Summary
הפרוטוקול מאפשר למדוד את העיוות של מיקרו-מבנה העצם בכל עצם הירך האנושית הפרוקסימלית ואת הקשיחות שלה על ידי שילוב של סריקת מיקרו-CT בנפח גדול, שלב דחיסה בהתאמה אישית וכלי עיבוד תמונה מתקדמים.
Abstract
הדמיה של מיקרו-מבנה העצם תחת עומסים הולכים וגדלים מאפשרת התבוננות בהתנהגות הכשל המיקרו-מבני של העצם. כאן, אנו מתארים פרוטוקול לקבלת רצף של תמונות מיקרו-מבניות תלת מימדיות של עצם הירך הפרוקסימלית כולה תחת עיוות הולך וגובר, הגורם לשברים רלוונטיים מבחינה קלינית של צוואר הירך. הפרוטוקול מודגם באמצעות ארבע פמורות מתורמות בגילאי 66-80 שנים בקצה התחתון של צפיפות המינרלים בעצם באוכלוסייה (טווח ציון T = -2.09 עד -4.75). שלב דחיסה רדיו-שקוף תוכנן לטעינת הדגימות המשכפלות עמידה על רגל אחת, תוך רישום העומס המופעל במהלך הדמיית טומוגרפיה מיקרו-ממוחשבת (micro-CT). רוחב שדה הראייה היה 146 מ"מ וגובה 132 מ"מ, וגודל הפיקסל האיזוטרופי היה 0.03 מ"מ. תוספת הכוח התבססה על תחזיות סופיות של עומס השבר. שלב הדחיסה שימש להחלת העקירה על הדגימה ולחוקק את תוספות הכוח שנקבעו. שברים תת-קפיטליים עקב פתיחה וגזירה של צוואר הירך התרחשו לאחר ארבע עד חמש עליות עומס. תמונות המיקרו-CT ומדידות כוח התגובה עובדו כדי לחקור את מאמץ העצם ואת יכולת ספיגת האנרגיה. חוסר יציבות של קליפת המוח הופיע בשלבי הטעינה המוקדמים. העצם התת-כונדרלית בראש הירך הראתה עיוותים גדולים שהגיעו ל-16% לפני השבר, ועלייה הדרגתית ביכולת התמיכה עד לשבר. אנרגיית העיוות עלתה באופן ליניארי עם התזוזה עד לשבר, בעוד שהנוקשות ירדה לערכים קרובים לאפס מיד לפני השבר. שלושה רבעים מאנרגיית השבר נלקחו על ידי הדגימה במהלך תוספת הכוח הסופית של 25%. לסיכום, הפרוטוקול שפותח חשף יכולת ספיגת אנרגיה יוצאת דופן, או סבילות לנזקים, ואינטראקציה סינרגית בין עצם קליפת המוח והעצם הטרבקולרית בגיל תורם מתקדם.
Introduction
שברים בצוואר הירך מהווים נטל משמעותי על האוכלוסייה המזדקנת. הדמיית טומוגרפיה מיקרו-ממוחשבת (micro-CT) ובדיקות מכניות נלוות מאפשרות התבוננות במיקרו-מבנה העצם ולימוד הקשר שלו לחוזק העצם, שינויים הקשורים לגיל ותזוזות תחת עומס 1,2. עם זאת, עד לאחרונה, מחקרי מיקרו-CT של עצם תחת עומס היו מוגבלים לליבות עצם שנכרתו3, חיות קטנות4 ויחידות עמוד שדרה אנושי5. הפרוטוקול הנוכחי יכול לכמת את התזוזה של המיקרו-מבנה של כל עצם הירך האנושית הפרוקסימלית תחת עומס ולאחר שבר.
