Summary
В этой рукописи мы представляем протокол к разрушению тест трупной проксимального отдела бедра в сторону падения на хип конфигурации, с помощью инструментированный светильники, монтируемое на раме гидравлическая стандартных сервопривода. Девять оцифрованных сигналов, состоящий из сил, моменты и перемещение вместе с двух видеопотоков высокой скорости приобретаются во время тестирования.
Abstract
Механические испытания бедрах приносит ценную информацию в понимании вклада клинически измеряемом переменных, таких как распределение минеральной плотности костной ткани и геометрии на бедренной механические свойства. В настоящее время не существует стандартного протокола для механических испытаний такие геометрически сложные костей для измерения прочности и жесткости. Чтобы устранить этот пробел мы разработали протокол для тестирования трупной бедро перелома и измерить их биомеханические параметры. Этот протокол описывает набор адаптируемых светильников для размещения различных величин нагрузки и направления учета возможных кости ориентации осенью на хип конфигурации, протестировать скорость, размер костей и вариации левой ноги правой ноги. Бедра были подготовлены для тестирования, очистка, резка, сканирование и заливки дистального конца и более вертела контакт поверхностей в poly(methyl methacrylate) (ПММА), представленные в другой протокол. Подготовлены образцы были помещены в испытательной арматуре в позиции, подражая боком падения на бедра и загружены для разрушения. Во время тестирования, две нагрузки клетки измеренных вертикальных сил применяется к головки бедренной кости и больше вертела, шесть оси тензодатчик силы измеряемой и моментов на валу дистальной бедренной кости и датчик перемещения измеряется дифференциального перемещения между головки бедренной кости и вертела контакт подставки. Высокоскоростные видеокамеры были использованы синхронно записать последовательность событий, перелом во время тестирования. Сокращение этих данных позволил нам характеризуют прочность, жесткость и перелом энергии для почти 200 остеопорозом, osteopenic, и нормальной трупной бедра для дальнейшего развития на основе инженерных средств диагностики остеопороза исследований.
Introduction
Разработка новых методов оценки риска переломов бедренной кости и предотвращения разрушения для падения на бедре требуют всеобъемлющего понимания биомеханические процессы во время разрушения. Испытания прочности трупной проксимального отдела бедренной кости оказался эффективным при определении связи между бедренной силы и факторы, влияющие на структурных способность бедра, предоставляя важную информацию в этот процесс1,2 , 3. экспериментально измеренная бедренной сила используется также для проверки на основе количественных компьютерная томография анализа методом конечных элементов (QCT/FEA) который позволяет неинвазивная Оценка перелом прочности4,5, 6,7.
На сегодняшний день, существует не признанных стандартная процедура для проверки всей бедренной образцов для разрушения. Чтобы изолировать клинически измеряемом переменных (например, минеральной плотности костной ткани и геометрии) и их влияние на бедренной прочность, важно для экспериментального тестирования осуществляться образом контролируемый и повторяемости. Трупной бедрах имеют неправильной формы и диапазон размеров8 и могут быть получены от мужского или женского пола трупов разных возрастов, что делает невозможным проверить с помощью встроенных светильников стандарт испытаний машин. В сторону падения на бедра событий больше вертела подвергается сжимающей нагрузки, в то время как проксимального отдела бедренной кости могут возникнуть сложные загрузки, включая сжатие, напряженность, изгиб момент и кручения. Такие сценарии загрузки тестирования добавляет сложности к экспериментальный дизайн. Таким образом арматуре, как один из важных компонентов тестирования протокола, должны быть специально разработаны, изготовлены и установлены для размещения бедренной образцы различных форм и размеров и различные тестирования скорости. Этот прибор необходимо также провести образцы для испытаний в диапазоне желаемой ориентации для имитации возможного воздействия нагрузок от падения на бедра. Для удовлетворения такого разнообразия условий, прибор необходимо иметь несколько стационарных и перемещение компонентов подключен к минимуму играть в системе и получить ответ гладкой водоизмещение.
