Summary
Bu makale, biz bir yana Güz Araçlı armatürleri bir standart servo hidrolik çerçeve monte kullanarak kalça yapılandırmasına test kadavra proksimal femora kırık için bir protokol mevcut. Dokuz sayısallaştırılmış sinyal güçleri, anlar ve deplasman iki yüksek hızda video akışları ile birlikte oluşan test sırasında elde edilir.
Abstract
Mekanik femora test kemik mineral yoğunluğu dağıtım ve geometri femur mekanik özellikleri gibi klinik olarak ölçülebilir değişkenler katkısını anlayış içine değerli bakış açısı getiriyor. Şu anda, mekanik ölçü birimi güç ve sertlik için geometrik olarak karmaşık tür bones of test için standart bir protokol yoktur. Bu boşluğu adrese kadavra femora kırık ve biyomekanik parametrelerini ölçmek için test etmek için bir protokol geliştirdik. Bu iletişim kuralı çeşitli yük büyüklükleri ve olası kemik yönleri için düşerek kalça yapılandırmasına göre muhasebe yön sağlamak, hız, kemik boyutu ve sol bacak sağ bacak varyasyonları test için uyarlanabilir armatürleri kümesi açıklar. Femora temizleyerek test etmek için hazırlanmıştır, kesme, tarama ve distal uç ve büyük trochanter Çömlekçilik poly(methyl methacrylate) (PMMA) yüzeyler olarak farklı bir protokol sunulan başvurun. Hazırlanan numune test fikstür kalça yana doğru bir düşme taklit eden bir pozisyonda yerleştirilir ve kırık için yüklendi. Test sırasında iki yük ölçülen hücreleri dikey güç femur başı ve büyük trochanter, 6 eksenli yük hücresi için ölçülen Kuvvetleri uygulanan ve distal femur şaft ve bir deplasman sensör anlarda ölçülen arasındaki farklı deplasman femur başı ve trochanter destekler başvurun. Yüksek hızlı kameralar kırık olayların sırasını test sırasında zaman uyumlu olarak kaydetmek için kullanılmıştır. Normal kadavra femora mühendislik tabanlı tanı araçları osteoporoz için daha da geliştirilmesi için araştırma ve bu verilerin azaltma gücü, sertlik, karakterize ve enerji için yaklaşık 200 Osteoporotik, osteopenic, kırık için bize izin verdi.
Introduction
Femur kırığı risk değerlendirmesi için yeni yöntemler ve kırık önlenmesi için bir düşüş kalça biyomekanik süreçlerle kırık sırasında ilgili kapsamlı bir anlayış gerektirir. Kadavra proksimal femur gücü test femur gücü ve bu süreç1,2 önemli bilgiler sağlayan uyluk yapısal kapasitesini etkileyen faktörler arasındaki ilişkinin belirlenmesinde etkili olduğu kanıtlanmıştır , 3. deneysel olarak ölçülen femur gücü de kantitatif bilgisayarlı tomografi tabanlı Sonlu elemanlar kırık gücü4,5, non-invaziv bir tahmin sağlayan analizi (QCT/FEA) doğrulamak için kullanılan 6,7.
Bugüne kadar bu kırık için tüm femur örnekleri test etmek için kabul edilen standart bir işlemdir. Klinik olarak ölçülebilir değişkenler (örneğin, kemik mineral yoğunluğu ve geometri) ve femur gücü onların etkisi izole etmek için bu kontrollü ve yinelenebilir bir şekilde gerçekleştirilebilmesi için deneysel test etmek için zorunludur. Kadavra femora düzensiz şekiller ve aralığı boyutları8 ' de ve standart test cihazları yerleşik armatürleri kullanarak test etmek imkansız hale ya erkek ya da kadın kadavra farklı yaştan elde edilebilir. Kalça olay bir yana sonbaharda büyük trochanter proksimal femur sıkıştırma, gerginlik, an ve burulma bükme dahil olmak üzere karmaşık yükleme karşılaşabilirsiniz ise basınç yükleme uğrar. Bu tür yükleme senaryoları sınamanız için deneysel tasarım karmaşıklık ekler. Bu nedenle, test protokolünün bir önemli bileşeni olarak bir fikstür gerekir özel olarak tasarlanmış, fabrikasyon ve femur örnekleri farklı şekil ve boyutlarda ve farklı test hızları karşılamak için yüklü. Bu fikstür da bir dizi olası etkilere yük kalça bir düşüşün benzetimi yapmak için istenen yönelimleri test etmek için numuneler tutmak gerekir. Gibi çeşitli koşulları karşılamak için fikstür birden çok sabit olması gerekir ve bileşenleri taşıma bağlı bir şekilde sistemde oyun en aza indirmek için ve düzgün yük-deplasman yanıt elde etmek için.
