Summary
I dette manuskriptet presenterer vi en protokoll for brudd test cadaveric proksimale femora en sidelengs høsten på hip konfigurasjonen bruker instrumenterte inventar montert på en standard servo hydraulisk ramme. Ni digitaliserte signaler bestående av styrker og øyeblikk forskyvning sammen med to høyhastighets videostreamer er ervervet under testing.
Abstract
Mekanisk testing av femora gir verdifull innsikt i forståelsen bidrag av klinisk measureable variabler som Ben mineral tetthet distribusjon og geometri femur mekaniske egenskaper. Foreløpig er det ingen standard protokoll for mekanisk testing av slike geometrisk komplekse bein å måle styrke og stivhet. Vi har utviklet en protokoll for å teste cadaveric femora brudd og måle deres biomekaniske parametere for å dekke dette gapet. Denne protokollen beskriver en rekke tilpasningsdyktig kamper å imøtekomme de ulike Last størrelser og retninger regnskap for mulig bein orientering i et fall på hip konfigurasjonen, test hastighet, bein størrelse og venstre ben høyre ben varianter. Femora var forberedt for testing av rengjøring, skjæring, skanning og potting den klubbeformede enden og større trochanter kontakt flater i poly(methyl methacrylate) (PMMA) som presentert i en annen protokoll. Den forberedt prøver ble plassert i testing kampen i posisjon mimicking sidelengs fall på hip og lagt til brudd. Under testing to load cellene målt loddrett krefter brukt til femur hodet og større trochanter, en seks-aksen Last celle målt styrker og øyeblikk i distale femur akselen og en bevegelse sensor målt differensial forskyvning mellom de femoral hodet og trochanter kontakt støtter. Høyhastighets videokameraer ble brukt synkront registrere brudd hendelsesforløpet under testing. Reduksjon av disse dataene tillatt oss å karakterisere styrken, stivhet, og brudd energi for nesten 200 osteoporotic, osteopenic, og normalt cadaveric femora for videre utvikling av engineering-baserte diagnoseverktøy for osteoporose forskning.
Introduction
Utvikling av nye metoder for femur fraktur risikovurdering og brudd forebygging for et fall på hoften krever en omfattende forståelse av biomekaniske prosessene under brudd. Cadaveric proksimale femur styrke testing har vist seg for å være effektive i å bestemme forholdet mellom femur styrke og faktorer som påvirker strukturelle kapasiteten til femur gi viktig innsikt i denne prosessen1,2 , 3. eksperimentelt målt femur styrke brukes også for validering av kvantitative beregnet tomografi-baserte endelig Element Analysis (QCT/FEA) som gjør en ikke-invasiv anslag av brudd styrke4,5, 6,7.
Dato er det ingen akseptert standard prosedyre å teste hele femur prøver å brudd. For å isolere klinisk measureable variabler (som beinmineraltetthet og geometri) og deres innflytelse på femur styrke, er det viktig for eksperimentelle tester utføres i en kontrollert og repeterbare måte. Cadaveric femora har uregelmessige former og område i størrelser8 og kan fås fra enten mann eller kvinne levningene i ulike aldre, gjør det umulig å teste ved hjelp av innebygde inventar av standard testing maskiner. En sidelengs høsten på hip hendelsen gjennomgår den større trochanter kompresjons lasting, mens proksimale femur kan oppleve komplekse lasting inkludert komprimering, spenning, bøying øyeblikk, og torsion. Testing slike lasting scenarier legger kompleksiteten til eksperimentell design. Derfor må fast inventar, som en viktig del av testing-protokollen, være spesielt utformet fabrikkert og installert til femur prøver av forskjellige former og størrelser, og ulike tester hastigheter. Denne lampen må også holde prøvene for testing i en rekke ønsket orientering simulere mulige konsekvensene laster fra et fall på hoften. For å møte slik en rekke forhold, kampen må ha flere stasjonære og flytte komponenter koblet på en måte å minimere spille i systemet og få en jevn belastning-forskyvning respons.
