Summary
In diesem Manuskript präsentieren wir ein Protokoll, um Test cadaveric proximalen Oberschenkelknochen bei einem seitlichen Sturz auf der hip-Konfiguration mit instrumentierten Leuchten montiert auf einem standard Servo-hydraulische Rahmen zu Bruch. Neun digitalisierte Signale bestehend aus Verschiebung zusammen mit zwei high-Speed-video-Streams, Kräfte und Momente sind während des Tests erfasst.
Abstract
Mechanische Prüfung von Oberschenkelknochen bringt wertvolle Einblicke in das Verständnis des Beitrags der klinisch messbare Variablen wie Bone Mineral Dichteverteilung und Geometrie auf die femoralen mechanischen Eigenschaften. Derzeit gibt es keine standard-Protokoll für die mechanische Prüfung von solchen geometrisch komplexen Knochen zu messen Festigkeit und Steifigkeit. Um diese Lücke zu schließen haben wir ein Protokoll zum Testen cadaveric Oberschenkelknochen zum Bruch und deren biomechanischen Parameter zu messen entwickelt. Dieses Protokoll beschreibt eine Reihe von anpassungsfähige Installationen, um Platz für die verschiedenen Last Größen und Richtungen Bilanzierung möglich Knochen Orientierungen bei einem Sturz auf die Hüfte Konfiguration, Geschwindigkeit, Größe und linkes Bein rechten Bein Variationen zu testen. Der Oberschenkelknochen waren bereit für die Prüfung von Reinigung, schneiden, scannen und Blumenerde distales Ende und Trochanter Major Kontaktflächen in Poly(methyl methacrylate) (PMMA) in ein anderes Protokoll präsentiert. Die vorbereiteten Proben wurden in die Tests Vorrichtung in der Lage, die imitiert eines seitwärts Sturzes auf die Hüfte gelegt und geladen, um Bruch. Während des Tests zwei Last Zellen gemessen Vertikalkräfte der Femurkopf und Trochanter Major, ein Sechs-Achs-Wägezelle gemessenen Kräfte und Momente an der distalen femoralen Schaft und einen Wegsensor gemessen differentielle Verschiebung zwischen den femoral Kopf und Trochanter kontaktieren Sie unterstützt. High-Speed-Videokameras wurden verwendet, um synchron Fraktur Ereignisabfolge während des Tests erfassen. Die Reduzierung dieser Daten konnten wir charakterisieren die Festigkeit, Steifigkeit, und Energie für fast 200 osteoporotischen, Osteopenic, Bruch und normalen cadaveric Oberschenkelknochen zur Weiterentwicklung der Technik basierende Diagnose-Tools für Osteoporose Forschung.
Introduction
Entwicklung von neuartigen Methoden für die Risikobewertung femoralen Fraktur und Fraktur-Prävention bei einem Sturz auf die Hüfte erfordern ein umfassendes Verständnis der biomechanischen Prozesse während der Fraktur. Cadaveric proximalen Femur Stärke testen hat sich als wirksam erwiesen bei der Bestimmung der Beziehung zwischen femoralen Stärke und Faktoren, die die strukturelle Kapazität des Oberschenkelknochens wichtige Einblicke in diesem Prozess1,2 , 3. experimentell gemessenen femoralen Stärke dient außerdem zur Validierung der quantitativen Computertomographie-basierte Finite Element Analysis (QCT/FEM) ermöglicht eine nicht-invasive Abschätzung der Fraktur Stärke4,5, 6,7.
Bisher gibt es keine anerkannten Standardverfahren, ganze femoralen Exemplare zum Bruch zu testen. Um klinisch messbare Variablen (z. B. Knochendichte und Geometrie) und ihr Einfluss auf die femorale Stärke zu isolieren, ist es unerlässlich für experimentelle Tests in einer kontrollierten und wiederholbaren Weise durchgeführt werden. Cadaveric Oberschenkelknochen haben unregelmäßige Formen und in Größen8 und können entweder männlich oder weiblich Kadaver der unterschiedlichen Alters macht es unmöglich, mit eingebauten Armaturen Standard Prüfmaschinen testen entnommen werden. Bei einem seitlich Sturz auf die Hüfte Ereignis durchläuft den Trochanter Major zusammenpressende Belastung, während der proximale Femur komplexe Belastung einschließlich Komprimierung, Spannung, Biege-Moment und Torsion auftreten kann. So laden Testszenarios erhöht die Komplexität der Versuchsplanung. Daher muss eine feste Größe, als ein wichtiger Bestandteil der Testprotokoll speziell entworfen, hergestellt, und installiert femorale Proben von verschiedenen Formen und Größen und verschiedenen Tests Geschwindigkeiten angepasst. Diese Vorrichtung muss auch die Exemplare halten, zum Testen in einer Reihe von gewünschten Orientierungen möglich Stoßbelastungen durch einen Sturz auf die Hüfte zu simulieren. Um solch eine Vielzahl von Bedingungen zu erfüllen, muss die Leuchte haben mehrere stationäre und bewegliche Teile in einer Art und Weise spielen in das System zu minimieren und eine glatte Last-Verschiebung-Antwort zu erhalten verbunden.
