Summary
Este manuscrito, apresentamos um protocolo para fraturar cadavérico fêmures proximais de teste em uma queda lateral na configuração do quadril, usando luminárias instrumentadas, montadas em um frame hidráulico servo padrão. Nove sinais digitalizados, compreendendo as forças, momentos e deslocamento junto com dois fluxos de vídeo de alta velocidade são adquiridos durante o teste.
Abstract
Teste mecânico dos fêmures traz informações valiosas para a compreensão da contribuição de variáveis mensuráveis clinicamente como distribuição de densidade mineral óssea e da geometria sobre as propriedades mecânicas femorais. Atualmente, não há nenhum protocolo padrão para ensaios mecânicos de tais ossos geometricamente complexos para medida de resistência e rigidez. Para resolver esta lacuna, nós desenvolvemos um protocolo para testar fêmures cadavéricos à fratura e medir seus parâmetros biomecânicos. Este protocolo descreve um conjunto de dispositivos elétricos adaptávelas para acomodar as diversas magnitudes de carga e direções contabilidade para orientações de osso possível em uma queda na configuração do quadril, teste de velocidade, tamanho do osso e variações de perna perna direita esquerda. Os fêmures foram preparados para os testes realizados pela limpeza, corte, digitalização e envasamento a extremidade distal e trocânter maior entre em contato com superfícies em poly(methyl methacrylate) (PMMA) como apresentado em um protocolo diferente. As amostras preparadas foram colocadas no teste do dispositivo elétrico numa posição imitando uma queda lateral no quadril e carregadas para fratura. Durante os testes, duas forças verticais medidas de células de carga aplicada a cabeça do fêmur e trocanter maior, uma célula de carga de seis eixos medidas forças e momentos na diáfise femoral distal e um sensor de deslocamento medido deslocamento diferencial entre o trocanter e cabeça femoral entre em contato com o suporte. Câmeras de vídeo de alta velocidade foram utilizadas para sincronicamente, gravar a sequência de eventos de fratura durante o teste. A redução destes dados nos permitiu caracterizar a força, rigidez e fratura de energia por quase 200 osteoporóticos, osteopênicos, e pesquisa fêmures cadavéricos normais para o desenvolvimento de ferramentas de diagnóstico baseados em engenharia para a osteoporose.
Introduction
Desenvolvimento de novos métodos para avaliação do risco de fratura do fêmur e fratura prevenção para uma queda no quadril requerem uma compreensão abrangente dos processos biomecânicos envolvidos durante a fratura. Teste de força cadavérico fêmur proximal tem provado para ser eficaz em determinar a relação entre a resistência femoral e fatores que afetam a capacidade estrutural do fêmur fornecendo importantes insights neste processo1,2 , 3. resistência femoral medida experimentalmente também é usada para validação de computadorizada quantitativa com base em análise por elementos finitos (FEA/QCT) que permite uma estimativa não-invasiva de fratura força4,5, 6,7.
Até à data, não há nenhum procedimento padrão aceito para testar amostras toda femorais à fratura. Para isolar variáveis mensuráveis clinicamente (tais como a densidade mineral óssea e geometria) e sua influência na resistência femoral, é imperativo para testes a efectuar de forma controlada e repetível. Os fêmures cadavéricos têm formas irregulares e variedade em tamanhos8 e podem ser obtidos de cadáveres ou masculinos ou femininos de idades diferentes, tornando impossível para testar usando o built-in dispositivos elétricos de máquinas de teste de padrão. Em uma queda lateral no evento do quadril, o grande trocanter sofre carga compressiva, enquanto o fêmur proximal pode ocorrer carregamento complexo, incluindo compressão, tensão, flexão e torção momento. Tais cenários de carga de teste adiciona complexidade para o delineamento experimental. Portanto, um acessório, como um componente importante do protocolo do teste, deve ser especificamente projetado, fabricado e instalado para acomodar femorais amostras de diferentes formas e tamanhos e velocidades de testes diferentes. Este dispositivo elétrico também deve manter as amostras para testes em uma gama de orientações desejadas para simular cargas de possível impacto de uma queda no quadril. Para atender uma variedade de condições, o dispositivo elétrico precisa ter múltiplas fixas e mover componentes conectados de forma a minimizar jogar no sistema e obter uma resposta de carga-deslocamento suave.