Pålitelig datainnsamling er også kritisk under testing. Eksperimentell design må innlemme den nødvendige veieceller, forskyvning transduktorer, signal forsterkere og balsam for nøyaktig mål styrker og øyeblikk hele støtter. I tillegg høyhastighets videoer av både fremre og bakre visninger av femur hentes synkront med oppkjøpet av styrker er nødvendig å forstå rekkefølgen av hendelser som fører til brudd, karakteriserer brudd typer, og nøyaktig definere femur styrke4,9.
Mens det er verdifulle eksperimentelle studier i litteraturen på hele femur testing, publiserte protokoller mangler detaljer om hvordan testing ble utført eller er svært forskjellige fra en studie til en annen å virkelig gjøre dem reproduserbar10, 11. Målet med arbeidet var å innføre en protokoll for mekanisk testing av femur prøver som kan brukes som utgangspunkt for et forsøk på å standardisere benvev tester som kan gjentas og reproduserbar. Dette vi designet og fabrikkert et testing innslag som ble brukt til å teste ca 200 cadaveric femora. Testing kampen inkludert en bunnen innslag og et crosshead innslag. Bunnen kampen (figur 1A-E) holder femur på en ønsket retning under testing og inkluderer en trochanter Last celle og en 6-kanals Last celle koblet til femur akselen. Den rommer også tre uavhengige oversettelser å tillate for plassering av benet for brudd testing. En rotasjon peker legges for å etterligne kneleddet. Størstedelen av bunnen kampen var laget av tykk stykker av rustfritt stål og aluminium å gjøre en veldig stiv feste. En belastning celle er festet til bunnen lampen å måle kompresjons styrker på de større trochanter under testing. Crosshead lampen (figur 2A-2E) inneholder to aluminium base plater og to veldig stiv lysbildet kulelager (knyttet sammen av en aluminiumsplate), konto for flytting av femur hodet under testing og også til å betjene for høyre og venstre femora. En belastning celle blant tiltakene som crosshead innslag kompresjons styrker. En aluminium cup knyttet til Last cellen brukes til å angi kompresjons laster til femur hodet. Vår metode ble brukt til venstre og høyre femora av begge kjønn, med ulike størrelser, halsen-aksel vinkler, beinmineraltetthet og legge forholdene etterligne en sidelengs faller på hoften. Teste hastigheten i vårt forsøk ble satt til 5, 100 og 700 mm/s, men de kan settes til en verdi på prøvingen apparat. Designet kampen hadde to hovedkomponenter, en koblet til crosshead av prøvingen apparat og den andre koblet til testing rammen. Begge deler ble instrumentert med veieceller tilstrekkelig til å måle styrke og øyeblikk betingelser hele støtter. I tillegg ble to høyhastighets videokameraer brukt til å registrere brudd hendelser under testing. Etter brudd, et sett med x-stråler og beregnet tomografi (CT) skanner ble innhentet for innlegget eksperimentelle brudd analyser. Resultatene fra disse eksperimentene inkludert brudd styrke og energi brukes nå for ytterligere forskning i diagnoseverktøy til slutt forbedre vurdering av proksimale brudd styrke i osteoporotic pasienter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. stort innslag vedlegg
- fjerne standard inventar fra maskinen.
- Flytte crosshead hverandre for å imøtekomme in-house lampen.
- Legger aluminum blokken (del nr. 1 i figur 1A) på maskinen og sikkert feste på maskinen med to bolter, hullet i midten innkvarterer maskin Last cellen.
- Plasserer den viktigste kamp strukturen (del nr 2 i figur 1B) på aluminium blokken og sikkert feste den til blokken med 4 bolter.
- Plasserer en fire-tonns jack under delen av lampen som ikke resten på aluminium blokken å støtte kampen ( figur 1 c).