Получение надежных данных важно также во время тестирования. Экспериментальный дизайн должен включать необходимые тензодатчики, преобразователи перемещений, сигналов усилители и кондиционеры для точного измерения силы и моменты на всех поддерживает. Кроме того, высокая скорость видео передний и задний вид бедренной кости, полученные синхронно с приобретением сил необходимо помочь понять последовательность событий, ведущих к разрушению, характеризовать типы переломов, точно и Определите бедренной прочности4,9.
Хотя есть ценные экспериментальные исследования в литературе на тестирование всего бедра, опубликованные протоколы отсутствуют сведения о как тестирование было выполнено или очень отличаются от одного исследования, в другой, чтобы действительно сделать их воспроизводимость10, 11. Целью текущей работы было представить протокол для механических испытаний бедренной образцов, которые могут использоваться в качестве отправной точки для усилий стандартизировать костной ткани, тестирование, которое может быть повторяемости и воспроизводимости. С этой целью мы разработаны и изготовлены Испытательная арматура, который был использован для тестирования около 200 трупной бедра. Испытательная арматура для испытаний включали нижней арматуры и крейцкопфа. Внизу прибора (рис. 1A-E) проводит бедренной кости в желаемой ориентации во время тестирования и включает в себя датчик нагрузки вертела и 6-канальный тензодатчика, подключенных к валу бедренной. Он также вмещает три независимых переводы для позиционирования для тестирования перелом кости. Вращение точка добавляется для имитации коленного сустава. Основные части нижней арматуры состоят из толстые куски из нержавеющей стали и алюминия, чтобы сделать очень жесткой приборов. Тензодатчик прикреплена к нижней приборов для измерения сжимающей силы на более вертела во время тестирования. Крейцкопф приспособление (рисунок 2A-2E) включает в себя два алюминиевых опорные плиты и два очень жесткой слайд шариковых подшипников (прилагается вместе с алюминиевой пластины), для учета движения головки бедренной кости во время тестирования, а также для размещения для правого и левого бедра. Тензодатчик включены в меры приспособление крейцкопфа сжимающей силы. Кубок алюминия придает динамометр используется для применения сжимающей нагрузки к головки бедренной кости. Наш метод был использован для левого и правого бедра обоих полов, с различными размерами, шеи вал углы, минеральной плотности костной ткани и условия, подражая боком нагрузки приходятся на бедра. Тестирование скорости в наших экспериментах были установлены на 5, 100 и 700 мм/сек, но они может быть присвоено любое значение, доступных для тестирования компьютера. Дизайн светильника имел два основных компонентов, подключенных к крейцкопфа испытательная машина и подключен к испытательной раме. Обе части были инструментированы с Тензодатчики достаточными для измерения силы и момента граничные условия на всех поддерживает. Кроме того были использованы два высокоскоростных видеокамер для записи событий перелом во время тестирования. После разрушения, сканирует набор рентгеновских лучей и компьютерная томография (КТ) были получены для анализа экспериментальных перелом поста. Результаты, полученные от этих экспериментов, включая прочность на излом и энергии в настоящее время используются для дополнительных исследований в диагностических инструментов в конечном итоге улучшить оценки прочности проксимальных переломов у больных остеопорозом.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. большого привязанность приспособление
- удалить стандартные светильники из машины.
- Перемещения подвижной траверсы отдельно для размещения собственных приборов.
- Место алюминиевого блока (часть № 1 в Рисунок 1A) на машине и надежно крепятся на машины с помощью двух болтов; отверстие в центре вмещает машина тензодатчика.
- Место в структуре основной арматуре (часть № 2 в Рисунок 1B) на алюминиевых блоков и надежно прикрепить его к блока с помощью 4 болты.
- Место 4 тонный Джек под частью светильник, который не опирается на алюминиевый блок для поддержки прибора ( рис. 1 c).
- Монтировать светильник ячейки 6-канальный нагрузки (часть № 3 в 1 d на рисунке) на основной арматуре и закрепите его с помощью винтов 6.
