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Artigo de método

Imagem do Mecanismo de Falha Microestrutural no Quadril Humano

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DOI:

10.3791/64947

29 de setembro de 2023

Neste artigo

Resumo

O protocolo permite a medição da deformação da microestrutura óssea em todo o fêmur humano proximal e sua tenacidade, combinando microtomografia computadorizada de grande volume, um estágio compressivo personalizado e ferramentas avançadas de processamento de imagem.

Resumo

A obtenção de imagens da microestrutura óssea sob cargas progressivamente crescentes permite observar o comportamento de falha microestrutural do osso. Descrevemos um protocolo para obtenção de uma sequência de imagens microestruturais tridimensionais de todo o fêmur proximal sob deformação progressivamente crescente, causando fraturas clinicamente relevantes do colo do fêmur. O protocolo é demonstrado utilizando quatro fêmures de doadoras do sexo feminino com idade entre 66 e 80 anos na extremidade inferior da densidade mineral óssea na população (T-score = −2,09 a −4,75). Um estágio compressivo radiotransparente foi projetado para carregar os espécimes replicando uma posição unipodal, enquanto registrava a carga aplicada durante a microtomografia computadorizada (micro-TC). O campo de visão era de 146 mm de largura e 132 mm de altura, e o tamanho isotrópico de pixel era de 0,03 mm. O incremento de força foi baseado em predições de elementos finitos da carga de fratura. O estágio compressivo foi utilizado para aplicar o deslocamento no corpo de prova e realizar os incrementos de força prescritos. As fraturas subcapitais por abertura e cisalhamento do colo do fêmur ocorreram após quatro a cinco incrementos de carga. As imagens de micro-TC e as medidas de força de reação foram processadas para estudar a deformação óssea e a capacidade de absorção de energia. A instabilidade do córtex apareceu nas primeiras etapas de carregamento. O osso subcondral da cabeça femoral apresentava grandes deformações chegando a 16% antes da fratura e aumento progressivo da capacidade de suporte até a fratura. A energia de deformação aumentou linearmente com o deslocamento até a fratura, enquanto a rigidez diminuiu para valores próximos a zero imediatamente antes da fratura. Três quartos da energia da fratura foram captados pelo espécime durante o incremento final de 25% de força. Em conclusão, o protocolo desenvolvido revelou uma notável capacidade de absorção de energia, ou tolerância a danos, e uma interação sinérgica entre o osso cortical e trabecular em uma idade avançada do doador.

Introdução

As fraturas do colo do fêmur constituem um grande fardo para o envelhecimento populacional. A microtomografia computadorizada (micro-TC) e o teste mecânico concomitante permitem observar a microestrutura óssea e estudar sua relação com a resistência óssea, suas alterações relacionadas à idade e deslocamentos sobcarga1,2. No entanto, até recentemente, os estudos de micro-TC de osso sob carga limitavam-se a núcleos ósseos excisados3, pequenos animais4 e unidades de coluna humana5. O presente protocolo pode quantificar o deslocamento da micro....

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Protocolo

O protocolo foi desenvolvido e testado com 12 espécimes de fêmur recebidos de um programa de doação de corpos. Os espécimes foram obtidos frescos e armazenados a −20 °C no Laboratório de Biomecânica e Implantes da Universidade de Flinders (Tonsley, Austrália do Sul, Austrália). A umidade óssea foi mantida durante todo o experimento. As doadoras foram mulheres brancas (66-80 anos). A autorização ética foi obtida do Comitê de Ética em Pesquisa Social e Comportamental (SBREC) da Universidade Flinders (Projeto # 6380).

1. Planejando um incremento de etapa de carga específico do espécime

  1. Digitalize o espécime do fêmur ....

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Resultados

As imagens mostram todo o fêmur proximal, o alvéolo de pressão, o cimento dental, o copo de alumínio e o tecido envolvente. A microarquitetura óssea pode ser vista deformando progressivamente à medida que a carga aumenta antes e após a fratura (Figura 4).

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Figura 4: O estágio compressivo conectado ao l.......

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Discussão

O presente protocolo permite estudar a micromecânica do tempo decorrido das fraturas de quadril em três dimensões ex vivo. Um estágio compressivo radiotransparente (alumínio) capaz de aplicar uma deformação progressiva na metade proximal do fêmur humano e medir a força de reação foi projetado, fabricado e testado sob medida. Um microtomógrafo de grande volume é empregado neste protocolo para fornecer uma sequência temporal de volumes de imagens exibindo todo o fêmur proximal com carga progressiva em resolução mi.......