- Montere 6-kanals Last celle lampen (del nummer 3 i figur 1 d) på viktigste kampen og sikre den bruker 6 skruene.
2. Crosshead Fixture vedlegg
- satt maskin crosshead til absolutt null crosshead heis kontrollen.
- Knytter første plate (del nr. 4 i figur 2B) til crosshead 7 skruene med sine buede kanter mot fronten av prøvingen apparat.
- Legg ved andre plate (del nr. 5 i figur 2C) bruker en bevegelig skruen. Skruen innkvarterer venstre og høyre ben under testing. Andre sokkelen (del nr. 5) er gratis å dreies om pivot skruen i forhold til første plate (del nr. 4). Retningen til andre sokkelen avgjør om oppsettet er til høyre eller venstre femur.
- Fest montering av to lysbildet lagrene (del nr 6 i figur 2D) til andre sokkelen (del nr. 5) med 4 skruer (to skruer kan nås fra en side av den første platen). Rotere andre sokkelen på en slik måte at det andre settet med skruer kan nås fra toppen av den første baseplates.
Merk: Hvis du vil endre retningen for lysbildene fra venstre ben til høyre ben, 4 skruene på toppen av den første platen er unfastened, og lysbildene er rotert om pivot skruen og festet igjen på nødvendige orientering. - Manuelt rotere lysbildene som er ortogonale til 6-kanals belastning celle ved å angi maskin crosshead relative plassering 65°.
3. Instrumenterte innslag, høyhastighets kamera og belysning oppsett for eksperimentet
- Sett opp instrumenterte bunnen kampen på en standard servo hydraulisk testing maskin. Denne lampen vil holde femur og plass til både venstre og høyre femora høsten på hip konfigurasjonen ( figur 1).
- Sett opp høyhastighets kamera og lys utstyr ( figur 3A-3D).
- Plasser høy intensitet lys på stativer med en på hver side av maskinen og sikre dem ( figur 3A).
- Sette opp stativer for høyhastighets kameraer på hver side av testing maskinen og koble hvert kamera til oppkjøpet dataenheter ( figur 3B -3 C).
- Med kameraene på og koblet til oppkjøpet enheten, konfigurere kamerainnstillinger; angi bildefrekvens 6000 rammer per sekund (fps) og oppløsning på 1024 x 512 piksler; oppløsning kan reduseres til kameraet internminne ( Finne 3D).
- Sett lukkeren til 1 rammen/sekunder (1/6000 fps). Også sette kameraalternativet slik at opptakene begynne før aktuator flytter (100 ms for rask tester og 200 ms for langsom tester).
- Koble synkronisering kabelen mellom to kameraer, Velg utløse modus i innstillingen programvare av kameraer.
4. Sjekke/Calibrating laste celler for riktig Data oppkjøpet System (DAQ)
- sette opp DAQ enhet
- Koble DAQ til testing maskin, høyhastighets videokamera, veieceller og lineær potensiometer som vist på ledninger skjematisk i Figur 4.
- Sjekk riktig tilkobling av spise Last celle, hodet Last celle, lineært potentiometer, 6-kanals Last celle, og utløse signalet til DAQ enheten ved å observere data signal spor i visningspanelet DAQ programvaren ved å manuelt trykke på Last cellen.
- Kontroller at den DAQ, Signal balsam og puls Generator er alle drevet ON.
- Konfigurere DAQ programvaren for alle signaler fra load cellene og lineær potensiometeret. DAQ programvaren, Velg den " trinn oppsett > > konfigurasjon " kategorien og definere oppkjøpet frekvens (Hz) for hver Signalinngang tilknyttet hver Last celle. På den " Triggering " velger riktig utløsende alternativ. Video utstyr skal også utløses under prøveperioden løper å sikre video/DAQ systemet synkron.
