Beeldvorming van het microstructurele faalmechanisme in de menselijke heup
Summary
Het protocol maakt het mogelijk om de vervorming van de botmicrostructuur in het gehele proximale menselijke dijbeen en de taaiheid ervan te meten door micro-CT-scans met een groot volume, een op maat gemaakte compressiefase en geavanceerde beeldverwerkingstools te combineren.
Abstract
Door de microstructuur van het bot onder steeds toenemende belasting in beeld te brengen, kan het microstructurele faalgedrag van bot worden geobserveerd. Hier beschrijven we een protocol voor het verkrijgen van een sequentie van driedimensionale microstructurele beelden van het volledige proximale dijbeen onder progressief toenemende vervorming, waardoor klinisch relevante fracturen van de femurhals ontstaan. Het protocol wordt gedemonstreerd met behulp van vier femora van vrouwelijke donoren in de leeftijd van 66-80 jaar aan de onderkant van de botmineraaldichtheid in de populatie (T-scorebereik = -2,09 tot -4,75). Er werd een radio-transparante compressietafel ontworpen voor het laden van de monsters die een houding met één been nabootsen, terwijl de uitgeoefende belasting werd geregistreerd tijdens microcomputertomografie (micro-CT) beeldvorming. Het gezichtsveld was 146 mm breed en 132 mm hoog, en de isotrope pixelgrootte was 0,03 mm. De krachttoename was gebaseerd op eindige-elementenvoorspellingen van de breukbelasting. De druktrap werd gebruikt om de verplaatsing op het monster toe te passen en de voorgeschreven krachtstappen uit te voeren. Subkapitaalfracturen als gevolg van openen en afschuiving van de femurhals traden op na vier tot vijf belastingsstappen. De micro-CT-beelden en de reactiekrachtmetingen werden verwerkt om de botbelasting en het energieabsorptievermogen te bestuderen. Instabiliteit van de cortex trad op bij de vroege laadstappen. Het subchondrale bot in de heupkop vertoonde grote vervormingen tot 16% vóór de fractuur, en een progressieve toename van de ondersteuningscapaciteit tot aan de fractuur. De vervormingsenergie nam lineair toe met de verplaatsing tot aan de breuk, terwijl de stijfheid vlak voor de breuk afnam tot bijna nulwaarden. Driekwart van de breukenergie werd door het monster afgenomen tijdens de laatste krachttoename van 25%. Concluderend onthulde het ontwikkelde protocol een opmerkelijke energieabsorptiecapaciteit, of schadetolerantie, en een synergetische interactie tussen het corticale en trabeculaire bot op een gevorderde donorleeftijd.
Introduction
Fracturen van de femurhals zijn een grote last voor de vergrijzende bevolking. Microcomputertomografie (micro-CT) beeldvorming en gelijktijdige mechanische tests maken het mogelijk om de microstructuur van het bot te observeren en de relatie met botsterkte, de leeftijdsgebonden veranderingen en verplaatsingen onder belasting te bestuderen 1,2. Tot voor kort waren micro-CT-onderzoeken van bot onder belasting echter beperkt tot uitgesneden botkernen3, kleine dieren4 en menselijke wervelkolomeenheden5. Het huidige protocol kan de verplaatsing van de microstructuur van het gehele proximale menselijke dijbeen onder belasting en na een fractuur kwantificeren.
Er zijn verschillende onderzoeken uitgevoerd om het falen van het menselijk dijbeen te onderzoeken, en soms zijn deze tot contrasterende conclusies gekomen. Zo wordt bijvoorbeeld aangenomen dat het leeftijdsgebonden dunner worden van de corticale en trabeculaire structuren de leeftijdsgebonden gevoeligheid voor fracturen bepaalt door elastische instabiliteit van het botte veroorzaken 6,7, wat in duidelijk contrast staat met de hoge coëfficiënt voor het bepalen van corticale rek en femursterktevoorspellingen ervan uitgaande dat er geen elastische instabiliteit is (R2 = 0,80-0,97)8,9. Niettemin hebben dergelijke studies de femorale sterkte systematisch onderschat (met 21%-29%), waardoor de brosse en quasi-broze botresponsen die in de modellen zijn geïmplementeerd, in twijfel worden getrokken 8,10. Een mogelijke verklaring voor deze ogenschijnlijk contrasterende bevindingen kan liggen in een ander fractuurgedrag van hele botten in vergelijking met geïsoleerde botkernen. Daarom kan het observeren van de vervormings- en fractuurreacties van de botmicrostructuur in volledige proximale dijbenen de kennis van de mechanica van heupfracturen en gerelateerde toepassingen bevorderen.
De huidige methoden voor het afbeelden van volledige menselijke botten met micrometrische resolutie zijn beperkt. Het portaal en de grootte van de detector moeten een geschikt werkvolume bieden voor het menselijk proximale dijbeen (ongeveer 13 cm x 10 cm, breedte x lengte) en eventueel een pixelgrootte in de orde van grootte van 0,02-0,03 mm om ervoor te zorgen dat relevante microarchitecturale kenmerken kunnen worden vastgelegd11. Aan deze specificaties kan momenteel worden voldaan door sommige synchrotronfaciliteiten1 en sommige in de handel verkrijgbare micro-CT-scanners met een groot volume12,13. De compressiefase moet radiotransparant zijn om de verzwakking van de röntgenstraling tot een minimum te beperken en tegelijkertijd een kracht te genereren die voldoende is om een breuk in het menselijk dijbeen te veroorzaken (bijv. tussen 0,9 kN en 14,3 kN voor oudere blanke vrouwen)14. Deze grote variatie in breukbelasting bemoeilijkt de planning van het aantal belastingsstappen om te breken, de totale experimenttijd en de overeenkomstige hoeveelheid geproduceerde gegevens. Om dit probleem aan te pakken, kunnen de fractuurbelasting en -locatie worden geschat via eindige-elementenmodellering door gebruik te maken van de botdichtheidsverdeling van het monster uit klinische computertomografie (CT)-beelden 1,2. Ten slotte moet na het experiment de grote hoeveelheid gegenereerde gegevens worden verwerkt voor het bestuderen van de faalmechanismen en de energiedissipatiecapaciteit in het gehele menselijke dijbeen.
Hier beschrijven we een protocol voor het verkrijgen van een sequentie van driedimensionale microstructurele beelden van het gehele proximale dijbeen onder progressief toenemende vervorming, die klinisch relevante fracturen van de femurhals veroorzaakt2. Het protocol omvat het plannen van de stapsgewijze toename van de compressie van het sample, het laden via een aangepaste radiotransparante compressietrap, beeldvorming via een micro-CT-scanner met een groot volume en het verwerken van de beelden en de belastingsprofielen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het huidige protocol maakt het mogelijk om de tijdsverlooptijd micromechanica van heupfracturen in drie dimensies ex vivo te bestuderen. Een radiotransparante (aluminium) druktafel die in staat is om een progressieve vervorming toe te passen op de proximale helft van het menselijk dijbeen en de reactiekracht te meten, is op maat ontworpen, vervaardigd en getest. In dit protocol wordt een micro-CT-scanner met een groot volume gebruikt om een temporele opeenvolging van beeldvolumes te bieden die het volledige prox…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financiering van de Australian Research Council (FT180100338; IC190100020) wordt dankbaar erkend.
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)
