मानव कूल्हे में माइक्रोस्ट्रक्चरल विफलता तंत्र की इमेजिंग
Summary
प्रोटोकॉल पूरे समीपस्थ मानव फीमर में हड्डी के माइक्रोस्ट्रक्चर के विरूपण और बड़ी मात्रा में माइक्रो-सीटी स्कैनिंग, एक कस्टम-निर्मित संपीड़ित चरण और उन्नत छवि प्रसंस्करण उपकरण के संयोजन से इसकी क्रूरता को मापने में सक्षम बनाता है।
Abstract
उत्तरोत्तर बढ़ते भार के तहत हड्डी के माइक्रोस्ट्रक्चर की इमेजिंग हड्डी के माइक्रोस्ट्रक्चरल विफलता व्यवहार को देखने की अनुमति देती है। यहां, हम उत्तरोत्तर बढ़ते विरूपण के तहत पूरे समीपस्थ फीमर की त्रि-आयामी माइक्रोस्ट्रक्चरल छवियों के अनुक्रम को प्राप्त करने के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन करते हैं, जिससे ऊरु गर्दन के नैदानिक रूप से प्रासंगिक फ्रैक्चर होते हैं। प्रोटोकॉल को जनसंख्या में अस्थि खनिज घनत्व के निचले छोर पर 66-80 वर्ष की आयु के महिला दाताओं से चार फेमोरा का उपयोग करके प्रदर्शित किया जाता है (टी-स्कोर रेंज = −2.09 से -4.75)। एक रेडियो-पारदर्शी संपीड़न चरण को एक-पैर के रुख की नकल करने वाले नमूनों को लोड करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जबकि माइक्रो-कंप्यूटेड टोमोग्राफी (माइक्रो-सीटी) इमेजिंग के दौरान लागू लोड को रिकॉर्ड किया गया था। देखने का क्षेत्र 146 मिमी चौड़ा और 132 मिमी ऊंचा था, और आइसोट्रोपिक पिक्सेल आकार 0.03 मिमी था। बल वृद्धि फ्रैक्चर लोड के परिमित-तत्व भविष्यवाणियों पर आधारित थी। संपीड़न चरण का उपयोग नमूने पर विस्थापन को लागू करने और निर्धारित बल वृद्धि को लागू करने के लिए किया गया था। ऊरु गर्दन के खुलने और कतरनी के कारण उप-पूंजी फ्रैक्चर चार से पांच लोड वृद्धि के बाद हुआ। माइक्रो-सीटी छवियों और प्रतिक्रिया बल माप हड्डी तनाव और ऊर्जा अवशोषण क्षमता का अध्ययन करने के लिए संसाधित किए गए थे। प्रांतस्था की अस्थिरता शुरुआती लोडिंग चरणों में दिखाई दी। ऊरु सिर में सबचोन्ड्रल हड्डी ने फ्रैक्चर से पहले 16% तक पहुंचने वाली बड़ी विकृतियों को प्रदर्शित किया, और फ्रैक्चर तक समर्थन क्षमता में प्रगतिशील वृद्धि हुई। विरूपण ऊर्जा रैखिक रूप से फ्रैक्चर तक विस्थापन के साथ बढ़ी, जबकि कठोरता फ्रैक्चर से तुरंत पहले लगभग शून्य मूल्यों तक कम हो गई। फ्रैक्चर ऊर्जा का तीन-चौथाई अंतिम 25% बल वृद्धि के दौरान नमूने द्वारा लिया गया था। अंत में, विकसित प्रोटोकॉल एक उल्लेखनीय ऊर्जा अवशोषण क्षमता, या क्षति सहिष्णुता, और एक उन्नत दाता उम्र में cortical और trabecular हड्डी के बीच एक synergic बातचीत का पता चला.