Entscheidend ist die zuverlässige Datenerfassung auch während des Tests. Das experimentelle Design integrieren muss, die notwendigen Wägezellen, Hubraum Wandler, signal-Verstärker und Klimaanlagen zu genau messen Kräfte und Momente überhaupt unterstützt. Darüber hinaus sind high-Speed-Videos von den Front- und Seitenzahnbereich Ansichten des Oberschenkelknochens erhalten synchron mit dem Erwerb der Kräfte notwendig, um die Abfolge der Ereignisse führt zu Bruch, charakterisieren Frakturtypen, zu verstehen und präzise definieren Sie femorale Stärke4,9.
Während in der Literatur gibt es wertvolle experimentelle Studien über ganze Femur testen, veröffentlichten Protokolle fehlen Details wie die Prüfung durchgeführt wurde oder sind sehr verschieden von einer Studie zu einem anderen zu wirklich reproduzierbare10, 11. Das Ziel der aktuellen Arbeit war einzuführen ein Protokoll für die mechanische Prüfung von femoralen Proben, die als Ausgangspunkt für eine Anstrengung um zu standardisieren Knochengewebe testen, die wiederholbar und reproduzierbar sein können verwendet werden. Zu diesem Zweck wir entworfen und fabriziert eine Prüfung Befestigung, die verwendet wurde, um etwa 200 cadaveric Oberschenkelknochen zu testen. Die Tests Leuchte enthalten eine untere Befestigung und Kreuzkopf fester Bestandteil. Die untere Befestigung (Abbildung 1A-E) hält das Femur auf eine gewünschte Orientierung während des Tests und beinhaltet eine Wägezelle Trochanter und einer 6-Kanal-Wägezelle mit der femoral Welle verbunden. Es beherbergt auch drei unabhängige Übersetzungen für Positionierung des Knochens zu Testzwecken Fraktur zu ermöglichen. Ein Drehpunkt wird hinzugefügt, um das Kniegelenk zu imitieren. Die Hauptteile der unteren Befestigung waren dicke Stücke aus Edelstahl und Aluminium bestehend, eine sehr steife Befestigung zu machen. Eine Wägezelle ist die untere Befestigung Druckkräfte auf den Trochanter Major während des Tests messen beigefügt. Die Kreuzkopf-Befestigung (Abbildung 2A-2E) umfasst zwei Aluminium-Grundplatten und zwei sehr steifen Folie Kugellager (beigefügt zusammen durch eine Alu-Platte), um die Bewegung der Femurkopf während des Tests zu berücksichtigen und auch Platz für für rechten und linken Oberschenkelknochen. Eine Wägezelle enthalten in der Kreuzkopf Befestigung Maßnahmen Druckkräfte. Eine Aluminium-Cup an der Wägezelle angeschlossen wird verwendet, um die Druckbelastungen auf der Femurkopf anwenden. Unsere Methode diente für linken und rechten Oberschenkelknochen beiderlei Geschlechts, mit verschiedenen Größen, Hals-Welle Winkeln, Knochendichte und Belastungsbedingungen imitiert ein seitlich auf der Hüfte fallen. Die Tests Geschwindigkeiten in unseren Experimenten wurden bei 5, 100 und 700 mm/s eingestellt, aber sie können auf einen beliebigen Wert auf der Prüfmaschine gesetzt werden. Die entworfene Leuchte hatte zwei Hauptkomponenten, eine an die Traverse der Prüfmaschine angeschlossen und die andere mit dem Test Rahmen verbunden. Beide Teile waren instrumentiert mit ausreichend Kraft messen Wägezellen und Augenblick Randbedingungen überhaupt unterstützt. Darüber hinaus wurden zwei High-Speed-Video-Kameras verwendet, um während der Prüfung bei der Fraktur aufzuzeichnen. Scannt nach Fraktur, eine Reihe von Röntgen- und Computertomographie (CT) wurden für Post experimentelle Fraktur Analysen erhalten. Ergebnisse aus diesen Experimenten einschließlich Bruchfestigkeit und Energie werden derzeit für die weitere Forschung in Diagnose-Tools verwendet, um schließlich die Beurteilung des proximalen Bruchfestigkeit bei osteoporotischen Patienten zu verbessern.
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Protocol
1. großen Fixture-Anlage
- standard Armaturen aus der Maschine nehmen.
- Kreuzkopf auseinander zu bewegen, um das eigene Gerät unterzubringen.
