Summary
이 원고는 프로토콜 표준 서보 유압 프레임에 장착 된 계측된 설비를 사용 하 여 hip 구성에 옆으로을에 시험 시체 인접 femora 골절을 선물이. 9 디지털된 신호 세력, 순간, 및 2 개의 고속 비디오 스트림 함께 변위 테스트 중 획득 됩니다.
Abstract
Femora의 기계적 테스트 임상 측정 가능 변수 뼈 미네랄 밀도 분포 등 형상 대 퇴 기계적 성질에의 기여를 이해 하는 귀중 한 통찰력을 제공 합니다. 현재, 측정, 강도와 강성을 기하학적으로 복잡 한 뼈 등의 기계적 테스트에 대 한 없는 표준 프로토콜이 이다. 이 간격을 해결 하기 위해 우리는 싱가포르로 femora 골절 하 고 그들의 biomechanical 매개 변수 측정 테스트 프로토콜을 개발 했습니다. 이 프로토콜 적응 기구를 다양 한 부하 크기 및 방향 엉덩이 구성에는을에 가능한 뼈 방향에 대 한 회계, 속도, 뼈 크기와 왼쪽된 다리 오른쪽 다리 변형 테스트 집합을 설명 합니다. femora 청소 하 여 테스트를 위해 준비 했다, 절단, 검색 및 화분 용 선단부 및 더 중대 한 trochanter 문의 poly(methyl methacrylate) (아크릴) 표면 다른 프로토콜에 제시 된으로. 준비 된 표본 엉덩이에 옆으로 흉내 낸 위치에 고정 하는 테스트 장치에 배치 하 고 골절을 로드 했다. 테스트, 중 2 개의 부하 측정 셀 수직 힘에 적용 대 퇴 골 머리와 큰 trochanter, 6 축 로드셀 측정된 힘 및 순간 원심 대 퇴 축 및 변위 센서에서 측정 사이 차동 변위는 대 퇴 골 머리와 trochanter 지원 문의. 고속 카메라는 동기적으로 테스트 하는 동안 골절 이벤트의 순서를 기록 하는 데 사용 되었다. 이 데이터 감소 허용 강도, 강성, 특성화 및 거의 200 골다공증, osteopenic, 에너지 골절 및 골다공증에 대 한 엔지니어링 기반의 진단 도구 개발에 대 한 정상적인 시체 femora 연구.
Introduction
대 퇴 골절 위험 평가 대 한 새로운 방법 및 골절 예방 엉덩이에 대 한 개발 골절 중 관련 된 biomechanical 프로세스의 포괄적인 이해를 요구 한다. 대 퇴 골 강도 및이 과정1,2 에 중요 한 통찰력을 제공 하는 대 퇴 골의 구조적 용량에 영향을 미치는 요인 사이 관계 결정에 효과가 입증 싱가포르로 근 위 대 퇴 골 강도 테스트 , 3. 실험적으로 측정 된 대 퇴 골 강도 양적 단층 기반 유한 요소 해석 (QCT/FEA) 골절 강도4,5, 비-침략 적 예측을 가능 하 게의 유효성 검사에도 사용 6,7.
날짜 하려면, 골절 대 퇴 전체 표본을 테스트를 더 허용된 표준 절차가입니다. (뼈 미네랄 밀도 형상 등) 임상 측정 가능 변수 및 대 퇴 골 강도에 그들 영향을, 통제 되 고 반복 가능한 방식으로 실행 될 실험 테스트에 대 한 필수적입니다. 싱가포르로 femora 불규칙 한 모양 및 범위 크기8 에 있고 남성 또는 여성 시신 다른 연령대의 표준 기계 테스트의 기본 제공 비품을 사용 하 여 테스트 불가능에서 얻어질 수 있다. 힙합 이벤트에 옆으로에 더 중대 한 trochanter 압축 로드, 근 위 대 퇴 골 압축, 긴장, 구 부리는 순간, 그리고 비틀림을 포함 한 복잡 한 로드를 발생할 수 있습니다 동안 겪 습. 이러한 로드 시나리오를 테스트 실험 설계에 복잡성을 추가 합니다. 따라서, 테스트 프로토콜을 하나의 중요 한 구성 요소로 정착 물, 특히 설계, 조작, 고 대 퇴 샘플은 다른 모양 및 크기, 및 다른 테스트 속도 맞게 설치 있습니다. 이 정착도 엉덩이에 에서 가능한 충격 부하를 시뮬레이션 하기 위해 원하는 방향의 범위에서 테스트는 견본을 보유 해야 합니다. 같은 다양 한 조건에 맞게 정착 해야 여러 고정 하 고 시스템에서 재생을 최소화 하 고 부드러운 하 중-변위 응답을 얻기 위해 방식으로 연결 된 구성 요소를 이동.
