Imagem do Mecanismo de Falha Microestrutural no Quadril Humano
Summary
O protocolo permite a medição da deformação da microestrutura óssea em todo o fêmur humano proximal e sua tenacidade, combinando microtomografia computadorizada de grande volume, um estágio compressivo personalizado e ferramentas avançadas de processamento de imagem.
Abstract
A obtenção de imagens da microestrutura óssea sob cargas progressivamente crescentes permite observar o comportamento de falha microestrutural do osso. Descrevemos um protocolo para obtenção de uma sequência de imagens microestruturais tridimensionais de todo o fêmur proximal sob deformação progressivamente crescente, causando fraturas clinicamente relevantes do colo do fêmur. O protocolo é demonstrado utilizando quatro fêmures de doadoras do sexo feminino com idade entre 66 e 80 anos na extremidade inferior da densidade mineral óssea na população (T-score = −2,09 a −4,75). Um estágio compressivo radiotransparente foi projetado para carregar os espécimes replicando uma posição unipodal, enquanto registrava a carga aplicada durante a microtomografia computadorizada (micro-TC). O campo de visão era de 146 mm de largura e 132 mm de altura, e o tamanho isotrópico de pixel era de 0,03 mm. O incremento de força foi baseado em predições de elementos finitos da carga de fratura. O estágio compressivo foi utilizado para aplicar o deslocamento no corpo de prova e realizar os incrementos de força prescritos. As fraturas subcapitais por abertura e cisalhamento do colo do fêmur ocorreram após quatro a cinco incrementos de carga. As imagens de micro-TC e as medidas de força de reação foram processadas para estudar a deformação óssea e a capacidade de absorção de energia. A instabilidade do córtex apareceu nas primeiras etapas de carregamento. O osso subcondral da cabeça femoral apresentava grandes deformações chegando a 16% antes da fratura e aumento progressivo da capacidade de suporte até a fratura. A energia de deformação aumentou linearmente com o deslocamento até a fratura, enquanto a rigidez diminuiu para valores próximos a zero imediatamente antes da fratura. Três quartos da energia da fratura foram captados pelo espécime durante o incremento final de 25% de força. Em conclusão, o protocolo desenvolvido revelou uma notável capacidade de absorção de energia, ou tolerância a danos, e uma interação sinérgica entre o osso cortical e trabecular em uma idade avançada do doador.
Introduction
As fraturas do colo do fêmur constituem um grande fardo para o envelhecimento populacional. A microtomografia computadorizada (micro-TC) e o teste mecânico concomitante permitem observar a microestrutura óssea e estudar sua relação com a resistência óssea, suas alterações relacionadas à idade e deslocamentos sobcarga1,2. No entanto, até recentemente, os estudos de micro-TC de osso sob carga limitavam-se a núcleos ósseos excisados3, pequenos animais4 e unidades de coluna humana5. O presente protocolo pode quantificar o deslocamento da microestrutura de todo o fêmur humano proximal sob carga e após uma fratura.
Vários estudos foram realizados para investigar a falência do fêmur humano e, por vezes, chegaram a conclusões contrastantes. Por exemplo, acredita-se que o afinamento das estruturas corticais e trabeculares relacionado à idade determine a suscetibilidade à fratura relacionada à idade, causando instabilidade elástica do osso6,7, o que contrasta com o alto coeficiente de determinação da deformação cortical e as previsões de força femoral supondo que não haja instabilidade elástica (R2 = 0,80-0,97)8,9. No entanto, tais estudos têm sistematicamente subestimado a força femoral (21%-29%), colocando em questão as respostas ósseas quebradiças e quase quebradiças implementadas nos modelos 8,10. Uma possível explicação para esses achados aparentemente contrastantes pode residir em um comportamento diferente da fratura de ossos inteiros em comparação com núcleos ósseos isolados. Portanto, observar as respostas à deformação e à fratura da microestrutura óssea em fêmures proximais inteiros pode avançar no conhecimento da mecânica da fratura de quadril e aplicações relacionadas.
Os métodos atuais para obtenção de imagens de ossos humanos inteiros com resolução micrométrica são limitados. O pórtico e o tamanho do detector devem fornecer um volume de trabalho adequado para hospedar o fêmur proximal humano (aproximadamente 13 cm x 10 cm, largura x comprimento) e, possivelmente, um tamanho de pixel da ordem de 0,02-0,03 mm para garantir que as características microarquitetônicas relevantes possam ser capturadas11. Atualmente, essas especificações podem ser atendidas por algumas instalações síncrotron1 e alguns microtomógrafos de grande volume disponíveis comercialmente12,13. O estágio compressivo deve ser radiotransparente para minimizar a atenuação dos raios X e, ao mesmo tempo, gerar uma força suficiente para causar uma fratura no fêmur humano (por exemplo, entre 0,9 kN e 14,3 kN para mulheres brancas idosas)14. Essa grande variação na carga de fratura complica o planejamento do número de etapas de carga até a fratura, o tempo total do experimento e a quantidade correspondente de dados produzidos. Para resolver esse problema, a carga e a localização da fratura podem ser estimadas por meio da modelagem por elementos finitos usando a distribuição da densidade óssea do espécime a partir de imagens clínicas de tomografia computadorizada (TC)1,2. Finalmente, após o experimento, o grande volume de dados gerados precisa ser processado para estudar os mecanismos de falha e capacidade de dissipação de energia em todo o fêmur humano.
Descrevemos um protocolo para obtenção de uma sequência de imagens microestruturais tridimensionais de todo o fêmur proximal sob deformação progressivamente crescente, o que causa fraturas clinicamente relevantes do colo dofêmur2. O protocolo inclui o planejamento do incremento gradual da compressão da amostra, o carregamento por meio de um estágio de compressão radiotransparente personalizado, a obtenção de imagens por meio de um microtomógrafo de grande volume e o processamento das imagens e dos perfis de carga.
Protocol
Representative Results
Discussion
O presente protocolo permite estudar a micromecânica do tempo decorrido das fraturas de quadril em três dimensões ex vivo. Um estágio compressivo radiotransparente (alumínio) capaz de aplicar uma deformação progressiva na metade proximal do fêmur humano e medir a força de reação foi projetado, fabricado e testado sob medida. Um microtomógrafo de grande volume é empregado neste protocolo para fornecer uma sequência temporal de volumes de imagens exibindo todo o fêmur proximal com carga progressiva …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financiamento do Australian Research Council (FT180100338; IC190100020) é reconhecido com gratidão.
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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- Orthopedic Image Segmentation. Synopsys Available from: https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/ortho-medical-image-segmentation.html (2020)