2. Крейцкопф арматуре вложение
- задать крейцкопфа машина для абсолютного нуля с помощью управления лифтом крейцкопфа.
- Придают первой опорной плиты (часть № 4 на рис. 2B) 7 винтами с его изогнутыми краями передней тестирования машины крейцкопфа.
- Присоединения второй опорной плиты (часть № 5 в рисунке 2 c) использование одной поворотной винт. Винт вмещает кости левой и правой во время тестирования. Второй опорной плиты (часть № 5) является бесплатным для поворота о вращения винта относительно первой опорной плиты (часть № 4). Ориентация второй опорной определяет, является ли установка для правой или левой бедренной.
- Придают Ассамблее два слайд подшипников (часть № 6 в 2D фигура) для второй опорной плиты (часть № 5) с помощью 4 винтов (два винта могут быть доступны из одной стороны первого плите). Вращать второй опорной таким образом, что второй набор винтов могут быть доступны из верхней части первого опорные плиты.
Примечание: Чтобы изменить ориентацию слайдов из кости левой правой кости, 4 винта поверх первой опорной застегнул, а затем поворачивается вокруг оси винта и снова прикрепить на требующуюся ориентацию слайдов. - Вручную вращать клетки слайды, которые перпендикулярны нагрузки 6-канальный, установив машина крейцкопфа относительное положение 65 °.
3. Инструментированный арматуре, высокоскоростной камеры и установки освещения для эксперимента
- комплект вверх инструментированный нижней арматуры на стандартных сервопривода гидравлические испытания машины. Это приспособление проведет бедренной кости и разместить левого и правого бедра в падение на бедра конфигурации ( рис. 1).
- Высокоскоростной камеры и осветительное оборудование ( рис. 3A-3D).
- Огни высокой интенсивности на Штативы с одной на каждой стороне машины и прикрепите их ( рис. 3A).
- Настройка Штативы для высокоскоростной камеры по обе стороны тестирования машины и подключения каждой камеры для приобретения единиц данных ( рисунок 3B -3 C).
- С камеры включен и подключен к блоку приобретения, настраивать параметры камеры; задать частоту до 6000 кадров в секунду (fps) и резолюции 1024 x 512 пикселов; резолюции может быть сокращено до внутренней памяти камеры ( 3D рисунок).
- Набор затвора до 1 кадра в секунду (fps 1/6000). Также задать параметр камеры, таким образом, что записи начать, прежде чем замыкание (100 мс для быстрых тестов и 200 мс для медленных тестов).
- Кабель синхронизации между двумя камеры; режим выберите триггер в параметре программное обеспечение камер.
4. Проверка/Калибровально нагрузки ячейки для надлежащего системы сбора данных (DAQ)
- Настройка DAQ подразделение
- Connect DAQ испытаний машина, высокоскоростной видео-камеры, Тензодатчики и линейной потенциометра, как показано в проводке Схема на рис. 4.
- Проверить правильность подключения вертельный тензодатчики, головы тензодатчики, линейной потенциометра, 6-канальный Тензодатчики и вызвать сигнал на устройство DAQ путем наблюдать следы сигнал данных в панели представления DAQ программного обеспечения вручную нажатием на динамометр.
- Убедитесь, что DAQ, формирователь сигналов и генератор импульсов все питание вкл.
- Настроить DAQ программное обеспечение для всех сигналов от нагрузки клеток и линейной потенциометра. В DAQ программным обеспечением, выберите " шаг установки > > конфигурация " вкладке и приобретение частота (Гц) для каждого входного сигнала, связанные с каждой ячейкой нагрузки. На " запуск " вкладку, выберите соответствующий параметр запуска. Видео оборудование также может запускаться во время судебного разбирательства для обеспечения синхронности системы видео/DAQ.