신뢰할 수 있는 데이터 수집이 테스트 중에 중요 합니다. 실험 설계를 통합 해야 합니다 필요한 로드 셀, 변위 변환기, 신호 증폭기와 정확 하 게 측정 힘 및 순간 컨디셔너 전혀 지원 합니다. 또한, 세력의 취득으로 동기적으로 얻은 대 퇴 골의 앞쪽 및 후부 전망의 고속 동영상은 골절, 골절 종류, 특징을 선도 하는 이벤트의 순서를 이해할 수 있도록 하는 데 필요한 그리고 정확 하 게 대 퇴 골 강도4,9를 정의 합니다.
거기 있는 동안 귀중 한 실험 연구 문학 전체 대 퇴 골 테스트, 게시 프로토콜 테스트 수행 방법에 대 한 내용은 부족 또는 진정으로 그들에 게 재현10, 다른 한 연구에서 매우 다른 11. 현재 작업의 목표는 뼈 조직 반복 하 고 재현할 수 있는 테스트를 표준화 하기 위한 노력에 대 한 시작 지점으로 사용할 수 있는 대 퇴 샘플의 기계적 테스트 프로토콜을 소개 했다. 이 위해, 우리는 설계 및 약 200 싱가포르로 femora 테스트 하는 데 사용 된 테스트 고정 물 조작. 테스트 설비 하단 고정 물 및 크로스 헤드 고정 장치 포함. 하단 고정 장치 (그림 1A-E) 테스트 하는 동안 원하는 방향에서 대 퇴 골을 보유 하 고 trochanter 로드 셀 및 대 퇴 축에 연결 된 6 채널 로드 셀 포함. 그것은 또한 골절 테스트에 대 한 뼈의 위치에 대 한 수 있도록 3 개의 독립적인 번역을 수용 한다. 회전의 포인트는 무릎 관절을 모방에 추가 됩니다. 바닥 정착의 중요 한 부분 했다 이루어진 스테인레스 스틸과 알루미늄의 두꺼운 조각 매우 뻣 뻣 한 기구를 만들기 위해. 로드 셀 테스트 하는 동안에 더 중대 한 trochanter 압축 힘을 측정 하는 하단 정착 물에 붙어 있다. 크로스 헤드 고정 장치 (그림 2A-2E) 2 개의 알루미늄 기본 격판덮개 및 (첨부 함께 알루미늄 격판덮개에 의해), 테스트 중 대 퇴 골 머리의 움직임을 담당 하 고 수용 하는 두 매우 뻣 뻣 한 슬라이드 볼 베어링 포함 오른쪽과 왼쪽 femora에 대 한. 로드 셀 크로스 기구 측정에 압축 력을 포함. 로드 셀에 연결 하는 알루미늄 컵 대 퇴 골 머리에 압축 부하를 적용 하는 데 사용 됩니다. 우리의 방법은 두 남녀, 다양 한 크기의 왼쪽 및 오른쪽 femora 위해 사용 되었다, 목-샤프트 각도, 골밀도, 및 로드 조건을 흉내내는 옆으로 엉덩이에을. 우리의 실험에서 테스트 속도 5, 100, 및 700 m m/s에서 설정 하지만 그들은 테스트 컴퓨터에서 사용할 수 있는 값으로 설정할 수 있습니다. 설계 된 조명 기구는 하나 테스트 컴퓨터의 크로스 헤드에 연결 되 고 다른 테스트 프레임에 연결 된 두 가지 주요 구성 요소를 했다. 두 부분 로드 셀 힘을 측정 하기 위해 충분 한 기구 있었다 고 순간 경계 조건 전혀 지원 합니다. 또한, 두 개의 고속 비디오 카메라 테스트 중 골절 이벤트를 기록 하는 데 사용 되었다. 골절 후 엑스레이 계산 된 단층 촬영 (CT) 스캔 게시물 실험 골절 분석에 대 한 가져온. 결과 골절 강도 포함 한 이러한 실험에서 얻은 고 에너지 현재 결국 골다공증 환자에서 근 위 골절의 평가 개선 하기 위해 추가 연구 진단 도구에 대 한 사용.