Güvenilir veri elde etme de test sırasında önemlidir. Deneysel tasarım dahil gerekir gerekli yük hücreleri, deplasman güç çeviriciler, sinyal amplifikatörler ve hiç klimalar doğru ölçü kuvvetler ve anlar destekler. Ayrıca, yüksek hızlı videolar zaman uyumlu olarak Kuvvetleri satın alma ile elde edilen uyluk anterior ve posteiror görüşlerini önde gelen kırık, kırık türleri, karakterize etmek için olaylar dizisi anlamanıza yardımcı olmak için gerekli olan ve hassas femur gücü4,9tanımlayın.
Olmakla birlikte değerli deneysel çalışmalar literatürde bütün uyluk test, yayımlanmış protokolleri test nasıl gerçekleştirildiği hakkında ayrıntılı bilgi eksikliği veya başka gerçekten onları tekrarlanabilir10yapmak için bir çalışmada çok farklıdır, 11. Mekanik tekrarlanabilir ve tekrarlanabilir olabilen test kemik dokusu standardize etmek için bir çaba için başlangıç noktası olarak kullanılabilir femur örnekleri test etmek için bir protokol tanıtmak için mevcut iş amacı oldu. Bu amaçla tasarlanmış ve yaklaşık 200 kadavra femora test etmek için kullanılan bir test fikstür fabrikasyon. Test fikstür bir alt fikstür ve bir crosshead fikstür dahil. Alt fikstür (şekil 1A-E) sınama sırasında istenen bir yönelim, femur tutar ve trochanter yük hücresi ve femur şaft bağlı bir 6-kanal yük hücresi içerir. Aynı zamanda kemiğin kırık testi için konumlandırma için izin vermek için üç bağımsız çevirileri barındırır. Döndürme noktasının diz eklemi taklit etmek için eklenir. Alt fikstür ana kısımları paslanmaz çelik ve alüminyum kalın parçalar çok sert bir fikstür yapmak kadar yapılmış. Yük hücresi test sırasında büyük trochanter üzerinde basınç Kuvvetleri ölçmek için alt fikstür bağlı olduğu. Crosshead fikstür (şekil 2A-2E) iki alüminyum taban plakaları ve iki çok sert slayt Bilya yatakları (birlikte bir alüminyum plaka, test sırasında femur başı hareketi için hesap ve karşılamak için bağlı) içerir sağ ve sol femora için. Yük hücresi crosshead fikstür çalışmalarında basınç kuvvetler dahil. Yük iliştirilmiş bir alüminyum Kupası basınç yükleri femur başı uygulamak için kullanılır. Bizim yöntemi çeşitli boyutlarıyla her iki cinsiyette sol ve sağ femora için kullanıldı, boyun-Milli görüş açıları, kemik mineral yoğunluğu ve bir yana doğru taklit koşulları yükleme kalça üzerine düşmek. Bizim deneylerde test hızları 5, 100 ve 700 mm/s ayarlanmış, ancak test makinede kullanılabilir herhangi bir değer ayarlanabilir. Tasarlanmış fikstür iki ana bileşenleri, test makine crosshead için bağlı ve diğer test çerçevesine bağlı vardı. Her iki kuvvet ölçmek için yeterli yük hücreleri ile Enstrümante edildi ve her an sınır koşulları destekler. Ayrıca, iki yüksek hızlı video kamera test sırasında kırık olayları kaydetmek için kullanılmıştır. Kırık sonra x-ışınları ve Bilgisayarlı Tomografi (CT) bir dizi tarar sonrası deneysel kırık analizleri için elde edilmiştir. Sonuçları kırık güç de dahil olmak üzere bu deneylerden elde edilen ve enerji şu anda ek tanılama araçlarını araştırmaları sonunda proksimal kırık gücü Osteoporotik hastalarda değerlendirilmesi geliştirmek için kullanılır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. büyük fikstür eki
- makineden kaldırmak standart armatürleri.