- Aluminium-Block (Teil Nr. 1 in Abbildung 1A) auf die Maschine und auf der Maschine mit zwei Schrauben befestigen, das Loch in der Mitte Platz für die Maschine Wägezelle.
- Die wichtigsten Befestigung Struktur (Teil Nr. 2 in Abbildung 1 b) auf dem Aluminiumblock zu platzieren und sicher an den Block mit 4 Schrauben befestigen.
- Legen Sie eine vier-Tonnen Wagenheber unter dem Teil der Scheinwerfer, die nicht auf dem Aluminiumblock zur Unterstützung der Leuchte ( Abbildung 1) ruht.
- 6-Kanal-Last Zelle Befestigung (Teil Nr. 3 in Abbildung 1) auf die wichtigsten Halterung montieren und mit 6 Schrauben sichern.
2. Kreuzkopf Befestigung Befestigung
- die Maschine Kreuzkopf auf absoluten Nullpunkt mit Kreuzkopf Lift Control festgelegt.
- Legen erste Grundplatte (Teil Nr. 4 in Abbildung 2 b) auf die Traverse mit den 7 Schrauben mit seinen abgerundeten Ecken auf der Vorderseite der Prüfmaschine.
- Anhängen zweite Grundplatte (Teil Nr. 5 in Abbildung 2) mit einer schwenkbaren Schraube. Die Schraube Pers. linke und Rechte Knochen während des Testens Die zweite Bodenplatte (Teil Nr. 5) kann sich über die Pivot-Schraube im Vergleich zu ersten Grundplatte (Teil Nr. 4) schwenken. Ausrichtung der zweite Bodenplatte legt fest, ob das Setup für rechten oder linken Femur ist.
- Befestigen die Montage von zwei Gleitlager (Teil Nr. 6 in Abb. 2D), die zweite Bodenplatte (Teil Nr. 5) mit 4 Schrauben (zwei Schrauben können von einer Seite der ersten Bodenplatte zugegriffen werden). Drehen Sie die zweite Bodenplatte in einer Weise, dass der zweite Satz von Schrauben vom oberen Rand der ersten Spielplatten zugegriffen werden kann.
Hinweis: Um die Ausrichtung der Folien aus linken Bein zu richtigen Knochen zu ändern, sind die 4 Schrauben auf der Oberseite der ersten Grundplatte gelöst und dann rutschen über die Pivot-Schraube gedreht und wieder befestigt, in der gewünschten Ausrichtung sind. - Manuell drehen die Dias, die orthogonal zur 6-Kanal-Last sind Zelle indem die Maschine Kreuzkopf auf relative Position von 65°.
3. Instrumentiert, Befestigung, High-Speed Kamera und Licht-Setup für Experiment
- Set, instrumentierte unteren Befestigung auf einem standard Servo hydraulische Prüfung Maschine. Dieses Gerät hält den Oberschenkelknochen und Platz für linken und rechten Oberschenkelknochen im Herbst auf der hip-Konfiguration ( Abbildung 1).
- High-Speed-Kamera und Beleuchtungsanlagen einrichten ( Abbildung 3A-3D).
- Hoher Intensität Lichter auf Stative mit einer auf jeder Seite der Maschine zu positionieren und fixieren ( Abb. 3A).
- Richten Sie Stative für High-Speed-Kameras auf beiden Seiten des Tests Maschine und schließen Sie jede Kamera an Daten Erfassungsgeräte ( Abb. 3 b -3 C).
- Mit den Kameras auf und an der Aufnahmeeinheit, Kamera-Einstellungen zu konfigurieren; 6000 Frames pro Sekunde (fps) und die Auflösung auf 1.024 x 512 Pixel Bildrate soll; Auflösung reduziert werden, um internen Kameraspeicher unterzubringen ( 3D Abbildung).
- Satz Blende bis 1 Frame/SEK (1/6.000 fps). Auch die Kameraoption so eingestellt, dass die Aufnahmen beginnen, bevor der Antrieb bewegt (100 ms für Schnelltests und 200 ms für langsame Tests).
- Synchronisierung Kabel zwischen den beiden Kameras; wählen Sie Trigger-Modus in der Softwareeinstellung der Kameras.
4. Prüfung/Kalibrierung laden Zellen für richtige Data Acquisition System (DAQ)
- Einrichtung DAQ-Einheit
- Connect DAQ zum Testen Maschine, High-Speed-Video-Kamera, Wägezellen und lineare Potentiometer siehe Verkabelung schematisch in Abbildung 4.
- Überprüfen Sie den korrekten Anschluss der Trochanter Wägezelle, Kopf Wägezelle, lineare Potentiometer, 6-Kanal-Wägezelle und Signal an das Datenerfassungsgerät auslösen, indem Sie beobachten Signal Datenspuren im Bedienfeld "Ansicht" der DAQ Software indem Sie manuell auf die Wägezelle.