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Protocol
1. 큰 기구 첨부
- 컴퓨터에서 표준 기구 제거.
- 사내 기구에 맞게 떨어져 크로스 헤드 이동.
- 컴퓨터에 알루미늄 블록 ( 그림 1A에서 제 1 부)를 놓고 두 개의 볼트를 사용 하 여 컴퓨터에서 안전 하 게 고정, 중앙에 구멍 기계 로드 셀 수용.
- 알루미늄 블록에 주요 설비 구조 ( 그림 1B에서 제 2 부)를 배치 하 고 안전 하 게 4 볼트를 사용 하 여 블록에 첨부.
- 고정 장치 ( 그림 1C)을 지원 하기 위해 알루미늄 블록에 휴식 하지 않는 조명 기구 부분 아래 4 톤 잭 장소.
- 주요 설비에 6 채널 로드 셀 고정 장치 ( 그림 1D에 제 3 부)를 탑재 하 고 6 나사를 사용 하 여 보안.
2. 크로스 헤드 고정 장치 부착
- 기계 크로스 헤드는 크로스 헤드 리프트 제어를 사용 하 여 절대 0으로 설정.
- 7 나사를 사용 하 여 테스트 컴퓨터의 전면에 직면 하 고 그것의 곡선된 모서리와 크로스에 연결할 첫 번째 baseplate ( 그림 2B에서 제 4 부).
- 연결 두 번째 baseplate ( 그림 2C에서 제 5 부)를 사용 하 여 하나의 피벗 나사. 나사는 테스트 하는 동안 왼쪽과 오른쪽 뼈를 수용 한다. 두 번째 baseplate (부분 5)에 대 한 첫 번째 baseplate (제 4 부)를 기준으로 피벗 스크류 회전 무료입니다. 두 번째 baseplate의 방향 인지 설치 오른쪽 또는 왼쪽 대 퇴 골에 대 한.
- 두 슬라이드 베어링 ( 그림 2d에서 부분 6 호) 두 번째 baseplate (제 5 부)를 4 나사 (나사 2 개는 첫 번째 baseplate의 한쪽에서 액세스할 수 있습니다)를 사용 하 여 어셈블리를 연결 합니다. 첫 번째 baseplates의 상단에서 나사 두 번째 집합을 액세스할 수 있는 이러한 방법으로 두 번째 baseplate 회전.
참고:을 오른쪽 뼈 왼쪽된 뼈에서 슬라이드의 방향을 변경 하려면 첫 번째 baseplate 위에 4 나사는 없습니다 걸린, 그리고 다음 슬라이드 피벗 나사에 대 한 회전 필요한 방향에 다시 고정. - 컴퓨터 크로스 65 °의 상대 위치를 설정 하 여 수동으로 회전 슬라이드 6 채널 부하에 직교 하는 셀.
3. 계측 설비, 고속 카메라, 그리고 실험에 대 한 조명 설치
- 세트는 표준 서보 유압 테스트 계측된 하단 고정 장치를 기계. 이 정착 대 퇴 골을 개최 하 고 왼쪽 및 오른쪽 femora 엉덩이 구성 ( 그림 1)에을에서 수용.
- 고속 카메라와 조명 장비 설정 ( 그림 3A-3D).
- 삼각대 컴퓨터의 각 측면에 하나에 고 강도 빛을 놓고 ( 그림 3A) 보안.
- 테스트의 양쪽에 고속 카메라 기계 및 데이터 수집 장치 ( 그림 3B -3 C)에 연결 하는 각 카메라 삼각대 설정.
- 및 수집 장치에 연결 된 카메라, 카메라 설정을 구성 프레임 속도 (fps)와 해상도 1024 x 512 픽셀 당 6000 프레임 설정; 해상도 카메라 내부 메모리를 수용 하기 위하여 감소 될 수 있다 ( 3D 그림).