Aquisição de dados confiáveis também é fundamental durante o teste. O delineamento experimental deve incorporar as células de carga necessário, Transdutores de deslocamento, amplificadores de sinal e condicionadores com precisão de medida de forças e momentos em todos os suporta. Além disso, vídeos de alta velocidade de ambas as vistas anteriores e posteriores do fêmur obtidos sincronicamente com a aquisição de forças são necessários para ajudar a compreender a sequência de eventos que levaram à fratura, caracterizar tipos de fratura e precisamente Defina a resistência femoral4,9.
Embora existam estudos experimentais valiosos na literatura no fêmur inteiro testando, protocolos publicados ou faltam de detalhes sobre como o teste foi executado ou são muito diferentes de um estudo para outro tornar verdadeiramente lhes reprodutíveis10, 11. O objetivo do atual trabalho foi apresentar um protocolo para ensaio mecânico de amostras femorais que podem ser usadas como ponto de partida para um esforço para padronizar testes que podem ser repetíveis e reprodutíveis de tecido ósseo. Para este fim, nós projetado e fabricado um teste dispositivo elétrico que foi usado para testar a cerca de 200 fêmures cadavéricos. O dispositivo de teste elétrico incluído um dispositivo elétrico inferior e um dispositivo elétrico do crosshead. A fixação inferior (figura 1A-E) detém o fêmur em uma orientação desejada durante o teste e inclui uma célula de carga do trocanter e uma célula de carga de 6 canais ligados à diáfise femoral. Também acomoda três traduções independentes para permitir o posicionamento do osso para o ensaio de fratura. Um ponto de rotação é adicionado para imitar a articulação do joelho. As partes principais da fixação do fundo eram constituídas por pedaços grossos de aço inoxidável e alumínio tornar-se um dispositivo elétrico muito duro. Uma célula de carga é anexada para a fixação do fundo para medir forças compressivas sobre o grande trocanter durante o teste. A fixação do crosshead (Figura 2A-2E) inclui duas placas de base de alumínio e dois rolamentos de esferas de slides muito dura (conectados juntos por uma placa de alumínio), para dar conta do movimento da cabeça do fêmur durante o teste e, também, para acomodar para os fêmures esquerdos e direito. Uma célula de carga abrangidos pelas medidas de fixação do crosshead forças compressivas. Um copo de alumínio ligado à célula de carga é usado para aplicar as cargas compressivas na cabeça femoral. Nosso método foi usado para os fêmures esquerdos e direito de ambos os sexos, com vários tamanhos, ângulos cervicodiafisário, densidade mineral óssea e condições imitando um lateral de carga cair sobre as ancas. As velocidades de testes em nossos experimentos foram definidas 5, 100 e 700 mm/s, mas podem ser definidos como qualquer valor disponível na máquina de teste. O dispositivo elétrico projetado tinha dois componentes principais, um ligado ao crosshead da máquina de teste e outro ligado ao quadro de teste. Ambas as partes foram instrumentadas com células de carga suficientes para medir a força e as condições de contorno de momento em tudo suporta. Além disso, duas câmeras de vídeo de alta velocidade foram usadas para registrar os eventos de fratura durante o teste. Após fratura, examina um conjunto de raios-x e tomografia computadorizada (CT) foram obtidos para as análises de fratura experimental do post. Resultados obtidos nestes experimentos incluindo fratura força e energia são atualmente utilizados para pesquisas adicionais em ferramentas de diagnóstico para eventualmente melhorar a avaliação da força de fratura proximal em pacientes osteoporóticos.
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Protocol
1. apego grande dispositivo elétrico
- remover dispositivos elétricos padrão da máquina.
- Mover do crosshead separados para acomodar a fixação interna.
- Coloque o bloco de alumínio (parte n º 1 na figura 1A) na máquina e firmemente na máquina usando dois parafusos; o buraco no centro acomoda a célula de carga máquina.
- Colocar a estrutura principal do dispositivo elétrico (parte n º 2 na figura 1B) no bloco de alumínio e anexá-lo com segurança para o bloco com 4 parafusos.
- Coloque um jack de quatro toneladas sob a parte do dispositivo elétrico que não descansa sobre o bloco de alumínio para suportar o dispositivo elétrico ( Figura 1).