- Применять номинальную нагрузку (например минимум 200 фунтов максимум 1600 фунтов) головки бедренной кости и вертела Тензодатчики с использованием стандартных сервопривода гидравлические машины для проверки разумные нагрузки мобильных измерений и сравнить с производителем калибровочные данные листы ( Рисунок 5A).
- Аналогично, применить статические нагрузки к ячейке 6-канальный нагрузки с помощью мертвым грузом, как показано на Рисунок 5B. Проверьте функциональность и производительность 6-канальный тензодатчика ( Рисунок 5A -5B) путем расчета процентов различия между измеренных и теоретические силы и момент значений. Ошибка должна быть менее 5%.
Примечание: Все нагрузки ячейки должны был откалиброван их производителем заранее. Этот шаг только проверяет, что функционирование тензодатчики, все соединения выполнены и сигналы являются разумными.
Калибровка линейная потенциометр - безопасный линейный потенциометра приспособление для крейцкопфа и место линейной потенциометра в прибор ( рис. 5 c). Затяните винты блокировки потенциометра тела и вставьте разъем в исполнимых DAQ
- Вручную переместить привода (25 мм) на несущий каркас, так что положение потенциометра переводится из максимального сжатия максимальное расширение и запись перемещений и соответствующего напряжения (для точек данных по меньшей мере три). Участка перемещения против напряжения и соответствовать линейной функции к данным (R 2 > 0,95). Ввод наклон линейного уравнения (мм/V) как калибровочный фактор в " масштабирование параметр " коробки программного обеспечения DAQ.
- Проверить общее тестирование установки машины путем тестирования суррогатной стекловолокна кости перелом чтобы убедиться, что все сбора данных функциональных и разумной. Это включает в себя вертела тензодатчики, бедренной головки тензодатчики, линейной потенциометра, 6 канальный динамометр и сигнал триггера ( рис. 6).
5. Подготовка костей для тестирования
- оттепель костей при комнатной температуре на 24 часа и удаления влаги, лишний жир и любые оставшиеся мягких тканей с помощью ПАза полотенца.
- Кости в акрил, сканирование арматуре и подготовить стоматологического цемента. Измеряют 60 g порошка PMMA и смешать с 30 g жидкой смолы под Зонта до полного растворения порошка. Смесь должна быть наливные. Используйте Одноразовый бумажный стаканчик для этого процесса. Этот шаг предназначен для заливки более вертела в алюминиевой чашки ( рис. 7A).
- Выравнивание Кубок алюминия ниже вертела. Затем налить ПММА цемента до половины высоты Кубка и поднять арматуре платформы по размеру кость в чашку. Разрешить 10-15 мин для полимеризации.
- Обертывание костей в солевых смоченной полотенца, чтобы избежать сухости ткани во время полимеризации костного цемента.
- Перемещение костей на испытательной арматуре в испытательная машина с Кубка алюминия придает вертела ( рис. 7B)
- Центр алюминиевых Кубок на табличку, прикрепленную к ячейке вертельный нагрузки и Отрегулируйте подшипники скольжения, так что алюминиевые чашки слегка затрагивает динамометр. Извлеките штырёк из светильника для вращения прибора
- центр и нижней подвижной траверсы для контакта с головки бедренной кости.
- Обзор установки, положения костей, нагрузки ячейки сигналы и Кубок позиции. Кроме обзора DAQ устройство; Убедитесь, что все оборудование и нагрузки клетки соединены правильно и убедитесь, что все включено. Проверка установки программного обеспечения для надлежащего сигнал ответа от каждой нагрузки ячейки.
- Снимать фотографии бедренной кости помещены в арматуре с 2 сторон.
- Установите диафрагму позволяют достаточно света на сенсор камеры и контроля глубины резкости. Проверьте качество изображения, сосредоточив внимание на шейки бедра. Этот процесс должен предотвратить любые бликов и глянцевый кости областей в изображении, которая будет затрагивать захвата событий перелом.
6. Тестирование для разрушения
- проверить, Рама механические нагрузки серво запрограммирован для контроля соответствующего перемещения 25 мм для теста перелом в кадре механической нагрузки сервопривод для погрузки и разгрузки.