- 설정 셔터 1 프레임/초 (1/6000 fps). 녹음 시작 액추에이터 (100 ms 빠른 테스트 및 느린 테스트 200 ms) 이동 하기 전에 카메라 옵션 설정.
- 둘 사이의 동기화 케이블 연결 카메라, 카메라의 소프트웨어 설정에서 선택 트리거 모드.
4. 검사/보정 로드 셀 적절 한 데이터 수집 시스템 (DAQ)
- DAQ 단위 설정
- 연결 테스트에 DAQ 기계, 고속 비디오 카메라, 로드 셀, 및 배선 같이 선형 포 텐 쇼 미터 그림 4에 도식.
- 말 로드 셀, 헤드 로드 셀, 선형 포 텐 쇼 미터, 6 개 채널 로드 셀의 적절 한 연결을 확인 하 고 수동으로 로드 셀에 추진 하 여 DAQ 소프트웨어의 보기 패널에서 데이터 신호 트레이스를 관찰 하 여 DAQ 디바이스에 신호를 트리거.
- DAQ, 신호 컨디셔너, 및 펄스 발생기는 모든 전원 ON 확인.
- 로드 셀 및 선형 포 텐 쇼 미터에서 모든 신호를 위한 DAQ 소프트웨어를 구성합니다. DAQ 소프트웨어에서 선택 된 " 단계 설치 > > 구성 " 탭 및 각 부하 셀과 관련 된 각 신호 입력에 대 한 수집 속도 (Hz)를 설정. 에 " 트리거링 " 탭, 적절 한 트리거링 옵션을 선택 합니다. 비디오 장비 또한 트리거하도록 비디오/DAQ 시스템 동시성을 보장 하기 위해 시운전 중.
- 공칭 부하 (예: 1600 파운드 최대 200 파운드의 최소) 대 퇴 골 머리에 적용 및 trochanter 로드 셀 합리적인 부하를 확인 하는 표준 서보 유압 기계를 사용 하 여 측정 셀 제조 업체 비교 교정 데이터 시트 ( 그림 5A). 마찬가지로,
- 5B 그림에서 같이 죽은 무게를 사용 하 여 정적 부하 6 채널 로드 셀에 적용 됩니다. 기능을 확인 하 고 6-채널 로드셀의 성능 확인 ( 그림 5A -5B) 측정 및 이론적인 힘과 순간 값 사이의 퍼센트 차이 계산 하 여. 오류 5% 미만 이어야 한다.
참고: 모든 로드 셀 해야 합니다은 조정 되었습니다 그들의 제조 업체에 의해 사전에. 이 단계는만 로드 셀 작동, 모든 연결이 고, 신호는 합리적인 확인. - 선형 포 텐 쇼 미터를 보정 크로스 헤드를 선형 포 텐 쇼 미터 조명 기구를 확보 하 고 고정 장치 ( 그림 5C)에서 선형 포 텐 쇼 미터를 배치. 포 텐 쇼 미터 몸 잠그고 DAQ 장치에 커넥터를 연결 하는 나사를 조여
- 수동으로 이동 액츄에이터 (25 mm) 부하 프레임에 포 텐 쇼 미터 위치 최대 확장 및 기록 변위 및 (적어도 3 개의 데이터 요소)에 대 한 해당 전압 최대 압축에서 번역 합니다. 전압 대 변위 플롯 및 데이터에 선형 함수를 맞는 (R 2 > 0.95). 선형 방정식 (m m/V)의 사면에 보정 계수 입력은 " 매개 변수 스케일링 " DAQ 소프트웨어의 상자.
- 대리 유리 섬유 뼈 골절 되도록 모든 데이터 수집 기능과 합리적인를 테스트 하 여 전반적인 테스트 기계 설치를 확인 합니다. Trochanter 로드 셀, 대 퇴 골 머리 로드 셀, 선형 포 텐 쇼 미터, 6 채널 로드 셀 및 트리거 신호 ( 그림 6) 여기에 포함 됩니다.
5. 테스트에 대 한 뼈를 준비
- 뼈를 24 시간 실 온에서 해 동 하 고 수 분, 과잉 지방, 그리고 모든 나머지 부드러운 조직 pa를 사용 하 여 제거수건 당.
