인간 고관절의 미세구조 실패 메커니즘 이미징
Summary
이 프로토콜은 대용량 마이크로 CT 스캔, 맞춤형 압축 단계 및 고급 이미지 처리 도구를 결합하여 전체 근위 인간 대퇴골의 뼈 미세 구조 변형과 인성을 측정할 수 있습니다.
Abstract
점진적으로 증가하는 하중 하에서 뼈 미세 구조를 이미징하면 뼈의 미세 구조 파괴 거동을 관찰할 수 있습니다. 여기에서는 점진적으로 증가하는 변형 하에서 전체 근위 대퇴골의 3차원 미세 구조 이미지 시퀀스를 획득하여 대퇴골 경부의 임상적으로 관련된 골절을 유발하는 프로토콜을 설명합니다. 이 프로토콜은 인구 내 골밀도의 하단에 있는 66-80세 여성 기증자의 대퇴골 4개를 사용하여 입증되었습니다(T-점수 범위 = −2.09에서 −4.75). 방사선 투명 압축 스테이지는 한쪽 다리 자세를 복제하는 표본을 로딩하는 동시에 마이크로 컴퓨터 단층 촬영(micro-CT) 이미징 중에 적용된 하중을 기록하도록 설계되었습니다. 시야각은 너비 146mm, 높이 132mm이고 등방성 픽셀 크기는 0.03mm였습니다. 힘 증가는 파괴 하중의 유한 요소 예측을 기반으로 했습니다. 압축 단계는 시편에 변위를 적용하고 규정된 힘 증가를 제정하는 데 사용되었습니다. 대퇴골 경부의 개방 및 전단으로 인한 자본하부 골절은 4-5번의 하중 증가 후에 발생했습니다. 마이크로 CT 영상과 반력 측정을 처리하여 뼈 변형률과 에너지 흡수 능력을 연구했습니다. 피질의 불안정성은 초기 로딩 단계에서 나타났습니다. 대퇴골두의 연골하골은 골절 전 16%에 달하는 큰 변형을 보였고, 골절까지 지지력이 점진적으로 증가했다. 변형 에너지는 변위와 함께 파단까지 선형적으로 증가하는 반면, 강성은 파단 직전에 거의 0에 가까운 값으로 감소합니다. 파괴 에너지의 3/4은 최종 25% 힘 증가 동안 시편에 의해 취해졌습니다. 결론적으로, 개발된 프로토콜은 놀라운 에너지 흡수 능력 또는 손상 내성과 고령 기증자 연령에서 피질과 섬유주 뼈 사이의 시너지 상호 작용을 보여주었습니다.
Introduction
대퇴골 경부의 골절은 고령 인구에게 큰 부담이 됩니다. 마이크로 컴퓨터 단층 촬영(micro-CT) 영상 및 수반되는 기계적 검사를 통해 뼈 미세 구조를 관찰하고 뼈 강도, 노화 관련 변화 및 하중 1,2 하에서의 변위와의 관계를 연구할 수 있습니다. 그러나 최근까지 하중을 받는 뼈에 대한 마이크로 CT 연구는 절제된 골심3, 소동물4 및 인간 척추 단위5로 제한되었다. 본 프로토콜은 하중을 받고 골절 후 전체 근위 인간 대퇴골의 미세 구조의 변위를 정량화할 수 있습니다.
인간 대퇴골의 부전을 조사하기 위해 여러 연구가 수행되었으며, 때때로 대조적인 결론에 도달했습니다. 예를 들어, 대뇌피질 및 섬유주 구조의 노화와 관련된 얇아짐은 뼈의 탄성 불안정성을 유발함으로써 골절에 대한 연령 관련 감수성을 결정하는 것으로 생각되며, 이는 탄성 불안정성이 없다고 가정할 때 피질 긴장 및 대퇴골 강도 예측의 높은 결정 계수와 명백한 대조를 이룹니다(R2 = 0.80-0.97)8,9. 그럼에도 불구하고, 이러한 연구들은 체계적으로 대퇴골 강도를 과소평가하여(21%-29%), 따라서 모델 8,10에서 구현된 부서지기 쉽고 준부서지기 쉬운 뼈 반응에 의문을 제기했습니다. 이러한 명백히 대조적인 발견에 대한 한 가지 가능한 설명은 고립된 뼈 코어와 비교하여 전체 뼈의 다른 골절 거동에 있을 수 있습니다. 따라서 전체 근위 대퇴골에서 뼈 미세구조의 변형 및 골절 반응을 관찰하면 고관절 골절 역학 및 관련 응용 분야에 대한 지식을 발전시킬 수 있습니다.
현재 인간의 뼈 전체를 마이크로미터 해상도로 이미징하는 방법은 제한적입니다. 갠트리와 검출기 크기는 인간 근위 대퇴골을 수용하기에 적합한 작업 부피(약 13cm x 10cm, 너비 x 길이)를 제공해야 하며, 관련 미세 건축적 특징을 캡처할 수 있도록 0.02-0.03mm 정도의 픽셀 크기를 제공해야 한다11. 이러한 사양은 현재 일부 싱크로트론 설비(synchrotron facility)1 및 일부 상업적으로 이용 가능한 대용량 micro-CT 스캐너(12,13)에 의해 충족될 수 있다. 압축 단계는 X선 감쇠를 최소화하면서 인간 대퇴골에 골절을 일으키기에 충분한 힘(예: 노인 백인 여성의 경우 0.9kN에서 14.3kN 사이)을 생성하기 위해 방사선 투명이어야 합니다14. 이 큰 파괴 하중 변동은 파괴에 대한 하중 단계 수, 전체 실험 시간 및 생성된 해당 데이터 양의 계획을 복잡하게 만듭니다. 이 문제를 해결하기 위해 임상 컴퓨터 단층 촬영(CT) 이미지 1,2에서 표본의 골밀도 분포를 사용하여 유한 요소 모델링을 통해 골절 하중과 위치를 추정할 수 있습니다. 마지막으로, 실험 후 생성된 대량의 데이터는 전체 인간 대퇴골의 고장 메커니즘 및 에너지 손실 용량을 연구하기 위해 처리되어야 합니다.
여기에서, 우리는 점진적으로 증가하는 변형 하에서 전체 근위 대퇴골의 3차원 미세구조 이미지의 시퀀스를 획득하기 위한 프로토콜을 설명하며, 이는 대퇴골 경부의 임상적으로 관련된 골절을 유발한다2. 이 프로토콜에는 표본 압축의 단계적 증가 계획, 맞춤형 무선 투명 압축 스테이지 를 통한 로딩, 대용량 마이크로 CT 스캐너를 통한 이미징, 이미지 및 로드 프로파일 처리가 포함됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
본 프로토콜은 고관절 골절의 시간 경과 미세역학을 생체 외에서 3차원으로 연구할 수 있습니다. 인간 대퇴골의 근위 절반에 점진적 변형을 가하고 반력을 측정할 수 있는 방사선 투명(알루미늄) 압축 스테이지가 맞춤 설계, 제조 및 테스트되었습니다. 이 프로토콜에는 대용량 마이크로 CT 스캐너가 사용되어 마이크로미터 해상도에서 점진적 로딩으로 전체 근위 대퇴골을 표시하는 이미지 ?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
호주 연구 위원회(Australian Research Council, FT180100338; IC190100020)는 감사하게 인정합니다.
Materials
| 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 |
Referenzen
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