מספר מחקרים נערכו כדי לחקור את הכשל של עצם הירך האנושית, ולעתים אלה הגיעו למסקנות מנוגדות. לדוגמה, הידלדלות תלוית גיל של מבני קליפת המוח והטרבקולר נחשבת כקובעת את הרגישות הקשורה לגיל לשבר על ידי גרימת אי יציבות אלסטית של העצם6,7, וזה בניגוד לכאורה למקדם הגבוה של קביעת מתח קליפת המוח ותחזיות חוזק הירך בהנחה שאין חוסר יציבות אלסטית (R2 = 0.80-0.97)8,9. עם זאת, מחקרים כאלה העריכו באופן שיטתי את חוזק עצם הירך (ב-21%-29%), ובכך העמידו בספק את תגובות העצם השבירות והכמו-שבירות שיושמו במודלים 8,10. הסבר אפשרי אחד לממצאים המנוגדים לכאורה הללו עשוי להימצא בהתנהגות שבר שונה של עצמות שלמות בהשוואה לליבות עצם מבודדות. לכן, התבוננות בעיוות ובתגובות השבר של מיקרו-מבנה העצם בעצם הירך הפרוקסימלית כולה עשויה לקדם את הידע של מכניקת שבר הירך ויישומים נלווים.
השיטות הנוכחיות להדמיית עצמות אדם שלמות ברזולוציה מיקרומטרית מוגבלות. הגנטריה וגודל הגלאי חייבים לספק נפח עבודה מתאים לאירוח עצם הירך הפרוקסימלית האנושית (בערך 13 ס"מ x 10 ס"מ, רוחב x אורך) ואולי גודל פיקסל בסדר גודל של 0.02-0.03 מ"מ כדי להבטיח שניתן יהיה ללכוד תכונות מיקרו-אדריכליות רלוונטיות11. כיום ניתן לעמוד במפרטים אלה על ידי כמה מתקני סינכרוטרון1 וכמה סורקי מיקרו-CT בנפח גדול הזמינים מסחרית12,13. שלב הדחיסה צריך להיות שקוף רדיו על מנת למזער את הנחתת קרני הרנטגן תוך יצירת כוח מספיק לגרימת שבר בעצם הירך האנושית (למשל, בין 0.9 kN ל 14.3 kN עבור נשים לבנות מבוגרות)14. וריאציה גדולה זו של עומס השבר מסבכת את התכנון של מספר שלבי העומס לשבר, זמן הניסוי הכולל וכמות הנתונים המתאימה המיוצרת. כדי לטפל בבעיה זו, ניתן להעריך את עומס השבר ואת מיקומו באמצעות מידול אלמנטים סופיים באמצעות התפלגות צפיפות העצם של הדגימה מתמונות טומוגרפיה ממוחשבת קלינית (CT) 1,2. לבסוף, לאחר הניסוי, יש לעבד את כמות הנתונים הגדולה המופקת לצורך לימוד מנגנוני הכשל ויכולת פיזור האנרגיה בכל עצם הירך האנושית.
כאן, אנו מתארים פרוטוקול לקבלת רצף של תמונות מיקרו-מבניות תלת מימדיות של עצם הירך הפרוקסימלית כולה תחת עיוות הולך וגובר, הגורם לשברים רלוונטיים מבחינה קלינית של צוואר הירך2. הפרוטוקול כולל תכנון התוספת המדורגת של דחיסת הדגימה, טעינה באמצעות שלב דחיסה מותאם אישית שקוף רדיו, הדמיה באמצעות סורק מיקרו-CT בנפח גדול, ועיבוד התמונות ופרופילי העומס.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
הפרוטוקול פותח ונבדק עם 12 דגימות עצם הירך שהתקבלו מתוכנית תרומת גוף. הדגימות התקבלו טריות ואוחסנו בטמפרטורה של -20 מעלות צלזיוס במעבדה לביומכניקה ושתלים באוניברסיטת פלינדרס (טונסלי, דרום אוסטרליה, אוסטרליה). לחות העצם נשמרה לאורך כל הניסוי. התורמות היו נשים קווקזיות (גילאי 66-80). אישור אתיקה התקבל מוועדת האתיקה של המחקר החברתי וההתנהגותי (SBREC) של אוניברסיטת פלינדרס (פרויקט # 6380).
1. תכנון תוספת שלב עומס ספציפית לדגימה
- סרוק את דגימת עצם הירך באמצעות סורק CT קליני המכוון לעובי פרוסה ולגודל פיקסל במישור של כ- 0.5-0.7 מ"מ. שלב זה יכול להסתיים על ידי רדיוגרף מומחה בכל מתקן הדמיה ציבורי באמצעות פרוטוקולי הדמיה סטנדרטיים מוקלטים מראש להדמיית עצם.