- Hareket crosshead ayrı kurum içi fikstür karşılamak için.
- Alüminyum blok (bölümünde No 1 1A rakam) üstünde belgili tanımlık makine yerleştirin ve güvenli bir şekilde iki civatalar kullanarak Makina üzerinde tutturmak; Merkez delik makinesi yük hücresi barındırır.
- Ana fikstür yapısı (bölümünde No 2 şekil 1B) alüminyum blokta yer ve güvenli bir şekilde 4 Cıvatalar kullanılarak bloğuna ekleyin.
- Fikstür ( şekil 1 c) desteklemek için alüminyum blok dinlenmek değil fikstür parçası altında dört tonluk jack yerleştirin.
- 6-kanal yük hücre fikstür (Bölüm No 3 şekil 1 d) ana fikstür monte ve güvenli 6 vidaları kullanarak.
2. Crosshead fikstür eki
- makine crosshead mutlak crosshead Asansör denetimini kullanarak sıfır olarak ayarlayın.
- Test makinenin ön bakan eğri kenarları ile 7 vidaları kullanarak crosshead ilk baseplate (Bölüm No 4 şekil 2B) iliştirin. Attach ikinci baseplate (Bölüm No 5 rakam 2C) kullanarak
- bir döner vidalı. Vida test sırasında sol ve sağ kemikleri barındırır. İkinci baseplate (Bölüm No 5) ilk baseplate (Bölüm No 4) göre Özet vida hakkında dönebilen serbesttir. İkinci baseplate yönünü belirler düzmece sağ veya sol uyluk için.
- (İki vidayı ilk baseplate bir taraftan erişilebilir) 4 vidayı kullanarak İki Yataklı (Bölüm No 6 rakam 2D) ikinci baseplate (Bölüm No 5) için derleme ekleyin. İkinci baseplate vida ikinci kümesi ilk baseplates üst kısmından erişilebilir şekilde döndürün.
Not: doğru kemiğe sol kemik slaytları yönünü değiştirmek için ilk baseplate üstüne 4 vidayı unfastened ve o zaman slaytlar hakkında özet vida döndürülmüş ve yine gerekli yönlendirmeyi tutturulmuş. - El ile döndürme 6 kanallı yük için dik olan slaytlar hücre makine crosshead 65 ° göreli konumunu ayarlayarak.
3. Enstrümante fikstür, yüksek hızlı kamera ve ışık Kurulum deneme için
- Set standart servo hidrolik test Araçlı alt fikstür kadar makine. Bu fikstür femur tutun ve Güz kalça yapılandırmasına ( şekil 1) sol ve sağ femora uyum.
- Yüksek hızlı kamera ve aydınlatma donanımları ayarlama ( şekil 3A-3D).
- Yüksek yoğunluklu ışıklar ile makine her tarafında bir sehpa üzerine getirin ve onları ( şekil 3A) güvenli.
- Test iki tarafında yüksek hızlı kameralar makine ve her bir kamera veri edinme birimlerine ( 3B şekil -3 C) bağlanmak için sehpa kadar ayarlama.
- İle açık ve edinme birimine bağlı fotoğraf makinesi, kamera ayarlarını yapılandırmak; 6000 kare / saniye (fps) ve çözünürlük 1024 x 512 piksel kare hızı ayarlayın; çözünürlük fotoğraf dahili hafızasına yerleştirmek için azaltılmış ( Şekil 3D).