- Überprüfen, ob die DAQ, Signaltrenner und Impulsgeber sind alle eingeschaltet.
- Konfigurieren Sie die DAQ Software für alle Signale aus der Wägezellen und die lineare Potentiometer. In der DAQ Software, wählen Sie die " Schritteinstellungen > > Konfiguration " Registerkarte, und richten Sie die Erfassungsrate (Hz) für jedes Signal-Eingang jede Wägezelle zugeordnet. Auf die " Auslösung " Registerkarte, wählen Sie die entsprechende auslösende Option. Video-Ausrüstung sollte auch ausgelöst werden, während der Testläufe zu Video/Datenerfassungssystem Synchronizität zu gewährleisten.
- Der Femurkopf Nennlast (z. B. mindestens 200 lbs bis maximal 1600 lbs) zuweisen und Trochanter Wägezellen mit der standard Servo-hydraulische Maschine um zu angemessenen Belastung überprüfen Zell-Messungen und vergleichen Sie mit Hersteller Kalibrierung-Datenblätter ( Abb. 5A).
- Gelten in ähnlicher Weise statische Belastungen für die 6-Kanal-Wägezelle mit einem Eigengewicht, wie in Abbildung 5 b gezeigt. Überprüfen Sie die Funktionalität und die Leistung der 6-Kanal-Wägezelle ( Abbildung 5A -5 b) durch die Berechnung Prozent Unterschiede zwischen gemessenen und theoretische Kraft und Moment Werte. Der Fehler sollte weniger als 5 % sein.
Hinweis: Alle Wägezellen müssen vom Hersteller vorab kalibriert haben. Dieser Schritt nur prüft, ob die Wägezellen sind funktionsfähig, alle Verbindungen hergestellt und die Signale vernünftig sind. - Kalibrierung der linearen Potentiometer sichern die lineare Potentiometer-Befestigung für die Traverse und legen Sie die lineare Potentiometer in der Halterung ( Abbildung 5). Schrauben anziehen, um sperren die Potentiometer-Körper und stecken Sie den Stecker in den DAQ-Einheit
- Bewegen den Antrieb (25 mm) manuell auf dem Lastrahmen, so dass die Potentiometer-Position von maximale Kompression für maximale Ausdehnung und Rekord Verschiebungen und die entsprechende Spannung (für mindestens drei Datenpunkte) übersetzt. Plot-Verschiebung vs. Spannung und eine lineare Funktion zu den Daten passen (R 2 > 0,95). Geben Sie die Steigung der linearen Gleichung (mm/V) als der Kalibrierfaktor in der " Parameter Skalierung " Feld der DAQ Software.
- Den Gesamtaufbau Test Maschine durch ein Surrogat Fiberglas Knochen zum Bruch um sicherzustellen, dass alle Datenerfassung ist funktional und vernünftigen Tests zu überprüfen. Dazu gehören Trochanter Wägezelle, femoral Kopf Wägezelle, lineare Potentiometer, die 6-Kanal-Wägezelle und das Triggersignal ( Abbildung 6).
5. Testing Knochen vorbereiten
- Knochen bei Raumtemperatur für 24 Std. Auftauen und entfernen Sie Feuchtigkeit, überschüssiges Fett und alle übrigen Weichteile mit Papro Handtücher.
- Knochen in das Acryl Halterung scannen und dental Zement vorzubereiten. Messen Sie 60 g PMMA Pulver zu und mit 30 g flüssiges Harz unter Abzug zu mischen Sie, bis sich das Pulver aufgelöst hat. Die Mischung sollte gießbar. Verwenden Sie einen Einweg-Pappbecher für diesen Prozess. Dieser Schritt ist zum Topfen der Trochanter Major in eine Aluminium-Schale ( Abb. 7A).
- Ausrichten den Aluminium-Cup unter den Trochanter. Dann gießen Sie PMMA-Zement auf halber Höhe der Tasse, und erhöhen Sie die Befestigung-Plattform, um die Knochen in die Tasse passt. 10-15 min für die Polymerisation lassen.
- Wrap Knochen in Kochsalzlösung getränkt Handtücher Gewebe Trockenheit bei Knochen-Zement-Polymerisation zu vermeiden.
- Knochen, die Prüfvorrichtung in der Prüfmaschine mit Aluminium-Tasse an Trochanter ( Abb. 7 b) angebracht zu bewegen
- Zentrieren Sie den Aluminium-Cup auf der Platte befestigt die Trochanter Wägezelle und Gleitlager so einstellen, dass die Aluminium-Schale leicht die Wägezelle berührt. Entfernen Sie den Stift aus der Vorrichtung für die Drehung des Gerätes ermöglichen
- Center und senken die Traverse für den Kontakt mit der Femurkopf.
