- Mover manualmente o atuador (25 mm) no quadro da carga para que a posição do potenciômetro traduz de compressão máxima extensão máxima e deslocamentos de registro e a tensão correspondente (para pontos de dados de pelo menos três). Plotar deslocamento vs tensão e caber uma função linear para os dados (R 2 > 0,95). A inclinação da equação linear (mm/V) de entrada como o fator de calibração para o " parâmetro de dimensionamento " caixa do software DAQ.
- Verifique se a configuração de máquina de teste geral testando um osso de fibra de vidro de substituto à fratura para certificar-se de todos os dados de aquisição são funcional e razoável. Isso inclui célula de carga do trocanter, célula de carga de cabeça femoral, potenciômetro linear, a célula de carga de seis canais e o sinal de gatilho ( Figura 6).
5. Preparação de ossos para teste
- descongelar ossos em temperatura ambiente por 24 h e remover a umidade, excesso de gordura e qualquer tecido mole restante usando papor toalhas.
- Coloque o osso no acrílico digitalização dispositivo elétrico e preparar cimento dental. Medir a 60 g de pó PMMA e misture com 30 g de resina líquida sob coifa até dissolver o pó. A mistura deve ser pourable. Use um copo de papel descartável para este processo. Esta etapa é para envasamento do grande trocanter em um copo de alumínio ( Figura 7A).
- Alinhar o copo de alumínio abaixo do trocanter. Em seguida, despeje o cimento PMMA para metade da altura da Copa e levantar a plataforma do dispositivo elétrico para caber o osso no copo. Permitir que 10-15 min para polimerização.
- Ossos wrap em soro fisiológico embebido toalhas para evitar o ressecamento do tecido durante a polimerização do cimento ósseo.
- Mover o osso para a fixação de teste na máquina de testes com o copo de alumínio ligado ao trocanter ( Figura 7B)
- Center o copo de alumínio na placa anexada à célula de carga trocantérica e ajustar os rolamentos do slide para que o copo de alumínio toca ligeiramente a célula de carga. Retire o pino do dispositivo elétrico para permitir a rotação de fixação do
- Center e inferior a cruzeta para contato com a cabeça femoral.
- Revisão instalação, posição de osso, sinais de célula de carga e posição da Copa. Também o dispositivo DAQ revisão; Certifique-se de que todas as células de carga e equipamentos estão conectadas corretamente e verificar que tudo está ligado. Verifique a configuração do software por resposta de sinal adequado de cada célula de carga.
- Tirar fotos do fêmur colocado a fixação dos 2 lados na.
- Definir a abertura para permitir que a luz suficiente para o sensor da câmera e controlar a profundidade de campo. Verifica a qualidade da imagem, centrando-se no colo do fêmur. Este processo deve impedir qualquer brilho e regiões de osso lustroso na imagem que afetaria a capturar o evento fratura.
6. Teste de fratura
- verificar o quadro de carga mecânica servo está programado para o controle de deslocamento apropriado de 25 mm para o ensaio de fratura no quadro de carga mecânica servo para carregando e descarregando.
Nota: Estes são fabricante configurações específicas e devem ser de entrada e verificados no painel de controle do equipamento de teste de acordo com as especificações do fabricante. - Verificar a iluminação para minimizar reflexos em câmeras de vídeo e o sistema de aquisição de dados uma vez final.
- Clique no ícone iniciar painel de controle para iniciar a sequência de teste para fratura de fêmur de teste ( Figura 7).
- Tirar fotos do fêmur fraturado dos 2 lados.
- Manualmente retrair o atuador e remover o fêmur da máquina.
7. Pós-fratura preparação
- remover o osso do dispositivo elétrico.
- Extremidade quebrada proximal de fita do osso do eixo, embrulhe em toalhas molhadas e sacos de plástico ( Figura 7) e depois congelar a -20 ° C.
- Preservar os ossos para ainda mais pós-fratura raio x e CT imagens.
Nota: Pormenores para esses processos foi explicados anteriormente em outro protocolo do nosso grupo (sob revisão em JoVE) ( Figura 7E).