- יחד עם הדגימה, סרוק פנטום כיול צפיפות CT עם חמישה ריכוזים ידועים של דיפוטסיום מימן פוספט (K2HPO4, טווח צפיפות שווה ערך בערך בין 59 מ"ג∙cm−3 ו 375 mg∙cm−3).
- פלח את גיאומטריית העצם מתמונות CT קליניות15, שלב את הגיאומטריה המקוטעת של העצם, ומפה את תכונות החומר האיזוטרופי אלמנט אחר אלמנט לערכי צפיפות העצם המכוילים באמצעות הקשר מודולוס צפיפות לאלסטיקה שדווח על ידי Schileo et al.8. שמור את רשת השינוי לניתוח נוסף בתוכנת הרכיב הסופי. השלם כל שלב על-ידי ביצוע ההנחיות הרלוונטיות שסופקו עם תוכנת הפילוח והאלמנט הסופי.
- ייבא את רשת השינוי לתוכנת הרכיב הסופי. הגבלה מלאה של הקצה הדיסטלי 3-6 מ"מ של הדגם. הפעילו כוח נומינלי של 1,000 N, המוכנס ב-8° מציר פיר הירך במישור העטרה ועובר דרך מרכז ראש הירך. תנאי העמסה אלה מחקים משימת עמידה סטטית על רגל אחת (orthoload.com).
- פתור את מודל האלמנט הסופי באמצעות פותר PCG המובנה (סובלנות התכנסות: 1 x 10−7).
הערה: כאן נעשה שימוש בתוכנת האלמנט הסופי ANSYS.- צור טבלת רכיבים המכילה את רכיבי הזן העיקרי הראשון והשלישי במרכז הרכיב על-ידי ביצוע הפקודות הבאות:
/POST1
ETABLE,, EPTO1,1
ETABLE,, EPTO3,3 - חשב את יחס המאמץ בין מרכיבי הזן העיקרי הראשון והשלישי במודל לבין זן תנובת העצם במתח (0.73% מתח) ובדחיסה (1.04% מתח)8 (איור 1) על-ידי ביצוע הפקודות הבאות:
SMULT,RFT,EPTO1, ,1/0.0074,1,
SMULT, RFT, EPTO3, ,1/0.0104,1,
- צור טבלת רכיבים המכילה את רכיבי הזן העיקרי הראשון והשלישי במרכז הרכיב על-ידי ביצוע הפקודות הבאות:
- דרגו את הכוח הנומינלי ביחס שיא המאמץ הן במתח והן בדחיסה, והשליכו את הגדול מבין השניים על מנת לקבל אומדן של עומס השבר. קבע את הפרש העומס כ- 1/4 מעומס השבר המחושב1.
איור 1: חישוב עומס השבר. מפת המתח של האלמנט הסופי, המשוואות המשמשות להמרת הכוח הנומינלי לעומס השבר (משמאל), וסכמת ההעמסה המציגה את עצם הירך (מרכז ימין), האלומיניום הדיסטלית (למעלה מימין) ושקע לחץ הפוליאתילן (למטה מימין). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
2. הכנת מכלול דגימת עצם הירך (איור 2)
- מוציאים את הדגימה מהמקפיא (-20°C).
- הפשירו בטמפרטורת החדר (RT) במשך 24 שעות תוך שמירה על הדגימה בשקית ניילון אטומה למים עטופה בחומר סופג ספוג בתמיסה פיזיולוגית לשמירה על לחות העצם.
- חותכים את diaphysis הירך ב 180 מ"מ מן ראש הירך פרוקסימלי.
- מרכז את ראש עצם הירך על הציר האנכי של מתקן היישור על-ידי יישור שקע לחץ הפוליאתילן הקעור (איור 2D) וראש עצם הירך.
- יישרו את המישור המכיל את צוואר הירך ואת ציר הדיאפיזה עם המישור המצחי (איור 2).
- סובבו את הציר הדיאפיזיאלי ל-8° כך שהציר האנכי ייצג את כיוון כוח התגובה של הירך במהלך עמידה סטטית על רגל אחת (איור 2).
- הכינו את המלט הדנטלי על ידי ביצוע הוראות היצרן.