- Review Setup, Knochen-Position, Zelle Lastsignale und Tasse Position. Auch Überprüfung Datenerfassungsgerät; Stellen Sie sicher, dass alle Geräte und Last Zellen korrekt angeschlossen sind, und stellen Sie sicher, dass alle eingeschaltet sind. Überprüfen Sie Software-Setup auf korrektes Signalantwort vom jede Wägezelle.
- Fotografieren des Oberschenkelknochens in der Halterung von 2 Seiten platziert.
- Stellen Sie die Blende, damit genügend Licht auf den Kamerasensor und die Schärfentiefe zu steuern. Überprüfen Sie die Bildqualität durch die Konzentration auf den Schenkelhals. Dieser Prozess sollte verhindern, dass Blendung und glänzend Knochen Regionen in das Bild, das Erfassen der Fraktur Veranstaltung beeinträchtigen würde.
6. Prüfung nach Fraktur
- Überprüfen Sie die Servo-mechanische Lastrahmen für entsprechende Verschiebungssteuerung von 25 mm für den Test Bruch in der Servo-mechanische Belastung-Rahmen sowohl be-und Entladen programmiert.
Hinweis: Diese sind Hersteller spezifische Einstellungen und Eingang und werden in der Systemsteuerung von Prüfgeräten nach Herstellervorgabe überprüft. - Beleuchtung zur Minimierung von Reflexionen in der Video-Kameras und das Datenerfassungssystem ein letztes Mal zu überprüfen.
- Klicken Sie auf das Start-Symbol aus der Systemsteuerung Testsequenz um Test Femur ( Abbildung 7) Bruch initiieren.
- Bilder von den gebrochenen Oberschenkelknochen von 2 Seiten.
- Manuell zurückzuziehen Antrieb und Maschine Oberschenkelknochen entfernen.
7. Post-Fraktur Vorbereitung
- Knochen von Befestigung entfernen.
- Band proximale gebrochen Ende des Knochens, Welle, wickeln Sie in nasse Handtücher und Plastiktüten ( Abbildung 7) und dann Einfrieren bei-20 ° c
- Bewahren die Knochen für die weitere Post-Fraktur Röntgen- und CT-Bildgebung.
Hinweis: Details für diese Prozesse bisher aus unserer Gruppe (im Berichtsjahr bei Jupiter) in ein anderes Protokoll erklärt wurden ( Abbildung 7E).
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Representative Results
Hauseigene Befestigungen sind montiert, nachdem die standard Armaturen aus der Prüfmaschine entfernt sind. Erstens ist die Unterseite schwere Leuchte montiert und gesichert (Abbildung 1). Dazu gehören einen verlängerten Arm die 6-Kanal-Wägezelle halten ermöglicht auch die femorale Welle in einem gewünschten Adduktion Winkel ausgerichtet werden. Als nächstes ist einschließlich zwei reibungsfreie Gleitlager Kreuzkopf-Befestigung montiert, um die Anwendung der Last und femoral Kopf Bewegung während der Fraktur (Abbildung 2) aufnehmen. Die obere Befestigung ist einstellbar für die Prüfung der linken und rechten Beine. Nachdem alle Armaturen montiert sind, sind high-Speed-Videokameras und Leuchten installiert. Fokus, ein besserer Kontrast und Tiefenschärfe (Abbildung 3) werden die Bilder in der Kamera getestet. Alle Instrumente sind dann zu einer DAQ-Einheit (Abbildung 4) verbunden und einachsigen, Sechsachs-Wägezellen und die lineare Potentiometer auf Funktionalität überprüft und kalibriert, bzw. (Abbildung 5). Alle Instrumente werden dann getestet, um sicherzustellen korrekte Signale von verschiedenen Wägezellen (Abbildung 6). Der Trochanter Major wird als nächstes in ein Acryl Halterung für Blumenerde gesteckt. Femur ist dann in den Test Fixture geladen und gebrochen. Nach Fraktur Femur aus der Halterung entfernt. Gebrochene Teile mit Klebeband zusammen und die ganze Proben werden in Plastiktüten eingewickelt. Die Proben werden dann abgebildet mit Röntgen und gescannt mit CT für weitere Fraktur-Klassifizierung (Abbildung 7). Messergebnisse sind 3 Kräfte und 3 Momente an der femoral Welle mit der 6-Kanal-Wägezelle und die Reaktion gemessen an der Femurkopf zwingen. Jedoch sind die wichtigsten Ergebnisse für weitere QCT/FEA Validierung verwendet werden, die Kraft auf den Trochanter Major aufgezeichnet und die Verschiebung bei der Femurkopf (Abbildung 8) aufgezeichnet.