Introduction
ऊरु गर्दन के फ्रैक्चर उम्र बढ़ने की आबादी के लिए एक बड़ा बोझ हैं। माइक्रो-कंप्यूटेड टोमोग्राफी (माइक्रो-सीटी) इमेजिंग और सहवर्ती यांत्रिक परीक्षण हड्डी के माइक्रोस्ट्रक्चर को देखने और हड्डी की ताकत, इसकी उम्र से संबंधित परिवर्तनों और लोड 1,2 के तहत विस्थापन के संबंध का अध्ययन करने की अनुमति देते हैं। हालांकि, हाल ही में, लोड के तहत हड्डी के माइक्रो-सीटी अध्ययन एक्साइज्ड हड्डी कोर3,छोटे जानवरों 4 और मानवरीढ़ इकाइयों 5 तक सीमित थे। वर्तमान प्रोटोकॉल लोड के तहत और एक फ्रैक्चर के बाद पूरे समीपस्थ मानव फीमर के माइक्रोस्ट्रक्चर के विस्थापन की मात्रा निर्धारित कर सकता है।
मानव फीमर की विफलता की जांच के लिए कई अध्ययन किए गए हैं, और कई बार, ये विपरीत निष्कर्ष पर पहुंचे हैं। उदाहरण के लिए, cortical और trabecular संरचनाओं की उम्र से संबंधित thinning हड्डी6,7 की लोचदार अस्थिरता के कारण फ्रैक्चर के लिए उम्र से संबंधित संवेदनशीलता निर्धारित करने के लिए सोचा है, जो cortical तनाव और ऊरु शक्ति भविष्यवाणियों के निर्धारण के उच्च गुणांक के साथ स्पष्ट विपरीत में है कोई लोचदार अस्थिरता (आर2 = 0.80-0.97)8,9 मानते हैं . फिर भी, इस तरह के अध्ययनों व्यवस्थित ऊरु शक्ति (21% -29% द्वारा) को कम करके आंका गया है, इस प्रकार मॉडल 8,10 में लागू भंगुर और अर्ध-भंगुर हड्डी प्रतिक्रियाओं पर सवाल उठाते हैं। इन स्पष्ट रूप से विपरीत निष्कर्षों के लिए एक संभावित स्पष्टीकरण पृथक हड्डी कोर की तुलना में पूरी हड्डियों के एक अलग फ्रैक्चर व्यवहार में रह सकता है। इसलिए, पूरे समीपस्थ महिलाओं में हड्डी के माइक्रोस्ट्रक्चर के विरूपण और फ्रैक्चर प्रतिक्रियाओं का अवलोकन हिप फ्रैक्चर यांत्रिकी और संबंधित अनुप्रयोगों के ज्ञान को आगे बढ़ा सकता है।
माइक्रोमेट्रिक रिज़ॉल्यूशन के साथ संपूर्ण मानव हड्डियों की इमेजिंग के लिए वर्तमान तरीके सीमित हैं। गैन्ट्री और डिटेक्टर आकार मानव समीपस्थ फीमर (लगभग 13 सेमी x 10 सेमी, चौड़ाई x लंबाई) और संभवतः 0.02-0.03 मिमी के क्रम में एक पिक्सेल आकार की मेजबानी करने के लिए एक उपयुक्त काम कर मात्रा प्रदान करना चाहिए ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि प्रासंगिक सूक्ष्म वास्तुशिल्प सुविधाओं पर कब्जा किया जा सकताहै 11. इन विशिष्टताओं वर्तमान में कुछ सिंक्रोट्रॉन सुविधाओं1 और कुछ व्यावसायिक रूप से उपलब्ध बड़ी मात्रा में माइक्रो सीटी स्कैनर12,13 द्वारा पूरा किया जा सकता है. एक्स-रे क्षीणन को कम करने के लिए संपीड़न चरण को रेडियो-पारदर्शी होना चाहिए, जबकि मानव फीमर (जैसे, बुजुर्ग सफेद महिलाओं के लिए 0.9 केएन और 14.3 केएन के बीच)14के फ्रैक्चर पैदा करने के लिए पर्याप्त बल उत्पन्न करना चाहिए। यह बड़ा फ्रैक्चर लोड भिन्नता फ्रैक्चर करने के लिए लोड चरणों की संख्या, समग्र प्रयोग समय और उत्पादित डेटा की इसी मात्रा की योजना को जटिल बनाता है। इस समस्या का समाधान करने के लिए, फ्रैक्चर लोड और स्थान नैदानिक गणना टोमोग्राफी (सीटी) छवियों 1,2 से नमूना की अस्थि घनत्व वितरण का उपयोग करके परिमित तत्व मॉडलिंग के माध्यम से अनुमान लगाया जा सकता है. अंत में, प्रयोग के बाद, उत्पन्न डेटा की बड़ी मात्रा को पूरे मानव फीमर में विफलता तंत्र और ऊर्जा अपव्यय क्षमता का अध्ययन करने के लिए संसाधित करने की आवश्यकता होती है।
यहां, हम उत्तरोत्तर बढ़ते विरूपण के तहत पूरे समीपस्थ फीमर की त्रि-आयामी माइक्रोस्ट्रक्चरल छवियों के अनुक्रम को प्राप्त करने के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन करते हैं, जो ऊरु गर्दन2 के नैदानिक रूप से प्रासंगिक फ्रैक्चर का कारण बनता है। प्रोटोकॉल में नमूना संपीड़न के चरणबद्ध वृद्धि की योजना बनाना, एक कस्टम रेडियो-पारदर्शी संपीड़ित चरण के माध्यम से लोड करना, बड़ी मात्रा में माइक्रो-सीटी स्कैनर के माध्यम से इमेजिंग और छवियों और लोड प्रोफाइल को संसाधित करना शामिल है।
Protocol
Representative Results
Discussion
वर्तमान प्रोटोकॉल तीन आयामों पूर्व vivo में हिप फ्रैक्चर के समय बीत चुके micromechanics का अध्ययन करने के लिए अनुमति देता है. एक रेडियोट्रांसपेरेंट (एल्यूमीनियम) संपीड़ित चरण जो मानव फीमर के समीपस्थ आधे हिस्स?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ऑस्ट्रेलियाई अनुसंधान परिषद से वित्त पोषण (FT180100338; IC190100020) कृतज्ञतापूर्वक स्वीकार किया जाता है।
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 |
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