تصوير آلية الفشل المجهري في الورك البشري
Summary
يتيح البروتوكول قياس تشوه البنية المجهرية للعظام في عظم الفخذ البشري القريب بأكمله وصلابته من خلال الجمع بين التصوير المقطعي المحوسب الدقيق كبير الحجم ، ومرحلة الضغط المخصصة ، وأدوات معالجة الصور المتقدمة.
Abstract
يسمح تصوير البنية المجهرية للعظام تحت الأحمال المتزايدة تدريجيا بمراقبة سلوك الفشل المجهري للعظام. هنا ، نصف بروتوكولا للحصول على سلسلة من الصور المجهرية ثلاثية الأبعاد لعظم الفخذ القريب بأكمله تحت تشوه متزايد تدريجيا ، مما يتسبب في كسور ذات صلة سريريا في عنق الفخذ. تم إثبات البروتوكول باستخدام أربعة عظم الفخذ من متبرعات تتراوح أعمارهن بين 66 و 80 عاما في الطرف الأدنى من كثافة المعادن في العظام لدى السكان (نطاق درجة T = -2.09 إلى -4.75). تم تصميم مرحلة ضغط شفافة لاسلكية لتحميل العينات التي تكرر وضع ساق واحدة ، أثناء تسجيل الحمل المطبق أثناء التصوير المقطعي المحوسب الدقيق (micro-CT). كان مجال الرؤية بعرض 146 مم وارتفاع 132 مم ، وكان حجم البكسل الخواص 0.03 مم. استندت زيادة القوة إلى تنبؤات العناصر المحدودة لحمل الكسر. تم استخدام مرحلة الانضغاط لتطبيق الإزاحة على العينة وسن زيادات القوة المقررة. حدثت كسور تحت رأس المال بسبب فتح وقص عنق الفخذ بعد أربع إلى خمس زيادات في الحمل. تمت معالجة صور التصوير المقطعي المحوسب الدقيق وقياسات قوة رد الفعل لدراسة إجهاد العظام وقدرة امتصاص الطاقة. ظهر عدم استقرار القشرة في خطوات التحميل المبكرة. أظهر العظم تحت الغضروفي في رأس الفخذ تشوهات كبيرة تصل إلى 16٪ قبل الكسر ، وزيادة تدريجية في قدرة الدعم حتى الكسر. زادت طاقة التشوه خطيا مع الإزاحة حتى الكسر ، بينما انخفضت الصلابة إلى قيم قريبة من الصفر مباشرة قبل الكسر. تم أخذ ثلاثة أرباع طاقة الكسر بواسطة العينة خلال زيادة القوة النهائية بنسبة 25٪. في الختام ، كشف البروتوكول الذي تم تطويره عن قدرة ملحوظة على امتصاص الطاقة ، أو تحمل الضرر ، وتفاعل تآزري بين العظم القشري والتربيقي في سن مانحة متقدمة.
Introduction
تشكل كسور عنق الفخذ عبئا كبيرا على شيخوخة السكان. يسمح التصوير المقطعي المحوسب الدقيق (micro-CT) والاختبار الميكانيكي المصاحب لمراقبة البنية المجهرية للعظام ودراسة علاقتها بقوة العظام وتغيراتها المرتبطة بالعمر والنزوح تحت الحمل 1,2. ومع ذلك ، حتى وقت قريب ، اقتصرت دراسات التصوير المقطعي المحوسب الدقيق للعظام تحت الحمل على نوى العظامالمستأصلة 3 ، الصغيرة4 ، ووحدات العمود الفقري البشري5. يمكن للبروتوكول الحالي تحديد إزاحة البنية المجهرية لعظم الفخذ البشري القريب بأكمله تحت الحمل وبعد الكسر.
تم إجراء العديد من الدراسات للتحقيق في فشل عظم الفخذ البشري ، وفي بعض الأحيان ، توصلت هذه الدراسات إلى استنتاجات متناقضة. على سبيل المثال ، يعتقد أن الترقق المرتبط بالعمر للهياكل القشرية والتربيقية يحدد القابلية المرتبطة بالعمر للكسر عن طريق التسبب في عدم استقرار مرن للعظم6,7 ، وهو ما يتناقض بشكل واضح مع المعامل العالي لتحديد الإجهاد القشري وتنبؤات قوة الفخذ بافتراض عدم وجود عدم استقرار مرن (R2 = 0.80-0.97)8,9. ومع ذلك ، فقد قللت هذه الدراسات بشكل منهجي من قوة الفخذ (بنسبة 21٪ -29٪) ، مما أثار تساؤلات حول استجابات العظام الهشة وشبه الهشة المطبقة في النماذج 8,10. قد يكمن أحد التفسيرات المحتملة لهذه النتائج المتناقضة على ما يبدو في سلوك كسر مختلف لعظام كاملة مقارنة بنوى العظام المعزولة. لذلك ، فإن مراقبة استجابات التشوه والكسر للبنية المجهرية العظمية في عظم الفخذ القريب بأكمله قد يعزز المعرفة بميكانيكا كسر الورك والتطبيقات ذات الصلة.