- Set çekim 1 kare/sn (1/6000 kare/sn). Ayrıca kamera seçeneği eyleyici (100 ms hızlı testler için ve yavaş testler için 200 ms) hareket etmeden önce kayıtları başlamak gibi ayarlamak.
- İkisi arasındaki eşitleme kablosunu fotoğraf makinesi; seçme tetik modu yazılım ayarı fotoğraf makinelerinin.
4. Kontrol/Calibrating yük hücreleri için uygun veri toplama sistemi (DAQ)
- DAQ birimi kurma
- Bağlan testi DAQ makine, yüksek hızlı video kamera, yük hücreleri ve kablolama gösterildiği gibi doğrusal potansiyometre Şematik olarak şekil 4.
- Trokanterik yük hücresi, baş yük hücresi, doğrusal potansiyometre, 6-kanal yük hücresi uygun bağlantıyı denetleyin ve veri sinyalin izleri DAQ yazılım Görünüm panelinde el ile yük hücresi iterek gözlemleyerek DAQ cihazın sinyal tetiklemek.
- DAQ, sinyal kremi ve nabız jeneratör tüm ON güç olduğundan emin olun.
- DAQ yazılım yük hücreleri ve doğrusal potansiyometre gelen tüm sinyalleri için yapılandırın. DAQ yazılımı seçin " adım kurulum > > yapılandırma " tab ve her yük hücresi ile ilişkili her sinyal girişi için Alım hızı (Hz) kadar ayarla. Üzerinde " Triggering " sekmesinde, uygun tetikleyici seçeneği seçin. Video cihazı-de var tetiklenen deneme video/DAQ sistem synchronicity sağlamak için ishal sırasında.
- Femur başı nominal yük (örneğin en az 1600 lbs ve en fazla 200 lbs) uygulamak ve makul yük doğrulamak için standart servo hidrolik makine kullanarak trochanter yük hücreleri hücre ölçümleri ve üretici için karşılaştırın kalibrasyon bilgi formları ( şekil 5A).
- Benzer şekilde, statik yükler için 6 kanallı yük hücresi 5B rakam gösterildiği gibi bir ölü ağırlık kullanarak uygulayın. İşlevini denetlemek ve 6 kanallı yük hücresi performansını doğrulayın ( şekil 5A -5B) ölçülen ve teorik kuvveti ile an değerleri yüzde farkları hesaplayarak. Hata % 5'den az olmalıdır.
Not: Tüm yük hücreleri, üreticileri tarafından önceden kalibre varsa gerekir. Bu adım, yalnızca yük hücreleri çalıştığı tüm bağlantıları yapılır ve sinyalleri makul denetler. - Doğrusal potansiyometre ayarlama crosshead için doğrusal potansiyometre fikstür güvenli ve doğrusal potansiyometre fikstür ( şekil 5C) yerleştirin. Potansiyometre vücut kilitlemek ve bağlayıcı DAQ birimini fiş için vidayı sıkın Potansiyometre pozisyon maksimum uzantısı ve kayıt talebiyle ve karşılık gelen voltaj (en az üç veri noktaları için) en yüksek derece sıkıştırma anlamına
- el ile Aktüatör (25 mm) yük karede taşıyın. Deplasman gerilim vs arsa ve veri doğrusal bir işleve uygun (R 2 > 0.95). Doğrusal denklem (mm/V) eğimi kalibrasyon faktörü olarak giriş " parametre ölçekleme " kutusunu DAQ yazılım.
- Genel test makine kurulum tüm veri toplama işlev ve makul olduğundan emin olmak için kırık için bir vekil fiberglas kemik sınayarak doğrulayın. Bu trochanter yük hücresi, femoral baş yük hücresi, doğrusal potansiyometre, altı kanallı yük hücresi ve tetikleyici sinyal ( şekil 6) içerir.
5. Kemikler için test hazırlama
- çözülme kemikler için 24 saat oda sıcaklığında ve nem, aşırı yağ ve kalan herhangi bir yumuşak doku pa kullanarak kaldırmahavlu başına.
