Summary
يتيح البروتوكول قياس تشوه البنية المجهرية للعظام في عظم الفخذ البشري القريب بأكمله وصلابته من خلال الجمع بين التصوير المقطعي المحوسب الدقيق كبير الحجم ، ومرحلة الضغط المخصصة ، وأدوات معالجة الصور المتقدمة.
Abstract
يسمح تصوير البنية المجهرية للعظام تحت الأحمال المتزايدة تدريجيا بمراقبة سلوك الفشل المجهري للعظام. هنا ، نصف بروتوكولا للحصول على سلسلة من الصور المجهرية ثلاثية الأبعاد لعظم الفخذ القريب بأكمله تحت تشوه متزايد تدريجيا ، مما يتسبب في كسور ذات صلة سريريا في عنق الفخذ. تم إثبات البروتوكول باستخدام أربعة عظم الفخذ من متبرعات تتراوح أعمارهن بين 66 و 80 عاما في الطرف الأدنى من كثافة المعادن في العظام لدى السكان (نطاق درجة T = -2.09 إلى -4.75). تم تصميم مرحلة ضغط شفافة لاسلكية لتحميل العينات التي تكرر وضع ساق واحدة ، أثناء تسجيل الحمل المطبق أثناء التصوير المقطعي المحوسب الدقيق (micro-CT). كان مجال الرؤية بعرض 146 مم وارتفاع 132 مم ، وكان حجم البكسل الخواص 0.03 مم. استندت زيادة القوة إلى تنبؤات العناصر المحدودة لحمل الكسر. تم استخدام مرحلة الانضغاط لتطبيق الإزاحة على العينة وسن زيادات القوة المقررة. حدثت كسور تحت رأس المال بسبب فتح وقص عنق الفخذ بعد أربع إلى خمس زيادات في الحمل. تمت معالجة صور التصوير المقطعي المحوسب الدقيق وقياسات قوة رد الفعل لدراسة إجهاد العظام وقدرة امتصاص الطاقة. ظهر عدم استقرار القشرة في خطوات التحميل المبكرة. أظهر العظم تحت الغضروفي في رأس الفخذ تشوهات كبيرة تصل إلى 16٪ قبل الكسر ، وزيادة تدريجية في قدرة الدعم حتى الكسر. زادت طاقة التشوه خطيا مع الإزاحة حتى الكسر ، بينما انخفضت الصلابة إلى قيم قريبة من الصفر مباشرة قبل الكسر. تم أخذ ثلاثة أرباع طاقة الكسر بواسطة العينة خلال زيادة القوة النهائية بنسبة 25٪. في الختام ، كشف البروتوكول الذي تم تطويره عن قدرة ملحوظة على امتصاص الطاقة ، أو تحمل الضرر ، وتفاعل تآزري بين العظم القشري والتربيقي في سن مانحة متقدمة.
Introduction
تشكل كسور عنق الفخذ عبئا كبيرا على شيخوخة السكان. يسمح التصوير المقطعي المحوسب الدقيق (micro-CT) والاختبار الميكانيكي المصاحب لمراقبة البنية المجهرية للعظام ودراسة علاقتها بقوة العظام وتغيراتها المرتبطة بالعمر والنزوح تحت الحمل 1,2. ومع ذلك ، حتى وقت قريب ، اقتصرت دراسات التصوير المقطعي المحوسب الدقيق للعظام تحت الحمل على نوى العظامالمستأصلة 3 ، الصغيرة4 ، ووحدات العمود الفقري البشري5. يمكن للبروتوكول الحالي تحديد إزاحة البنية المجهرية لعظم الفخذ البشري القريب بأكمله تحت الحمل وبعد الكسر.
تم إجراء العديد من الدراسات للتحقيق في فشل عظم الفخذ البشري ، وفي بعض الأحيان ، توصلت هذه الدراسات إلى استنتاجات متناقضة. على سبيل المثال ، يعتقد أن الترقق المرتبط بالعمر للهياكل القشرية والتربيقية يحدد القابلية المرتبطة بالعمر للكسر عن طريق التسبب في عدم استقرار مرن للعظم6,7 ، وهو ما يتناقض بشكل واضح مع المعامل العالي لتحديد الإجهاد القشري وتنبؤات قوة الفخذ بافتراض عدم وجود عدم استقرار مرن (R2 = 0.80-0.97)8,9. ومع ذلك ، فقد قللت هذه الدراسات بشكل منهجي من قوة الفخذ (بنسبة 21٪ -29٪) ، مما أثار تساؤلات حول استجابات العظام الهشة وشبه الهشة المطبقة في النماذج 8,10. قد يكمن أحد التفسيرات المحتملة لهذه النتائج المتناقضة على ما يبدو في سلوك كسر مختلف لعظام كاملة مقارنة بنوى العظام المعزولة. لذلك ، فإن مراقبة استجابات التشوه والكسر للبنية المجهرية العظمية في عظم الفخذ القريب بأكمله قد يعزز المعرفة بميكانيكا كسر الورك والتطبيقات ذات الصلة.