Abbildung 1: untere Befestigung Installation. (A) Platzierung der Aluminium-Block (Teil Nr. 1) auf Maschinentisch, (B) legen die wichtigsten Bodenstruktur der Befestigung (Teil Nr. 2) und dem Aluminium-Block, (C) Hauptstruktur Sicherung installiert ist und in gesicherten Ort, (D) Montage der 6-Kanal-Last Zelle Befestigung (Teil Nr. 3) auf die wichtigsten Bodenstruktur (Teil Nr. 2), (E) einstellen femoralen Achswinkel nach der Installation der gesamten unteren Befestigung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2: Kreuzkopf Armatur Installation. (A) entfernen Leuchten von Maschine Antrieb, (B) erste Grundplatte (Teil Nr. 4) ist installiert, (C) anfügen die zweite Bodenplatte (Teil Nr. 5), (D) befestigen die Montage von zwei Gleitlager (Teil Nr. 6) an die zweite Grundplatte, (E) abgeschlossene Installation der oberen Befestigung; (F) ganze Tests Befestigung auf dem Computer installiert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3: Beleuchtung und Kameras Installation. (A) einrichten, Lampen und Schilde; (B) Befestigung der High-Speed-Kamera auf dem Stativ; (C) installieren das Objektiv auf die Kamera-Einheit; (D) die Kamera an den Computer anschließen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4: Schematische Darstellung. DAQ-Einheit mit der Input/Output-Geräte mit DAQ verbunden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5: Kalibrierung und Verifizierung. Überprüfen die Funktionalität von (A) einachsigen Wägezellen für femoral Kopf und größere Trochanter Kraftmessungen und (B) 6-Kanal-Wägezelle für femoral Welle Kräfte und Momente Messungen; (C) Kalibrierung des linearen Potentiometers für die Messung von femoral Kopf Verschiebung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 6: mechanische Prüfungen Set-up. Alle Instrumente sind verbunden und synchronisiert, um die Kommunikation mit der Maschine und Videokameras. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 7: Femur vor und nach dem Test Bruch. (A) Potting der Trochanter Major in den Aluminium-Becher gefüllt mit PMMA; (B) Knochen platziert im Test Fixture mit der Trochanter Major ruht auf der unteren Wägezelle während die Kreuzkopf-Leuchte in Kontakt mit der Femurkopf ist; (C) Fractured bone rechts nach der mechanischen Prüfung; (D) Entfernen von gebrochenen Oberschenkelknochen aus der Maschine und die defekten Teile zusammen Tapen; Femur in Plastiktüten wickeln; (E) Röntgen- und CT-Scan nach Fraktur. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 8: Kraft-Weg-Verlauf. Kraft-Weg-Kurven für Oberschenkelknochen zum Bruch mit 5 bis 100 mm/s getestet. Die Kraft wird bei höheren Trochanter und th aufgezeichnet.e-Verschiebung ist der Femurkopf aufgezeichnet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
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Discussion
Wir vorgeschlagen, ein Protokoll zum Bruch testen proximale cadaveric Oberschenkelknochen bei einem Sturz auf die Hüfte Konfiguration, mit denen wir etwa 200 Proben erfolgreich getestet haben. Das Protokoll enthält mehrere hauseigene gestaltete Befestigungen für femoral Stärke Tests unter verschiedenen Lastbedingungen. Das Gerät erlaubt die Prüfung des rechten und linken Oberschenkelknochen mit unterschiedlichen Tests Geschwindigkeiten und Knochen Orientierungen. Nach der Montage der Leuchte und die Messgeräte, ist ein Glasfaser-Femur getestet, um Bruch um sicherzustellen, dass die Hardware und Software-Tools ordnungsgemäß angeschlossen sind, arbeiten synchron, und die Signale und Videos richtig aufgezeichnet. Kurz vor dem eigentlichen cadaveric Femur Fraktur Test wird die femorale Welle Topfpflanzen in PMMA in die Vorrichtung eingespannt. Die mechanische Testprotokoll Genehmigungen für femoral Bruch in eine wiederholbare und konsistente Weise testen.
Während des Tests werden die femoral Welle Erfahrungen Biege- und Torsionssteifigkeit Verformung während die Femurkopf und Trochanter Major komprimiert. Um seitliche Belastung der Probe zu vermeiden, soll die Kreuzkopf-Leuchte mit zwei Kreuz Lager ermöglicht Bewegung in der horizontalen Ebene reibungsarm. Dies sichert die Anwendung eine vertikale Last auf der Femurkopf unabhängig von Knochen Verformung und räumliche Bewegung des Kopfes während des Tests. Darüber hinaus soll diese obere Befestigung linke und Rechte Oberschenkelknochen beherbergen durch einfaches Drehen eine Platte-Komponente, wie in Abbildung 2dargestellt.
