Summary
In dit manuscript presenteren wij een protocol ter test dode foetussen proximale dijbenen breuk in een zijwaartse val op de hip configuratie met behulp van de geïnstrumenteerde armaturen gemonteerd op een standaard servo-hydraulische frame. Negen gedigitaliseerde signalen, bestaande uit troepen, momenten, en verplaatsing samen met twee hoge snelheid video-streams zijn verkregen tijdens het testen.
Abstract
Mechanische beproeving van de dijbenen brengt waardevolle inzichten in het begrip van de bijdrage van klinisch-measureable variabelen zoals bot mineraal dichtheid distributie en geometrie van de femorale mechanische eigenschappen. Momenteel, is er geen standaard protocol voor mechanische testen van dergelijke geometrisch complexe botten maatregel sterkte en stijfheid. Om aan te pakken van deze kloof hebben we een protocol om te testen van dode foetussen dijbenen breuk en voor het meten van hun biomechanische parameters. Dit protocol beschrijft een aantal flexibele inrichting geschikt voor de verschillende grootheden van de belasting en richtingen accounting voor oriëntaties mogelijk bot bij een val op de hip configuratie te testen van de snelheid, de grootte van het bot en been rechts linkerbeen variaties. De dijbenen waren voorbereid op testen door schoonmaken, snijden, scannen en potgrond van de distale uiteinde en grotere trochanter contact oppervlakken in poly(methyl methacrylate) (PMMA) zoals gepresenteerd in een ander protocol. De voorbereide specimens werden geplaatst in de testen meubilair in een positie het nabootsen van een zijwaartse val op de heup en geladen om breuk. Tijdens het testen, twee laden cellen gemeten verticale krachten toegepast op de femurkop en grotere trochanter, een zes-as belasting cel gemeten krachten en momenten op de distale femur schacht en een verplaatsing sensor gemeten differentiële verplaatsing tussen de Neem contact op met de ondersteunt femurkop en trochanter. High speed video camera's werden gebruikt om synchroon opnemen de opeenvolging van gebeurtenissen van breuk tijdens het testen. De vermindering van deze gegevens konden we de sterkte, stijfheid, karakteriseren en energie voor bijna 200 osteoporotisch, osteopenic, breuk en normale dode foetussen dijbenen voor de verdere ontwikkeling van diagnostische middelen voor osteoporose techniek gebaseerde onderzoek.
Introduction
Ontwikkeling van nieuwe methoden voor de risicobeoordeling femurfractuur en breuk preventie voor een val op de heup vereist een grondig inzicht in de biomechanische processen tijdens fractuur. Dode foetussen proximale dijbeen sterkte testen heeft bewezen effectief te zijn in het bepalen van de relatie tussen femur sterkte en factoren die de structurele capaciteit van het dijbeen biedt belangrijke inzichten in dit proces1,2 , 3. experimenteel gemeten femorale sterkte wordt ook gebruikt voor de validatie van kwantitatieve berekend tomografie gebaseerde eindige Element Analysis (FEA/QCT) waarmee een niet-invasieve schatting van breuk kracht4,5, 6,7.
Tot op heden, is er geen aanvaarde standaard procedure voor het testen van specimens van de hele femorale breuk. Isoleren van klinisch-measureable variabelen (zoals bot mineraal dichtheid en meetkunde) en hun invloed op de sterkte van de femur, is het absoluut noodzakelijk voor experimentele testen uit te voeren op een gecontroleerde en herhaalbare manier. Dode foetussen dijbenen hebben onregelmatige vormen en bereik in de maten8 en mannelijke of vrouwelijke kadavers van verschillende leeftijden, waardoor het onmogelijk is om te testen met behulp van ingebouwde armaturen voor standaard testen van machines kunnen worden verkregen. In een zijwaartse val betreffende het evenement "hip" ondergaat de grotere trochanter druksterkte laden, terwijl het proximale dijbeen complexe laden met inbegrip van compressie, spanning treden, buigend moment, en torsie. Testen van dergelijke scenario's van laden, voegt complexiteit toe aan de proefopzet. Daarom moet een armatuur, als een belangrijk onderdeel van het test protocol, worden speciaal ontworpen, vervaardigd en geïnstalleerd zodat de femorale monsters van verschillende vormen en maten en verschillende testen snelheden. Dit meubilair houdt ook de exemplaren voor het testen in een aantal gewenste oriëntaties te simuleren van ladingen van de mogelijke gevolgen van een val op de heup. Om te voldoen aan zulk een verscheidenheid van voorwaarden, moet de armatuur meerdere stationaire en bewegende onderdelen aangesloten op een manier om te spelen in het systeem te minimaliseren en om een soepele laden-verplaatsing antwoord te krijgen.