- Montar a fixação de célula de carga de 6 canais (parte n º 3 na Figura 1) na fixação do principal e fixá-lo com 6 parafusos.
2. Acessório de fixação do crosshead
- conjunto crosshead máquina para zero absoluto usando controle de elevador do crosshead.
- Anexar a primeira placa base (parte n º 4 na Figura 2B) ao crosshead usando 7 parafusos com bordas curvas, virado para a frente da máquina de teste.
- Anexar segunda placa base (parte n º 5 na Figura 2) usando um parafuso pivotante. O parafuso acomoda ossos direito e esquerdos durante o teste. A segunda placa de base (parte n º 5) é livre para girar sobre o parafuso pivô em relação à primeira placa base (parte n º 4). Orientação da segunda placa de base determina se a instalação é para direita ou esquerda fêmur.
- Prender o conjunto dos dois slide rolamentos (parte n º 6 na Figura 2D) para a segunda placa de base (parte n º 5) com 4 parafusos (2 parafusos podem ser acessados de um lado da placa de base primeiro). Gire a segunda placa de base de tal forma que o segundo conjunto de parafusos pode ser acessado da parte superior do primeiras as placas de base.
Nota: Para alterar a orientação dos slides de osso esquerdo para direito osso, os 4 parafusos na parte superior da placa de base primeiro são soltar e slides são girados sobre o parafuso pivô e prendidos outra vez na orientação necessária. - Manualmente girar os slides que são ortogonais a carga de 6 canais de célula, definindo a cruzeta de máquina para a posição relativa de 65°.
3. Instrumentados dispositivo elétrico, câmera de alta velocidade e configuração de iluminação para o experimento
máquina- conjunto até a fixação inferior instrumentado em um teste hidráulico servo padrão. Este dispositivo elétrico vai segurar o fêmur e acomodar os fêmures esquerdos e direito em queda na configuração do quadril ( Figura 1).
- Configurar câmera de alta velocidade e equipamento de iluminação ( Figura 3A-3D).
- Posicionar luzes de alta intensidade em tripés com um de cada lado da máquina e fixe-os ( Figura 3A).
- Configurar tripés para câmeras de alta velocidade em ambos os lados do teste da máquina e conectem cada câmera para unidades de aquisição de dados ( Figura 3B -3 C).
- Com as câmeras ligadas e conectadas à unidade de aquisição, configurar as configurações da câmera; definir a taxa de quadros para 6000 frames por segundo (fps) e resolução de 1.024 x 512 pixels; resolução pode ser reduzida para acomodar a memória interna da câmera ( Figura 3D).
- Conjunto obturador para quadro 1/seg (1/6.000 fps). Também definir a opção de câmera, tal que as gravações começam antes o atuador (100 ms para testes rápidos e 200 ms para testes de lentas).
- Conecte o cabo de sincronização entre as duas câmeras; modo de gatilho selecione na configuração das câmeras software.
4. Células de carga verificando/aferição para sistema adequado de aquisição de dados (DAQ)
- criação de unidade DAQ
- Connect o DAQ para o teste de máquina, câmara de vídeo de alta velocidade, células de carga e potenciômetro linear como mostrado na fiação esquemática na Figura 4.
- Verificar a correcta conexão da célula de carga trocantérica, célula de carga de cabeça, potenciômetro linear, célula de carga de 6 canais e disparar o sinal para o dispositivo DAQ observando traços de sinal de dados no painel de visualização do software DAQ empurrando manualmente na célula de carga.
- Verificar que o DAQ, condicionador de sinal e um gerador de pulso são todos powered ON.
- Configurar o software DAQ para todos os sinais das células de carga e o potenciômetro linear. No software DAQ, selecione o " instalação passo > > configuração " guia e configurar a taxa de aquisição (Hz) para cada entrada de sinal associada a cada célula de carga. Sobre o " Gatilhando " guia, selecione a opção apropriada do disparo. Equipamento de vídeo também deve ser disparado durante testes para garantir o sincronismo do sistema de vídeo/DAQ.