الطرق الحالية لتصوير عظام بشرية كاملة بدقة ميكرومترية محدودة. يجب أن يوفر حجم القنطرة وحجم الكاشف حجم عمل مناسب لاستضافة عظم الفخذ القريب البشري (حوالي 13 سم × 10 سم ، العرض × الطول) وربما حجم بكسل في حدود 0.02-0.03 مم لضمان إمكانية التقاط الميزات المعمارية الدقيقة ذات الصلة11. يمكن تلبية هذه المواصفات حاليا من قبل بعض مرافق السنكروترون1 وبعض الماسحات الضوئية المقطعية الدقيقة كبيرة الحجم المتاحة تجاريا12,13. يجب أن تكون مرحلة الانضغاط شفافة لاسلكيا من أجل تقليل توهين الأشعة السينية مع توليد قوة كافية لإحداث كسر في عظم الفخذ البشري (على سبيل المثال ، بين 0.9 كيلو نيوتن و 14.3 كيلو نيوتن للنساء البيض المسنات)14. هذا التباين الكبير في حمل الكسر يعقد تخطيط عدد خطوات الحمل للكسر ، ووقت التجربة الإجمالي ، والكمية المقابلة من البيانات المنتجة. لمعالجة هذه المشكلة ، يمكن تقدير حمل الكسر وموقعه من خلال نمذجة العناصر المحدودة باستخدام توزيع كثافة العظام للعينة من صور التصوير المقطعي المحوسب السريري (CT) 1,2. أخيرا ، بعد التجربة ، يجب معالجة الحجم الكبير من البيانات المتولدة لدراسة آليات الفشل وقدرة تبديد الطاقة في عظم الفخذ البشري بأكمله.
هنا ، نصف بروتوكولا للحصول على سلسلة من الصور المجهرية ثلاثية الأبعاد لعظم الفخذ القريب بأكمله تحت تشوه متزايد تدريجيا ، مما يسبب كسور ذات صلة سريريا في عنق الفخذ2. يتضمن البروتوكول تخطيط الزيادة التدريجية لضغط العينة ، والتحميل عبر مرحلة ضغط شفافة لاسلكية مخصصة ، والتصوير عبر ماسح ضوئي بالأشعة المقطعية الدقيقة كبير الحجم ، ومعالجة الصور وملفات تعريف الحمل.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
تم تطوير البروتوكول واختباره مع 12 عينة من عظم الفخذ تم تلقيها من برنامج التبرع بالجسم. تم الحصول على العينات طازجة وتخزينها في -20 درجة مئوية في مختبر الميكانيكا الحيوية والغرسات بجامعة فلندرز (تونسلي ، جنوب أستراليا ، أستراليا). تم الحفاظ على رطوبة العظام طوال التجربة. وكانت الجهات المانحة من النساء القوقازيات (66-80 سنة). تم الحصول على تصريح الأخلاقيات من لجنة أخلاقيات البحوث الاجتماعية والسلوكية (SBREC) بجامعة فليندرز (مشروع # 6380).
1. التخطيط لزيادة خطوة الحمل الخاصة بالعينة
- افحص عينة عظم الفخذ باستخدام ماسح التصوير المقطعي المحوسب السريري الذي يستهدف سمك الشريحة وحجم البكسل داخل المستوى حوالي 0.5-0.7 مم. يمكن إكمال هذه الخطوة بواسطة مصور أشعة خبير في أي منشأة تصوير عامة باستخدام بروتوكولات التصوير القياسية المسجلة مسبقا لتصور العظام.
- جنبا إلى جنب مع العينة ، قم بمسح شبح معايرة قياس الكثافة بالأشعة المقطعية بخمسة تركيزات معروفة من فوسفات هيدروجين ثنائي البوتاسيوم (K2HPO4 ، نطاق الكثافة المكافئ تقريبا بين 59 mg∙cm− 3 و 375 mg∙cm−3).
- قم بتقسيم هندسة العظام من صور التصوير المقطعي المحوسب السريرية15 ، وقم بربط الهندسة المجزأة للعظم ، وقم بتعيين خصائص المواد الخواص عنصر تلو الآخر إلى قيم كثافة العظام المعايرة باستخدام علاقة معامل الكثافة إلى المرونة التي أبلغ عنها Schileo et al.8. احفظ الشبكة لمزيد من التحليل في برنامج العناصر المحدودة. أكمل كل خطوة باتباع الإرشادات ذات الصلة المتوفرة مع برنامج التجزئة والعناصر المحدودة.
- قم باستيراد الشبكة إلى برنامج العناصر المحدودة. تقييد كامل للنهاية البعيدة 3-6 مم للنموذج. ضع قوة اسمية مقدارها 1000 نيوتن ، تقترب بمقدار 8 درجات من محور عمود الفخذ في المستوى الإكليلي وتمر عبر مركز رأس عظم الفخذ. تحاكي حالة التحميل هذه مهمة الوقوف الثابتة بساق واحدة (orthoload.com).
- حل نموذج العناصر المحدودة باستخدام حل PCG المدمج (تفاوت التقارب: 1 × 10−7).