- Kemik fikstür tarama akrilik yerleştirin ve diş çimento hazırlamak. 60 g PMMA tozu ölçmek ve duman başlık altında sıvı reçine 30 g toz eriyene kadar karıştırın. Karışımı pourable olmalıdır. Tek kullanımlık kağıt bardak için bu işlemi kullanın. Büyük trochanter bir alüminyum Kupası ( şekil 7A) Çömlekçilik için bu adımdır.
- Alüminyum Kupası trochanter altına hizalayın. Sonra yarım fincan yüksekliğine PMMA çimento dökmek ve kemik içine sığacak şekilde fikstür platformu yükseltmek. 10-15 dk polimerizasyon için izin.
- Şal kemiklerinde tuz batırılmış havlu doku kuruluk kemik çimento polimerizasyon sırasında önlemek için.
- Kemik trochanter ( şekil 7B) bağlı alüminyum Kupası ile test makinede test fikstür için hareket
- Alüminyum Kupası trokanterik yük iliştirilmiş plaka üzerinde ortalamak ve alüminyum Kupası biraz yük hücresi dokunur Yataklı ayarlayın. Fikstür dönüş için fikstür pin kaldırmak
- Merkezi ve alt crosshead femur başı ile temas için.
- Gözden geçirme Kur, kemik konumu, yük hücresi sinyalleri ve Kupası konumu. Ayrıca bir daha gözden geçirme DAQ aygıt; tüm ekipman ve yük hücreleri düzgün bağlandığından ve tüm açık olduğundan emin olun. Her yük hücresi yanıtından uygun sinyal için yazılım ayarları'nı denetleyin.
- Femur fotoğraf çekmek 2 taraftan fikstür konulmak.
- Yeterli ışık fotoğraf makinesi sensörünün üzerine izin ve alan derinliğini kontrol etmek için diyafram ayarlamak. Görüntü kalitesi üzerinde femur boynu odaklanarak denetleyin. Bu işlem herhangi bir parlama ve parlak kemik kırığı olay yakalama etkileyecek görüntü bölgelerde engelleyecektir.
6. Bir kırık test
- servo mekanik yük çerçeve hem yükleme ve boşaltma için servo mekanik yük çerçeve kırık testi için 25 mm uygun deplasman kontrolü için programlanmış doğrula.
Not: Bunlar üretici belirli ayarlarıdır ve olmalı giriş ve üreticinin belirtimlerine göre test etme donanımları, Denetim Masası'ndaki doğrulanmadı. - Bir final zaman video kameralar ve veri toplama sistemi yansımaları en aza indirmek için aydınlatma doğrulayın.
- Kırık testi uyluk kemiği ( şekil 7C) için sınama sırası başlatmak için Denetim Masası'ndan başlangıç ikonuna tıklayın.
- Al 2 taraftan kırık uyluk resimlerini.
- El ile Aktüatör geri çekmek ve uyluk çıkarın.
7. Hazırlık sonrası kırık
- fikstür kaldırmak kemik.
- Milli Küçük, ıslak havlu ve plastik torbalar ( Şekil 7 d) sarın ve -20 dondurmak için kemik teyp proksimal kırık sonu ° C.
- Korumak daha sonrası çatlak x-ışını ve CT görüntüleme için kemik.
