Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Проксимальный трупной Femur Подготовка к Перелом проверки прочности и количественный КТ на основе анализа методом конечных элементов

8.8K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/54925

⸱

11 марта 2017 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Physiology and Biomedical Engineering, Mayo Clinic, 2Division of Engineering, Mayo Clinic, 3Department of Orthopedic Surgery, Mayo Clinic, 4Department of Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign

В этой статье

Краткое содержание

Мы представляем надежный протокол о том, как сохранить и тщательно подготовить трупной бедрами для тестирования переломов и количественной компьютерной томографии. Способ обеспечивает точный контроль над входными условиями для целей определения соотношения между минеральной плотностью костной ткани, трещиностойкости, и определение конечной геометрии и свойств элемента модели.

Аннотация

Трупной тестирование трещины обычно используется, чтобы понять факторы, влияющие на прочность проксимального отдела бедренной кости. Поскольку бывшие естественных биологических тканей склонны терять свои механические свойства в течение долгого времени, образец подготовки к экспериментальной проверки должны выполняться тщательно , чтобы получить достоверные результаты , которые представляют в условиях естественных условиях. По этой причине мы разработали протокол и набор приспособлений для приготовления бедренную образцов таким образом, что их механические свойства испытывали минимальные изменения. В бедренные хранились в замороженном состоянии, за исключением во время этапов подготовки и механических испытаний. Соответствующие клинические показатели общего бедра и шейки бедренной кости минеральной плотности костной ткани (МПКТ) были получены с клиническим двойной Х абсобциометрией (ДРА) костный денситометр, а 3D геометрия и распределение костного материала были получены с использованием КТ с калибровочный образец для количественные оценки, основанные на полутоновых значений. Любое возможное заболевание костей, переломИли наличие имплантатов или артефактов, влияющих на структуру кости, была исключена с помощью рентгеновских сканирования. Для приготовления, все кости были тщательно очищены от избытка мягких тканей, а также вырезались и герметизированы на внутреннем угле поворота интерес. Режущее приспособление позволило Дистальный конец кости, чтобы отрезать оставив проксимального отдела бедренной кости при желаемой длины. Чтобы разрешить размещение шейки бедренной кости в заданных углов при последующем КТ и механических испытаний, проксимальных бедренных валы были герметизированы в полиметилметакрилат (ПММА), используя прибор, разработанный специально для желаемых ориентаций. Данные, собранные из наших экспериментов были затем использованы для проверки достоверности количественной компьютерной томографии (QCT) основе анализ методом конечных элементов (FEA), как описано в другом протоколе. В этой рукописи, мы приводим протокол для точной подготовки кости для механических испытаний и последующего моделирования ККТ / FEA. Текущий протокол был успешно применен для подготовки около 200 хамаaveric бедренные в течение периода времени 6 лет.

Введение

Определение истинной прочности грудного проксимального перелома бедренной кости с помощью механических испытаний является деструктивным методом, требующим строгого подхода к испытаниям для точных измерений. В частности, необходимы надлежащие методы подготовки кости для поддержания целостности костей in vivo до испытания на механический перелом1. Это достигается за счет правильного хранения кости и минимизации манипуляций при комнатной температуре. Эти тестовые данные широко используются для валидации моделей переломов бедренной кости QCT/FEA, которые могут быть использованы в клинической практике для понимания риска переломов, особенно у пациентов с остеопорозом. К сожалению, в настоящее время не существует стандартной процедуры подготовки образцов проксимального отдела бедренной кости к механическим испытаниям. Хорошая процедура тестирования должна обеспечивать повторяемость и воспроизводимость процесса приготовления. Поэтому приспособления, необходимые для подготовки образцов, должны быть тщательно спроектированы и изготовлены, чтобы свести к минимуму вероятность различных ошибок при тестировании. Также необходимо свести к минимуму время подготовки, в течение которого костная ткань находится при комнатной температуре и, таким образом, подвергается опасности деградации с необратимыми изменениями механических свойств.