Примечание: Эти производитель конкретные параметры и должен быть ввода и проверены в панели управления тестирования оборудования согласно спецификации производителя. - Проверка освещения для сведения к минимуму размышления в видео-камеры и система сбора данных один последний раз.
- Нажмите на Пуск значок из панели управления, чтобы инициировать последовательность испытаний для перелома бедра ( рис. 7 c) испытания.
- Принимать фотографии перелом бедренной кости от 2-х сторон.
- Вручную отозвать привода и удаления бедренной кости из машины.
7. После разрушения подготовки
- Удалить кость из арматуре.
- Лента проксимальный конец сломанной кости для вала, обертывание в мокрые полотенца и пластиковые мешки ( рис. 7 d), а затем замерзает при -20 ° с.
- Сохранить кости для дальнейшего после переломов лучевой и КТ изображений.
Примечание: Подробности этих процессов ранее объяснил в другой протокол от нашей группы (рассматриваемого в JoVE) ( рис. 7е).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Внутренние светильники установлены после того, как стандартные светильники удаляются из тестирования машины. Во-первых нижней тяжелый светильник монтируется и обеспеченных (рис. 1). Это включает в себя расширенный руки провести 6-канальный тензодатчик, который также позволяет бедренной вала быть выровнены под углом желаемого отведения. Далее Крейцкопф приспособления, включая два подшипника качения слайд монтируется для размещения приложения нагрузки и бедренной головки движения во время разрушения (рис. 2). Верхний светильник регулируемый для тестирования левой и правой ноги. После того как установлены все светильники, установлены Высокоскоростные видеокамеры и светильники. Изображения в камере тестируются на фокус, контрастность и глубина резкости (рис. 3). Все инструменты затем подключен к блоку DAQ (Рисунок 4) и одной оси, шесть оси Тензодатчики и линейной потенциометра проверяются для функциональности и калиброванные, соответственно (рис. 5). Все инструменты затем протестированы для обеспечения надлежащего сигналов от различных Тензодатчики (рис. 6). Следующая более вертела помещается в Акриловый держатель для заливки. Затем загружается в Испытательная арматура и перелом бедренной кости. После перелома бедра удаляется из арматуры. Сломанной части лентой вместе и все образцы, завернутые в пластиковые мешки. Образы с X-ray образцы затем отсканирован с КТ для дальнейшего разрушения типа классификации (рис. 7). Результаты измерений включают 3 силы и 3 моменты на валу бедренной кости, которые измеряются с 6-канальный динамометр и реакция сил на головки бедренной кости. Однако основные результаты, которые будут использоваться для дальнейшего QCT/ВЭД проверки являются силой, записанный в большей вертела и перемещения, записанная на головки бедренной кости (рис. 8).
