Imagerie du mécanisme de défaillance microstructurale de la hanche humaine
Summary
Le protocole permet de mesurer la déformation de la microstructure osseuse dans l’ensemble du fémur humain proximal et sa ténacité en combinant un micro-scanner de grand volume, une platine de compression sur mesure et des outils avancés de traitement d’image.
Abstract
L’imagerie de la microstructure osseuse sous des charges croissantes permet d’observer le comportement de défaillance microstructurale de l’os. Nous décrivons ici un protocole permettant d’obtenir une séquence d’images microstructurales tridimensionnelles de l’ensemble du fémur proximal sous déformation croissante, provoquant des fractures cliniquement pertinentes du col du fémur. Le protocole est démontré à l’aide de quatre fémurs de donneuses âgées de 66 à 80 ans à l’extrémité inférieure de la densité minérale osseuse dans la population (plage de score T = −2,09 à −4,75). Une platine de compression radio-transparente a été conçue pour charger les échantillons en reproduisant une position sur une jambe, tout en enregistrant la charge appliquée lors de l’imagerie par micro-tomodensitométrie (micro-TDM). Le champ de vision était de 146 mm de large et 132 mm de haut, et la taille des pixels isotropes était de 0,03 mm. L’incrément de force était basé sur des prédictions par éléments finis de la charge de rupture. L’étage de compression a été utilisé pour appliquer le déplacement à l’éprouvette et exécuter les incréments de force prescrits. Des fractures sous-capitales dues à l’ouverture et au cisaillement du col du fémur sont survenues après quatre à cinq incréments de charge. Les images micro-CT et les mesures de force de réaction ont été traitées pour étudier la déformation osseuse et la capacité d’absorption d’énergie. L’instabilité du cortex est apparue dès les premières étapes de la charge. L’os sous-chondral de la tête fémorale présentait de grandes déformations atteignant 16 % avant la fracture, et une augmentation progressive de la capacité de soutien jusqu’à la fracture. L’énergie de déformation augmentait linéairement avec le déplacement jusqu’à la rupture, tandis que la rigidité diminuait jusqu’à des valeurs proches de zéro immédiatement avant la rupture. Les trois quarts de l’énergie de rupture ont été absorbés par l’éprouvette au cours de l’incrément final de force de 25 %. En conclusion, le protocole développé a révélé une remarquable capacité d’absorption d’énergie, ou tolérance aux dommages, et une interaction synergique entre l’os cortical et trabéculaire à un âge de donneur avancé.
Introduction
Les fractures du col du fémur sont un fardeau majeur pour la population vieillissante. L’imagerie par micro-tomodensitométrie (micro-TDM) et les tests mécaniques concomitants permettent d’observer la microstructure osseuse et d’étudier sa relation avec la solidité des os, ses changements liés à l’âge et ses déplacements sous charge 1,2. Cependant, jusqu’à récemment, les études de micro-tomodensitométrie de l’os sous charge étaient limitées aux carottes osseuses excisées3, aux petits animaux4 et aux unités de la colonne vertébrale humaine5. Le présent protocole permet de quantifier le déplacement de la microstructure de l’ensemble du fémur humain proximal sous charge et après une fracture.
Plusieurs études ont été menées pour étudier la défaillance du fémur humain, et parfois, celles-ci ont abouti à des conclusions contrastées. Par exemple, on pense que l’amincissement des structures corticales et trabéculaires lié à l’âge détermine la susceptibilité à la fracture liée à l’âge en provoquant une instabilité élastique de l’os6,7, ce qui contraste apparemment avec le coefficient élevé de détermination de la déformation corticale et des prédictions de la force fémorale en supposant l’absence d’instabilité élastique (R2 = 0,80-0,97)8,9. Néanmoins, ces études ont systématiquement sous-estimé la force fémorale (de 21 % à 29 %), remettant ainsi en question les réponses osseuses fragiles et quasi-cassantes mises en œuvre dans les modèles 8,10. Une explication possible de ces résultats apparemment contrastés peut résider dans un comportement de fracture différent des os entiers par rapport aux noyaux osseux isolés. Par conséquent, l’observation de la déformation et des réponses fracturées de la microstructure osseuse dans des fémurs proximaux entiers peut faire progresser les connaissances sur la mécanique des fractures de la hanche et les applications connexes.
Les méthodes actuelles d’imagerie d’os humains entiers avec une résolution micrométrique sont limitées. La taille du portique et du détecteur doit fournir un volume de travail approprié pour accueillir le fémur proximal humain (environ 13 cm x 10 cm, largeur x longueur) et éventuellement une taille de pixel de l’ordre de 0,02 à 0,03 mm pour garantir que les caractéristiques micro-architecturales pertinentes puissent être capturées11. À l’heure actuelle,certaines installations synchrotron 1 et certains micro-tomodensitomètres à grand volume disponibles dans le commerce peuvent satisfaire à ces spécifications12,13. L’étage de compression doit être radio-transparent afin de minimiser l’atténuation des rayons X tout en générant une force suffisante pour provoquer une fracture du fémur humain (par exemple, entre 0,9 kN et 14,3 kN pour les femmes blanches âgées)14. Cette grande variation de la charge de rupture complique la planification du nombre d’étapes de charge à rompre, de la durée globale de l’expérience et de la quantité correspondante de données produites. Pour résoudre ce problème, la charge et l’emplacement de la fracture peuvent être estimés par modélisation par éléments finis en utilisant la distribution de la densité osseuse de l’échantillon à partir d’images de tomodensitométrie clinique (TDM) 1,2. Enfin, après l’expérience, le grand volume de données générées doit être traité pour étudier les mécanismes de défaillance et la capacité de dissipation d’énergie dans l’ensemble du fémur humain.
Nous décrivons ici un protocole permettant d’obtenir une séquence d’images microstructurales tridimensionnelles de l’ensemble du fémur proximal sous déformation croissante progressive, ce qui provoque des fractures cliniquement pertinentes du col fémoral2. Le protocole comprend la planification de l’incrément progressif de la compression de l’échantillon, le chargement via une platine de compression radio-transparente personnalisée, l’imagerie via un micro-scanner micro-CT grand volume et le traitement des images et des profils de charge.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le présent protocole permet d’étudier ex vivo la micromécanique temporelle des fractures de la hanche en trois dimensions. Un étage de compression radiotransparent (aluminium) capable d’appliquer une déformation progressive à la moitié proximale du fémur humain et de mesurer la force de réaction a été conçu, fabriqué et testé sur mesure. Un micro-tomodensitomètre à grand volume est utilisé dans ce protocole pour fournir une séquence temporelle de volumes d’images affichant l’ensemble du…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financement du Conseil australien de la recherche (FT180100338 ; IC190100020) est remercié.
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 |
Riferimenti
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