С этой целью мы разработали процедуру, которая сохраняет костную ткань на нескольких этапах подготовки. Это важно для обеспечения минимального времени воздействия при комнатной температуре, а также минимизации количества циклов замораживания/оттаивания, которые могут повлиять на физические свойства тканей2. Вся процедура длительна и нетривиальна, так как этапы выполнялись в течение нескольких недель и требовали составления графика процедур сканирования и доступности персонала. Этапы включали размораживание образцов кости, скрининг образцов с помощью сканирования DXA для получения значений минеральной плотности костной ткани (МПК), рентген для исключения любых патологических образцов и, наконец, компьютерную томографию для оценки распределения костной минеральной и бедренной геометрии. Все образцы были подготовлены к тестированию путем удаления посторонних мягких тканей с поверхности кости, разрезания бедренной кости до длины, необходимой для тестирования, и забинтования бедренной кости в желаемой ориентации для имитации бокового падения на бедро при последующем тестировании. Очень важно, чтобы период времени для всех этих операций был как можно короче. Таким образом, надежный протокол является обязательным для последовательной подготовки образцов, сохранения тканей между этапами и сокращения общего времени подготовки.

Цель этой статьи - подробно представить процедуры, связанные с подготовкой образцов бедренной кости для последующих механических испытаний в различных условиях. Сохранение костной ткани имеет решающее значение в этом процессе, и мы добились этого, сохраняя образцы замороженными между этапами и тщательно заворачивая их в пропитанные солевым раствором полотенца все время, за исключением сканирования и механического тестирования костей. Бедренные кости также хранились завернутыми во влажные полотенца с солевым раствором во время этапов отверждения ПММА для предотвращения сухости костной ткани.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Примечание: Все исследования, представленные в этом протоколе были одобрены Советом по институциональному (IRB) в клинике Mayo. Кости были получены в течение 6 лет с различными организациями. Все образцы были собраны в течение 72 часов после смерти, завернутые в солевых насыщенными полотенца, и хранили при -20 ° С до приготовления.

1. Измерение минеральной плотности костной ткани с помощью DXA

  1. Удалить образцы выдерживали при -20 ° C морозильнике оттаивают при комнатной температуре в течение примерно 24 ч; Образцы не должны быть удалены из оригинальной упаковки, если большинство мягких тканей была удалена.
  2. Используйте два 5 фунтов мешков риса для учета мягких тканей. Накройте два мешка риса на столе DXA с полиэтиленовыми пакетами, чтобы предотвратить загрязнение. Мешки риса будет имитировать окружающих мягких тканей (в естественных условиях) во время сканирования , как показано на рисунке 1.
  3. Защитите поверхность сканера DXA с пластиковой подкладкой бумагу и поместите 2 пластиковые завернутые риCE сумки на столе сканера (Рис . 1А)
  4. Положите 2 бедрами (справа и слева) в верхней части риса мешки таким образом, что ближний конец ( в том числе головки бедренной кости) сосредоточена на мешках и задняя сторона вниз (рис 1В). Это имитирует пациента, лежащего на спине.
  5. Крышка передняя / подвергается проксимального конца бедренной кости с дополнительными двумя мешками 5 фунтов риса (рис 1C).
  6. Положение головки машины над проксимального отдела бедренной кости и сканирования бедренной кости в соответствии со стандартной процедурой институциональной для измерения пациента BMD (рис 1C). Следуйте конкретным инструкциям производителя DXA.
    1. Из машинного интерфейса программного обеспечения DXA выполнить обычную проверку бедренной кости. Выберите бедренной кости экзамен, поместите руку DXA на верхней части трупной бедренной кости, нажав на стрелку влево или вправо, соответственно, на руке DXA, и начать экзамен, нажав на кнопку "Старт". Выполните анализ BMD, нажав на "Анализ".
      НЕE: в результате автоматического Т-баллов из проверки классифицирует кости , как обычно, остеопенический или остеопорозом (рис 1D). Следуйте конкретным инструкциям производителя DXA.