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Divulgações

Todos os autores declaram não haver conflitos de interesse.

Agradecimentos

Financiamento do Australian Research Council (FT180100338; IC190100020) é reconhecido com gratidão.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Tecido absorventeN/AManter a umidade óssea durante todo o experimento
Equipamento de alinhamentoFeito sob medidapara posicionar a amostra no copo de envasamento
Copo de envasamento de alumínioCopo de envasamentofeito sob medida
Serra de ossoN/ACorte do espécime no tamanho
Fantasma de calibração QCT ProMindways Software, Inc., Austin, EUACalibração CT 13002Calibrar os níveis de cinza nas imagens em níveis equivalentes de densidade mineral óssea (cinzas)
Scanner de Tmografia Computadorizada ClínicaGeneral Electric Medical Systems Co., Wisconsin, EUAOptima CT660Imagem preliminar para a previsão da etapa de carga para fratura
Estágio compressivoFeito sob medidaUm estágio compressivo radiotransparente de 10 kg para aplicar e manter através de imagens uma deformação prescrita para a amostra.
Cimento dentárioSoesterberg, HolandaVertex RS
Espécime de fêmurScience Care, Phoenix, EUA
Software de análise de elementos finitosANSYS Inc., Canonsburg, EUAANSYS Mechanical APDLPacote de software de elementos finitos
FreezerN/AArmazene amostras a -20 ° C
Disco rígidoDellEspaço em disco: 500 GB por volume
Software de segmentação e bnarização de imagemSkyscan-Bruker, Kontich, BélgicaAnalisador de tomografia computadorizadaSoftware de processamento de imagem
Segmentação elásticade imagem The University of SheffieldBone DVChttps://bonedvc.insigneo.org/dvc/
Software de processamento e automação de imagemThe MathWork Inc.MatlabSoftware de processamento de imagem
Software de registro de imagemSkyscan-Bruker, Kontich, BélgicaDataViewerSoftware de processamento de imagem
de segmentação de imagem e modelagem FESimpleware, Exeter, Reino UnidoScan IPSoftware de exibição óssea
Script de costura de imagemAustralian syncrotron, Clayton, VIC, AUO script está disponível no IMBL
Visualização de imagemKitware, Clifton Park, NY, EUAParaviewVisualização
imagem Visualização de imagemAustralian National UniversityDristhiVisualização de imagem: doi:10.1117/12.935640
Linha de luz de imagem e medicinaSincrotron australiano, Clayton, VIC, AUde luz micro-CT de objetos grandes no laptop síncrotron australiano
Dell Inc., EUA
Mesa x-y de baixo atritoTHK Co., Tóquio, Japão
Software de aquisição de sinal NINational Instruments, Austin, TXNI-DAQmx
Solução salina tamponada com fosfatoFeitoManter a umidade óssea durante todo o experimento
Saco plásticoN/AManter a umidade óssea durante todo o experimento
RailSKF Inc., Lansdale, PA, EUA
Mecanismo de macaco de parafuso  benzlers, ö rebro, SuéciaSerie BD (unidade de engrenagem quente)curso: 150 mm, carga máxima: 10.000 N, relação de transmissão: 27:1, um deslocamento por revolução: 0,148 mm
Sensor de borda única, cintilador acoplado à lenteSincrotron australiano, Clayton, VIC, AUDetector Ruby FOV: 141 x 119 mm; 2560 x 2160 px; 55 µ m/px; Célula
de carga de seis eixosME-Meß systeme GmbH, Hennigsdorf, GEK6D6Erro máximo de medição: 0,005%; força máxima: 10000 N; torque máximo: 500 Nm
Amplificador de deformaçãoME-Meß systeme GmbH, Hennigsdorf, GEGSV-1A8USB K6D/M16
Software de Linha sob medida de 50 fps

Referências

  1. Martelli, S., Perilli, E. Time-elapsed synchrotron-light microstructural imaging of femoral neck fracture. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 84, 265-272 (2018).
  2. Martelli, S., Giorgi, M., Dall' Ara, E., Perilli, E.

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Reimpressões e permissões

Etiquetas

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