ملاحظة: هنا تم استخدام برنامج العناصر المحدودة ANSYS.- قم بإنشاء جدول عناصر يحتوي على مكونات الإجهاد الرئيسي الأول والثالث في العنصر المركزي عن طريق تنفيذ الأوامر التالية:
/بوست1
ETABLE,, EPTO1,1
ETABLE,, EPTO3,3 - احسب نسبة الانفعال بين مكونات الإجهاد الرئيسي الأول والثالث في النموذج وسلالة إنتاجية العظام في التوتر (إجهاد 0.73٪) والضغط (سلالة 1.04٪)8 (الشكل 1) عن طريق تنفيذ الأوامر التالية:
سمولت ، RFT ، EPTO1 ، 1 / 0.0074،1 ،
سمولت ، RFT ، EPTO3 ، 1 / 0.0104،1 ،
- قم بإنشاء جدول عناصر يحتوي على مكونات الإجهاد الرئيسي الأول والثالث في العنصر المركزي عن طريق تنفيذ الأوامر التالية:
- قم بقياس القوة الاسمية بنسبة إجهاد الذروة في كل من التوتر والضغط ، وتجاهل الأكبر من الاثنين من أجل الحصول على تقدير لحمل الكسر. حدد زيادة الحمل على أنها 1/4 من حمل الكسر المحسوب1.
الشكل 1: حساب حمل الكسر. خريطة إجهاد العناصر المحدودة ، والمعادلات المستخدمة لتحويل القوة الاسمية إلى حمل الكسر (يسار) ، ومخطط التحميل الذي يعرض عظم الفخذ (وسط اليمين) ، وكوب الألومنيوم البعيد (أعلى اليمين) ، ومقبس ضغط البولي إيثيلين (أسفل اليمين). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
2. تحضير تجميع عينة عظم الفخذ (الشكل 2)
- أخرج العينة من الفريزر (-20 درجة مئوية).
- قم بالذوبان في درجة حرارة الغرفة (RT) لمدة 24 ساعة مع الاحتفاظ بالعينة في كيس بلاستيكي مقاوم للماء ملفوف بمادة ماصة مبللة بمحلول فسيولوجي للحفاظ على رطوبة العظام.
- قطع الحجاب الحاجز الفخذي عند 180 ملم من رأس الفخذ القريب.
- قم بتوسيط رأس عظم الفخذ على المحور الرأسي لجهاز المحاذاة عن طريق محاذاة مقبس ضغط البولي إيثيلين المقعر الشكل (الشكل 2 د) ورأس عظم الفخذ.
- قم بمحاذاة المستوى الذي يحتوي على عنق الفخذ ومحور الحجاب الحاجز مع المستوى الأمامي (الشكل 2).
- قم بتدوير محور الحجاب الحاجز إلى تقريب 8 درجات بحيث يمثل المحور الرأسي اتجاه قوة رد فعل الورك أثناء وضع ساق واحدة ثابتة (الشكل 2).
- تحضير الأسمنت السني باتباع تعليمات الشركة المصنعة.
- ضع الطرف البعيد للعينة في كوب تأصيص من الألومنيوم بعمق 55 مم ، واملأ كوب الألمنيوم بأسمنت الأسنان. اترك ما لا يقل عن 30 دقيقة حتى يكمل الأسمنت المعالجة.
- قم بتخزين مجموعة العينة في -20 درجة مئوية.
الشكل 2: جهاز المحاذاة. صورة أمامية (يسار) وجانبية (يمين) لجهاز المحاذاة تعرض (أ) الإطار ، (ب) كوب القدر المصنوع من الألومنيوم ، (ج) نموذج عظم الفخذ الاصطناعي ، و (د) مقبس الضغط الكروي الشكل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
3. تجميع مرحلة الضغط
ملاحظة: الأبعاد الخارجية لمرحلة الضغط هي قطر 245 مم وارتفاع 576 مم ووزن 14 كجم ، باستثناء العينة. تتكون مرحلة الضغط من جزأين رئيسيين: غرفة الضغط والمشغل ، والتي يتم تجميعها على النحو التالي:
- غرفة الضغط
- قم بتركيب مقبس ضغط البولي إيثيلين (قطر 104 مم ، ارتفاع 60 مم) في الجزء السفلي من أسطوانة الألومنيوم (قطر 203 مم ، سمك جدار 3 مم) ، والذي يتم إغلاقه بواسطة صفيحة ألمنيوم ملحومة في أحد طرفيه (أسفل).
- المحرك
- قم بتجميع الهيكل العلوي باستخدام القرص والقضبان الثلاثة واللوحة المثلثة والسكة الرأسية (الشكل 3).
- قم بتركيب آلية الرافعة اللولبية (السكتة الدماغية: 150 مم ، الحمل الأقصى: 10000 نيوتن ، نسبة التروس: 27: 1 ، الإزاحة لكل دورة: 0.148 مم) على اللوحة الثلاثية.
- قم بتركيب المحول الزاوي على السكة الخطية.
- قم بتركيب طاولة x-y منخفضة الاحتكاك على المحول الزاوي.
- قم بتركيب خلية تحميل الدرجات الست للحرية (أقصى خطأ في القياس: 0.005٪ ؛ القوة القصوى: 10000 نيوتن ؛ عزم الدوران الأقصى: 500 نيوتن متر) على طاولة منخفضة الاحتكاك عن طريق محاذاة مستوى x-z لخلية التحميل إلى المستوى الأمامي للهيكل العلوي.
- قم بتوصيل برغي المشغل بالمحول الزاوي.