Рисунок 1: нижней установки светильника. (A) размещение установки алюминиевого блока (часть № 1) на столе машины, (B) размещения основной нижней приспособление структуры (часть №2) и закрепите его в алюминиевый блок, структура (C) главный и обеспеченных в место, (D) Монтаж 6-канальный нагрузки ячейки арматуре (часть № 3) о структуре основных дно (часть № 2), (E) Регулировка угол бедренной вала после установки всей нижней арматуры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2: Установка приборов крейцкопфа. (A) удалить светильники от привода машины, (B) первой опорной плиты (часть № 4), установлен первым, (C) придавая второй опорной (часть № 5), (D) крепления на Ассамблее два слайд подшипников (часть № 6) второй опорной, (E) завершена установка верхней арматуры; (F) в целом испытания приборов, установленных на компьютере. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3: освещения и установки камер. (A) создание лампы и щитов; (B) крепления высокоскоростной камеры на штативе; (C) установка объектива к блоку камеры; (D) подключение камеры к компьютерам. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4: схема. DAQ блок со всеми устройствами ввода/вывода подключен к DAQ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5: калибровка и проверка процесса. Проверка функциональности (A) одной оси Тензодатчики для головки бедренной кости и больше измерения силы вертела и (B) 6 канальный Тензодатчики для измерения силы и моменты бедренной вала; (C) Калибровка линейная потенциометр для измерения бедренной головки перемещения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 6: механические испытания Set-up. Все документы подключены и синхронизированы общаться с машиной и видео-камеры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 7: бедра до и после тестирования перелом. (A) Potting заполнены более вертела в чашке алюминия с ПММА; (B) кости помещены в испытательной арматуре с большей вертела опирается на нижней ячейки нагрузки в то время как на арматуре крейцкопфа находится в контакте с головки бедренной кости; (C) Fractured кости право после механических испытаний; (D) удаление перелом бедренной кости от машины и лентой сломанных частей вместе; Упаковка бедра в полиэтиленовые пакеты; (E) рентгеновского и КТ сканирование после перелома. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 8: сила смещение кривой. Сила смещение кривых на бедрах протестированы на перелом в 5 и 100 мм/сек. Сила записывается в большей вертела и the перемещения записывается на головки бедренной кости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Мы предложили протокол к разрушению тест проксимального отдела бедра трупной осенью на хип конфигурации, с которой мы успешно протестировали около 200 образцов. Протокол включает в себя несколько собственных оформленные Светильники для бедренной прочности, испытания в условиях различных загрузки. Прибор позволяет проводить тестирование правого и левого бедра на различные тестирования скорости и ориентации костей. После монтажа приборов и измерительных приборов, бедренной кости стекловолокна проверяется перелом заверить, что правильно подключены все аппаратные и программные средства, работает синхронно, и должным образом регистрировать сигналы и видео. Просто до фактической трупной бедренной кости перелом испытания бедренной вала горшках в ПММА зажат в арматуре. Механические испытания протокол разрешений для бедренной кости перелом, тестирование повторяемые и последовательным образом.
Во время тестирования, сжимаются бедренной вала опыт изгиба и кручения деформации головки бедренной кости и больше вертела. Чтобы избежать боковой загрузкой образца, Крейцкопф светильника разработан с два Креста подшипников, позволяя движение в горизонтальной плоскости с минимальным трением. Это гарантирует применение вертикальной нагрузки на головку бедренной независимо от деформации костей и пространственного движения головы во время тестирования. Кроме того этот верхний светильник предназначен для размещения левого и правого бедра, просто поворачивая компонент пластину как показано на рисунке 2 c.
Нижней приборов, подключенных к нижней части тестирования машины, предназначен для хранения трупной бедрах углом желаемого отведения во время тестирования. Этот прибор также включает в себя нагрузки ячейки одной оси измерения сжимающей нагрузки вертела и шесть канальный тензодатчика, придает дистального конца бедренной вал для измерения трех сил и три момента на валу. Кроме того прибор вмещает вращение бедра о виртуальной точки, имитируя коленного сустава.
Костной ткани, похож на других биологических тканей, имеет зависимых механические свойства скорости деформации, и следовательно бедренной прочность и перелом свойств будет меняться при тестировании скорость12. Таким образом протокол и Испытательная арматура должны быть в состоянии быть использованы для механических бедренной тестирования на различных скоростях и размещения для ряда данных приобретение оборудования, частоты выборки, высокоскоростной камеры типов и условий освещения. С нынешним протоколом, мы успешно протестировали бедра на различных скоростях отличались двух порядков (5, 100 и 700 мм/сек), чтобы имитировать скорость различных травматических событий.
Высокоскоростные видеокамеры допускается запись перелом последовательность событий для дальнейшего анализа. С целью получения полезных данных, все испытания компонентов были синхронизированы во время тестирования правильно визуализировать механики разрушения. Через синхронизацию Тензодатчики перемещения данных и трещины посвящения и распространения данных могут быть проанализированы вместе чтобы помочь сформировать всеобъемлющую картину разрушения.