Betrouwbare data-acquisitie is ook kritisch tijdens het testen. De proefopzet moet omvatten de nodige meetcellen, tandemasstellen, signaal versterkers en conditioners nauwkeurig maatregel krachten en momenten helemaal ondersteunt. Bovendien, hoge snelheid video's van de anterieure en posterieure weergaven van het dijbeen verkregen synchroon met de overname van krachten nodig zijn om te helpen begrijpen van de opeenvolging van gebeurtenissen die leiden tot breuk, fractuur typen, karakteriseren en nauwkeurig define femorale kracht4,9.
Hoewel er waardevolle experimentele studies in de literatuur over het hele dijbeen testen, gepubliceerde protocollen gebrek aan details over hoe de testen werd uitgevoerd of zijn zeer verschillend van een studie naar de andere te echt laten reproduceerbare10, 11. Het doel van het huidige werk was de introductie van een protocol voor mechanische testen van femur monsters die kunnen worden gebruikt als uitgangspunt voor een poging om te testen die kunnen herhaalbare en reproduceerbare botweefsel te standaardiseren. Te dien einde, we ontworpen en vervaardigde een testen armatuur die werd gebruikt voor het testen van ongeveer 200 dode foetussen dijbenen. De testen armatuur opgenomen een onder meubilair en een crosshead armatuur. De onderste armatuur (figuur 1A-E) houdt het dijbeen op een gewenste oriëntatie tijdens het testen en bevat een cel trochanter belasting en een 6-kanaals belasting cel aangesloten op de femorale schacht. Het herbergt ook drie onafhankelijke vertalingen te maken voor de positionering van de bot voor het testen van de breuk. Een rotatie-punt wordt toegevoegd na te bootsen van het kniegewricht. De grote delen van de bodem armatuur waren samengesteld uit dikke stukken van roestvrij staal en aluminium maken een zeer stijf armatuur. Een belasting-cel is gekoppeld aan de onderkant armatuur krachten te meten druksterkte op de grotere trochanter tijdens het testen. De armatuur crosshead (figuur 2A-2E) bestaat uit twee aluminium base platen en twee zeer stijf dia kogellagers (met elkaar verbonden door een aluminiumplaat), ter verantwoording voor het verkeer van de femurkop tijdens het testen, en ook om tegemoet te komen voor linker- en dijbenen. Een cel belasting opgenomen in de crosshead armatuur maatregelen druksterkte krachten. Een aluminium beker gekoppeld aan de cel van de lading wordt gebruikt om de druksterkte ladingen van toepassing op de femurkop. Onze methode werd gebruikt voor links en rechts dijbenen van beide geslachten, met verschillende maten, nek-schacht hoeken, bot mineraal dichtheid en belastingstoestanden nabootsen van een zijwaarts vallen op de heup. De testen snelheden in onze experimenten werden ingesteld op 5, 100 en 700 mm/s, maar ze kunnen worden ingesteld op elke waarde die beschikbaar is op de testen machine. De ontworpen meubilair had twee hoofdonderdelen, een aangesloten op de crosshead van de testen machine en de andere verbonden aan het testen frame. Beide delen zijn geïnstrumenteerd met meetcellen voldoende voor het meten van de kracht en moment randvoorwaarden helemaal ondersteunt. Daarnaast werden twee high-speed video camera's gebruikt voor het opnemen van de fractuur gebeurtenissen tijdens het testen. Na fractuur, een set van x-stralen en berekend tomografie (CT) scant voor post experimentele fractuur analyses werden verkregen. Resultaten van deze experimenten met inbegrip van de fractuur kracht en energie worden momenteel gebruikt voor aanvullend onderzoek in diagnostische hulpprogramma's om uiteindelijk de beoordelingvan proximale fractuur sterkte in osteoporotisch patiënten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. grote armatuur bijlage
- standaard inrichting uit de machine verwijderen.
- Crosshead uit elkaar bewegen aan de in-house armatuur.
- Plaats van het aluminium blok (deel nr. 1 in de figuur 1A) op de machine en veilig op de machine met behulp van twee bouten vast; het gat in het midden herbergt de machine load cel.
- Plaatst de belangrijkste armatuur structuur (deel nr. 2 in de figuur 1B) op het aluminium blok en veilig hechten aan het blok met 4 bouten.
- Plaatsen van een vier-ton aansluiting onder het deel van meubilair die niet op het aluminium blok rust ter ondersteuning van de armatuur ( Figuur 1 c).
- De 6-kanaals belasting cel armatuur (deel nr. 3 in Figuur 1 d) op de belangrijkste armatuur monteren en beveiligen met behulp van 6 schroeven.