Not: Bu işlemler daha önce başka bir iletişim kuralında (Jüpiter, inceleniyor) bizim gruptan açıklandı için detaylar ( şekil 7E).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Standart armatürleri test makineden kaldırıldıktan sonra kurum içi fikstür monte edilir. İlk olarak, alt ağır fikstür monte edilmiş ve güvenli (şekil 1). Bu da istenen dıştan açıyla hizalanmasını femur şaft sağlayan 6 kanallı yük hücresi tutmak için genişletilmiş bir kol içerir. Daha sonra iki sürtünmesiz Yataklı dahil olmak üzere crosshead fikstür yük ve femoral kafa hareketi uygulanması sırasında kırık (Şekil 2) karşılamak için monte edilmiştir. Üst fikstür sol ve sağ bacak test etmek için ayarlanabilir. Bir kez tüm fikstür monte edilir, yüksek hızlı kameralar ve aydınlatma armatürleri yüklenir. Kamera görüntüleri, odak, kontrast ve derinlik-in tarla (şekil 3) için test edilir. Tüm araçları sonra DAQ birimine (şekil 4) bağlı ve tek eksenli, 6 eksenli yük hücreleri ve doğrusal potansiyometre işlevselliği için kontrol ve kalibre, sırasıyla (şekil 5). Tüm araçları sonra farklı yük hücreleri (şekil 6) uygun sinyalleri için sağlamak için test edilmektedir. Büyük trochanter sonraki Çömlekçilik için akrilik bir fikstür yerleştirilir. Uyluk kemiği sonra test fikstür yüklenen ve kırılmış. Kırık uyluk fikstür kaldırıldıktan sonra. Kırık parçalar bantladım ve tüm örnekleri plastik torbalarda sarılır. Örnekleri daha sonra x-ışını ile görüntülü ve CT ile daha fazla kırılma türü sınıflandırması için (Şekil 7) inceden inceye gözden geçirmek. Ölçülen sonuçlar 3 Kuvvetleri içerir ve 6 kanallı yük hücresi ve tepki ile ölçülen 3 femur şaft anlarda femur başı zorlamak. Ancak, daha fazla QCT/FEA doğrulama için kullanılacak ana büyük trochanter kaydedilen kuvvet ve femur başı (şekil 8) kaydedilen deplasman sonuçlarıdır.
Şekil 1: alt fikstür yükleme. (A)yerleştirme (Bölüm No. 1) alüminyum blokta ana alt fikstür yapısı (Bölüm No 2) yerleştirerek ve alüminyum blok, (C) ana yapısı güvence makine tablo, (B) yüklü ve güvenli içinde yer, (D) 6-kanal yük hücre fikstür (Bölüm No 3) ana alt yapısı (Bölüm No 2), (E) ayarlama femur şaft açı tüm alt fikstür yüklendikten sonra montaj. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Resim 2: Crosshead fikstür yükleme. (A)makine aktüatör Kaldır fikstür, (B) ilk baseplate (Bölüm No 4) olduğunu ilk olarak, (C) yüklü için İki Yataklı (Bölüm No 6) derleme bağlama ikinci baseplate (Bölüm No 5), (D) ekleme İkinci baseplate, (E) tamamlandı yükleme üst fikstür; (F) bütün makinede yüklü fikstür test. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3: aydınlatma ve kameralar yükleme. (A)lambaları ve kalkanlar ayarlama; (B) yüksek hızlı kamera tripod; ekleme (C) objektif kamera birimine; yükleme (D) kamera bilgisayarlara bağlanma. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 4: şematik diyagramı. DAQ ünitesi ile tüm giriş/çıkış cihazları için DAQ bağlı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 5: kalibrasyon ve doğrulama işlemi. (A)tek eksen yük hücreleri femur başı ve büyük trochanter kuvvet ölçümleri için ve (B) altı kanallı yük hücresi femur şaft kuvvetler ve anlar ölçmeler için işlevselliğini kontrol; (C) kalibrasyonu femoral baş deplasman ölçmek için doğrusal potansiyometre ile. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 6: mekanik test Set-up. Tüm aletleri bağlı ve makine ve video kameralar ile iletişim kurmak için senkronize. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 7: Femur önce ve sonra kırık testi. Alüminyum Kupası'nda büyük trochanter dolu(a)porselen PMMA ile; (B) kemik crosshead fikstür temas femur başı ise daha düşük yük hücresi dinlenme daha büyük trochanter ile test fikstür yerleştirilir; (C) kırık kemik sağ mekanik test ettikten sonra; (D) çıkarma makine ve kırık parçalar birlikte taping uyluk kemiği kırılmış; uyluk kemiği plastik torbalarda kaydırma; (E) x-ışını ve CT kırık sonra tarama. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 8: güç-deplasman eğrisini. Kuvvet-deplasman eğrileri femora için 5 ila 100 mm/s kırık olarak test edilmiştir. Kuvvet daha fazla trochanter ve th kaydedilire deplasman femur başı kaydedilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Biz kırık bir protokol ile başarılı bir şekilde yaklaşık 200 örnekleri test ettik kalça yapılandırmasına bir sonbaharda proksimal kadavra femora test önerdi. Protokol femur gücü farklı yükleme koşullar altında test için birkaç şirket içinde tasarlanmış armatürleri içerir. Fikstür farklı test hızları ve kemik yönelimleri sağ ve sol femora in test etmek için izin verir. Fikstür ve ölçme aletleri takma sonra fiberglas uyluk kemiği ise zaman uyumlu olarak çalışan tüm donanım ve yazılım araçları düzgün bağlandığından ve sinyalleri ve videolar düzgün kaydedilir sağlamak için kırık test. Sadece gerçek kadavra femur kırığı test önce femur şaft PMMA saksı içinde fikstür sabitlenmiş. Mekanik test Protokolü femur kırığı tekrarlanabilir ve tutarlı bir şekilde test için izin verir.