- 검색 설비, 아크릴에 뼈 놓고 치과 시멘트를 준비 합니다. PMMA 분말 60 g을 측정 하 고 증기 두건에서 액체 수 지의 30 g 믹스 가루 해산 했다 때까지. 혼합물 pourable 해야 합니다. 이 프로세스에 대 한 일회용 종이 컵을 사용 합니다. 이 단계는 알루미늄 컵 ( 그림 7A)에 더 중대 한 trochanter potting.
- 는 trochanter 아래 알루미늄 컵을 맞춥니다. 그리고는 컵의 절반 높이 PMMA 시멘트를 부 어 컵에 뼈에 맞게 고정 장치 플랫폼을 발생 합니다. 중 합에 대 한 10-15 분 허용.
- 랩 뼈 식 염 수에 젖은 뼈 시멘트 중 합 하는 동안 조직의 건조를 피하기 위해 수건.
- 알루미늄 컵 trochanter ( 그림 7B)에 연결 된 테스트 컴퓨터에서 테스트 정착 물에 뼈를 이동
- 말 로드 셀에 연결 된 판에 알루미늄 컵을 센터 및 알루미늄 컵 약간 감동 로드 셀 슬라이드 베어링 조정. 비품의 회전 수 있도록 고정 장치에서 핀을 제거
- 센터와 낮은 대 퇴 골 머리와 접촉에 대 한 크로스.
- 검토 설치, 뼈 위치, 로드 셀 신호, 고 컵 위치. 또한 DAQ 디바이스 검토; 모든 장비 및 로드 셀 제대로 연결 되 고 모두에 전원을 켰는지 확인 합니다 확인 하십시오. 각 로드 셀에서 신호를 적절 한 응답에 대 한 소프트웨어 설치를 확인 하십시오.
- 2 측면에서 설비에 대 퇴 골의 사진을 배치.
- 는 카메라 센서에 충분 한 빛을 허용 하 고 필드의 깊이 제어 하는 조리개를 설정 합니다. 대 퇴 골 경부에 집중 하 여 이미지 품질을 확인 합니다. 이 과정 어떤 반사 및 광택 뼈 골절 이벤트 캡처에 영향을 미칠 것이 이미지에서 영역을 방지 해야.
6. 골절을 테스트
- 확인 서보 기계 부하 프레임 모두 로딩 및 언로딩에 대 한 서보 기계 부하 프레임에서 골절 테스트 25 m m의 적절 한 변위 제어를 위한 프로그램입니다.
참고:이 제조자 설정 해야 입력 고 제조자 사양에 따라 테스트 장비의 컨트롤 패널에서 확인. - 확인 한 마지막 시간 비디오 카메라 및 데이터 수집 시스템에서 반사를 최소화 하기 위해 조명.
- 테스트 대 퇴 골 ( 그림 ℃) 골절을 테스트 시퀀스를 시작 하려면 제어판에서 시작 아이콘을 클릭 하십시오.
- 2 측면에서 골절된 대 퇴 골의 사진을 찍을.
- 수동으로 액추에이터를 철회 하 고 기계에서 대 퇴 골 제거.
7. 준비 후 골절
- 뼈 고정 장치에서 제거.
- 테이프 샤프트, 젖은 수건 및 비닐 봉지 ( 그림 7D)에서 다음-20에 동결을 뼈의 인접 깨진된 끝 ° c.
- 보존 추가 후 골절 x 선 및 CT 영상에 대 한 뼈.
참고:이 프로세스는 이전 설명 다른 프로토콜에서 (정돈에 검토중) 우리 그룹에서에 대 한 세부 사항 ( 그림 7E).