2. Crosshead meubilair bijlage
- de crosshead van de machine ingesteld op absolute nulpunt met behulp van de crosshead lift controle.
- Eerste basisplaat (deel nr. 4 in figuur 2B) hechten aan de 7 schroeven met zijn gebogen randen naar de voorkant van de testen machine crosshead.
- Bijvoegen tweede basisplaat (deel nr. 5 in figuur 2C) met behulp van een draaiende schroef. De schroef is geschikt voor linker- en beenderen tijdens het testen. De tweede basisplaat (deel nr. 5) is gratis te draaien over de pivot-schroef ten opzichte van de eerste basisplaat (deel nr. 4). Oriëntatie van de tweede basisplaat bepaalt als de installatie voor de linker- of dijbeen is.
- Sluit de vergadering van de twee glijlagers (deel nr. 6 in figuur 2D) naar de tweede basisplaat (deel nr. 5) met 4 schroeven (twee schroeven kunnen worden geopend vanuit de ene kant van de eerste basisplaat). Draaien van de tweede basisplaat op zodanige wijze dat de tweede set schroeven toegankelijk zijn vanaf de bovenkant van de eerste baseplates.
Opmerking: Als u wilt wijzigen de afdrukstand van de dia's van de linker been tot juiste bot, de 4 schroeven op de top van de eerste basisplaat zijn ze, en vervolgens dia's zijn gedraaid over de pivot-schroef en weer vastgemaakt op de gewenste afdrukstand. - Handmatig draaien de dia's die orthogonaal met 6-kanaals belasting zijn cel door de crosshead van de machine op de relatieve positie van 65°.
3. Geïnstrumenteerd meubilair, High-speed Camera en verlichting Setup voor Experiment
- Set up de geïnstrumenteerde onder meubilair op een standaard servo-hydraulische testen machine. Dit meubilair zal houden van het dijbeen en geschikt voor zowel links als rechts dijbenen in herfst op de hip configuratie ( Figuur 1).
- High-speed camera en verlichtingsapparatuur instellen ( figuur 3A-3D).
- Hoge intensiteit lichten op statieven met een aan elke zijde van de machine plaatsen en beveiligen ze ( figuur 3A).
- Statieven instellen voor high-speed camera's aan weerszijden van het testen machine en elke camera verbinden met overname gegevenseenheden ( figuur 3B -3 C).
- Met de camera's op en verbonden aan de verwerving eenheid, camera instellingen configureren; framesnelheid ingesteld op 6000 frames per seconde (fps) en resolutie van 1024 x 512 pixels; resolutie kan worden verminderd zodat het interne geheugen van de camera ( Figuur 3D).
- Set sluitertijd te 1 frame/sec (1/6000 fps). Ook de optie van de camera zo ingesteld dat de opnames beginnen voordat de bedieningssleutel verhuist (100 ms voor snelle tests en 200 ms voor langzame tests).
- De synchroniseren kabel tussen de twee camera's; Selecteer trigger-modus in de software-instellingen van de camera's.
4. Controle/Calibrating laden cellen voor de juiste Data acquisitie systeem (DAQ)
- opzetten DAQ eenheid
- verbinden de DAQ op het testen machine, high-speed video camera, meetcellen en lineaire potentiometer zoals in bedrading Schematische in Figuur 4.
- Controleren van de juiste verbinding voor Trochanteravulsie belasting cel hoofd belasting cel, lineaire potentiometer, 6-kanaals belasting cel en signaal naar de DAQ apparaat activeren door het observeren van gegevens signaal sporen in het deelvenster weergave van de DAQ software door manueel het duwen van op de belasting cel.
- Verifiëren dat de DAQ, signaal Conditioner en Pulse Generator zijn allemaal aangedreven ON.
- Configureren de DAQ software voor alle signalen van de meetcellen en de lineaire potentiometer. Selecteer in de DAQ software, de " stap setup > > configuratie " tab en opzetten van de overname-rate (Hz) voor elk ingangssignaal elke lading cel is gekoppeld. Op de " Triggering " tab, selecteer de gewenste triggering optie. Video-apparatuur moet ook worden gestart tijdens het proces loopt om video/DAQ systeem synchroniciteit.
- Een nominale belasting (bijvoorbeeld een minimum van 200 pond tot een maximum van 1600 pond) van toepassing op de femurkop en trochanter meetcellen gebruik van de standaard servo-hydraulische machine om te controleren hoe de redelijke geladen cel metingen en vergelijken met fabrikant kalibratie informatiebladen ( figuur 5A).
- Toepassen op dezelfde manier statische ladingen op de 6-kanaals belasting cel met behulp van een laadvermogen, zoals weergegeven in figuur 5B. Controleer de functionaliteit en de prestaties van de 6-kanaals belasting cel ( figuur 5A -5B) door te berekenen percentage verschillen tussen de gemeten en theoretische kracht en moment waarden. De fout moet minder dan 5%.