- Aplicar uma carga nominal (por exemplo, um mínimo de 200 libras para um máximo de 1600 lbs) a cabeça do fêmur e células de carga de trocanter usando a máquina hidráulica servo padrão para verificar a carga razoável cela medições e comparam com o fabricante folhas de dados de calibração ( Figura 5A).
- Da mesma forma, aplicar cargas estáticas de célula de carga de 6 canais, usando um peso morto, como mostrado na Figura 5B. Verificar a funcionalidade e verificar o desempenho da célula de carga de 6 canais ( Figura 5A -5B) calculando porcentagem diferenças entre valores de momento e força medida e teórica. O erro deve ser inferior a 5%.
Nota: Todas as células de carga devem foram calibradas pelo fabricante com antecedência. Esta etapa só verifica que as células de carga estão funcionando, todas as conexões são feitas e os sinais são razoáveis.
Calibrando o potenciômetro linear - de
- fixar o dispositivo elétrico linear potenciômetro para crosshead e coloque o potenciômetro linear a fixação ( Figura 5). Aperte os parafusos para prender o corpo do potenciômetro e ligue o conector da unidade DAQ
- Mover manualmente o atuador (25 mm) no quadro da carga para que a posição do potenciômetro traduz de compressão máxima extensão máxima e deslocamentos de registro e a tensão correspondente (para pontos de dados de pelo menos três). Plotar deslocamento vs tensão e caber uma função linear para os dados (R 2 > 0,95). A inclinação da equação linear (mm/V) de entrada como o fator de calibração para o " parâmetro de dimensionamento " caixa do software DAQ.
- Verifique se a configuração de máquina de teste geral testando um osso de fibra de vidro de substituto à fratura para certificar-se de todos os dados de aquisição são funcional e razoável. Isso inclui célula de carga do trocanter, célula de carga de cabeça femoral, potenciômetro linear, a célula de carga de seis canais e o sinal de gatilho ( Figura 6).
5. Preparação de ossos para teste
- descongelar ossos em temperatura ambiente por 24 h e remover a umidade, excesso de gordura e qualquer tecido mole restante usando papor toalhas.
- Coloque o osso no acrílico digitalização dispositivo elétrico e preparar cimento dental. Medir a 60 g de pó PMMA e misture com 30 g de resina líquida sob coifa até dissolver o pó. A mistura deve ser pourable. Use um copo de papel descartável para este processo. Esta etapa é para envasamento do grande trocanter em um copo de alumínio ( Figura 7A).
- Alinhar o copo de alumínio abaixo do trocanter. Em seguida, despeje o cimento PMMA para metade da altura da Copa e levantar a plataforma do dispositivo elétrico para caber o osso no copo. Permitir que 10-15 min para polimerização.
- Ossos wrap em soro fisiológico embebido toalhas para evitar o ressecamento do tecido durante a polimerização do cimento ósseo.
- Mover o osso para a fixação de teste na máquina de testes com o copo de alumínio ligado ao trocanter ( Figura 7B)
- Center o copo de alumínio na placa anexada à célula de carga trocantérica e ajustar os rolamentos do slide para que o copo de alumínio toca ligeiramente a célula de carga. Retire o pino do dispositivo elétrico para permitir a rotação de fixação do
- Center e inferior a cruzeta para contato com a cabeça femoral.
- Revisão instalação, posição de osso, sinais de célula de carga e posição da Copa. Também o dispositivo DAQ revisão; Certifique-se de que todas as células de carga e equipamentos estão conectadas corretamente e verificar que tudo está ligado. Verifique a configuração do software por resposta de sinal adequado de cada célula de carga.
- Tirar fotos do fêmur colocado a fixação dos 2 lados na.
- Definir a abertura para permitir que a luz suficiente para o sensor da câmera e controlar a profundidade de campo. Verifica a qualidade da imagem, centrando-se no colo do fêmur. Este processo deve impedir qualquer brilho e regiões de osso lustroso na imagem que afetaria a capturar o evento fratura.
6. Teste de fratura
- verificar o quadro de carga mecânica servo está programado para o controle de deslocamento apropriado de 25 mm para o ensaio de fratura no quadro de carga mecânica servo para carregando e descarregando.
Nota: Estes são fabricante configurações específicas e devem ser de entrada e verificados no painel de controle do equipamento de teste de acordo com as especificações do fabricante. - Verificar a iluminação para minimizar reflexos em câmeras de vídeo e o sistema de aquisição de dados uma vez final.