Die untere Befestigung, an der Unterseite der Prüfmaschine angeschlossen soll die cadaveric Oberschenkelknochen im gewünschten Adduktion Winkel während der Prüfung zu halten. Dieses Gerät beinhaltet auch eine einachsigen Wägezelle Messung Druckbelastungen auf den Trochanter und einer 6-Kanal-Wägezelle angebracht, das distale Ende der femoral Welle, die drei Kräfte und drei Momente in der Welle zu messen. Darüber hinaus beherbergt die Leuchte die Rotation des Oberschenkelknochens eine virtuelle Drehpunkt des Kniegelenks zu simulieren.
Knochengewebe, ähnlich wie bei anderen biologischen Geweben hat Verformungsgeschwindigkeit abhängigen mechanischen Eigenschaften und folglich femoralen Festigkeit und Bruch ändert sich mit dem Testen der Geschwindigkeit12. Daher sollte das Protokoll und die Tests Befestigung möglicherweise für mechanische femoralen Tests mit verschiedenen Geschwindigkeiten verwendet werden und Platz für eine Reihe von Equipment für die Akquisition, Sample-Frequenzen, High-Speed-Kamera-Typen und Lichtverhältnissen. Mit dem aktuellen Protokoll haben wir erfolgreich getestet, Oberschenkelknochen bei verschiedenen Geschwindigkeiten unterschieden sich um zwei Größenordnungen (5, 100 und 700 mm/s), um die Geschwindigkeit der verschiedenen traumatischen Ereignissen zu imitieren.
High-Speed-Videokameras erlaubt Aufnahme der Fraktur Abfolge von Ereignissen für die weitere Analyse. Um nützliche Daten zu erhalten, wurden alle Tests Komponenten synchronisiert, während des Tests um die Mechanik der Bruch richtig sichtbar zu machen. Durch Synchronisation Wägezelle können Verschiebung und Riss Einleitung und Vermehrung Daten gemeinsam analysiert werden, um beitragen, ein umfassendes Bild der Fraktur zu bilden.
Um zu vermeiden, Zerkleinerung von den Trochanter Major aufgrund ungleichmäßiger Kontakt und unerwünschten Kontakt Stress ist Konzentration, den Trochanter in einer PMMA-gefüllte Tasse vergossen. Darüber hinaus ist der Boden des Bechers Runde Rollen auf der Unterseite der Leuchte ermöglicht. Dies führt zu einer vertikalen Eingreiftruppe und verhindert seitliche Abhängigkeit von der Unterstützung, die die Bruchfestigkeit oder Art beeinflussen könnten. Diese Entwurfsentscheidung war notwendig, erhalten Sie genaue femoralen Stärke und Bruch Modi ähnlich den klinisch beobachtet.
In anderen experimentellen Studien wurden nur die am proximale Teil des Oberschenkelknochen durch Schneiden eines großen Teils der femoral Welle aus Proben, führt zu sehr kurzen Exemplare13getestet. Im Gegensatz dazu testet das aktuelle Protokoll 255 mm lange proximalen femoralen Exemplare. Das Gerät soll mit einem Stahl Arm Verlängerung der Länge der Probe ein Drehpunkt in der Nähe der entfernten Kniegelenk, realistischer Absturzfall seitlich auf der Hüfte zu imitieren sind. Dieser Ausleger verfügt über ein 6-Komponenten-Wägezelle dient zum Messen der drei Kräfte und drei Momente in der femoral Welle während der Fraktur Tests entwickelt. Diese Überlegungen sind ähnlich wie in den vorhergehenden Studien beschrieben und helfen Sie uns, mehr genau, verstehen die Kräfte, die einen Beitrag zum Bruch und zur Schätzung der femoralen Steifigkeit und Festigkeit14.
Die 3 Wägezellen in unsere Vorrichtung führte zu Redundanz in der erfassten Daten, die uns erlaubt, das Gleichgewicht der Kräfte zu analysieren, und Momente in der Hauptrichtung vertikal verwendet. Zum Zeitpunkt des Peak Trochanter Kraft, wir haben sehr ähnliche Größen gemessen von den verschiedenen Wägezellen mit durchschnittlichen relativen Fehler von etwa 2 %, das ist eine sehr befriedigende experimentelle Fehler für diese Kategorie der biomechanischen Tests beobachtet.