الشكل 3: تجميع مرحلة الضغط الشفاف الشفاف حسب الطلب. صورة (يسار) ونموذج (يمين) لمرحلة الانضغاط. (أ) غرفة الضغط، وهي عبارة عن أسطوانة ألومنيوم بسمك 3 مم مغلقة من الأسفل؛ (ب) مجموعة المشغل ذات الهيكل العلوي ؛ (ج) آلية الرافعة اللولبية؛ (د) جدول x-y منخفض الاحتكاك ؛ و (ه) يتم عرض خلية الحمل ذات المحاور الستة والإشارة إليها في النموذج. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
4. إعداد التجربة
- قم بإذابة العينة في RT لمدة 24 ساعة مع الاحتفاظ بها في كيس بلاستيكي مقاوم للماء ملفوف بمادة ماصة مبللة بمحلول فسيولوجي للحفاظ على رطوبة العظام.
- قم بتركيب مجموعة عينة كوب الألومنيوم على خلية التحميل عن طريق محاذاة المستوى الأمامي لتجميع العينة مع مستوى المشغل.
- قم بتجميع الهيكل العلوي ، بما في ذلك العينة ، في غرفة الضغط. احرص على محاذاة رأس الفخذ مع التقعر الكروي على مقبس ضغط البولي إيثيلين. تأكد من تعشيق رأس الفخذ ولكن الارتخاء داخل التجويف الكروي لتجويف الضغط.
- ضع مرحلة الضغط على مرحلة دوران الماسح الضوئي الدقيق بالأشعة المقطعية في خط التصوير والأشعة الطبية (IMBL).
- قم بتوصيل خلية التحميل (الخطأ < 0.005٪ ؛ القوة القصوى: 10000 نيوتن ؛ أقصى عزم دوران: 500 نيوتن متر) بمضخم الإجهاد.
- قم بتوصيل مضخم الإجهاد عبر USB بجهاز كمبيوتر محمول مزود بالبرنامج التطبيقي المرفق مع خلية التحميل.
- قم بتشغيل آلية المسمار في مرحلة الضغط عن طريق تحريك العينة لأسفل نحو مقبس الضغط أثناء مراقبة قوة رد الفعل المقاسة بواسطة خلية التحميل في الكمبيوتر المحمول. أوقف آلية المسمار بمجرد تحقيق قوة ضغط تساوي 100 نيوتن. تفريغ العينة إلى 50 نيوتن التحميل المسبق.
- حدد جهاز التلألؤ المقترن بعدسة مستشعر pco.edge الفردي "Ruby" (http://archive.synchrotron.org.au/31-australian-synchrotron/imbl/811-preparation-for-imaging-experiments).
- اضبط مجال الرؤية على 76.31 مم × 64.39 مم ، والذي يوفر حجم صفيف 2,560 بكسل × 2,160 بكسل حجم بكسل 29.81 ميكرومتر.
- اضبط محور مرحلة الدوران على 8 مم (أفقيا) من محور مجال الرؤية (وضع المسح الضوئي خارج المجموعة) لتوسيع مجال الرؤية إلى 145.71 مم × 64.39 مم بحجم بكسل 29.81 ميكرومتر.
- اضبط معلمات المسح على طاقة شعاع تبلغ 60 كيلو فولت ، وزيادة دورانية تبلغ 0.1 درجة ، ودفعتين من الدوران 180 درجة (مسح ضوئي بالإزاحة) ، ووقت تعرض يبلغ 50 ميكرو ثانية ، ومتوسط إطار اثنين لكل موضع دوراني.
- اضبط المسح الضوئي للحصول على خمس عمليات مسح ضوئي متتالية مكدسة رأسيا، مع إزاحة رأسية مقاس 26 مم لكل منها، بحيث يكون الارتفاع الإجمالي لوحدة التخزين الممسوحة ضوئيا 132.2 مم لإجمالي وقت المسح الضوئي البالغ 30 دقيقة.
5. الاختبار الميكانيكي مع التصوير المجهري المصاحب
- قم بإجراء التصوير المقطعي المحوسب الدقيق (حجم البكسل: 0.03 مم) مرتين في الحالة المرجعية (تؤخذ كحالة خالية من الإجهاد).
- قم بتطبيق زيادة القوة عن طريق تشغيل آلية الرافعة اللولبية يدويا بمعدل ثابت يبلغ حوالي 1 ثانية لكل جولة (0.1-0.2 مم / ثانية).
- إجراء التصوير المقطعي المحوسب الدقيق.
- كرر الخطوتين 5.2 و 5.3 حتى التسبب في كسر العينة ، كما يتضح من الانخفاض المفاجئ في قوة رد الفعل.
- إجراء التصوير المقطعي المحوسب الدقيق للعينة المكسورة.
- قم بتجميع صور العرض البالغ عددها 1800 صورة (2560 بكسل × 896 بكسل في الحجم ، 76.8 مم × 26.88 مم ، العرض × الارتفاع ، صور الفاصلة العائمة 32 بت). تقوم العملية بخياطة صورتي إسقاط (تم التقاطهما في وضع المسح الأفقي خارج المجموعة) ، والصور الخمس المتحولة رأسيا ، وبالتالي إنتاج صورة إسقاط واحدة.