2. Очистка, резки и сверления Дистальный конец кости

  1. Очистите наиболее проксимальных 300 мм бедренной кости, тщательно удаляя все оставшиеся мягкие ткани от кости. Этот шаг необходим, чтобы позволить ПММА связаться кости во время процесса заливки при подготовке к механическим испытаниям. Кости не нужно размораживать до комнатной температуры в течение этого процесса.
  2. Санируйте рабочее пространство с 70% изопропилового спирта и покрывают стол впитывающей бумагой колодки с пластиковой пленкой с одной стороны (рис 2А). Установите всю бедренную кость на столе (рис 2B) для всего процесса , начиная с очистки для резки (рис 2А-2Н). Использовать средства индивидуальной защиты (СИЗ), включая перчаткии средства защиты глаз.
  3. Соскоблите избыток надкостницу и отрезать лишнюю ткань с помощью скребка и скальпелем (рис 2С, 2H).
  4. Поместите кость в заказном резки арматуры , как показано на рисунке 2D с головки бедренной кости по отношению к акриловой пластине светильника.
  5. Выравнивание и удерживайте диафизе против двух штырьков на разделочной приспособление (рис 2D).
  6. Закрепите кость к приспособлению, затянув вниз щелевой пластины на диафизе; если кость не лежать на арматуре, повесить дистального конца от столешницу , а также при необходимости стяжку шейки бедренной кости , сколько необходимо для удержания образца на месте (рис 2D).
  7. Вырезать дистального вал бедренной кости с помощью ножа литой (рис 2E) через щелевой пластины в качестве направляющей; держать кость сухой тряпкой / полотенцем для лучшего сцепления.
  8. Удалить кости из прибора; нормальная длина кости после разреза составляет 255 мм (рис2F).
  9. Очистите костномозговой полости мозга с помощью кюретки глубоко примерно 25 мм. Затем вставьте марлевую губкой, чтобы помочь высушить внутреннюю поверхность. Удалить марлю только до размещения дистального конца бедренной кости в пресс-форме. Захватите кость с сухим полотенцем / тряпки и просверлить 10 мм отверстие через дистального конца на приблизительно 25 мм от проксимального конца вырезать образца. Примечание: Это должно позволить ПММА проникнуть в канал и зафиксировать кость прочно.

3. Герметизация Bone

  1. Спроектировать и изготовить контейнер заливки. Герметизирующий контейнеры изготовлены из 5 мм толщины акриловых листов и имеют следующие внешние размеры: 50 мм на 50 мм с квадратным поперечным сечением и высотой 100 мм (рисунок 3а).
  2. Этикетка заливкой контейнер с соответствующей идентификации кости (рис 3A и 3B - см ярлык на акриловой коробке).
  3. Отрегулируйте вложенности приспособление для правильной ориентации (левая ногаили правую ногу; например , 15 ° или 30 ° внутреннее вращение).
  4. Поместите заливочной контейнер в базе встраивания светильника, место кости в горшечной контейнере (рис 3B) и выровнять шею с указателем в приспособлении (рис 3C) для регулировки внутреннего угла поворота кости до требуемого значения.
  5. Мера 60 г порошка ПММА и смешивают с 30 г жидкой смолы под вытяжкой, пока порошок не растворится. Смесь должна быть текучими. Используйте одноразовые бумажный стаканчик для этого процесса.
  6. Вылейте смесь в горшечной контейнер с костью под вытяжкой (рис 3D), позволяют вылечить в течение приблизительно 10 - 15 мин до ПММА не ясна и трудно. Это должно заполнить только ~ 1/2 заливки контейнера с ПММА. Тщательно оберните кость в засоленных насыщенное полотенца , чтобы предотвратить сухость тканей вследствие выделения тепла в процессе полимеризации ПММА (рис 3Е).
  7. Периодически проверяйте бедренной кости, чтобы убедиться, что он остается выровнен вконтейнер во время отверждения.
  8. Удалить из бедренной кости горшечной арматуре и завернуть с солевым пропитанной бумажным полотенцем (рис 3Е).
  9. Приготовьте 90 г ПММА под вытяжкой, как описано в шаге 3.5 и полностью заполнить контейнер заливки. Лечение ПММА в течение приблизительно 10 - 15 минут, пока не станет трудно.
  10. После того, как смола затвердеет, плотно завернуть / обернув кость в засоленных пропитанной бумажным полотенцем, накрыть полиэтиленовым пакетом и хранения образцов при -20 ° C в морозильной камере.

4. Визуализация кости с рентгеновской

(ВНИМАНИЕ! Эксплуатация при надлежащем уходе за рентгеновского излучения при использовании аппарата)