Opmerking: Alle meetcellen moeten hebben gekalibreerd door de fabrikant op voorhand. Deze stap wordt alleen gecontroleerd dat de meetcellen functioneren, alle verbindingen zijn gemaakt en de signalen redelijke zijn. - Kalibreren van de lineaire potentiometer
- Secure het armatuur van de lineaire potentiometer aan de crosshead en plaats de lineaire potentiometer in de armatuur ( figuur 5C). Draai de schroeven te vergrendelen van de potentiometer lichaam en steek de connector in de DAQ apparaat
- Handmatig verplaatsen de bedieningssleutel (25 mm) op het frame van de belasting zodat de positie van de potentiometer vanuit het maximum-samenpersing maximale uitbreiding en record verplaatsingen en de overeenkomstige spanning (voor ten minste drie gegevenspunten vertaalt). Plot verplaatsing vs. voltage en past een lineaire functie om de gegevens (R 2 > 0.95). Ingang van de helling van de lineaire vergelijking (mm/V) als de kalibratiefactor in de " schalen parameter " vak van de software DAQ.
- De totale testen machine-instellingen controleren door het testen van een surrogaat glasvezel bot om ervoor te zorgen dat alle data-acquisitie is functioneel en redelijke breuk. Dit omvat trochanter belasting cel, femorale hoofd belasting cel lineaire potentiometer, de zes-kanaals belasting cel en de trigger signaal ( Figuur 6).
5. Botten voorbereiden testen
- botten bij kamertemperatuur gedurende 24 uur ontdooien en verwijderen van vocht, overtollige vet en eventuele resterende weke delen met behulp van paper handdoeken.
- Plaats van bot in het acryl scannen van meubilair en bereiden van tandheelkundige cement. Meten van 60 g PMMA poeder en meng met 30 g van vloeibare hars onder zuurkast totdat het poeder heeft opgelost. Het mengsel moet pourable. Gebruik een wegwerp papieren kopje voor dit proces. Deze stap is voor de grotere trochanter aan een aluminium cup ( figuur 7A) potgrond.
- Uitlijnen de aluminium cup onder de trochanter. Vervolgens giet PMMA cement op de helft van de hoogte van de cup, en verhogen het armatuur platform aanpassen aan het bot in de beker. Toestaan van 10-15 min. voor polymerisatie.
- Wrap botten in een zoutoplossing gedrenkt handdoeken om te voorkomen dat weefsel droogte tijdens bot cement polymerisatie.
- Verplaatsen van bot op de steun van de test in de testen machine met aluminium beker aangesloten op de trochanter ( figuur 7B)
- Centrum van het aluminium cup op de plaat die is gekoppeld aan de cel Trochanteravulsie belasting en glijlagers zodanig aanpassen dat de aluminium cup iets de belasting-cel raakt. Verwijderen van de pin van de armatuur te voorzien in rotatie van de armatuur
- Center en lager de crosshead voor contact met de femurkop.
- Review setup, bot positie belasting cel signalen en cup positie. Ook beoordeling DAQ apparaat; Zorg ervoor dat alle apparatuur en laden cellen goed zijn aangesloten en controleer of dat allemaal zijn ingeschakeld. Software setup voor goede signaal reactie van elke lading cel controleren.
- Foto's nemen van het dijbeen geplaatst in het armatuur van 2 kanten.
- Stel het diafragma de scherptediepte te laten genoeg licht op de camerasensor. Controleer de beeldkwaliteit door te focussen op de femorale nek. Dit proces moet voorkomen dat verblinding en glanzende bot gebieden in de afbeelding dat afbreuk zou doen aan de breuk-gebeurtenis vastleggen.
6. Testen aan breuk
- controleren het servo mechanische belasting frame is geprogrammeerd voor passende verplaatsing besturingselement van 25 mm voor de test van de breuk in het frame van de mechanische belasting servo voor zowel laden en lossen.
Opmerking: Deze zijn fabrikant specifieke instellingen en moeten worden input en geverifieerd in het control panel van de testapparatuur die volgens de specificaties van de fabrikant. - Verlichting om te minimaliseren reflecties in de video-camera's, en het data-acquisitiesysteem één laatste keer controleren.
- Klik op het pictogram start vanaf het bedieningspaneel in te leiden van de testcyclus om test dijbeen ( Figuur 7 c) breuk.
- Foto's nemen van het gebroken dijbeen van 2 kanten.
- Handmatig intrekken bedieningssleutel en dijbeen verwijderen machine.
7. Na breuk voorbereiding
- bot te verwijderen van meubilair.