- أعد بناء حجم صور المقطع العرضي (4,407 صورة، حجم كل صورة 4,888 × 4,888 بكسل)، واحفظها كملفات فاصلة عائمة 32 بت في . تنسيق TIFF (يشغل 392 جيجابايت من مساحة القرص).
- ضع مرشحا غاوسيا 3 × 3 لتقليل الضوضاء. قم بتحويل الصور إلى 8 بت (256 صورة رمادية المستوى ، محفوظة بتنسيق صورة نقطية ، تشغل حوالي 100 جيجابايت لكل وحدة تخزين).
ملاحظة: في هذا العمل، أجريت معالجة الصور باستخدام البرمجيات المتاحة في السنكروترون الأسترالي تحت إشراف مشغل IMBL.
6. حساب مجال الإزاحة والإجهاد
- عينة فرعية من صور المقطع العرضي بأربعة (120 ميكرومتر / بكسل) لتقليل وقت الحساب.
- شارك بشكل صارم في تسجيل صور العينة تحت الحمل في الفضاء إلى صور العينة في الحالة المرجعية التي تم تفريغها. استخدم الحجاب الحاجز البعيد كهدف للتسجيل المشترك (الملف التكميلي 1 والملف التكميلي 2).
- إنشاء نماذج سطحية ثلاثية الأبعاد (. STL) للتصور بعد تقريب صور التصوير المقطعي المحوسبالدقيقة 11.
- قم بتسجيل حجم الصورة بشكل مرن إلى وحدة التخزين المرجعية باستخدام حجم شبكة يساوي 50 بكسل (SDER = 0.076٪ خطأ إجهاد ، BoneDVC ، https://bonedvc.insigneo.org/dvc/) لتحديد الإزاحات عند عقد الشبكة.
- تحويل الشبكة إلى نموذج عنصر محدود. قم بتطبيق الإزاحة العقدية المحسوبة بواسطة BoneDVC على النموذج. حل النموذج لتحديد موتر الإجهاد على حجم العظام بأكمله.
- كرر التحليل في المنطقة الذي يظهر أعلى مستويات الإجهاد باستخدام الصور كاملة الدقة.
- قم بتعيين تعيينات سلالة DVC إلى الصور كاملة الدقة باستخدام الاستيفاء التكعيبي باستخدام الدالة interp3 (Matlab)2.
- تصور الإزاحات والإجهاد والصور الهيكلية المجهرية للتصور والرسوم المتحركة ذات الحجم الكبير (Matlab)2.
7. التحليل
- عرض التشوه الدائم للعظم (التلف) عن طريق تراكب الصور التي تم الحصول عليها في ظروف التفريغ وبعد الكسر2.
- عرض التشوه المجهري التدريجي للعظم عن طريق تراكب النماذج ثلاثية الأبعاد في ظروف التفريغ ، عند زيادة مستويات الحمل ، وما بعدالكسر 2.
- عرض سلالة العظم في موقع الكسر2.
- تحليل طاقة التشوه والصلابة والإزاحة باستخدام الإحصاء الوصفي وطرق الانحدار2.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تعرض الصور عظم الفخذ القريب بالكامل ، ومقبس الضغط ، والأسمنت السني ، وكوب الألومنيوم ، ونسيج التغليف. يمكن رؤية البنية الدقيقة للعظام تتشوه تدريجيا مع زيادة الحمل قبل الكسر وبعد الكسر (الشكل 4).
الشكل 4: مرحلة الانضغاط المتصلة بالكمبيوتر المحمول. أ: مرحلة الانضغاط، ب: الكمبيوتر المحمول، ج: جهاز الحصول على البيانات. يتم تراكب مجموعة العينة بشفافية على غرفة الضغط (يمين). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
استدار رأس الفخذ وسطيا وتدريجيا حتى الكسر. كانت الكسور غير مكتملة ، حيث تم فتحها في قشرة الرقبة العلوية أو ظهرت فشل القص دون الرأس (الفيديو 1 والشكل 5). يتم تسطيح انحناء الرأس في منطقة التلامس مع المقبس ، حيث يمكن ملاحظة عدم الاستقرار المرن المحلي للقشرة القشرية. ومع ذلك ، لم يلاحظ عدم استقرار مرن على حجم التربيقي.
فيديو 1: رسوم متحركة لتشوه عظم الفخذ بالكامل وكسره. الرسوم المتحركة لعظم الفخذ بأكمله أثناء تشوهه وكسوره (صور التصوير المقطعي المحوسب الدقيقة 4x ، عرض ثلاثي الأبعاد). الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الفيديو.