- העציצו את הקצה הדיסטלי של הדגימה בכוס עציץ אלומיניום בעומק 55 מ"מ, ומלאו את האלומיניום במלט דנטלי. יש להמתין לא פחות מ-30 דקות להשלמת הריפוי של המלט.
- אחסן את מכלול הדגימה ב -20 ° C.
איור 2: מתקן היישור. תצלום חזיתי (שמאלי) וצדדי (מימין) של מתקן היישור המציג (A) את המסגרת, (B) את עציץ האלומיניום, (C) דגם עצם הירך הסינתטי, ו-(D) שקע הלחץ בצורת כדורית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
3. הרכבת שלב דחיסה
הערה: המידות החיצוניות של שלב הדחיסה הן קוטר 245 מ"מ, גובה 576 מ"מ ומשקל 14 ק"ג, לא כולל הדגימה. שלב הדחיסה מורכב משני חלקים עיקריים: תא הדחיסה והמפעיל, המורכבים כדלקמן:
- תא דחיסה
- הרכיבו את שקע לחץ הפוליאתילן (קוטר 104 מ"מ, גובה 60 מ"מ) בתחתית גליל האלומיניום (קוטר 203 מ"מ, עובי דופן 3 מ"מ), הסגור על ידי לוח אלומיניום מרותך בקצה אחד (למטה).
- מפעיל
- הרכיבו את המבנה העליון באמצעות הדיסק, שלושת המוטות, הלוח המשולש והמסילה האנכית (איור 3).
- הרכיבו את מנגנון שקע הבורג (פעימה: 150 מ"מ, עומס מרבי: 10,000 N, יחס הילוכים: 27:1, תזוזה לסיבוב: 0.148 מ"מ) על הלוח המשולש.
- הרכיבו את המתאם הזוויתי על המסילה הליניארית.
- הרכיבו את שולחן x-y בעל החיכוך הנמוך על המתאם הזוויתי.
- הרכיבו את תא העומס בשש דרגות חופש (שגיאת מדידה מרבית: 0.005%; כוח מרבי: 10,000 N; מומנט מרבי: 500 ניוטון מטר) על שולחן החיכוך הנמוך על ידי יישור מישור x-z של תא העומס למישור הקדמי של המבנה העליון.
- חבר את בורג ההפעלה למתאם הזוויתי.
איור 3: מכלול שלב הדחיסה הרדיו-שקוף בהתאמה אישית. תמונה (משמאל) ודגם (מימין) של השלב הדחיסה. (א) תא הדחיסה, שהוא גליל אלומיניום בעובי 3 מ"מ הסגור בתחתיתו; (ב) מכלול המפעיל עם המבנה העליון; (ג) מנגנון שקע הבורג; (D) טבלת x-y בעלת חיכוך נמוך; ו-(E) תא העומס בעל ששת הצירים מוצג ומצוין בדגם. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
4. הגדרת הניסוי
- הפשירו את הדגימה ב-RT למשך 24 שעות תוך שמירה בשקית ניילון אטומה למים עטופה בחומר סופג ספוג בתמיסה פיזיולוגית לשמירה על לחות העצם.
- הרכיבו את מכלול דגימות האלומיניום לתא העומס על ידי יישור המישור הקדמי של מכלול הדגימה לזה של המפעיל.
- הרכיבו את המבנה העליון, כולל הדגימה, לתוך תא הדחיסה. יש להקפיד ליישר את ראש עצם הירך עם הקרום הכדורי על שקע לחץ הפוליאתילן. ודא כי ראש עצם הירך מעורב אך רפוי בתוך החלל הכדורי של שקע הלחץ.
- מקם את שלב הדחיסה על שלב הסיבוב של סורק המיקרו-CT ב- Imaging and Medical Beamline (IMBL).
- חבר את תא העומס (שגיאה < 0.005%; כוח מרבי: 10,000 N; מומנט מרבי: 500 ניוטון מטר) למגבר המאמץ.
- חבר, באמצעות USB, את מגבר המאמץ למחשב נייד המצויד בתוכנת היישום המסופקת עם תא העומס.
- הפעל את מנגנון הבורג בשלב הדחיסה על ידי הזזת הדגימה כלפי מטה לכיוון שקע הלחץ תוך ניטור כוח התגובה הנמדד על ידי תא העומס במחשב הנייד. עצור את מנגנון הבורג ברגע שמושג כוח דחיסה השווה ל- 100 N. פרוק את הדגימה לטעינה מראש של 50 N.