- Tape proximale gebroken einde van bot shaft, wikkel in natte handdoeken en plastic zakken ( figuur 7D) en vervolgens bevriezen bij -20 ° C.
- Behouden de botten voor verder na breuk X-ray en CT beeldvorming.
Opmerking: Details voor deze processen zijn eerder uitgelegd in een ander protocol van onze groep (in review op JoVE) ( figuur 7E).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
In-House armaturen zijn gemonteerd nadat de standaard armaturen uit de testen machine zijn verwijderd. Eerst is de onderkant zwaar meubilair gemonteerd en verzekerd (Figuur 1). Het gaat hierbij om een uitgebreide arm om te houden van de 6-kanaals belasting cel waarmee ook de femorale schacht worden uitgelijnd in een hoek van de gewenste adductie. Vervolgens is het meubilair van de crosshead met inbegrip van twee wrijvingsloos glijlagers gemonteerd zodat de toepassing van de belasting en femur hoofd verkeer tijdens fractuur (Figuur 2). De bovenste armatuur is instelbaar voor het testen van zowel links als rechts benen. Zodra alle armaturen zijn gemonteerd, zijn high speed video camera's en verlichtingsarmaturen geïnstalleerd. De beelden in de camera worden getest voor focus, contrast, en diepte van het veld (Figuur 3). Alle instrumenten zijn verbonden aan een DAQ eenheid (Figuur 4) en single-as, zes-as meetcellen en de lineaire potentiometer zijn gecontroleerd op functionaliteit en gekalibreerd, respectievelijk (Figuur 5). Alle instrumenten zijn getest om ervoor te zorgen voor de juiste signalen uit de verschillende meetcellen (Figuur 6). De grotere trochanter vervolgens in een acryl meubilair voor potgrond geplaatst. Het dijbeen wordt dan geladen in de testen meubilair en gebroken. Nadat het dijbeen breuk is verwijderd uit het armatuur. Gebroken onderdelen samen worden geplakt en de hele monsters zijn verpakt in plastic zakken. De monsters worden vervolgens beeld met X-ray en gescand met CT voor verdere fractuur type indeling (Figuur 7). Gemeten resultaten omvatten 3 krachten en 3 momenten op de femorale schacht die worden gemeten met de 6-kanaals belasting cel, en de reactie van kracht op de femurkop. De belangrijkste resultaten worden gebruikt voor verdere QCT/FEA validatie zijn echter de kracht die is opgenomen in de grotere trochanter en de verplaatsing opgenomen in de femurkop (Figuur 8).
Figuur 1: onderste armatuur installatie. (A) plaatsen de aluminium blok (deel nr. 1) op machine tafel, (B) de belangrijkste onder meubilair structuur (deel nr. 2) te plaatsen en vastzetten aan het aluminium blok, (C) Main structuur is geïnstalleerd en beveiligde in plaats, (D) Montage van de 6-kanaals belasting cel armatuur (deel nr. 3) op de belangrijkste onder-structuur (deel nr. 2), (E) Adjusting femorale schacht hoek na installatie van de hele bodem meubilair. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: Crosshead armatuur installatie. (A) verwijderen armaturen uit machine actuator, (B) eerste basisplaat (deel nr. 4) is geïnstalleerd eerste, (C) de tweede basisplaat (deel nr. 5), (D) bijvoegen van de vergadering van de twee glijlagers (deel nr. 6) koppelen aan de tweede voetplaat, (E) voltooide installatie van de bovenste meubilair; (F) geheel testen van meubilair op de computer geïnstalleerd. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3: verlichting en camera's installatie. (A) opzetten van lampen en schilden; (B) koppelen de high-speed camera op het statief; (C) installeren van de lens aan de camera-eenheid; (D) u de camera aansluit op de computers. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4: schematische Diagram. DAQ eenheid met alle input/output apparaten aangesloten op DAQ. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5: kalibratie- en controleproces. Controleren van de functionaliteit van (A) één as meetcellen voor femurkop en grotere trochanter kracht metingen, en (B) zes-kanaals belasting cel voor femoral schacht krachten en momenten metingen; (C) kalibratie van de lineaire potentiometer voor het meten van de femorale hoofd verplaatsing. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 6: Set-up mechanische testen. Alle instrumenten zijn aangesloten en gesynchroniseerd om te communiceren met de machine, en videocamera's. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 7: dijbeen vóór en na het testen van de fractuur. (A) Potting de grotere trochanter in de aluminium beker gevuld met PMMA; (B) bot geplaatst in de testen armatuur met de grotere trochanter rustend op de lagere belasting-cel, terwijl de crosshead armatuur in contact met de femurkop is; (C) Fractured bone recht na mechanische testen; (D) verwijderen gebroken dijbeen uit de machine en taping van de gebroken delen samen; dijbeen verpakken in plastic zakken; (E) X-ray en CT scannen na fractuur. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 8: Force-verplaatsing Curve. Kracht-verplaatsing curven voor dijbenen getest breuk op 5 en 100 mm/s. De kracht is opgenomen in de grotere trochanter en the verplaatsing is opgenomen in de femurkop. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Wij hebben voorgesteld een protocol bij de fractuur proximale dode foetussen dijbenen testen in een val op de hip configuratie waarmee we met succes ongeveer 200 monsters getest hebben. Het protocol bevat verschillende in-house ontworpen armaturen voor femoral sterkte testen bij verschillende beladingen. De armatuur zorgt voor het testen van zowel linker- en dijbenen op verschillende testen snelheden en bot oriëntaties. Na het mounten van de armatuur en de meetinstrumenten, is getest op een glasvezel dijbeen breuk om te verzekeren dat alle hardware en software tools correct zijn aangesloten, synchroon, werken en de signalen en de video's zijn correct opgetekend worden. Vlak voor de werkelijke dode foetussen dijbeen breuk test, is de femorale schacht ingegoten in PMMA geklemd in het armatuur. Het mechanische testen protocol vergunningen voor femurfractuur testen in een herhaalbare en consistente wijze.