- En nominell Last (for eksempel minimum 200 lbs opptil 1600 lbs) gjelder femur hodet og trochanter veieceller bruker standard servo hydraulisk maskinen for å bekrefte rimelig Last celle målinger og sammenligne produsent kalibrering datablad ( figur 5A).
- , Bruke statiske laster 6-kanals Last cellen ved hjelp av en død vekt som vist i figur 5B. Kontroller funksjonaliteten og ytelsen til 6-kanals Last cellen ( figur 5A -5B) ved å beregne prosent forskjeller mellom målt og teoretisk kraft og øyeblikk. Feilen skal være mindre enn 5%.
Merk: Alle veieceller må har kalibrert av deres produsent på forhånd. Dette trinnet bare kontrollerer at veieceller fungerer, alle tilkoblingen og signalene er rimelige. - Kalibrere lineær potensiometeret
- sikre lineært potentiometer kampen til crosshead og plasser lineær potensiometeret i kampen ( figur 5C). Stramme skruene for å låse potensiometer kroppen og koble pluggen til DAQ-enheten
- Manuelt flytte aktuator (25 mm) på Last rammen slik at potensiometer posisjonen oversetter fra maksimum sammenntrykking maksimal forlengelse og registrere forskyvninger og tilsvarende spenningen (for minst tre datapunkter). Plot forskyvning vs spenning og passer en lineær funksjon av dataene (R 2 > 0,95). Input skråningen av formelen (mm/V) som kalibreringsfaktoren i den " skalering parameteren " DAQ programvareboks.
- Kontroller generelle tester maskinen oppsettet ved å teste et surrogat glassfiber bein å brudd at all datainnsamling er funksjonelle og rimelig. Dette inkluderer trochanter Last celle, femur hodet Last celle, lineært potentiometer, seks-kanals Last cellen og utløser signalet ( figur 6).
5. Forbereder bein Testing
- tine bein ved romtemperatur for 24 h og fjerne fuktighet, overflødig fett, og alle gjenværende bløtvev bruker paper håndklær.
- Plasser bein i akryl skanning innslag, og forberede dental sement. Måler 60 g av PMMA pulver og bland med 30 g flytende harpiks under avtrekksvifte til pulveret er oppløst. Blandingen skal være pourable. Bruk et engangs papir kopp for denne prosessen. Dette trinnet gjelder potting den større trochanter i en aluminium cup ( figur 7A).
- Juster aluminium koppen under forhold til trokanter. Deretter hell PMMA sement til halvparten av høyden på koppen, og heve innslag plattformen til benet i koppen. Gir 10-15 min for polymerisering.
- Brytes bein i saltvann gjennomvåt håndklær å unngå vev tørrhet under bein sement polymerisasjon.
- Flytte bein å test lampen i den teste maskinen med aluminium kopp knyttet til trochanter ( figur 7B)
- Senter aluminium cup på platen knyttet til spise Last cellen og justere lysbildet lagrene slik at aluminium koppen litt berører Last cellen. Fjern pinnen fra kampen å tillate rotasjon av kampen
- Center og små crosshead for kontakt med femur hodet.
- Gjennomgang oppsett, bein posisjon, Last celle signaler og cup posisjon. Også se DAQ enhet. Kontroller at alle utstyr og load cellene er koblet riktig, og bekrefte at alle er slått på. Sjekk programvare setup på riktig signal svar fra hver Last celle.
- Ta bilder av femur plassert i kampen fra 2 sider.
- Stille blenderåpning å tillate nok lys på kameraets sensor og kontrollere dybdeskarpheten. Sjekk bildekvalitet ved å fokusere på femur halsen. Denne prosessen skal hindre at gjenskinn og skinnende bein områder i bildet som vil påvirke fange hendelsen brudd.
6. Testing til brudd
- Bekreft servo mekanisk belastning rammen er programmert for aktuelle forskyvning kontroll over 25 mm for brudd testen i servo mekanisk belastning rammen for både lasting og lossing.