- בחר את הנצנוץ המצומד לעדשה היחיד של חיישן pco.edge "Ruby" (http://archive.synchrotron.org.au/31-australian-synchrotron/imbl/811-preparation-for-imaging-experiments).
- הגדר את שדה הראייה ל- 76.31 מ"מ x 64.39 מ"מ, אשר עבור גודל מערך של 2,560 פיקסלים x 2,160 פיקסלים מספק גודל פיקסלים של 29.81 מיקרומטר.
- הגדר את ציר השלב המסתובב ל- 8 מ"מ (אופקית) מציר שדה הראייה (מצב סריקה מחוץ להסטה) כדי להרחיב את שדה הראייה ל- 145.71 מ"מ x 64.39 מ"מ בגודל פיקסל של 29.81 מיקרומטר.
- הגדר את פרמטרי הסריקה לאנרגיית קרן של 60 keV, תוספת סיבוב של 0.1°, שתי אצוות של סיבוב 180° (סריקה מחוץ לסט), זמן חשיפה של 50 μs וממוצע מסגרת של שתיים לכל מיקום סיבוב.
- הגדר את הסריקה לקבלת חמש סריקות רצופות, מוערמות אנכית, עם הזזה אנכית של 26 מ"מ כל אחת, כך שהגובה הכולל של אמצעי האחסון הנסרק הוא 132.2 מ"מ למשך זמן סריקה כולל של 30 דקות.
5. בדיקות מכניות עם הדמיה מיקרו-מבנית במקביל
- בצע הדמיה micro-CT (גודל פיקסל: 0.03 מ"מ) פעמיים בתנאי הייחוס (נלקח כתנאי אפס מאמץ).
- הפעל את תוספת הכוח על ידי הפעלה ידנית של מנגנון שקע הבורג בקצב קבוע של כ- 1 שניות לסיבוב (0.1-0.2 מ"מ לשנייה).
- ביצוע הדמיית מיקרו-CT.
- חזור על שלב 5.2 ושלב 5.3 עד לגרימת השבר של הדגימה, כפי שמצוין על ידי ירידה פתאומית בכוח התגובה.
- בצע הדמיית מיקרו-CT של הדגימה השבורה.
- תפר את 1,800 תמונות ההקרנה (גודל 2,560 פיקסלים x 896 פיקסלים, 76.8 מ"מ x 26.88 מ"מ, רוחב x גובה, תמונות נקודה צפה של 32 סיביות). התהליך תופר שתי תמונות הקרנה (שצולמו במצב סריקה אופקי מחוץ להסטה ואת חמש התמונות שהוסטו אנכית), ומפיק תמונת הקרנה אחת.
- בנה מחדש את עוצמת הקול של תמונות חתך רוחב (4,407 תמונות, כל תמונה בגודל 4,888 x 4,888 פיקסלים) ושמור אותן כקובצי נקודה צפה של 32 סיביות ב- . תבנית TIFF (תופסת 392 GB של שטח דיסק).
- החל מסנן גאוס 3 x 3 כדי להפחית רעש. המר את התמונות ל- 8 סיביות (256 תמונות ברמת אפור, נשמרות בתבנית bitmap, תופסות כ- 100 GB לכל אמצעי אחסון).
הערה: בעבודה זו, עיבוד התמונות נעשה באמצעות תוכנה הזמינה בסינכרוטרון האוסטרלי בהנחיית מפעיל IMBL.
6. חישוב שדה העקירה והמאמץ
- דגימת משנה של תמונות חתך רוחב בארבע (120 מיקרומטר לפיקסל) כדי לקצר את זמן החישוב.
- רישום קשיח בחלל של תמונות הדגימה תחת עומס לאלה של הדגימה בתנאי הייחוס הפריקה. השתמש בדיאפיזה הדיסטלית כיעד לרישום המשותף (קובץ משלים 1 וקובץ משלים 2).
- יצירת מודלים תלת-ממדיים של פני השטח (. קובצי STL) להדמיה לאחר בינאריזציה של תמונות מיקרו-CT11.