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Representative Results
사내 설비 표준 기구 테스트 컴퓨터에서 제거 된 후에 거치 된다. 첫째, 바닥 무거운 기구 탑재 이며 보안 (그림 1). 6 개 채널 로드 셀 원하는 예증 각도로 정렬 대 퇴 축 수 확장된 팔 포함 됩니다. 다음, 두 마찰 슬라이드 베어링을 포함 하 여 크로스 헤드 고정 물 골절 (그림 2) 동안 부하 및 대 퇴 골 머리의 움직임의 응용 프로그램에 맞게 장착 됩니다. 상단 고정 장치 왼쪽 및 오른쪽 다리를 테스트 하기 위해 조정 됩니다. 모든 기구는 탑재 고속 비디오 카메라와 조명 기구 설치 됩니다. 카메라의 이미지는 대비, 초점과 피사계 심도 (그림 3)에 대 한 테스트. 모든 악기는 다음 DAQ 장치 (그림 4)에 연결 된 및 단일 축, 6 축 로드 셀, 선형 포 텐 쇼 미터 기능에 대 한 확인 및 보정, 각각 (그림 5). 모든 악기는 다음 다른 로드 셀 (그림 6)에서 적절 한 신호에 대 한 보장 하기 위해 테스트 됩니다. 더 중대 한 trochanter 다음 potting에 대 한 아크릴 조명 기구에 배치 됩니다. 대 퇴 골 다음 테스트 고정 장치에 로드 하 고 골절. 골절 후 대 퇴 골은 고정 장치에서 제거 됩니다. 깨진된 부분 함께 녹화 하 고 전체 샘플 비닐 봉지에 싸여 있다. 샘플 x 선으로 몇 군데 그리고 추가 골절 유형 분류 (그림 7)에 대 한 CT로 스캔 됩니다. 측정된 결과 3 세력 및 6 채널 로드 셀과 반응 측정은 퇴 축에 3 순간 대 퇴 골 머리에서 합니다. 그러나, 추가 QCT/FEA 유효성 검사에 사용 될 주요 결과 더 중대 한 trochanter에 기록 하는 힘 및 대 퇴 골 머리 (그림 8)에 기록 된 변위.
그림 1: 바닥 고정 장치 설치. (A) 걸기 기계 테이블, (B) 메인 하단 고정 장치 구조 (제 2 부)를 배치 하 고 알루미늄 블록 (C) 메인 구조 확보에 알루미늄 블록 (부분 1) 설치 및 보안된 장소, (D) 전체 바닥 고정 장치 설치 후 주요 바닥 구조 (부 2)에 6 개 채널 로드 셀 기구 (부분 3), (E) 조정 대 퇴 축 각도 장착. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2: 크로스 설비 설치. (A) 제거 설비 기계 액추에이터에서 (B) 첫 번째 baseplate (제 4 부)은 첫째, (C)를 설치 하는 두 번째 baseplate (5 부), (D) 두 슬라이드 베어링 (부 6)의 어셈블리를 연결 연결는 두 번째 baseplate, (E) 완료 설치의 위 기구; (F) 전체 고정 장치는 컴퓨터에 설치를 테스트 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3: 조명 및 카메라 설치. (A) 설정 램프와 방패; (B) 고속 카메라 삼각대;를 부착 (C) 카메라 장치;에 렌즈를 설치 (D)는 컴퓨터에 카메라를 연결. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4: 회로도. 모든 입력/출력 장치와 DAQ 단위 DAQ에 연결. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 5: 교정 및 검증 과정. (A) 단일 축 대 퇴 골 머리와 큰 trochanter 힘 측정, 로드셀 및 대 퇴 축 힘 및 순간 측정;에 대 한 (B) 6 채널 로드 셀의 기능을 검사 (C) 대 퇴 골 머리 변위를 측정 하기 위한 선형 포 텐 쇼 미터의 구경 측정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 6: 기계 테스트 설정. 모든 악기는 연결 하 고 컴퓨터 및 비디오 카메라와 통신을 동기화. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 7: 대 퇴 골 골절 테스트 전후. (A) Potting 알루미늄 컵에 더 중대 한 trochanter 가득 PMMA;로 (B) 뼈 크로스 비품은 대 퇴 골 머리; 연락 하는 동안 낮은 부하 셀에 휴식 하는 큰 trochanter 테스트 설비에 배치 (C) Fractured 기계적 테스트; 후 오른쪽 뼈 (D) 제거 기계와 함께; 깨진된 부분을 녹화에서 대 퇴 골 골절 대 퇴 골; 비닐 봉지에 포장 (E) 엑스레이 그리고 CT 골절 후 스캔. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 8: 힘-변위 곡선. 힘-변위 곡선 femora 5, 100 m m/s에서 골절을 테스트. 힘은 큰 trochanter 및 일에서 기록e 변위는 대 퇴 골 머리에 기록 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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Discussion
우리는 골절을 프로토콜 테스트 인접 싱가포르로 femora는 우리가 성공적으로 약 200 샘플 테스트 엉덩이 구성에가 제안 했다. 프로토콜 대 퇴 강도 다른 로드 조건 하에서 테스트에 대 한 여러 사내 설계 설비를 포함 한다. 정착 물은 다른 테스트 속도 및 뼈 방향에 오른쪽 및 왼쪽 femora의 테스트 수 있습니다. 비품 및 측정 계기를 장착, 유리 섬유 대 퇴 골 골절 보장 모든 하드웨어 및 소프트웨어 도구 제대로 동기적으로 작업 연결 되어 있고 신호 및 비디오 제대로 기록 하기에 테스트 됩니다. 실제 시체 대 퇴 골 골절 테스트, 직전 PMMA에 화분 대 퇴 축 정착에 고정 이다. 기계적 테스트 프로토콜을 반복 하 고 일관 된 방식으로 테스트 하는 대 퇴 골절에 대 한 허용 합니다.