Merk: Dette er produsent innstillinger og bør være innspill og bekreftet i kontrollpanelet på testutstyr henhold til produsentens spesifikasjoner. - Kontrollere belysning for å minimere refleksjoner av videokameraene og oppkjøp datasystemet en siste gang.
- Klikk på start-ikonet fra Kontrollpanel for å starte testen sekvensen å brudd test femur ( figur 7C).
- Ta bilder av brukket femur fra 2 sider.
- Manuelt trekke aktuator og fjerne femur fra maskin.
7. Etter brudd forberedelse
- fjerne bein fra fixture.
- Tape proksimale brutt enden av bein aksel, pakk i våte håndklær og plastposer ( figur 7 d) og deretter fryse på -20 ° C.
- Bevare bein for videre etter brudd X-ray og CT bildebehandling.
Merk: Detaljer for disse prosessene har vært tidligere forklart i en annen protokoll fra vår gruppe (under gjennomgang på JoVE) ( figur 7E).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Internt inventar er montert etter standard fixtures er fjernet fra prøvingen apparat. Først er bunnen tunge lampen montert og sikret (figur 1). Dette inkluderer en forlenget arm å holde 6-kanals Last cellen som femur aksel å justeres i ønsket Adduktion vinkel. Deretter er crosshead kampen inkludert to friksjonsfritt lysbildet lagrene montert til anvendelse av Last og femur head bevegelse under brudd (figur 2). Den øvre lampen er justerbar for testing både venstre og høyre ben. Når alle kamper er montert, er høyhastighets videokameraer og lysarmatur installert. Bildene i kameraet er testet for fokus, kontrast og dybdeskarpheten (Figur 3). Alle instrumenter er deretter koblet til en DAQ enhet (Figur 4) og single-aksen, seks-aksen veieceller lineær potensiometeret sjekket funksjonalitet og er kalibrert, henholdsvis (figur 5). Alle instrumenter er testet for å sikre riktig videosignaler fra de ulike veieceller (figur 6). Den større trochanter plasseres neste i en akryl festeanordningen for potting. Femur deretter lastet inn i den teste innslag og oppsprukket. Etter brudd femur fjernes fra kampen. Ødelagte deler er teipet sammen og hele prøvene er pakket inn i plast poser. Prøvene er da fotografert med X-ray og skannet med CT for ytterligere brudd klassifisering (figur 7). Målt resultatene inkluderer 3 styrker og 3 øyeblikk i femur akselen som måles med 6-kanals Last cellen og reaksjonen tvinge ved femur. Men er de viktigste resultatene brukes til ytterligere QCT/FEA validering styrken innspilt i forhold til større trokanter og forskyvning registrert ved femur (Figur 8).
Figur 1: nederste Fixture installasjon. (A) Placing aluminium blokken (del nr. 1) maskin tabellen, (B) å plassere viktigste bunnen innslag strukturen (del nr. 2) og sikre til aluminium blokken, (C) Main struktur er installert og sikret i sted, (D) Montering av 6-kanals Last celle innslag (del nr. 3) på viktigste bunnen strukturen (del nr. 2), (E) justere femur aksel vinkel etter installasjon av hele bunnen kampen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: Crosshead Fixture installasjon. (A) Fjern kamper fra maskinen aktuator, (B) første plate (del nr. 4) er installert for det første, (C) feste andre sokkelen (del nr. 5), (D) koble montering av to lysbildet lagrene (del nr 6) til den andre platen, (E) fullført installasjon av øvre lampen; (F) hele testing innslag installert på maskinen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: lys- og kameraer installasjon. (A) sette opp lamper og skjold; (B) feste det høyhastighets kameraet stativ; (C) installere linsen på kameraenheten. (D) koble kameraet til datamaskinene. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: skjematisk Diagram. DAQ enhet med alle inndata/utdata enheter koblet til DAQ. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: kalibrering og bekreftelsesprosessen. Kontrollere funksjonaliteten til (A) Single axis veieceller for femur hodet og større trochanter force målinger, og (B) seks-kanals Last celle for femur aksel styrker og øyeblikk mål; (C) kalibrering av lineær potensiometeret for å måle femur hodet forskyvning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6: mekanisk Testing oppsett. Alle instrumenter er koblet til og synkronisert til å kommunisere med maskinen og videokameraer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7: Femur før og etter brudd Testing. (A) Potting den større trochanter i aluminium cup fylt med PMMA; (B) bein plassert i testing kampen med de større trochanter hviler på lavere belastning cellen mens crosshead lampen er i kontakt med femur hodet; (C) Fractured bein rett etter mekanisk testing; (D) fjerne brukket femur fra maskinen og taping inn sammen; innpakning femur i plastposer; (E) X-ray og CT skanning etter brudd. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8: Force-forskyvning kurve. Force-forskyvning kurver for femora testet til brudd på 5 og 100 mm/s. Kraften er registrert på større trochanter og the forskyvning registreres ved femur. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi foreslått en protokoll til brudd teste proksimale cadaveric femora i et fall på hip konfigurasjonen som vi har testet ca 200 prøver. Protokollen inneholder flere interne designet inventar for femur styrke testing under forskjellige lessing vilkårene. Kampen lar for testing av både høyre- og femora i ulike tester hastigheter og bein orientering. Etter montering kampen og måleinstrumenter, testes en glassfiber femur for brudd for å sikre at alle maskinvare- og verktøy er riktig tilkoblet, arbeider synkront, og signaler og videoer er riktig registrert. Like før selve cadaveric femur fraktur test, er femur akselen potted i PMMA festet i kampen. Mekanisk testing protokollen tillater for femur brudd i en repeterbar og konsekvent måte.
Under testing komprimeres femur aksel erfaringer bøying og vridningsstivhet deformasjon mens femur hodet og større trochanter. For å unngå lateral lasting av prøven, er crosshead lampen designet med to kryss lagrene tillater bevegelse inne det horisontale planet med minimal friksjon. Dette sikrer bruk av loddrette belastning til femur hodet uansett bein deformasjon og romlig bevegelse av hodet under testing. I tillegg er denne øvre lampen tilpasset venstre og høyre femora ved å bare rotere en plate komponent som vist i figur 2C.
Bunnen kampen, koblet til bunnen av prøvingen apparat, er utformet for å holde de cadaveric femora på ønsket Adduktion vinkler under testing. Denne lampen inneholder også en enkelt akse Last celle måle kompresjons laster i forhold til trokanter og en seks-kanals Last celle knyttet til distale femur akselen å måle de tre styrkene og tre momenter i akselen. I tillegg innkvarterer kampen rotasjon av femur om et virtuelle punkt simulere kneleddet.
Benvev, ligner andre biologisk vev, har belastning-rate avhengige mekaniske egenskaper, og dermed femur styrke og brudd egenskaper endres med testing hastighet12. Derfor skal protokollen og teste lampen kunne brukes til mekanisk femur testing på forskjellige hastigheter og plass for en rekke data oppkjøpet utstyr, prøve frekvenser, høyhastighets kamera typer og lysforhold. Med gjeldende protokollen, vi har testet femora på ulike hastigheter skilte med to størrelsesordener (5, 100 og 700 mm/s) å etterligne hastigheten på ulike traumatiske hendelser.
Høyhastighets videokameraer tillatt opptak brudd hendelsesrekkefølgen for videre analyse. For å få nyttige data, ble alle testing komponenter synkronisert under testing for å visualisere riktig mekanikken i brudd. Gjennom synkronisering Last celle, kan forskyvning data og sprekk initiering og overføring data analyseres sammen for å danne et helhetlig bilde av brudd.