- רשום באלסטיות את אמצעי האחסון של התמונה באמצעי האחסון של הייחוס באמצעות גודל רשת השווה ל- 50 פיקסלים (SDER = שגיאת מאמץ של 0.076%, BoneDVC, https://bonedvc.insigneo.org/dvc/) כדי לקבוע את התזוזות בצמתים של הרשת.
- המר את הרשת למודל של רכיבים סופיים. החל את תזוזת הצומת המחושבת על-ידי BoneDVC על המודל. פתור את המודל כדי לקבוע את טנזור המאמץ על כל נפח העצם.
- חזור על הניתוח באזור המציג את רמות המאמץ הגבוהות ביותר באמצעות התמונות ברזולוציה מלאה.
- מפה את מפות זן DVC לתמונות ברזולוציה מלאה באמצעות אינטרפולציה מעוקבת עם הפונקציה interp3 (Matlab)2.
- הצג באופן חזותי את התזוזות, המתח והתמונות המיקרו-מבניות לקבלת תצוגה חזותית והנפשה בנפח גדול (Matlab)2.
7. ניתוח
- הצג את העיוות הקבוע של העצם (נזק) על ידי כיסוי התמונות שהתקבלו בתנאים שנפרקו ולאחר השבר2.
- הצג את העיוות המיקרו-מבני המתקדם של העצם על ידי כיסוי המודלים התלת-ממדיים בתנאים פרוקים, ברמות עומס הולכות וגדלות, ולאחר שבר2.
- הצג את המאמץ של העצם במיקום השבר2.
- נתח את אנרגיית העיוות, הנוקשות והתזוזה באמצעות סטטיסטיקה תיאורית ושיטות רגרסיה2.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
התמונות מציגות את עצם הירך הפרוקסימלית כולה, שקע הלחץ, מלט השיניים, האלומיניום ורקמת העטיפה. ניתן לראות את מיקרו-ארכיטקטורת העצם מתעוותת בהדרגה ככל שהעומס גדל לפני השבר ולאחר השבר (איור 4).
איור 4: שלב הדחיסה המחובר למחשב הנייד . (A) שלב הדחיסה, (B) המחשב הנייד ו-(C) התקן איסוף הנתונים. מכלול הדגימה מכוסה בשקיפות על תא הדחיסה (מימין). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
ראש עצם הירך הסתובב מדיאלית ובהדרגה עד לשבר. השברים לא היו שלמים, נפתחו בקליפת הצוואר העליונה או הראו כשל גזירה תת-הוני (וידאו 1 ואיור 5). עקמומיות הראש שטוחה באזור המגע עם השקע, שם ניתן לראות חוסר יציבות אלסטית מקומית של קליפת המוח. עם זאת, לא נצפתה אי יציבות אלסטית על נפח הטרבקולרי.
סרטון 1: אנימציה של עצם הירך כולה מתעוותת ונשברת. אנימציה של עצם הירך כולה כשהיא מתעוותת ונשברת (תמונות מיקרו-CT בתת-דגימה 4x, עיבוד תלת מימדי). אנא לחץ כאן כדי להוריד סרטון זה.
איור 5: תמונות מיקרו-מבניות שחלף זמן והעומסים המתאימים. רצף תמונות חתך מיקרו-CT קורונלי (למעלה משמאל), הכוח שהופעל ופרופילי המומנט (למטה משמאל) עבור דגימה מייצגת אחת. עיבוד תלת מימדי של תמונות מיקרו-CT של פרוסה בעובי 1 מ"מ של עצם הירך לפני הפעלת העומס, תחת עומס, ולאחר התרחשות השבר מוצגים בשכבה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
צפיפות העצם התרחשה באזורים של דחיסת שיא (למשל, בראש הירך העליון), שם העיוות נמשך לאחר שבר. הופעת השבר התרחשה באזורים בעלי עקמומיות מוגברת, דבר המצביע על כיפוף קליפת המוח העליונה על ידי פתיחה וגזירה. הפתח הקורטיקלי התקדם בזוויות רגילות דרך קבוצת המתיחה הראשית וקליפת הצוואר העליונה, נע באופן מרוחק בעקבות הכיוון של הקבוצה הטרבקולרית הדחוסה העיקרית והסתיים באזור הקלקאר. שבר גזירה גרם לכשל טרבקולרי לאורך מישור הגזירה, במרחק של כ-45° מציר הטרבקולר הראשי הדחוס. לאחר השבר, המיקרו-ארכיטקטורה התאוששה מרוב התזוזה והראתה התאוששות אלסטית בעיקר של העצם בכל מקום מלבד אזור הראש בקרבת אזור המגע תחת דחיסת שיא. המרווח בין הצמתים בניתוח מתאם הנפח הדיגיטלי היה 50 פיקסלים והראו שגיאת מאמץ של 0.1% במבחן המאמץ האפס. המתח עלה על מאמץ היבול של העצם בראש הירך העליון ובצוואר התת-הון ברגע שהכוח עלה על 50% מחוזק הדגימה החזוי על ידי FE והגיע לדחיסה של 8-16% בתמונות ברזולוציה מלאה (וידאו 2 ואיור 6).