Test sırasında bükme femur şaft deneyimleri ve burulma deformasyon ise femur başı ve büyük trochanter sıkıştırılır. Yanal örnek yüklenmesini önlemek için crosshead fikstür en az sürtünme ile yatay düzlemde hareket sağlayan iki çapraz yatakları ile tasarlanmıştır. Bu test sırasında femur başı kemik deformasyonu ne olursa olsun bir dikey yük uygulamaya ve baş kayma hareket sağlar. Ayrıca, bu üst fikstür sol ve sağ femora şekil 2Ciçinde gösterildiği gibi sadece bir tabak bileşeni döndürerek karşılamak için tasarlanmıştır.
Test makine altına bağlı alt fikstür test sırasında istenen dıştan açılarla kadavra femora tutmak için tasarlanmıştır. Bu fikstür da trochanter ve üç kuvvet ve üç mil anlarda ölçmek için femur şaft distal sonu iliştirilmiş bir altı kanallı yük hücresi basınç yükleri ölçme tek eksen yük hücresi içerir. Buna ek olarak, fikstür diz eklemi taklit sanal noktayı femur döndürme barındırır.
Kemik doku, diğer biyolojik dokuların, benzer baskı hızı bağımlı mekanik özellikleri vardır ve sonuç olarak femur gücü ve kırık özellikleri hız12test ile değişecek. Bu nedenle, protokol ve test fikstür mekanik femur çeşitli hızlarda sınamak için kullanılan ve bir dizi veri alma donanımları, örnek Frekanslar, yüksek hızlı kamera türleri ve aydınlatma koşulları karşılamak gerekir. Geçerli protokol ile başarılı bir şekilde femora, çeşitli test ettik hızları farklı iki büyüklük (5, 100 ve 700 mm/s) çeşitli travmatik olaylar hızını taklit.
Yüksek hızlı kameralar olay daha fazla çözümleme için kırık dizisi kayıt izin. Yararlı verileri elde etmek için tüm test bileşenleri düzgün kırılma mekaniği görselleştirmek için test sırasında senkronize. Eşitleme yük hücresi ile yer değiştirme veri ve çatlamak başlatma ve yayılma veri birlikte kırık, kapsamlı bir görünümünü oluşturmak yardımcı olmak için analiz edilebilir.
Düzgün olmayan kişi ve istenmeyen kişi stres nedeniyle büyük trochanter, kırma önlemek için konsantrasyon, trochanter PMMA dolu bir kaba saksı. Ayrıca, alt Kupası alt fikstür yüzeyde rulo izin vermek üzere yuvarlaktır. Bu bir dikey mukabele gücü kırık gücü veya türü etkileyebilir destek yanal kısıtlaması engelleyen sırasında yol açar. Bu tasarım seçimi doğru femur gücü elde etmek ve modları klinik olarak gözlenen olanlar benzer kırılması gerekiyordu.