For å unngå knusing av de større trochanter ikke-uniform kontakt og uønsket kontakt stress er konsentrasjon, trochanter puttet i PMMA-fylt kopp. Dessuten er bunnen av koppen runde å tillate det å rulle på lavere innslag overflaten. Dette fører til en vertikal reaksjonsstyrke mens forebygge laterale begrensning fra støtte som kan påvirke brudd styrken eller type. Dette design valg var nødvendig å få nøyaktig femur styrke og brudd måter ligner på de observerte klinisk.
I andre eksperimentelle studier, bare den mest øvre del av femora ble testet ved å kutte av en stor del av femur akselen fra prøvene, fører til svært kort prøver13. Derimot tester gjeldende protokollen 255 mm lange proksimale femur prøver. Lampen er designet med en stål arm strekker lengden av prøven med en rotasjon punkt nær fjernet kneet felles å etterligne mer realistisk sidelengs fall på hoften. Denne filtypen arm har en 6-komponent Last celle som brukes til å måle de tre styrkene og tre momenter utviklet i femur akselen under brudd testing. Disse betraktningene ligner beskrevet i tidligere studier og hjelp oss å mer nøyaktig, forstå krefter bidrar til brudd og beregne femur stivhet og styrke14.
3 load cellene som brukes i våre innslag redundans i ervervet data som tillot oss å analysere styrkeforholdet og øyeblikk i viktigste vertikal retning. Samtidig med topp trochanter styrke, observerte vi ligner magnitudes målt ved de ulike veieceller, med gjennomsnittlig relative feil på 2%, som er en svært tilfredsstillende eksperimentelle feil for denne kategorien av biomekaniske tester.
Denne protokollen har flere potensielle begrensninger. En viktigste begrensningen kan være at etterlevelse av kampen og prøvingen apparat kan påvirke de målte fortrengning og stivhet15. Dette blir mer relevant for vanlige femora som krever en større belastning brudd. Men vi har utviklet vår kamp med tykt stål og aluminium plater å opprettholde en stivhet minst en størrelsesorden større enn femur stivhet. Bruker et eksempel på ca 200 femora, vi har sett en gjennomsnittlig feil på ca 5% i målt femur stivhet skyldes innslag samsvar. En korrigeringsfaktoren ble deretter beregnet for hver femur å rette stivhet verdiene. En ekstra potensielle begrensning som kan føre til feil er at en rekke tester fremgangsmåten må følges strengt. For eksempel for første prøvene testet, pin holde femur plassert før å ha kontakt med hodet og trochanter innslag overflater ikke ble fjernet og brudd testing ble fullført uten en rotasjon peker på den klubbeformede enden (fast slutten). En endring av protokollen kreves en rød lang remse knyttet til pin (figur 1E) og en andre operator for å bekrefte at PIN-koden er fjernet før testing. Også, mens testing hastigheter var varierte vesentlig fra 5-700 mm/s, våre tester ble likevel kvasi-statisk eksperimenter. For å få innsikt i den dynamiske oppførselen av proksimale femur fraktur under høyere hastighet lasting som skyldes virkninger, kan en drop-tårnet test være ansatt16.
Mens testing ble utført på forskjellige tider og forskjellige operatører, var alle femora brudd med samme protokoll, inventar og veieceller dermed fjerne usikkerhet knyttet til repeatability av eksperimentet. Med lignende tilnærming, gjeldende protokollen kan vedtas og inventar redesignet test i holdning konfigurasjon eller brudd andre bein typer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingen relevante opplysninger.
Acknowledgments
Vi vil gjerne takke materialer og strukturelle Testing Core anlegget og Division of Engineering ved Mayo Clinic kundestøtte. I tillegg vil vi gjerne takke Lawrence J. Berglund, James Bronk, Brant Newman, Jorn op den Buijs, Ph.D., for deres hjelp i løpet av studiet. Denne studien ble økonomisk støttet av Grainger Innovation fondet fra Grainger Foundation.
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).