סרטון 2: רזולוציה מלאה. אנימציה של רשת trabecular בהדרגה מעוות ושבר (תמונות micro-CT ברזולוציה מלאה, עיבוד תלת מימדי). אנא לחץ כאן כדי להוריד סרטון זה.
איור 6: עיוות ראש עצם הירך. סופרפוזיציה של עצם הירך הפרוקסימלית לפני הפעלת העומס ותחת עומס (עמודה שמאלית); פני השטח של ראש הירך העליון לפני ההעמסה ולאחר שבר (טורים שניים ושלישיים); סופרפוזיציה של המיקרו-מבנה בראש הירך העליון בשלבי העמסה שונים (טור רביעי); ופרטים על חוסר היציבות של קליפת המוח בראש עצם הירך העליון (מימין). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
הכשל התרחש במצב מאמץ מורכב המציג דחיסה (8%-12%), מתח (4%-8%) וגזירה (3%-10%). אנרגיית העיוות הייתה פונקציה ליניארית של התזוזה (R2 = 0.97-0.99, p < 0.01) עד לשבר, והראתה התנהגות שבר יציבה (איור 7).
איור 7: שדה המאמץ שקדם לשבר ויכולת ספיגת האנרגיה של עצם הירך. מפות הגזירה והמתיחה ותבנית השבר (למעלה). אנרגיית העיוות המנורמלת על ידי אנרגיית השבר, Emax, מתוארת כנגד היחס בין העקירה לבין העקירה בעת השבר, Dmax, עבור ארבעה תורמים בגילאי 66 עד 80 בעת מותם. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
קובץ משלים 1: צילום מסך המציג רישום משותף של תמונות המיקרו-CT של הדגימה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ משלים 2: הנפשה של תמונות חתך מיקרו-CT קורונליות רשומות במשותף, המציגות את המיקרו-מבנה המעוות בעומסים הולכים וגדלים עד לשבר. אנא לחץ כאן כדי להוריד סרטון זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
הפרוטוקול הנוכחי מאפשר לחקור את המיקרומכניקה של שברי ירך בתלת מימד ex vivo. שלב דחיסה רדיו-שקוף (אלומיניום) המסוגל להחיל עיוות פרוגרסיבי על המחצית הפרוקסימלית של עצם הירך האנושית ולמדוד את כוח התגובה תוכנן, יוצר ונבדק בהתאמה אישית. סורק micro-CT בנפח גדול משמש בפרוטוקול זה כדי לספק רצף זמני של נפחי תמונה המציגים את עצם הירך הפרוקסימלית כולה עם עומס פרוגרסיבי ברזולוציה מיקרומטרית. בעבודה זו חושבו שדות התזוזה והמאמץ באמצעות רישום משותף אלסטי של התמונות. הפרוטוקול מאפשר להציג את העיוות של המיקרו-מבנה של עצם הירך הפרוקסימלית ומספק את אנרגיית העיוות והנוקשות של הדגימה בתגובה לעומס מצטבר שנקבע עד לנקודת השבר.