  1. При использовании пленок для рентгеновских лучей, включите рентгеновского разработчика, по крайней мере, 20 минут (на одного производителя инструкции) перед сканированием, повернув ручку по часовой стрелке (в комнате разработчиков).
  2. Убедитесь, что есть нераскрытый пленка в кассете до просвечивания; кассета должна быть открыта только в темной комнате.
  3. Включите машину наразблокировать и расширить головку машины.
  4. Поместите тележку под пути луча и поместите кассету на тележке под балкой (фиг.4А).
  5. Место и положение бедренной кости на кассете (Рисунок 4В); две ориентации будут захвачены: медиально-вид сбоку и передне-задний вид. Этикетка с образцами изображений соответственно.
  6. После первой экспозиции, поменять местами свинца и кости.
  7. Накройте уже открытую половину со свинцом и разоблачить кости во второй ориентации на необогреваемой стороне. Это позволяет пользователю использовать один рентгеновской пленки для одной кости в двух направлениях (рис 4C-D).
  8. Замените кассету и вращать каждую бедренную кость во второй ориентации.
  9. В случае одной бедренной кости, покрывают половину кассеты с свинцовой крышкой, чтобы избежать первоначальной экспозиции всего фильма до рентгеновских лучей.
  10. Перемещение за свинцовой подкладкой портативной стене для личной защиты и использовать триггер, чтобы выставитькости.
  11. По завершении возврата рентгеновской головки, чтобы зафиксировать и сохранить положение, поверните ключ в положение OFF на рентгеновский аппарат и удалить подвергаются рентгеновской пленки.
  12. Разработка фильма для получения рентгеновских изображений (рис 4д) с помощью обычного разработчика пленки. Включите белый свет в комнате и найдите строительную пленку. Включите красный свет и выключить белый свет, прежде чем открывать кассету и продолжить процесс разработки фильма. Откройте кассету и положите пленку через разработчика. Включите белый свет и выключить красный свет после того, как фильм был разработан.

5. КТ сканирование костей

  1. Удалить кости из морозильной камеры около 24 ч перед сканированием. Кости должны быть полностью разморожены перед сканированием.
  2. Убедитесь, что кости, завернутые в полиэтиленовые пакеты для сканирования, чтобы минимизировать очистку в конце.
  3. Место и закрепите бедренной и калибровочный образец в КТ сканирования прибора (Рис 5A-B). еixture имеет калибровочный образец (рис 5C) , а также имеет бедренную кость в ориентации (рис 5D-E) совпадает с ориентацией , требуемой для последующего механического тестирования. Этот крест регистрация требуется использовать данные КТ (рис 5F) в моделировании процесса ККТ / FEA (описано в другом протоколе).
    Примечание: Прибор сконструирован таким образом, что он подвергает бедренной кости для КТ, не загораживая проксимального отдела бедренной кости (бедренной кости головы, шеи, большого вертела, и проксимальный вал).
  4. Убедитесь , что прибор вместе с бедренной кости в КТ - сканера правильно выровнен с помощью системы лазеров в качестве направляющих (рис 5D-E). Повторно проверьте выравнивание прибора с длинной осью лазера CT (нажатием лазера кнопки включения / выключения). Фантом не нужно быть выровнен с лазером, как он закреплен в арматуре. Нулевой положение таблицы с панели управления аппарата, нажав на нулевую переключатеп (→ 0 ←) на панели управления.
  5. После стандартной процедурой КТ, управлять машиной КТ при 120 кВп, 216 MAS, 1 сек времени вращения, и шаг 1, используя ультра режим высокого разрешения (Зухра). Это дает толщину среза 0,4 мм, а размер пикселя 0,30 - 0,45 мм в зависимости от размера поля зрения (FOV).
  6. Проверить КТ Данные до механических испытаний, чтобы гарантировать, что изображения интереса захвачены и сохранены. не замораживать кости при -20 ° С до дня эксперимента.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

В трупные бедренные были транспортироваться в замороженном состоянии и выдерживают при -20 ° С до тех пор, пока начала подготовки. Сканирование БМД была выполнена с помощью сканера DXA для измерения общего бедра и шеи БМД, а также Т-балл для каждого образца (рисунок 1). Т-подсчитано число стандартных отклонений измеренных БМД по сравнению со средними значениями для молодых здоровых субъектов. Она может варьироваться от -2,5 или ниже для остеопорозом костей, от -1 до -2,5...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Мы представили надежный протокол подготовки костной ткани для обеспечения механического моделирования и тестирования ККТ / FEA бедренной силы в боковом падении на конфигурации бедра. Этот метод стал наш стандартный протокол в доме. В течение 6 лет, с той или иной персонал, около 200 бёдра были успешно получены в соответствии этому протоколу. Результаты протокола включает в себя классификацию условий кости с помощью DXA, что исключает метастатических заболевания, предыдущие переломы, или имплантаты с использованием рентг...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют соответствующих пояснений.