Для того, чтобы избежать дробления более вертела вследствие неравномерного контакта и нежелательных контактов стресс концентрации, вертела горшках в Кубок PMMA-заполнены. Кроме того в нижней части Кубка раунд для ролл на нижней поверхности приборов. Это приводит к вертикальной реакция сил предотвращая бокового ограничения от поддержки, которая может повлиять на прочность на излом или типа. Этот дизайн выбор необходимо было получить Точная бедренный прочность и перелом режимы аналогичны наблюдается клинически.
В других экспериментальных исследованиях путем разрезания главной частью бедренной вала от образцов, приводит к очень короткие образцы13были протестированы только наиболее проксимального отдела бедра. В противоположность этому текущий протокол испытаний 255 мм длиной проксимального отдела бедренной кости образцов. Прибор разработан с стальной руку, расширяя длину образца включить вращение точки вблизи удалены коленном суставе более реалистично имитировать боком падения на бедра. Это расширение руки включает в себя 6-компонент тензодатчик, который используется для измерения трех сил и три моменты, разработанных в бедренной вала во время тестирования перелом. Эти соображения, аналогичны описанным в предыдущих исследованиях и помочь нам более точно, понять силы, способствует разрушению и оценить бедренной кости жесткость и прочность14.
3 нагрузки ячеек, которые используются в наших приборов, привело к избыточности в полученных данных, что позволило нам проанализировать баланс сил и моментов в вертикальное направление. В то время пик вертела силу, мы наблюдали очень похожи величины измеряется различными тензодатчики, с средняя погрешность около 2%, что является весьма удовлетворительным экспериментальной ошибки для этой категории биомеханических испытаний.
Этот протокол имеет несколько возможных ограничений. Основное ограничение может быть, что соответствие арматуры и испытательная машина может повлиять на измеренных перемещения и жесткость15. Это становится более актуальной для нормального бедра, которые требуют большей нагрузки для разрушения. Однако, мы разработали наши светильники с толстолистовой стали и алюминия для поддержания жесткость по крайней мере один порядок больше, чем бедра жесткость. С помощью образца около 200 бедра, мы заметили средняя ошибка около 5% измеренной бедренной кости жесткость благодаря арматуре соблюдения. Поправочный коэффициент был затем рассчитывается для каждого бедра исправить значения жесткости. Дополнительные потенциальным ограничением, которое может привести к ошибкам, что последовательность тестирования шаги должны строго соблюдаться. Например для первого образца испытания, ПИН, сохраняя бедренной кости расположены перед тем, как сделать контакт с головы и вертела поверхностей арматуры не был удален и перелом тестирования было завершено без поворота на дистальном конце (фиксированный конец). Модификация протокола требуется красный длинные ленты придает pin (Рисунок 1E) и второй оператор для подтверждения, что PIN-код был удален перед тестированием. Кроме того, во время тестирования скорости были разнообразны значительно от 5-700 мм/сек, наши испытания не менее квазистатического эксперименты. Для того, чтобы разобраться в динамическое поведение переломов проксимального отдела бедренной кости при высокой скорости загрузки как результатом воздействия, капля башня тест может быть занятых16.
Хотя тестирование проводилось в разное время и разными операторами, все бедра были раздроблены, используя тот же протокол, светильники и тензодатчиков, удалив таким образом неопределенности, относящиеся к повторяемости эксперимента. Аналогичный подход текущий протокол может быть принят и светильники переработан для тестирования в позицию конфигурации или для других типов костей при переломах.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы имеют нет соответствующей информации.
Acknowledgments
Мы хотели бы поблагодарить материалы и Фонда основной структурной тестирования и Отдел инженерных в клинике Майо для технической поддержки. В дополнение мы хотели бы поблагодарить Лоуренс J. Берглунд, Джеймс Bronk, Брант Ньюман, Йорн ОП ден Buijs, Ph.D., за их помощь в ходе исследования. Это исследование финансово поддержали Грейнджер инновационный фонд от Grainger фонда.
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).