היבטים קריטיים של הפרוטוקול כוללים: א) קביעת שלב העומס בכל דגימה כדי לשלוט בזמן הניסוי, ב) שמירה על לחות העצם לאורך כל הניסוי, ג) מתן אפשרות להדמיית מיקרו-CT של העצם בזמן עומס עד לנקודת השבר, ד) הבטחת תנועה מינימלית של העצם בזמן ההדמיה, וה) אחסון ועיבוד נפחי תמונה גדולים. למרות שבמקור תוכנן ושימש לבדיקת עצם הירך הפרוקסימלית במתקן סינכרוטרון ספציפי (Imaging and Medical Beamline, Australian Synchrotron, Clayton VIC, Australia), פרוטוקול זה שימש לאחרונה עם סורק micro-CT בנפח גדול הזמין מסחרית ולאזורים אנטומיים שונים12,13, מה שמספק ראיות לתחולתו הרחבה יותר. עם זאת, סורקים שונים עשויים לדרוש הגדרות הדמיה שונות מאלה שדווחו כאן, בהתאם לניסוי המיועד, ובדרך כלל מספקים שחזורי הדמיה ותוכנות ניתוח שונות מאלה שדווחו כאן. תוצרי תמונה משמעותיים נצפו בנפחי סריקה של 3/40 שהתקבלו באמצעות טעינה מוקדמת נמוכה או מינימלית, אשר הפחיתה את התועלת של נתונים אלה. זה היה כנראה בגלל התנועה של הדגימה תחת עומס מינימלי במהלך ההדמיה. ההתאמה הגיאומטרית בין ראש עצם הירך לשקע הלחץ, העומס המופעל והזמן בין הפעלת העומס לבין ההדמיה עשויים להיות אופטימליים כדי להפחית את הסיכון לתנועה משמעותית בזמן ההדמיה. יתר על כן, נראה כי מרחק של כ-20 מ"מ בין הדגימה לבין דופן גליל האלומיניום הספיק כדי להימנע מממצאי גבול משמעותיים. לבסוף, עיבוד כמויות גדולות של תמונות מציב אתגרים לאחסון ועיבוד נתונים. הקוד המותאם אישית שפותח והניתוחים המרובים עבור אזורי עניין שונים ברזולוציות מרחביות שונות (תחילה החל מהתמונות שנדגמו כלפי מטה, ולאחר מכן התקדמו לתמונות ברזולוציה מלאה) אפשרו עיבוד מוצלח של נפחי התמונה של המחצית הפרוקסימלית של עצם הירך האנושית ב-30 מיקרומטר לפיקסל. עם זאת, התהליך דרש תחנת עבודה קצה העליון מצויד 128 GB RAM.
המגבלה העיקרית של הפרוטוקול הנוכחי היא העומסים הכמו-סטטיים, שכן עומס דינמי גבוה, כגון זה הנובע מנפילה, עלול לעורר תגובה אלסטית לא יציבה שאחרת אינה ניתנת לשכפול בפרוטוקול הנוכחי. עם זאת, נראה כי התנהגות השבר היציבה מבחינה אלסטית שנצפתה כאן עומדת בניגוד ישיר לתגובות הבלתי יציבות שנצפו קודם לכן בליבות עצם מבודדות תחת עומס כמו-סטטי, אשר הניעו גוף גדול של מחקר על חיזוי שברים 6,7. עיוות העצם הגדולה (8%-16%) שנצפה בפרוטוקול הנוכחי לפני השבר, חוסר היציבות המקומי של קליפת המוח, והעלייה הליניארית באנרגיית העיוות עד לשבר מייצגים התנהגות שבר שונה בהשוואה לזו שנצפתה בליבות עצם מבודדות, מה שככל הנראה מדגיש את חשיבות הכליאה שמספקת קליפת המוח לעצם הטרבקולרית הפנימית בעת עומס.
לסיכום, פרוטוקול זה מאפשר לחקור את מנגנוני הכשל המיקרו-מבניים בכל עצם הירך האנושית הפרוקסימלית ואת יכולת ספיגת האנרגיה או הקשיחות שלה. פרוטוקול זה יכול לסייע בשיפור ההבנה הנוכחית של מנגנון השבר בירך ולתמוך בקידום שיטות לחיזוי, מניעה וטיפול בשבריריות באמצעות ניתוח של דגימות נוספות ואזורים אנטומיים שונים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
כל המחברים מצהירים כי אין ניגודי עניינים.
Acknowledgments
מימון ממועצת המחקר האוסטרלית (FT180100338; IC190100020) זוכה להכרת תודה.
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).