테스트 중 퇴 축 경험 굽 힘 및 비틀림 변형 대 퇴 골 머리와 큰 trochanter 동안 압축 됩니다. 시료의 측면 로드 하지 않으려면, 크로스 기구는 최소한의 마찰 수평 평면에 움직임을 허용 두 크로스 베어링 설계 되었습니다. 이 테스트 하는 동안 뼈 변형에 대 퇴 골 머리 수직 부하의 응용과 머리의 공간 움직임을 보장합니다. 또한,이 위 기구는 그림 2C와 같이 단순히 접시 구성 요소를 회전 하 여 왼쪽 및 오른쪽 femora에 맞게 설계 되었습니다.
테스트 컴퓨터의 하단에 연결 된 하단 고정 장치는 테스트 하는 동안 원하는 예증 각도에서 싱가포르로 femora 개최 하도록 설계 되었습니다. 이 기구는 또한 압축 부하는 trochanter 및 3과 축에 3 순간을 측정 하는 대 퇴 샤프트 선단부에 연결 된 6 채널 로드 셀을 측정 하는 단일 축 로드 셀을 포함 한다. 또한, 정착 무릎 관절을 시뮬레이션 가상 포인트에 대 한 대 퇴 골의 회전을 수용 한다.
뼈 조직, 다른 생물 조직에 유사한 변형 률 의존 기계적 특성, 있으며 따라서 대 퇴 골 강도와 골절 속성 테스트 속도12로 변경 됩니다. 따라서, 프로토콜 및 테스트 설비 다양 한 속도에서 기계식 퇴 테스트에 사용할 다양 한 데이터 수집 장비, 샘플 주파수, 고속 카메라 종류와 조명 조건에 대 한 수용을 수 있어야 합니다. 현재 프로토콜, 우리는 성공적으로 테스트에서 다양 한 femora 속도 2 개의 크기 순서에 의해 달랐다 (5, 100, 및 700 m m/s) 속도의 다양 한 외상 성 이벤트를 모방 하.
고속 비디오 카메라 골절 시퀀스의 추가 분석을 위해 이벤트 기록 수 있습니다. 유용한 데이터를 얻기 위해 모든 테스트 구성 요소는 제대로 골절의 역학을 시각화 하기 위해 테스트 하는 동안 동기화 했다. 동기화 로드 셀, 균열 개시와 전파 데이터 및 변위 데이터를 분석할 수 있습니다 함께 골절의 포괄적인 그림을 형성 있도록.
비균일 접촉 및 바람직하지 않은 접촉 스트레스 큰 trochanter의 분쇄 피하기 위하여 농도 trochanter PMMA 가득 컵에 화분입니다. 또한, 컵의 바닥은 낮은 조명 기구 표면에 롤 수 있도록 라운드. 파괴 강도 또는 유형에 영향을 줄 수 있는 지원에서 측면 제약을 방지 하면서 수직 반응 힘을이 끈다. 이 디자인 선택은 정확한 대 퇴 골 강도 및 임상 관찰 하는 사람에 게 비슷한 모드를 골절 하는 데 필요한.