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Resultados
Dispositivos elétricos internos são montados os dispositivos elétricos padrão são retirados da máquina de teste. Primeiro, a fixação de fundo pesado é montada e fixada (Figura 1). Isso inclui um braço estendido para manter a célula de carga de 6 canais, que também permite que a diáfise femoral ser alinhado em um ângulo de adução desejado. Em seguida, o dispositivo elétrico do crosshead, incluindo dois rolamentos de fricção corrediça é montado para acomodar a ...
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Discussão
Propusemos um protocolo para fraturar testar os fêmures cadavéricos proximais em uma queda na configuração do quadril, com o qual nós testamos com sucesso cerca de 200 amostras. O protocolo inclui vários dispositivos elétricos projetados in-house para resistência femoral testes sob condições de carregamento diferentes. O dispositivo elétrico permite testes dos fêmures esquerdos e direito em diferentes velocidades de testes e orientações para o osso. Depois de montar o dispositivo elétrico e os instrumentos de medição, um...
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Divulgações
Os autores têm sem divulgações pertinentes.
Agradecimentos
Gostaríamos de agradecer aos materiais e facilidade do núcleo testes estruturais e divisão de engenharia da clínica Mayo para suporte técnico. Além disso, gostaríamos de agradecer a Lawrence J. Berglund, James Bronk, Brant Newman, antro de op de Jorn Buijs, pH.d., por sua ajuda durante o estudo. Este estudo foi suportado financeiramente pelo fundo de inovação Grainger da Fundação Grainger.
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Scanner de tomografia computadorizada | Siemens | Somatom Scanner de definição (Siemens, Malvern, PA) | Equipamento de tomografia computadorizada |
| Quantitativo CT Phantom | Midways Inc, San Francisco, CA | Modelo 3 Calibração de TC Phantom | Usado para obter valores de BMD de unidades Hounsfield na imagem de TC |
| Resina Ortodôntica Higênica (PMMA) | Patterson Dental Supply | H02252 | Substância controlada e pode ser comprado com a devida aprovação |
| Freezer | Kenmore | N/A | Este é um armazenamento de -20oC 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 |
| Revelador 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 |
| Solução salina fisiológica (cloreto de sódio a 0,9%) | Baxter | NDC 0338-0048-04 | Usado para manter amostras hidratadas |
| Bisturis e raspadores | Bard-Parker | N/A | Usado para limpar o osso dos tecidos moles |
| Hotte Hamilton | 70532 | Usado para ventilação ao preparar PMMA para envasamento de amostras Técnicas de | |
| carga de eixo único | , Temecula, CA, EUA | LPU-3K; S/N | 219627 Capacidade 3000 LBS |
| Célula de carga de seis canais | JR3,Woodland, CA | 45E15A4 | Classificação de carga mecânica 1000N |
| Potenciômetro linear | Novotechnik, Southborough, MA, EUA | Usado para adquirir deslocamentos lineares durante o teste | |
| Rolamento de esferas deslizante | Schneeberger | Tipo NK | Parte do dispositivo de teste |
| Máquina de teste mecânico | MTS, Minneapolis, MN | 858 Mini Bionix II | Usado para compressão do fêmur Unidade de |
| iluminação | ARRI | Necessário para gravações de vídeo de alta velocidade câmera | |
| de vídeo de alta velocidade | Photron Inc., San Diego, CA, EUA | Photron Fastcam APX-RS | Usado para capturar as gravações de vídeo de alta velocidade dos eventos de fratura |
| Photron FASTCAM Viewer | Photron Inc., San Diego, CA, EUA | Ver.3392(x64) | Usado para visualizar as gravações de vídeo de alta velocidade Lente |
| câmera | Zeiss | Zeiss Planar L4/50 ZF Lente | Necessária para alta resolução de imagem |
| Placa condicionadora de sinal (DAQ) | National Instruments | Conector de sinal de entrada/saída | |
| Signal Express | National Instruments | N/A | Software de aquisição de dados |
| Laptop | Dell | N/A | Usado para monitorar e adquirir todos os sinais do procedimento de teste |
Referências
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Reimpressões e permissões