Tijdens het testen, de femorale schacht ervaringen buigen en torsional vervorming terwijl de femurkop en grotere trochanter zijn gecomprimeerd. Om te voorkomen dat de laterale laden van het model, is de crosshead armatuur ontworpen met twee cross lagers waardoor verkeer in het horizontale vlak met minimale wrijving. Dit verzekert de toepassing van een verticale belasting op de femurkop ongeacht been vervorming en ruimtelijke beweging van het hoofd tijdens het testen. Daarnaast is deze bovenste meubilair ontworpen voor linker- en dijbenen door het gewoon draaien van een plaat-component, zoals weergegeven in figuur 2C.
De onderste meubilair, verbonden aan de onderkant van de testen machine, is ontworpen om te houden van de dode foetussen dijbenen op gewenste adductie hoeken tijdens het testen. Dit armatuur bevat ook een enkele as belasting cel meten druksterkte ladingen op de trochanter en een zes-kanaals belasting cel aangesloten op de distale einde van de femorale schacht voor het meten van de drie krachten en drie momenten in de schacht. Daarnaast herbergt het armatuur de rotatie van het dijbeen over een virtuele punt simuleren van het kniegewricht.
Botweefsel, vergelijkbaar met andere biologische weefsels, heeft stam-tarief afhankelijk mechanische eigenschappen, en bijgevolg femorale kracht en de eigenschappen van de breuk met het testen van de snelheid12zal veranderen. Daarom moet het protocol en het testen armatuur kunnen worden gebruikt voor mechanische femorale testen op verschillende snelheden en geschikt voor allerlei data acquisitie apparatuur, monster frequenties, high-speed camera typen en lichtomstandigheden. Met het huidige protocol, hebben we met succes getest dijbenen op verschillende snelheden verschilde door twee ordes van grootte (5, 100 en 700 mm/s) om na te bootsen de snelheid van diverse traumatische gebeurtenissen.
High speed video camera's toegestaan opname van de fractuur opeenvolging van gebeurtenissen voor verdere analyse. Nuttig om gegevens te verkrijgen, werden alle testen onderdelen gesynchroniseerd tijdens testen te goed visualiseren de mechanica van de breuk. Via synchronisatie belasting cel, kunnen verplaatsing, en spleet initiatie en doorgeven van gegevens worden geanalyseerd samen om te helpen vormen een gedetailleerd beeld van de breuk.
Om te voorkomen dat het neerslaan van de grotere trochanter als gevolg van de niet-uniforme contact en ongewenst contact stress is concentratie, de trochanter ingegoten in een PMMA gevulde beker. Daarnaast is de bodem van de beker ronde te laten rollen op het onderste oppervlak van het meubilair. Dit leidt tot een verticale interventiemacht terwijl het voorkomen van laterale beperking van de steun die de sterkte van de fractuur of type kan beïnvloeden. Deze ontwerpkeuze moest verkrijgen van nauwkeurige femorale sterkte en breuk modi vergelijkbaar met degene die klinisch waargenomen.