الشكل 5: صور البنية المجهرية المنقضية والأحمال المقابلة. تسلسل صور المقطع العرضي للتصوير المقطعي المحوسب الدقيق الإكليلي (أعلى اليسار) ، والقوة المطبقة ، وملفات تعريف اللحظة (أسفل اليسار) لعينة تمثيلية واحدة. يتم عرض عرض ثلاثي الأبعاد لصور التصوير المقطعي المحوسب الدقيق لشريحة بسمك 1 مم من عظم الفخذ قبل تطبيق الحمل وتحت الحمل وبعد حدوث الكسر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
حدث تكثيف العظام في مناطق ضغط الذروة (على سبيل المثال ، في رأس الفخذ العلوي) ، حيث استمر التشوه بعد الكسر. حدث ظهور الكسر في مناطق الانحناء المتزايد ، مما يشير إلى ثني القشرة القشرية العلوية عن طريق الفتح والقص. تقدمت الفتحة القشرية بزوايا طبيعية من خلال المجموعة التربيقية الرئيسية للشد وقشرة الرقبة العلوية ، وتتحرك بعيدا بعد اتجاه المجموعة التربيقية الانضغاطية الرئيسية وتنتهي في منطقة كالكار. تسبب كسر القص في فشل تربيقي على طول مستوى القص ، عند حوالي 45 درجة من المحور التربيقي الانضغاطي الرئيسي الرئيسي. بعد الكسر ، استعادت العمارة الدقيقة معظم الإزاحة التي أظهرت انتعاشا مرنا في الغالب للعظم في كل مكان باستثناء منطقة الرأس القريبة من منطقة التلامس تحت ضغط الذروة. كان التباعد العقدي لتحليل ارتباط الحجم الرقمي 50 بكسل مما يدل على خطأ إجهاد بنسبة 0.1٪ في اختبار الإجهاد الصفري. تجاوزت السلالة إجهاد الخضوع للعظام في رأس الفخذ العلوي والرقبة تحت الرأس بمجرد أن تجاوزت القوة 50٪ من قوة العينة المتوقعة من FE ، حيث وصلت إلى ضغط 8-16٪ في الصور كاملة الدقة (الفيديو 2 والشكل 6).
الفيديو 2: الدقة الكاملة. الرسوم المتحركة للشبكة التربيقية التي تشوه تدريجيا وتتصدع (صور التصوير المقطعي المحوسب الدقيقة كاملة الدقة ، العرض ثلاثي الأبعاد). الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الفيديو.
الشكل 6: تشوه رأس عظم الفخذ. تراكب عظم الفخذ القريب قبل تطبيق الحمل وتحت الحمل (العمود الأيسر) ؛ سطح رأس الفخذ العلوي قبل التحميل وبعد الكسر (العمودين الثاني والثالث) ؛ تراكب البنية المجهرية في رأس الفخذ العلوي في مراحل تحميل مختلفة (العمود الرابع) ؛ وتفاصيل عدم استقرار القشرة على رأس عظم الفخذ العلوي (يمين). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
حدث الفشل تحت حالة إجهاد معقدة تظهر ضغطا (8٪ -12٪) ، والتوتر (4٪ -8٪) ، والقص (3٪ -10٪) إجهادا. كانت طاقة التشوه دالة خطية للإزاحة (R2 = 0.97-0.99 ، p < 0.01) حتى الكسر ، مما يدل على سلوك كسر مستقر (الشكل 7).
الشكل 7: مجال الإجهاد الذي يسبق الكسر وقدرة عظم الفخذ على امتصاص الطاقة. خرائط إجهاد القص والشد ونمط الكسر (أعلى). يتم رسم طاقة التشوه التي تم تطبيعها بواسطة طاقة الكسر ، Emax ، مقابل النسبة بين الإزاحة والإزاحة عند الكسر ، Dmax ، لأربعة متبرعين تتراوح أعمارهم بين 66 و 80 عاما عند الوفاة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الملف التكميلي 1: لقطة شاشة توضح التسجيل المشترك لعينة صور التصوير المقطعي المحوسب الدقيقة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الملف التكميلي 2: رسوم متحركة لصور المقطع العرضي للتصوير المقطعي المحوسب الدقيق الإكليلي المسجلة بشكل مشترك ، والتي تعرض البنية المجهرية المشوهة عند زيادة الأحمال حتى الكسر. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الفيديو.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
يسمح البروتوكول الحالي بدراسة الميكانيكا الدقيقة المنقضية لكسور الورك في ثلاثة أبعاد خارج الجسم الحي. تم تصميم مرحلة الانضغاط الشفافة إشعاعيا (الألومنيوم) القادرة على تطبيق تشوه تدريجي على النصف القريب من عظم الفخذ البشري وقياس قوة رد الفعل وتصنيعها واختبارها حسب الطلب. يتم استخدام ماسح التصوير المقطعي المحوسب الدقيق كبير الحجم في هذا البروتوكول لتوفير تسلسل زمني لأحجام الصور التي تعرض عظم الفخذ القريب بالكامل مع التحميل التدريجي بدقة ميكرومترية. في هذا العمل ، تم حساب حقول الإزاحة والانفعال باستخدام التسجيل المشترك المرن للصور. يتيح البروتوكول عرض تشوه البنية المجهرية لعظم الفخذ القريب ويوفر طاقة تشوه وصلابة العينة استجابة للحمل الإضافي المحدد حتى نقطة الكسر.