- Clique no ícone iniciar painel de controle para iniciar a sequência de teste para fratura de fêmur de teste ( Figura 7).
- Tirar fotos do fêmur fraturado dos 2 lados.
- Manualmente retrair o atuador e remover o fêmur da máquina.
7. Pós-fratura preparação
- remover o osso do dispositivo elétrico.
- Extremidade quebrada proximal de fita do osso do eixo, embrulhe em toalhas molhadas e sacos de plástico ( Figura 7) e depois congelar a -20 ° C.
- Preservar os ossos para ainda mais pós-fratura raio x e CT imagens.
Nota: Pormenores para esses processos foi explicados anteriormente em outro protocolo do nosso grupo (sob revisão em JoVE) ( Figura 7E).
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Representative Results
Dispositivos elétricos internos são montados os dispositivos elétricos padrão são retirados da máquina de teste. Primeiro, a fixação de fundo pesado é montada e fixada (Figura 1). Isso inclui um braço estendido para manter a célula de carga de 6 canais, que também permite que a diáfise femoral ser alinhado em um ângulo de adução desejado. Em seguida, o dispositivo elétrico do crosshead, incluindo dois rolamentos de fricção corrediça é montado para acomodar a aplicação da carga e o movimento da cabeça femoral durante a fratura (Figura 2). A fixação superior é ajustável para testes pernas esquerdas e direita. Uma vez que todos os dispositivos elétricos são montados, câmeras de vídeo de alta velocidade e dispositivos elétricos de iluminação são instalados. As imagens da câmera são testadas para foco, contraste e profundidade de campo (Figura 3). Todos os instrumentos são, então, ligados a uma unidade DAQ (Figura 4) e eixo simples, células de carga de seis eixos e o potenciômetro linear são verificados para a funcionalidade e calibrados, respectivamente (Figura 5). Todos os instrumentos são então testados para garantir adequada sinais das células de carga diferentes (Figura 6). O trocânter maior é em seguida colocado em um dispositivo elétrico acrílico para envasamento. O fêmur é então carregado para o dispositivo de teste elétrico e fraturado. Após fratura do fêmur é removida do dispositivo elétrico. Peças quebradas são gravadas juntos e as amostras de toda são embrulhadas em sacos plásticos. As amostras são então fotografadas com raio-x e digitalizadas com CT para mais fratura tipo classificação (Figura 7). Resultados das medições incluem 3 forças e força de 3 momentos na diáfise femoral, que são medidos com célula de carga de 6 canais e a reação na cabeça do fêmur. No entanto, os principais resultados a ser usado para validação de QCT/FEA mais são a força gravado no grande trocanter e o deslocamento gravado na cabeça do fêmur (Figura 8).
Figura 1: instalação do dispositivo elétrico de baixo. (A) colocação do bloco de alumínio (parte n º 1) na tabela de máquina, (B) colocação da estrutura de fixação inferior principal (parte n º 2) e fixando-a para o bloco de alumínio, estrutura principal (C) está instalado e fixado no lugar, (D) Montagem do dispositivo elétrico da célula de carga de 6 canais (parte n º 3) sobre a estrutura principal inferior (parte n º 2), (E) ajuste ângulo de diáfise femoral após a instalação da fixação do fundo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: instalação do dispositivo elétrico do Crosshead. (A) remover dispositivos elétricos do atuador de máquina, (B) primeira placa base (parte n º 4) é instalado pela primeira vez, (C) anexar a segunda placa de base (parte n º 5), (D) anexar a montagem dos rolamentos dois slide (parte n º 6) para a segunda placa base, instalação concluída (E) o dispositivo elétrico superior; (F) todo dispositivo elétrico instalado na máquina de teste. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: instalação de câmeras e iluminação. (A) criação de lâmpadas e escudos; (B) anexar a câmera de alta velocidade para o tripé; (C) instalar a lente para a câmara; (D) conectar a câmera para os computadores. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: diagrama esquemático. Unidade DAQ com todos os dispositivos de entrada/saída ligada à DAQ. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: processo de verificação e calibração. Verificar a funcionalidade de células de carga de eixo único (A) para a cabeça femoral e medições de força trocânter maiores e a célula de carga (B) seis canais para medições de forças e momentos de diáfise femoral; (C) calibração do potenciômetro do linear para medição de deslocamento de cabeça femoral. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: configuração de teste mecânico. Todos os instrumentos são conectados e sincronizados para se comunicar com a máquina e câmeras de vídeo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: fêmur antes e após o teste de fratura. (A) envasamento do trocânter maior na taça de alumínio preenchido com PMMA; (B) osso colocado na fixação do teste com o grande trocanter, descansando na célula de carga menor enquanto a luminária de cruzeta está em contacto com a cabeça femoral; Direito de osso fraturado (C) após o teste mecânico; (D) remoção fraturou o fêmur da máquina e gravando as peças partidas juntos; fêmur de acondicionamento em sacos plásticos; Raio-x (E) e CT varredura após a fratura. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8: curva de força-deslocamento. Curvas de força-deslocamento para os fêmures testaram para fraturar a 5 e 100 mm/s. A força é gravada no trocânter maior e thdeslocamento e é gravado na cabeça do fêmur. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Propusemos um protocolo para fraturar testar os fêmures cadavéricos proximais em uma queda na configuração do quadril, com o qual nós testamos com sucesso cerca de 200 amostras. O protocolo inclui vários dispositivos elétricos projetados in-house para resistência femoral testes sob condições de carregamento diferentes. O dispositivo elétrico permite testes dos fêmures esquerdos e direito em diferentes velocidades de testes e orientações para o osso. Depois de montar o dispositivo elétrico e os instrumentos de medição, um fêmur de fibra de vidro é testado para fratura para garantir que todas as ferramentas de hardware e software estão conectadas corretamente, trabalhando de forma síncrona, e os sinais e os vídeos estão devidamente registrados. Antes de teste de fratura de fêmur cadavérico real, diáfise femoral envasada em PMMA é apertada no dispositivo elétrico. Protocolo do teste mecânico autorizações de fratura do fêmur testes de forma consistente e repetível.
Durante os testes, as experiências de diáfise femoral dobra e deformação torcional enquanto a cabeça do fêmur e trocanter maior são compactados. Para evitar o carregamento lateral do espécime, destina-se a fixação do crosshead com dois rolamentos transversais, permitindo o movimento no plano horizontal com atrito mínimo. Isto assegura a aplicação de uma carga vertical para a cabeça femoral independentemente de deformação óssea e movimento espacial da cabeça durante o teste. Além disso, esta fixação superior é projetada para acomodar os fêmures esquerdos e direito, simplesmente rodando um componente da placa, como mostrado na Figura 2.
A fixação inferior, ligada à parte inferior da máquina de ensaio, foi projetada para armazenar os fêmures cadavéricos em ângulos de adução desejado durante o teste. Este dispositivo elétrico também inclui uma célula de carga de eixo único de cargas compressivas o trocanter e uma célula de carga de seis canais, anexada à extremidade distal da diáfise femoral para medir as forças de três e três momentos no eixo de medição. Além disso, o dispositivo elétrico acomoda a rotação do fêmur sobre um ponto virtual simulando a articulação do joelho.
Tecido ósseo, semelhante a outros tecidos biológicos, tem propriedades mecânicas dependentes de tensão-taxa, e consequentemente femoral força e propriedades de fratura vão mudar com o teste de velocidade12. Portanto, o protocolo e o dispositivo de teste elétrico devem ser capazes de ser usado para teste mecânico femoral em várias velocidades e acomodar para uma gama de equipamentos de aquisição de dados, as frequências de amostra, tipos de câmera de alta velocidade e as condições de iluminação. Com o protocolo atual, nós testamos com sucesso os fêmures em diversas velocidades diferiam por duas ordens de magnitude (5, 100 e 700 mm/s) para imitar a velocidade de vários eventos traumáticos.
Câmeras de vídeo de alta velocidade permitiu gravar a sequência de fratura de eventos para posterior análise. A fim de obter dados úteis, todos os componentes do testes foram sincronizados durante o teste para visualizar adequadamente a mecânica da fratura. Através de célula de carga de sincronização, dados de deslocamento e dados de iniciação e propagação de rachadura podem ser analisado juntos para ajudar a formar uma imagem completa da fratura.