다른 실험 연구에서 femora만 가장 인접 한 부분의 샘플, 매우 짧은 표본13선도에서 대 퇴 축의 주요 부분을 절단 하 여 테스트 되었습니다. 반면, 현재 프로토콜 255 m m 긴 근 위 대 퇴 표본 테스트합니다. 정착 물 샘플의 길이 연장 하는 강철 팔 더 현실적으로 엉덩이에 옆으로 모방 공동 제거 무릎 근처 회전 지점을 포함 하는 설계 되었습니다. 이 확장 팔 6 구성 요소 로드 셀 측정 3과 3 순간 골절 테스트 중 퇴 축에 개발 하는 데 사용 되는 통합 합니다. 이러한 고려 사항은 이전 연구에서 설명 된 것과 유사한 고 정확 하 게 더 많은 도움이, 골절 대 퇴 강성 및 강도14추정 하 고 기여 하는 힘을 이해.
힘의 균형을 분석 하는 수집 된 데이터에서 중복 및 주요 수직 방향에서 순간에 우리의 설비에 사용 되는 3 중 셀. 피크 trochanter의 시간에 강제로, biomechanical 테스트의이 범주에 대 한 매우 만족 스러운 실험 오류는 약 2%의 평균 상대 오류와 다른 로드 셀에 의해 측정 하는 매우 비슷한 크기 관찰.
이 프로토콜에는 여러 가지 잠재적인 제한이 있습니다. 주요 제한은 비품 및 테스트 컴퓨터의 규정 준수 측정된 변위 및 강성15영향을 줄 수 있을 수 있습니다. 이것은 정상적인 femora 골절에 큰 부하를 필요로 하는 더 관련 된다. 그러나, 우리는 강성을 유지 하기 위해 두꺼운 강철 및 알루미늄 격판덮개를 가진 우리의 기구 설계 적어도 1 개의 크기 순서 대 퇴 강성 보다 큰. 약 200 femora의 샘플을 사용 하 여, 우리 기구 규정 준수로 인해 측정된 대 강성에 약 5%의 평균 오차를 발견. 수정 계수는 강성 값을 수정 하려면 각 대 퇴 골에 대 한 계산 됩니다. 오류가 발생할 수 있는 추가 잠재적인 제한 단계 테스트의 순서를 엄격 하 게 따라야 합니다 것입니다. 예를 들어 테스트 하는 첫 번째 표본에 대 한 대 퇴 골을 유지 하는 핀 위치 머리와 trochanter 정착 물 표면으로 만드는 연락처가 제거 되지 않았습니다 전에 골절 테스트 (최종 수정) 선단부에서 회전 지점 없이 완료 되었다. 프로토콜의 긴 리본 핀 (그림 1E)와 핀 테스트 하기 전에 제거 되었는지 확인 하는 두 번째 연산자에 부착 된 빨간색이 필요 합니다. 또한, 속도 테스트 하는 동안의 5-700 mm에서 크게 변화 했다/s, 우리의 테스트 역시 준 정적 실험. 높은 속도 영향에서 결과 같은 로드에서 근 위 대 퇴 골 골절의 동적 행동에 대 한 통찰력을 얻기 위해 드롭 타워 테스트 고용된16수 있습니다.
테스트 하는 것은 서로 다른 시간에 그리고 다른 연산자에 의해 수행 되었다, 하는 동안 모든 femora 프로토콜을 사용 하는 동일한, 비품, 실험의 재현성에 관련 된 불확실성을 제거 하는 로드 셀을 골절 했다. 비슷한 방식으로 현재 프로토콜 채택 될 수 있다 하 고 설비 재설계 자세 구성에서 테스트 하거나 다른 뼈 종류를 골절.
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Disclosures
저자 아무 관련이 공개 있다.
Acknowledgments
우리는 기술 지원에 대 한 자료 및 구조 테스트 핵심 시설 및 부문 엔지니어링의 메이 요 클리닉에 감사 하 고 싶습니다. 또한 우리는 로렌스 J. Berglund, 제임스 Bronk, 브 랜 트 뉴 먼, Jorn op 덴 Buijs, 박사, 연구 기간 동안 그들의 도움을 감사 하 고 싶습니다. 이 연구는 Grainger 재단에서 Grainger 혁신 기금에 의해 재정적으로 지원 되었다.
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
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