Благодарности

Мы хотели бы поблагодарить материалы и конструкции тестирование основной комплекс в клинике Майо в службу технической поддержки. Кроме того, мы хотели бы поблагодарить Лоуренс Дж Берглунд Брант Ньюман, Йорн оп ден Buijs, доктор философии, за их помощь в ходе исследования. Работа выполнена при финансовой поддержке инновационного фонда Грейнджер из Грейнджер фонда.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Контейнер для КТ и приспособление для сканированияСобственное производствоН/ДСпециально разработанный и изготовленный
компьютерный томографСканерSiemens Somatom Definition (Siemens, Malvern, PA)Оборудование для компьютерной томографии
Количественная КТ PhantomMidways Inc, Сан-Франциско, КалифорнияКалибровка КТ Model 3 PhantomИспользуется для получения значений МПК от единиц Hounsfield на КТ-изображении
Двухэнергетический рентгеновский абсорбциометрический сканерGeneral ElectricN/AGE Lunar iDXA сканер для здоровья костей или любые аналогичные сканеры МПК
Гигиеническая орродонтическая смола (ПММА)Patterson Dental SupplyH02252Контролируемое вещество и может быть приобретен с надлежащим одобрением
Морозильная камераKenmoreN/AЭто -20 & град; С хранилищем для костей
рентгеновский сканерGeneral Electric  46-270615P1Аппаратура рентгеновская.  
Рентгеновские пленкиKodakN/AИспользуются для отображения рентгеновских изображений
проявщиком рентгеновских лучейKodak X-OmaticM35A X-OMAT Используется для проявки рентгеновских изображений
Рентгеновская кассетаKodak X-OmaticN/AИспользуется для хранения рентгеновских пленок
5-фунтовые мешки для рисаGreat Value N/A Используется для имитации мягких тканей в процессе сканирования DXA
Физиологический раствор (0,9% хлорида натрия)BaxterNDC 0338-0048-04Используется для поддержания гидратации образцов
Скальпели и скребкиBard-ParkerN/AИспользуется для очистки кости от мягких тканей
Литой резакStryker810-BD001Используется для резки бедренного вала
Сверлильный станокBoschN/AИспользуется для сверления бедренного вала
Вытяжной колпакHamilton70532Используется для вентиляции при использовании изготовления ПММА

Ссылки

  1. Cristofolini, L., Schileo, E., Juszczyk, M., Taddei, F., Martelli, S., Viceconti, M. Mechanical testing of bones: the positive synergy of finite-element models and in vitro experiments. Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 368, 2725-2763 (2010).
  2. Cartner, J. L., Hartsell, Z. M., Ricci, W. M., Tornetta, P. III Can we trust ex vivo mechanical testing of fresh-frozen cadaveric specimens? The effect of postfreezing delays. J Orthop Trauma. 25 (8), 459-461 (2011).
  3. An, Y. H., Draughn, R. A. Mechanical testing of bone and the bone-implant interface. , CRC press. (1999).
  4. van Haaren, E. H., van der Zwaard, B. C., van der Veen, A. J., Heyligers, I. C., Wuisman, P. I., Smit, T. H. Effect of long-term preservation on the mechanical properties of cortical bone in goats. Acta Orthop. 79, 708-716 (2008).
  5. Shaw, J. M., Hunter, S. A., Gayton, J. C., Boivin, G. P., Prayson, M. J. Repeated freeze-thaw cycles do not alter the biomechanical properties of fibular allograft bone. Clin Orthop Relat Res. 470 (3), 937-943 (2012).
  6. Topp, T., et al. Embalmed and fresh frozen human bones in orthopedic cadaveric studies: which bone is authentic and feasible? Acta Orthop. 83 (5), 543-547 (2012).
  7. Manske, S., et al. Cortical and trabecular bone in the femoral neck both contribute to proximal femur failure load prediction. Osteoporos Int. 20 (3), 445-453 (2009).
  8. 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).
  9. Cristofolini, L., McNamara, B., Freddi, A., Viceconti, M. In vitro measured strains in the loaded femur: quantification of experimental error. J Strain Anal Eng Des. 32, 193-200 (1997).
  10. 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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Подготовка проксимального отдела бедренной коститестирование бедренной кости трупного материалаколичественный анализ КТминеральная плотность костидвухэнергетическая рентгеновская абсорбциометриязаливка полиметилметакрилатомугол внутренней ротациипротокол КТ-сканированияустановка для механических испытаний
Проксимальный трупной Femur Подготовка к Перелом проверки прочности и количественный КТ на основе анализа методом конечных элементов
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.