İnsan Kalçasındaki Mikroyapısal Başarısızlık Mekanizmasının Görüntülenmesi

Bu protokol, yük ve kırılma altında deforme olurken tüm insan uyluk kemiğinin mikro yapısının gözlemlenmesini sağlar. Bu protokol, tüm uyluk kemiğini mikroyapısal çözünürlükle görüntüleyerek, kemiğin farklı trabeküler kortikal bölmesinin yüke dayanma kapasitesini sinerjik olarak nasıl belirlediğini incelemeyi mümkün kılar. Kemik kırığı mekanizmasını daha iyi anlamak, osteoporoz için ileri tanı yöntemlerini bilgilendirebilir.

Bu protokol Avustralya Synchrotron'da geliştirilmiş, üniversitede ticari, büyük hacimli bir mikro-BT tarayıcısında kullanılmak üzere uyarlanmış ve diz ve omuz dahil olmak üzere farklı anatomik bölgeleri incelemek için uygulanmıştır. Prensip olarak, tüm insan kemiklerine ve eklemlerine benzer büyüklükteki malzemelere genişletilebilir. Bu çalışma, görüntüleme, katı mekaniği ve biyomekanikte hesaplamalı modelleme dahil olmak üzere çeşitli disiplinlerde uzmanlık gerektirmektedir.

Başlamak için, bir klinik BT tarayıcısı kullanarak, femur örneğini bir dilim kalınlığı ve yaklaşık 0,5 ila 0,7 milimetre düzlem içi piksel boyutu ile tarayın. Numunenin yanı sıra, bilinen beş konsantrasyonda boya potasyum hidrojen fosfat içeren bir CT dansitometri kalibrasyon fantomunu tarayın. Daha sonra, klinik BT görüntülerinden kemik geometrisini bölümlere ayırın, görüntülerdeki gri seviyeleri karşılık gelen kemik yoğunluğu değerlerine ve yoğunluk-elastik modül ilişkisini kullanarak Young modülüne kalibre edin.

Parçalı geometrinin bir ağını oluşturduktan sonra, ağı sonlu elemanlar yazılımına aktarın. Modelin distal ucu, üç ila altı milimetre derinliğinde tamamen kısıtlanmış, daha sonra koronal düzlemde femur şaft ekseninden sekiz derece kaçırılan ve femur başının merkezinden geçen 1000 Newton'luk bir nominal kuvvet uygulayarak tek bacaklı bir duruş yükleme konfigürasyonunu çoğaltır. Yerleşik PCG çözücüyü kullanarak sonlu elemanlar modelini çözün.

Ardından, belirtilen komutları yürüterek, elemanın merkezinde birinci ve üçüncü prensip gerinim bileşenlerini içeren bir eleman tablosu oluşturun. Ardından, modeldeki birinci ve üçüncü temel gerinim bileşenleri ile kemik verim gerilimi, niyet ve sıkıştırma arasındaki gerinim oranını hesaplamak için belirtilen komutu yürütün. Nominal kuvveti en yüksek gerinim oranına, niyete ve sıkıştırmaya göre ölçeklendirin ve kırılma yükünü tahmin etmek için ikisinin en büyüğünü atın.

Numune referans yüksüz durumdayken mikro-CT rotasyon aşamasına bir test donanımı yerleştirin ve mikro-CT taramasını başlatın. Yüksüz durum için görüntülemeyi iki kez tekrarlayın ve taramadan sonra kabloyu açın. Vidalı kriko mekanizmasını tur başına yaklaşık bir saniyelik sabit bir hızda manuel olarak çalıştırarak kuvvet artışını uygulayın ve mikro-CT görüntülemeyi gerçekleştirin.

Reaksiyon kuvvetinde ani bir düşüşle gösterildiği gibi, numune kırılana kadar kuvvet artışını tekrarlayın. Kırık numunenin mikro-BT görüntülemesini gerçekleştirin. Ardından, projeksiyon görüntülerinin sırasını çeşitli yükleme adımlarında görselleştirin.