الطرق الحالية لتصوير عظام بشرية كاملة بدقة ميكرومترية محدودة. يجب أن يوفر حجم القنطرة وحجم الكاشف حجم عمل مناسب لاستضافة عظم الفخذ القريب البشري (حوالي 13 سم × 10 سم ، العرض × الطول) وربما حجم بكسل في حدود 0.02-0.03 مم لضمان إمكانية التقاط الميزات المعمارية الدقيقة ذات الصلة11. يمكن تلبية هذه المواصفات حاليا من قبل بعض مرافق السنكروترون1 وبعض الماسحات الضوئية المقطعية الدقيقة كبيرة الحجم المتاحة تجاريا12,13. يجب أن تكون مرحلة الانضغاط شفافة لاسلكيا من أجل تقليل توهين الأشعة السينية مع توليد قوة كافية لإحداث كسر في عظم الفخذ البشري (على سبيل المثال ، بين 0.9 كيلو نيوتن و 14.3 كيلو نيوتن للنساء البيض المسنات)14. هذا التباين الكبير في حمل الكسر يعقد تخطيط عدد خطوات الحمل للكسر ، ووقت التجربة الإجمالي ، والكمية المقابلة من البيانات المنتجة. لمعالجة هذه المشكلة ، يمكن تقدير حمل الكسر وموقعه من خلال نمذجة العناصر المحدودة باستخدام توزيع كثافة العظام للعينة من صور التصوير المقطعي المحوسب السريري (CT) 1,2. أخيرا ، بعد التجربة ، يجب معالجة الحجم الكبير من البيانات المتولدة لدراسة آليات الفشل وقدرة تبديد الطاقة في عظم الفخذ البشري بأكمله.
هنا ، نصف بروتوكولا للحصول على سلسلة من الصور المجهرية ثلاثية الأبعاد لعظم الفخذ القريب بأكمله تحت تشوه متزايد تدريجيا ، مما يسبب كسور ذات صلة سريريا في عنق الفخذ2. يتضمن البروتوكول تخطيط الزيادة التدريجية لضغط العينة ، والتحميل عبر مرحلة ضغط شفافة لاسلكية مخصصة ، والتصوير عبر ماسح ضوئي بالأشعة المقطعية الدقيقة كبير الحجم ، ومعالجة الصور وملفات تعريف الحمل.
Protocol
Representative Results
Discussion
يسمح البروتوكول الحالي بدراسة الميكانيكا الدقيقة المنقضية لكسور الورك في ثلاثة أبعاد خارج الجسم الحي. تم تصميم مرحلة الانضغاط الشفافة إشعاعيا (الألومنيوم) القادرة على تطبيق تشوه تدريجي على النصف القريب من عظم الفخذ البشري وقياس قوة رد الفعل وتصنيعها واختبارها حسب الطلب. يتم استخدام…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تمويل من مجلس البحوث الأسترالي (FT180100338; IC190100020) معترف به بامتنان.
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 |
References
- Martelli, S., Perilli, E. Time-elapsed synchrotron-light microstructural imaging of femoral neck fracture. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 84, 265-272 (2018).
- Martelli, S., Giorgi, M., Dall’ Ara, E., Perilli, E. Damage tolerance and toughness of elderly human femora. Acta Biomaterialia. 123, 167-177 (2021).
- Perilli, E., et al. Dependence of mechanical compressive strength on local variations in microarchitecture in cancellous bone of proximal human femur. Journal of Biomechanics. 41 (2), 438-446 (2008).
- Thurner, P. J., et al. Time-lapsed investigation of three-dimensional failure and damage accumulation in trabecular bone using synchrotron light. Bone. 39 (2), 289-299 (2006).
- Jackman, T. M. Quantitative, 3D visualization of the initiation and progression of vertebral fractures under compression and anterior flexion. Journal of Bone and Mineral Research. 31 (4), 777-788 (2016).
- Mayhew, P. M., et al. Relation between age, femoral neck cortical stability, and hip fracture risk. Lancet. 366 (9480), 129-135 (2005).
- Nazarian, A., Stauber, M., Zurakowski, D., Snyder, B. D., Müller, R. The interaction of microstructure and volume fraction in predicting failure in cancellous bone. Bone. 39 (6), 1196-1202 (2006).
- Schileo, E., et al. To what extent can linear finite element models of human femora predict failure under stance and fall loading configurations. Journal of Biomechanics. 47 (14), 3531-3538 (2014).
- Schileo, E., et al. An accurate estimation of bone density improves the accuracy of subject-specific finite element models. Journal of Biomechanics. 41 (11), 2483-2491 (2008).
- Dall’ara, E., et al. A nonlinear QCT-based finite element model validation study for the human femur tested in two configurations in vitro. Bone. 52 (1), 27-38 (2013).
- Perilli, E., Parkinson, I. H., Reynolds, K. J. Micro-CT examination of human bone: from biopsies towards the entire organ. Annali dell’Istituto Superiore di Sanità. 48 (1), 75-82 (2012).
- Wearne, L. S., Rapagna, S., Taylor, M., Perilli, E. Micro-CT scan optimisation for mechanical loading of tibia with titanium tibial tray: A digital volume correlation zero strain error analysis. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 134, 105336 (2022).
- Bennett, K. J., et al. Ex vivo assessment of surgically repaired tibial plateau fracture displacement under axial load using large-volume micro-CT. Journal of Biomechanics. 144, 111275 (2022).
- Falcinelli, C., et al. Multiple loading conditions analysis can improve the association between finite element bone strength estimates and proximal femur fractures: A preliminary study in elderly women. Bone. 67, 71-80 (2014).
- Orthopedic Image Segmentation. Synopsys Available from: https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/ortho-medical-image-segmentation.html (2020)