تتضمن الجوانب الحرجة للبروتوكول أ) تحديد خطوة الحمل في كل عينة للتحكم في وقت التجربة ، ب) الحفاظ على رطوبة العظام طوال التجربة ، ج) تمكين التصوير المقطعي المحوسب الدقيق للعظم أثناء الحمل حتى نقطة الكسر ، د) ضمان الحد الأدنى من حركة العظام أثناء التصوير ، و ه) تخزين ومعالجة أحجام الصور الكبيرة. على الرغم من تصميمه واستخدامه في الأصل لاختبار عظم الفخذ القريب في منشأة سنكروترونية محددة (التصوير وخط الشعاع الطبي ، السنكروترون الأسترالي ، كلايتون في فيينا الدولي ، أستراليا) ، فقد تم استخدام هذا البروتوكول مؤخرا مع ماسح ضوئي مقطعي محوسب كبير الحجم متاح تجاريا وللمناطق التشريحية المختلفة12،13 ، مما يوفر دليلا على تطبيقه على نطاق أوسع. ومع ذلك ، قد تتطلب الماسحات الضوئية المختلفة إعدادات تصوير مختلفة عن تلك المذكورة هنا ، اعتمادا على التجربة المقصودة ، وعادة ما توفر برامج إعادة بناء وتحليل التصوير مختلفة عن تلك المذكورة هنا. لوحظت آثار كبيرة للصور في أحجام المسح الضوئي 3/40 التي تم الحصول عليها باستخدام تحميل مسبق منخفض أو أدنى ، مما قلل من فائدة تلك البيانات. كان هذا على الأرجح بسبب حركة العينة تحت الحد الأدنى من الحمل أثناء التصوير. يمكن تحسين التوافق الهندسي بين رأس الفخذ ومقبس الضغط ، والحمل المطبق ، والوقت بين تطبيق الحمل والتصوير لتقليل مخاطر الحركة الكبيرة أثناء التصوير. علاوة على ذلك ، بدت حوالي 20 مم من المسافة بين العينة وجدار أسطوانة الألومنيوم كافية لتجنب القطع الأثرية الحدودية الكبيرة. أخيرا ، تمثل معالجة كميات كبيرة من الصور تحديات لتخزين البيانات ومعالجتها. وقد مكنت الشفرة المخصصة التي تم تطويرها والتحليلات المتعددة لمختلف المناطق ذات الأهمية باستبانات مكانية مختلفة (بدءا أولا من الصور التي تم أخذ عينات منها، ثم التقدم إلى الصور كاملة الاستبانة) من المعالجة الناجحة لأحجام الصور للنصف القريب من عظم الفخذ البشري عند 30 ميكرومتر لكل بكسل. ومع ذلك ، تطلبت العملية محطة عمل متطورة مزودة بذاكرة وصول عشوائي (RAM) بسعة 128 جيجابايت.
ويتمثل القيد الرئيسي للبروتوكول الحالي في الأحمال شبه الساكنة، حيث أن التحميل الدينامي العالي، مثل التحميل الناتج عن السقوط، قد يثير استجابة مرنة غير مستقرة لا يمكن تكرارها في البروتوكول الحالي. ومع ذلك ، يبدو أن سلوك الكسر المستقر المرن الذي لوحظ هنا يتناقض بشكل مباشر مع الاستجابات غير المستقرة التي لوحظت سابقا في نوى العظام المعزولة تحت تحميل شبه ثابت ، مما حفز مجموعة كبيرة من الأبحاث حول التنبؤ بالكسر 6,7. يمثل تشوه العظام الكبير (8٪ -16٪) الذي لوحظ مع البروتوكول الحالي قبل الكسر ، وعدم الاستقرار المحلي للقشرة القشرية ، والزيادة الخطية في طاقة التشوه حتى الكسر سلوكا مختلفا للكسر مقارنة بالسلوك الذي لوحظ في نوى العظام المعزولة ، مما يؤكد على الأرجح على أهمية الحبس الذي توفره القشرة القشرية للعظم التربيقي الداخلي عندما يكون تحت الحمل.
في الختام ، يتيح هذا البروتوكول دراسة آليات الفشل المجهري في عظم الفخذ البشري القريب بأكمله وقدرته على امتصاص الطاقة أو صلابتها. يمكن أن يساعد هذا البروتوكول في تحسين الفهم الحالي لآلية كسر الورك ودعم تطوير طرق التنبؤ بالهشاشة والوقاية منها وعلاجها من خلال تحليل المزيد من العينات والمناطق التشريحية المختلفة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
يعلن جميع المؤلفين عدم وجود تضارب في المصالح.