Diğer deneysel çalışmalarda femora sadece en proksimal parçası çok kısa örnekler13için önde gelen örneklerinden femur şaft önemli bir bölümünü keserek test edildi. Buna ek olarak, geçerli iletişim kuralı 255 mm uzun proksimal femur numuneler test eder. Fikstür örnek uzunluğunu uzanan bir çelik kol ile döndürme noktasının yanını kaldırılan diz daha gerçekçi bir yana düşüş kalça taklit etmek için ortak içerecek şekilde tasarlanmıştır. Bu uzatma kolu üç kuvveti ve femur şaft kırığı test sırasında geliştirilen üç anlar ölçmek için kullanılan bir 6-bileşen yük hücresi içerir. Bu noktalar önceki çalışmalarda, açıklanan benzer ve daha doğru bir şekilde yardım, kırık ve femur sertlik ve güç14tahmin katkıda bulunan kuvvetler anlıyorum.
Bize kuvvetler dengesini analiz izin alınan verilerdeki artıklık ve anlar ana dikey yönde yol açtı bizim fikstür kullanılan 3 yük hücreleri. En yüksek trochanter anda zorla, biz çok benzer büyüklükleri yaklaşık % 2, ortalama göreceli hataları ile farklı yük hücreleri tarafından ölçülen biyomekanik testlerin bu kategori için çok tatmin edici bir deneysel hata olduğu gözlenen.
Bu iletişim kuralı birkaç olası sınırlamalar vardır. Ana bir sınırlama fikstür ve test makine uyumluluk ölçülen deplasman ve sertlik15etkileyebilir olabilir. Bu kırık için büyük bir yük normal femora için daha uygun olur. Ancak, biz-si olmak ressam bizim fikstür bir sertlik korumak için kalın çelik ve alüminyum levhalar en az bir büyüklük femur sertlik büyük. Yaklaşık 200 femora bir örneğini kullanarak, biz yaklaşık % 5'lik bir ortalama hata ölçülen femur sertlik fikstür uyum nedeniyle fark ettim. Bir düzeltme faktörü sonra her uyluk sertlik değerleri düzeltmek hesaplanır. Hatalarına neden bir ek potansiyel test adımları sırası kesinlikle takip edilmesi gereken kısıtlamadır. Örneğin, test ilk numune için baş ve trochanter fikstür yüzeyler ile temas değil kaldırıldı ve kırık testi (bitiş Sabit) distal uçta bir dönüş noktası olmadan tamamlandı önce uyluk kemiği tutmak PIN yer. Bir değişiklik Protokolü'nün (şekil 1E) PIN ve PIN test etmeden önce kaldırıldı onaylamak için ikinci bir operatör uzun şerit bağlı bir kırmızı gerekli. Ayrıca, hız test ederken önemli ölçüde 5-700 mm arasında çeşitli / s, testlerimiz yine de yarı statik deneyler. Proksimal femur kırığı daha yüksek hız etkileri sonucu gibi yükleme altında dinamik davranışı bir anlayış kazanmak için bir damla-kule test istihdam16olabilir.
Test farklı zamanlarda ve farklı operatörleri tarafından gerçekleştirilen iken, tüm femora aynı iletişim kuralını, fikstür ve böylece belirsizlikler kaldırma ile ilgili deney tekrarlanabilirlik için yük hücreleri kullanarak kırık. Benzer yaklaşımla geçerli Protokolü kabul edilebilir ve Armatürleri duruş yapılandırmada sınamalarına veya diğer kemik türleri kırık için yeniden tasarlandı.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar hiçbir ilgili açıklamalar var.
Acknowledgments
Malzeme ve yapısal test çekirdek tesis ve mühendislik bölümü Mayo kliniğinde, teknik destek için teşekkür etmek istiyorum. Ayrıca Lawrence J. Berglund, James Bronk, Brant Newman, Jorn op den Buijs, Ph.D., çalışma sırasında onların yardım için teşekkür etmek istiyorum. Bu çalışmada mali Grainger Yenilik fonundan Grainger Vakfı tarafından desteklenmiştir.
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).