In andere experimentele studies, alleen het meest proximale deel van de dijbenen zijn getest door het snijden van een groot deel van de femorale schacht van monsters, wat leidt tot zeer korte specimens13. In tegenstelling, test het huidige protocol 255 mm lang proximale femorale exemplaren. Het armatuur is ontworpen met een stalen arm uitbreiding van de lengte van het monster te nemen van een rotatie-punt in de buurt van het verwijderde kniegewricht meer realistisch nabootsen een zijwaartse val op de heup. Deze zijarm bevat een 6-component laden cel die wordt gebruikt om de drie krachten en drie momenten in de femorale schacht ontwikkeld tijdens het testen van de breuk te meten. Deze overwegingen zijn vergelijkbaar met die in eerdere studies, beschreven en helpen ons te meer nauwkeurig, de krachten die bijdragen van breuk en te schatten de femorale stijfheid en sterkte14begrijpen.
De 3 meetcellen gebruikt in onze armatuur leidde tot redundantie in de opgehaalde gegevens die ons gesteld te analyseren van het evenwicht van krachten en momenten in de belangrijkste verticale richting. Op het moment van piek trochanter dwingen, wij zeer vergelijkbaar grootheden gemeten door de verschillende meetcellen, met gemiddelde relatieve fout van ongeveer 2%, dat is een zeer bevredigende experimentele fout voor deze categorie van biomechanische tests waargenomen.
Dit protocol heeft verschillende mogelijke beperkingen. Een belangrijke beperking zou kunnen zijn dat de naleving van de armatuur en de testen machine kan invloed hebben op de gemeten verschuiving en stijfheid15. Dit wordt relevanter voor normale dijbenen waarvoor een grotere werklast voor breuk. Echter, we hebben ontworpen onze armatuur met dik staal en aluminium platen te handhaven een stijfheid ten minste één orde van grootte groter is dan de femorale stijfheid. Met behulp van een steekproef van ongeveer 200 dijbenen, merkten we een gemiddelde afwijking van ongeveer 5% in de gemeten femorale stijfheid wegens meubilair. Een correctiefactor werd vervolgens berekend voor elk femur om de waarden van de stijfheid te corrigeren. Een extra mogelijke beperking die tot fouten leiden kan is dat de volgorde van stappen testen moet strikt worden gevolgd. Bijvoorbeeld voor het eerste model getest, het houden van het dijbeen pin geplaatst voordat contact maken met de hoofd en trochanter meubilair oppervlakken niet werd verwijderd en het testen van de breuk werd voltooid zonder een punt van de rotatie DISTAAL eind (vaste einde). Een wijziging van het protocol vereist een rode lange lint aan de pin (figuur 1E) en een tweede exploitant om te bevestigen dat de PIN-code werd verwijderd vóór de proef. Ook tijdens het testen van snelheden waren varieerde sterk van 5-700 mm/s, onze tests waren toch quasi-statische experimenten. Om inzicht te krijgen in het dynamische gedrag van proximale dijbeen breuk onder hogere snelheid laden zoals die voortvloeien uit effecten, zou een daling-toren test werknemer16.
Terwijl op verschillende tijden en door verschillende actoren getest, werden alle dijbenen gebroken met hetzelfde protocol, armaturen en meetcellen aan herhaalbaarheid van het experiment dus verwijderen onzekerheden gerelateerde. Met een soortgelijke aanpak, het huidige protocol kan worden aangenomen en armaturen herontworpen om te testen in houding configuratie of andersoortige bot breuk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben geen relevante informatie.
Acknowledgments
We zouden graag bedanken de materialen en de structurele Core testfaciliteit en Division of Engineering in Mayo Clinic voor technische ondersteuning. Daarnaast zouden we graag bedanken Lawrence J. Berglund, James Bronk, Brant Newman, Jorn op den Buijs, Ph.D., voor hun hulp tijdens de studie. Deze studie werd financieel gesteund door het innovatiefonds Grainger sedert de grondlegging Grainger.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| CT scanner | Siemens | Somatom Definition scanner (Siemens, Malvern, PA) | CT scanning equipment |
| Quantitative CT Phantom | Midways Inc, San Francisco, CA | Model 3 CT calibration Phantom | Used for obtaining BMD values from Hounsfield units in the CT image |
| Hygenic Orthodontic Resin (PMMA) | Patterson Dental Supply | H02252 | Controlled substance and can be purchased with proper approval |
| Freezer | Kenmore | N/A | This is a -20oC storage for bones |
| X-ray scanner | General Electric | 46-270615P1 | X-ray imaging equipment. |
| X-ray films | Kodak | N/A | Used to display x-ray images |
| X-ray developer | Kodak X-Omatic | M35A X-OMAT | Used for developing X-ray images |