Hesaplama süresini azaltmak için mikro-CT görüntülerini dörde bölün. Uzayda, yük altındaki numunenin görüntülerini, yüksüz referans durumundakilerle, distal diyafizi ortak kaydın hedefi olarak kullanarak katı bir şekilde birlikte kaydedin. Mikro-CT görüntülerini ikilileştirdikten sonra görselleştirme için yüzey üç boyutlu modeller oluşturun.

Kemik DVC'yi kullanarak 50 piksel boyutunda bir ızgara üzerinde görüntülerdeki yer değiştirmeyi belirleyin. Ardından, ızgarayı bir sonlu eleman modeline dönüştürerek gerinim tensörünü belirleyin. Hesaplanan yer değiştirmeyi düğümlere uygulayın ve modeli çözün.

Daha sonra, Mac-Lab'deki inter P three işleviyle kübik enterpolasyon kullanarak, yer değiştirme ve gerinim hacimlerini mikro-CT görüntülerinin orijinal boyutunun boyutuna uyacak şekilde yeniden örnekleyin. Büyük hacimli görselleştirme ve animasyon için yer değiştirmeleri, gerinimleri ve mikroyapısal görüntüleri görselleştirin. Kemik deformasyon analizi için, yüksüz koşullarda ve kırık sonrasında elde edilen görüntüleri üst üste bindirerek kemiğin kalıcı deformasyonunu görüntüleyin.

Ardından, üç boyutlu modelleri yüksüz koşullarda, artan yük seviyelerinde ve kırılma sonrası üst üste bindirerek kemiğin ilerleyici mikro yapısal deformasyonunu görüntüleyin. Kırık yerinde kemiğin gerginliğini görüntüleyin. Son olarak, tanımlayıcı istatistikler ve regresyon yöntemlerini kullanarak deformasyon enerjisini, sertliğini ve yer değiştirmeyi analiz edin.

Mikro-BT görüntüleme ve eşlik eden mekanik testler femur boynu kırıklarının gözlenmesine olanak sağlar. Bir animasyon, femur başının distal olarak kırığa doğru hareket ederken aşamalı olarak medial olarak döndüğünü gösterdi. Soketin altında baş eğriliği düzleşti, burada lokal kortikal instabilite gözlendi, ancak altta yatan trabeküler hacimde instabilite gözlenmedi.

Kırılma başlangıcı, korteksin bükülmesiyle, ya ana basınç trabeküler grubu boyunca ilerleyerek ya da ana prensip sıkıştırıcı, trabeküler eksenden yaklaşık 45 derece kesme ile meydana gelir. Dördü beklenen kırık yükünün %50'sini başardıktan sonra gerinim kemik verimini aştı ve kırılmadan önce sekiz ila %16 kompresyona ulaştı. Pik bası altında baş bölgesinde kalıcı deformasyon gözlendi.

Arıza, sıkıştırma, çekme ve kesme gerilimi gösteren karmaşık bir gerinim durumu altında meydana geldi. Deformasyon enerjisi, kırılmaya kadar yer değiştirmenin doğrusal bir fonksiyonuydu ve kararlı bir kırılma davranışı gösteriyordu. Protokolün çoğaltılması için kritik bir husus, yer değiştirmeye ve deneyin planlanmasına neden olmak için gereken yük adımlarının sayısını kontrol etmek için önemli olan yük adımı artışını elde etmektir.

Verilerin anlamlı bir şekilde analiz edilmesi için kaliteli görüntüler elde etmek de önemlidir. 60 yaşın üzerindeki kırık olaylarının keskin bir şekilde artmasını gerektiren elastik instabilite inancı, kırılganlığın önlenmesine yönelik araştırmaların kortikal kalınlığa odaklanmıştır. Bu protokol tarafından hafif osteoporotik kemiklerde gösterilen elastik olarak stabil kırık davranışı, mevcut odağı kortikal ve trabeküler etkileşimlere kaydırır.

Bu prosedür, kemik mekaniğinin dikkate değer modellerini geliştirebilir, kırılganlık teşhisini ve implante edilebilir cihazların tasarımını bilgilendirebilir.