Para evitar o esmagamento do grande trocanter devido ao contato não uniforme e estresse de contato indesejável concentração, o trocanter for encaçapada em um copo cheio de PMMA. Além disso, o fundo do copo é redondo para permitir a rolar sobre a superfície inferior do dispositivo elétrico. Isto leva a uma força de reação vertical, evitando restrição lateral de todo o suporte que pode afetar a resistência da fratura ou tipo. Esta escolha do projeto foi necessária obter resistência femoral precisa e fratura de modos semelhantes aos observados clinicamente.
Em outros estudos experimentais, apenas a parte mais proximal dos fêmures foram testados pelo corte de uma parte essencial da diáfise femoral de amostras, levando a espécimes muito curto13. Em contraste, o actual protocolo de testes de espécimes femoral proximal tempo de 255 mm. O dispositivo elétrico é projetado com um braço de aço estendendo o comprimento da amostra para incluir um ponto de rotação perto o joelho removido para simular mais realisticamente uma queda lateral no quadril. Este braço de extensão incorpora uma célula de carga 6-componente que é usada para medir as forças de três e três momentos desenvolvidos na diáfise femoral durante o teste de fratura. Estas considerações são similares àquelas descritas em estudos anteriores e ajudem-na mais precisamente, entendem as forças que contribuem à fratura e estimar a rigidez femoral e força14.
As células de 3 carga usadas em nosso dispositivo elétrico levado a redundância nos dados adquiridos que nos permitiram analisar o equilíbrio de forças e momentos na direção vertical principal. No momento do trocânter maior pico de força, observamos muito similares magnitudes medidos pelas células diferentes de carga, com erros relativas médias de cerca de 2%, que é um erro experimental muito satisfatório para esta categoria de testes biomecânicos.
Este protocolo tem várias limitações potenciais. Uma limitação principal pode ser que o cumprimento da instalação e a máquina de teste pode afetar o deslocamento e rigidez medida15. Isto se torna mais relevante para os fêmures normais que exigem uma maior carga de fratura. No entanto, nós projetamos nossa fixação com placas de aço e alumínio grossas para manter uma rigidez pelo menos uma ordem de magnitude maior do que a rigidez femoral. Usando uma amostra de cerca de 200 fêmures, notamos um erro médio de cerca de 5% na rigidez femoral medida devido à conformidade do dispositivo elétrico. Então, um fator de correção foi calculado para cada fêmur corrigir os valores de rigidez. Uma limitação potencial adicional que pode levar a erros é que a sequência de etapas de teste deve ser rigorosamente seguida. Por exemplo, para a primeira amostra testada, o pino mantendo o fêmur posicionado antes de fazer contato com as superfícies de fixação de cabeça e trocânter não foi removido e o teste de fratura foi concluído sem um ponto de rotação na extremidade distal (fixada final). Uma modificação do protocolo exigido um vermelho longa fita anexada para o pino (Figura 1E) e um segundo operador para confirmar que o pin foi removido antes de testar. Também, enquanto testam velocidades variaram significativamente de 5-700 mm/s, nossos testes, no entanto, eram quase estáticos experimentos. A fim de obter conhecimento sobre o comportamento dinâmico de fratura de fêmur proximal sob maior velocidade de carregamento como resultantes de impactos, um teste de queda-torre poderia ser empregada16.
Enquanto os testes foram efectuados em diferentes épocas e por diferentes operadores, todos os fêmures foram fraturados usando o mesmo protocolo, dispositivos elétricos e células de carga, eliminando assim as incertezas relacionada com repetibilidade do experimento. Com uma abordagem semelhante, o protocolo atual pode ser adotado e luminárias redesenhado para ensaio em configuração de postura ou fratura de outros tipos de osso.
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Disclosures
Os autores têm sem divulgações pertinentes.
Acknowledgments
Gostaríamos de agradecer aos materiais e facilidade do núcleo testes estruturais e divisão de engenharia da clínica Mayo para suporte técnico. Além disso, gostaríamos de agradecer a Lawrence J. Berglund, James Bronk, Brant Newman, antro de op de Jorn Buijs, pH.d., por sua ajuda durante o estudo. Este estudo foi suportado financeiramente pelo fundo de inovação Grainger da Fundação Grainger.
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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