| X-ray Cassette | Kodak X-Omatic | N/A | Used for holding x-ray films |
| Physiologic Saline (0.9% Sodium Chloride) | Baxter | NDC 0338-0048-04 | Used for keeping samples hydrated |
| Scalpels and scrapers | Bard-Parker | N/A | Used to clean the bone from soft tissue |
| Fume Hood | Hamilton | 70532 | Used for ventilation when preparing PMMA for potting of specimens |
| Single axis load cell | Transducer Techniques, Temecula, CA, USA | LPU-3K; S/N 219627 | Capacity 3000 LBS |
| Six channel load cell | JR3,Woodland, CA | 45E15A4 | Mechanical load rating 1000N |
| Linear potentiometer | Novotechnik, Southborough, MA, USA | Used to acquire linear displacements during testing | |
| Slide ball bearing | Schneeberger | Type NK | Part of the testing fixture |
| Mechanical testing machine | MTS, Minneapolis, MN | 858 Mini Bionix II | Used for compression of femur |
| Lighting unit | ARRI | Needed for high speed video recordings | |
| high-speed video camera | Photron Inc., San Diego, CA, USA | Photron Fastcam APX-RS | Used to capture the high speed video recordings of the fracture events |
| Photron FASTCAM Viewer | Photron Inc., San Diego, CA, USA | Ver.3392(x64) | Used to view the high speed video recordings |
| Camera lens | Zeiss | Zeiss Planar L4/50 ZF Lens | Needed to high image resolution |
| Signal conditioner board (DAQ) | National Instruments | Input/output signal connector | |
| Signal Express | National Instruments | N/A | Data acquisition software |
| Laptop Computer | Dell | N/A | Used to monitor and acquire all signals from the testing procedure |
References
- Bouxsein, M. L., Szulc, P., Munoz, F., Thrall, E., Sornay-Rendu, E., Delmas, P. D. Contribution of trochanteric soft tissues to fall force estimates, the factor of risk, and prediction of hip fracture risk. J Bone Miner Res. 22, 825-831 (2007).
- Rezaei, A., Dragomir-Daescu, D. Femoral Strength Changes Faster With Age Than BMD in Both Women and Men: A Biomechanical Study. J Bone Miner Res. 30, 2200-2206 (2015).
- Zani, L., Erani, P., Grassi, L., Taddei, F., Cristofolini, L. Strain distribution in the proximal Human femur during in vitro simulated sideways fall. J Biomech. 48, 2130-2143 (2015).
- Dragomir-Daescu, D., et al. Robust QCT/FEA models of proximal femur stiffness and fracture load during a sideways fall on the hip. Ann Biomed Eng. 39, 742-755 (2011).
- Schileo, E., Balistreri, L., Grassi, L., Cristofolini, L., Taddei, F. To what extent can linear finite element models of human femora predict failure under stance and fall loading configurations? J Biomech. 47, 3531-3538 (2014).
- Koivumaki, J. E., et al. Ct-based finite element models can be used to estimate experimentally measured failure loads in the proximal femur. Bone. 50, 824-829 (2012).
- Pottecher, P., et al. Prediction of Hip Failure Load: In Vitro Study of 80 Femurs Using Three Imaging Methods and Finite Element Models—The European Fracture Study (EFFECT). Radiology. , 142796 (2016).
- Rivadeneira, F., et al. 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. J Bone Miner Res. 22, 1781-1790 (2007).
- de Bakker, P. M., Manske, S. L., Ebacher, V., Oxland, T. R., Cripton, P. A., Guy, P. During sideways falls proximal femur fractures initiate in the superolateral cortex: evidence from high-speed video of simulated fractures. J Biomech. 42, 1917-1925 (2009).
- Courtney, A. C., Wachtel, E. F., Myers, E. R., Hayes, W. C. Age-related reductions in the strength of the femur tested in a fall-loading configuration. J Bone Joint Surg Am. 77, 387-395 (1995).
- Cheng, X. G., et al. Assessment of the strength of proximal femur in vitro: relationship to femoral bone mineral density and femoral. Bone. 20, 213-218 (1997).
- Courtney, A. C., Wachtel, E. F., Myers, E. R., Hayes, W. C. Effects of loading rate on strength of the proximal femur. Calcif Tissue Int. 55, 53-58 (1994).
- Keyak, J., Rossi, S., Jones, K., Les, C., Skinner, H. Prediction of fracture location in the proximal femur using finite element models. Medical engineering & physics. 23, 657-664 (2001).
- Nishiyama, K. K., Gilchrist, S., Guy, P., Cripton, P., Boyd, S. K. Proximal femur bone strength estimated by a computationally fast finite element analysis in a sideways fall configuration. J Biomech. 46, 1231-1236 (2013).
- Langton, C. M., Njeh, C. F. The physical measurement of bone. , CRC Press. (2016).
- Ariza, O., et al. Comparison of explicit finite element and mechanical simulation of the proximal femur during dynamic drop-tower testing. J Biomech. 48, 224-232 (2015).