Acknowledgments
تمويل من مجلس البحوث الأسترالي (FT180100338; IC190100020) معترف به بامتنان.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Absorbent tissue | N/A | Maintain the bone moisture throughout the experiment | |
| Alignment rig | Custom-made | Rig for positioning the specimen in the potting cup | |
| Aluminium potting cup | Custom-made | Potting cup | |
| Bone saw | N/A | Cut the specimen to size | |
| Calibration phantom QCT Pro | Mindways Software, Inc., Austin, USA | CT Calibration 13002 | Calibrate grey levels in the images into equivalent bone mineral (ash) density levels |
| Clinical Computed-Tmography scanner | General Electric Medical Systems Co., Wisconsin, USA | Optima CT660 | Preliminary imaging for the prediction of the load step to fracture |
| Compressive stage | Custom-made | A 10 kg, radiotransparent compressive stage for applying and maintaining throught imaging a prescribed deformation to the specimen. | |
| Dental cement | Soesterberg, The Netherlands | Vertex RS | |
| Femur specimen | Science Care, Phoenix, USA | ||
| Finite-element analysis software | ANSYS Inc., Canonsburg, USA | ANSYS Mechanical APDL | Finite-element software package |
| Freezer | N/A | Store specimens at -20 °C | |
| Hard Drive | Dell | Disk space: 500 GB per volume | |
| Image bnarization and segmentation software | Skyscan-Bruker, Kontich, Belgium | CT analyzer | Image processing software |
| Image elastic segmentation | The University of Sheffield | Bone DVC | https://bonedvc.insigneo.org/dvc/ |
| Image processing and automation software | The MathWork Inc. | Matlab | Image processing software |
| Image registration software | Skyscan-Bruker, Kontich, Belgium | DataViewer | Image processing software |
| Image segmentation and FE modelling software | Simpleware, Exeter, UK | Scan IP | Bone egmentation software |
| Image stiching script | Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU | The script is available at IMBL | |
| Image visualization | Kitware, Clifton Park, NY, USA | Paraview | Image visualization |
| Image visualization | Australian National University | Dristhi | Image visualization: doi:10.1117/12.935640 |
| Imaging and Medical beamline | Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU | Large object micro-CT beamline at the Australian Synchrotron | |
| Laptop | Dell Inc., USA | ||
| Low-friction x-y table | THK Co., Tokyo, Japan | ||
| NI signal acquisition software | National Instruments, Austin, TX | NI-DAQmx | |
| Phosphate-buffered saline solution | Custom-made | Maintain the bone moisture throughout the experiment | |
| Plastic bag | N/A | Maintain the bone moisture throughout the experiment | |
| Rail | SKF Inc., Lansdale, PA, USA | ||
| Screw-jack mechanism | Benzlers, Örebro, Sweden | Serie BD (warm gear unit) | stroke: 150 mm, maximal load: 10,000 N, gear ratio: 27:1, a displacement per revolution: 0.148 mm |
| Single pco.edge sensor, lens coupled scintillator | Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU | Detector Ruby FOV: 141 x 119 mm; 2560 x 2160 px; 55 µm/px; 50 fps | |
| Six axis load cell | ME-Meßsysteme GmbH, Hennigsdorf, GE | K6D6 | Maximal measurement error: 0.005%; maximal force: 10000 N; maximal torque: 500 Nm |
| Strain amplifier | ME-Meßsysteme GmbH, Hennigsdorf, GE | GSV-1A8USB K6D/M16 |
References
- Martelli, S., Perilli, E. Time-elapsed synchrotron-light microstructural imaging of femoral neck fracture. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 84, 265-272 (2018).
- Martelli, S., Giorgi, M., Dall' Ara, E., Perilli, E. Damage tolerance and toughness of elderly human femora. Acta Biomaterialia. 123, 167-177 (2021).
- Perilli, E., et al. Dependence of mechanical compressive strength on local variations in microarchitecture in cancellous bone of proximal human femur. Journal of Biomechanics. 41 (2), 438-446 (2008).
- Thurner, P. J., et al. Time-lapsed investigation of three-dimensional failure and damage accumulation in trabecular bone using synchrotron light. Bone. 39 (2), 289-299 (2006).
- Jackman, T. M. Quantitative, 3D visualization of the initiation and progression of vertebral fractures under compression and anterior flexion. Journal of Bone and Mineral Research. 31 (4), 777-788 (2016).
- Mayhew, P. M., et al. Relation between age, femoral neck cortical stability, and hip fracture risk. Lancet. 366 (9480), 129-135 (2005).
- Nazarian, A., Stauber, M., Zurakowski, D., Snyder, B. D., Müller, R. The interaction of microstructure and volume fraction in predicting failure in cancellous bone. Bone. 39 (6), 1196-1202 (2006).
- Schileo, E., et al. To what extent can linear finite element models of human femora predict failure under stance and fall loading configurations. Journal of Biomechanics. 47 (14), 3531-3538 (2014).
- Schileo, E., et al. An accurate estimation of bone density improves the accuracy of subject-specific finite element models. Journal of Biomechanics. 41 (11), 2483-2491 (2008).
- Dall'ara, E., et al. A nonlinear QCT-based finite element model validation study for the human femur tested in two configurations in vitro. Bone. 52 (1), 27-38 (2013).
- Perilli, E., Parkinson, I. H., Reynolds, K. J. Micro-CT examination of human bone: from biopsies towards the entire organ. Annali dell'Istituto Superiore di Sanità. 48 (1), 75-82 (2012).
- Wearne, L. S., Rapagna, S., Taylor, M., Perilli, E. Micro-CT scan optimisation for mechanical loading of tibia with titanium tibial tray: A digital volume correlation zero strain error analysis. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 134, 105336 (2022).
- Bennett, K. J., et al. Ex vivo assessment of surgically repaired tibial plateau fracture displacement under axial load using large-volume micro-CT. Journal of Biomechanics. 144, 111275 (2022).
- Falcinelli, C., et al. Multiple loading conditions analysis can improve the association between finite element bone strength estimates and proximal femur fractures: A preliminary study in elderly women. Bone. 67, 71-80 (2014).
- Orthopedic Image Segmentation. Synopsys. , Available from: https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/ortho-medical-image-segmentation.html (2020).