Dieses Protokoll hat mehrere mögliche Einschränkungen. Eine wesentliche Einschränkung könnte sein, dass die Einhaltung der Befestigung und der Prüfmaschine die gemessenen Verschiebungen und Steifheit15beeinflussen kann. Dies wird immer relevanter für normale Oberschenkelknochen, die erfordern eine größere Last zu Bruch. Allerdings haben wir unsere Halterung mit dicken Stahl und Aluminium Platten weiterhin eine Steifigkeit konzipiert um mindestens eine Größenordnung größer als die femorale Steifigkeit. Mit einer Stichprobe von ca. 200 Oberschenkelknochen, bemerkten wir einen durchschnittlichen Fehler von etwa 5 % der gemessenen femoralen Steifigkeit durch Befestigung Compliance. Ein Korrekturfaktor wurde dann für jedes Femur, korrigieren Sie die Steifigkeitswerte ermittelt. Eine weitere mögliche Einschränkung, die zu Fehlern führen kann ist, dass die Reihenfolge der Tests Schritte strikt befolgt werden muss. Zum Beispiel bei der ersten Probe getestet, positioniert der Stift halten den Oberschenkelknochen vor Kontaktaufnahme mit den Kopf und Trochanter Befestigung Oberflächen nicht entfernt wurde und die Fraktur Tests ohne einen Drehpunkt am distalen Ende (feste Ende) abgeschlossen wurde. Eine Änderung des Protokolls erforderlich ein rotes langes Band befestigt, die Pin (Abb. 1E) und einen zweiten Operator zu bestätigen, dass der Stift vor der Prüfung entfernt wurde. Auch während des Tests Geschwindigkeiten wurden variiert erheblich von 5-700 mm/s, unsere Tests waren dennoch quasistatische Versuche. Um Einblick in das dynamische Verhalten des proximalen Femur Fraktur unter höherer Geschwindigkeit laden, z. B. infolge Auswirkungen könnte ein Fallturm Test eingesetzten16sein.
Während die Tests zu unterschiedlichen Zeiten und von unterschiedlichen Betreibern durchgeführt wurde, wurden alle Oberschenkelknochen gebrochen verwenden das gleiche Protokoll, Befestigungen und Wägezellen somit Unsicherheiten im Zusammenhang mit Wiederholbarkeit des Experiments. Mit ähnlichen Ansatz das aktuelle Protokoll angenommen werden kann und Befestigungen umgestaltet in Haltung Konfiguration testen oder andere Knochen zu brechen.
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Disclosures
Die Autoren haben keine relevanten Angaben.
Acknowledgments
Wir möchten Materialien und strukturelle Prüfung Core Facility und Division Engineering an der Mayo-Klinik für technische Unterstützung danken. Darüber hinaus möchten wir danken, Lawrence J. Berglund, James Bronk, Brant Newman, Jorn Op Höhle Buijs, Ph.d., für ihre Hilfe während des Studiums. Diese Studie wurde von der Grainger Innovationsfonds der Grainger-Stiftung finanziell unterstützt.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| CT scanner | Siemens | Somatom Definition scanner (Siemens, Malvern, PA) | CT scanning equipment |
| Quantitative CT Phantom | Midways Inc, San Francisco, CA | Model 3 CT calibration Phantom | Used for obtaining BMD values from Hounsfield units in the CT image |
| Hygenic Orthodontic Resin (PMMA) | Patterson Dental Supply | H02252 | Controlled substance and can be purchased with proper approval |
| Freezer | Kenmore | N/A | This is a -20oC storage for bones |
| X-ray scanner | General Electric | 46-270615P1 | X-ray imaging equipment. |
| X-ray films | Kodak | N/A | Used to display x-ray images |
| X-ray developer | Kodak X-Omatic | M35A X-OMAT | Used for developing X-ray images |
| X-ray Cassette | Kodak X-Omatic | N/A | Used for holding x-ray films |
| Physiologic Saline (0.9% Sodium Chloride) | Baxter | NDC 0338-0048-04 | Used for keeping samples hydrated |
| Scalpels and scrapers | Bard-Parker | N/A | Used to clean the bone from soft tissue |
| Fume Hood | Hamilton | 70532 | Used for ventilation when preparing PMMA for potting of specimens |
| Single axis load cell | Transducer Techniques, Temecula, CA, USA | LPU-3K; S/N 219627 | Capacity 3000 LBS |
| Six channel load cell | JR3,Woodland, CA | 45E15A4 | Mechanical load rating 1000N |
| Linear potentiometer | Novotechnik, Southborough, MA, USA | Used to acquire linear displacements during testing | |
| Slide ball bearing | Schneeberger | Type NK | Part of the testing fixture |
| Mechanical testing machine | MTS, Minneapolis, MN | 858 Mini Bionix II | Used for compression of femur |
| Lighting unit | ARRI | Needed for high speed video recordings | |
| high-speed video camera | Photron Inc., San Diego, CA, USA | Photron Fastcam APX-RS | Used to capture the high speed video recordings of the fracture events |
| Photron FASTCAM Viewer | Photron Inc., San Diego, CA, USA | Ver.3392(x64) | Used to view the high speed video recordings |
| Camera lens | Zeiss | Zeiss Planar L4/50 ZF Lens | Needed to high image resolution |
| Signal conditioner board (DAQ) | National Instruments | Input/output signal connector | |
| Signal Express | National Instruments | N/A | Data acquisition software |
| Laptop Computer | Dell | N/A | Used to monitor and acquire all signals from the testing procedure |
References
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