Bildgebung des mikrostrukturellen Versagensmechanismus in der menschlichen Hüfte
Summary
Das Protokoll ermöglicht die Messung der Verformung der Knochenmikrostruktur im gesamten proximalen menschlichen Oberschenkelknochen und seiner Zähigkeit durch die Kombination von großvolumigem Mikro-CT-Scanning, einem maßgeschneiderten Kompressionstisch und fortschrittlichen Bildverarbeitungswerkzeugen.
Abstract
Die Abbildung der Knochenmikrostruktur unter progressiv zunehmender Belastung ermöglicht es, das mikrostrukturelle Versagensverhalten des Knochens zu beobachten. Hier beschreiben wir ein Protokoll zur Erstellung einer Sequenz von dreidimensionalen mikrostrukturellen Bildern des gesamten proximalen Femurs unter progressiv zunehmender Verformung, die klinisch relevante Frakturen des Oberschenkelhalses verursacht. Das Protokoll wird anhand von vier Femora von Spenderinnen im Alter von 66 bis 80 Jahren am unteren Ende der Knochenmineraldichte in der Bevölkerung demonstriert (T-Score-Bereich = −2,09 bis −4,75). Ein radiotransparenter Kompressionstisch wurde entwickelt, um die Proben zu belasten, die einen einbeinigen Stand nachahmen, während die aufgebrachte Last während der Mikro-Computertomographie (Mikro-CT) aufgezeichnet wird. Das Sichtfeld war 146 mm breit und 132 mm hoch, die isotrope Pixelgröße betrug 0,03 mm. Die Krafterhöhung basierte auf Finite-Elemente-Vorhersagen der Bruchlast. Die Druckstufe wurde verwendet, um die Verschiebung auf die Probe aufzubringen und die vorgeschriebenen Kraftschritte zu bewirken. Subkapitale Frakturen durch Öffnung und Scherung des Schenkelhalses traten nach vier bis fünf Belastungsschritten auf. Die Mikro-CT-Bilder und die Reaktionskraftmessungen wurden verarbeitet, um die Knochendehnung und die Energieabsorptionskapazität zu untersuchen. Eine Instabilität des Kortex trat bei den frühen Belastungsschritten auf. Der subchondrale Knochen im Hüftkopf zeigte große Verformungen von bis zu 16 % vor der Fraktur und eine fortschreitende Zunahme der Stützkapazität bis zur Fraktur. Die Verformungsenergie stieg linear mit der Verschiebung bis zum Bruch an, während die Steifigkeit unmittelbar vor dem Bruch auf Werte nahe Null abnahm. Drei Viertel der Bruchenergie wurden von der Probe während des letzten Kraftanstiegs von 25 % aufgenommen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das entwickelte Protokoll eine bemerkenswerte Energieabsorptionskapazität oder Schadenstoleranz und eine synergistische Interaktion zwischen kortikalem und trabekulärem Knochen im fortgeschrittenen Spenderalter aufzeigte.
Introduction
Frakturen des Oberschenkelhalses sind eine große Belastung für die alternde Bevölkerung. Die mikrocomputertomographische Bildgebung (Mikro-CT) und die begleitende mechanische Prüfung ermöglichen es, die Mikrostruktur des Knochens zu beobachten und ihre Beziehung zur Knochenfestigkeit, ihre altersbedingten Veränderungen und Verschiebungen unter Belastung zu untersuchen 1,2. Bis vor kurzem waren Mikro-CT-Untersuchungen von Knochen unter Belastung jedoch auf exzidierte Knochenkerne3, Kleintiere4 und menschliche Wirbelsäuleneinheiten5 beschränkt. Das vorliegende Protokoll kann die Verschiebung der Mikrostruktur des gesamten proximalen menschlichen Femurs unter Belastung und nach einer Fraktur quantifizieren.
Es wurden mehrere Studien durchgeführt, um das Versagen des menschlichen Oberschenkelknochens zu untersuchen, und manchmal kamen diese zu gegensätzlichen Ergebnissen. Zum Beispiel wird angenommen, dass die altersbedingte Ausdünnung der kortikalen und trabekulären Strukturen die altersbedingte Frakturanfälligkeit bestimmt, indem sie eine elastische Instabilität des Knochens verursacht6,7, was in offensichtlichem Gegensatz zu dem hohen Bestimmungskoeffizienten der kortikalen Dehnung und der Vorhersagen der Femurfestigkeit steht, die keine elastische Instabilität annehmen (R2 = 0,80-0,97)8,9. Nichtsdestotrotz haben solche Studien die femorale Festigkeit systematisch unterschätzt (um 21%-29%), was die in den Modellen implementierten spröden und quasi-spröden Knochenreaktionen in Frage stellt 8,10. Eine mögliche Erklärung für diese scheinbar gegensätzlichen Befunde könnte in einem anderen Frakturverhalten ganzer Knochen im Vergleich zu isolierten Knochenkernen liegen. Daher kann die Beobachtung der Deformations- und Frakturreaktionen der Knochenmikrostruktur in ganzen proximalen Oberschenkelknochen das Wissen über die Mechanik von Hüftfrakturen und verwandte Anwendungen erweitern.
Derzeitige Methoden zur Abbildung ganzer menschlicher Knochen mit mikrometrischer Auflösung sind begrenzt. Die Gantry und die Detektorgröße müssen ein geeignetes Arbeitsvolumen für den menschlichen proximalen Oberschenkelknochen (ca. 13 cm x 10 cm, Breite x Länge) und möglicherweise eine Pixelgröße in der Größenordnung von 0,02 bis 0,03 mm bereitstellen, um sicherzustellen, dass relevante mikroarchitektonische Merkmale erfasst werden können11. Diese Spezifikationen können derzeit von einigen Synchrotronanlagen1 und einigen kommerziell erhältlichen großvolumigen Mikro-CT-Scannern12,13 erfüllt werden. Die Druckstufe muss radiotransparent sein, um die Röntgenstrahlung zu minimieren und gleichzeitig eine Kraft zu erzeugen, die ausreicht, um eine Fraktur des menschlichen Oberschenkelknochens zu verursachen (z. B. zwischen 0,9 kN und 14,3 kN bei älteren weißen Frauen)14. Diese große Bruchlastvariation erschwert die Planung der Anzahl der zu brechenden Lastschritte, der Gesamtversuchszeit und der entsprechenden Datenmenge. Um dieses Problem zu lösen, können die Frakturlast und -lokalisation mittels Finite-Elemente-Modellierung geschätzt werden, indem die Knochendichteverteilung der Probe aus klinischen Computertomographie-Bildern (CT) verwendet wird 1,2. Nach dem Experiment muss die große Menge an generierten Daten schließlich verarbeitet werden, um die Versagensmechanismen und die Energiedissipationskapazität im gesamten menschlichen Oberschenkelknochen zu untersuchen.
Hier beschreiben wir ein Protokoll zur Gewinnung einer Sequenz von dreidimensionalen mikrostrukturellen Bildern des gesamten proximalen Femurs unter progressiv zunehmender Verformung, die klinisch relevante Frakturen des Oberschenkelhalses verursacht2. Das Protokoll umfasst die Planung der schrittweisen Inkrementierung der Probenkompression, die Belastung über einen kundenspezifischen radiotransparenten Kompressionstisch, die Bildgebung über einen großvolumigen Mikro-CT-Scanner sowie die Verarbeitung der Bilder und der Belastungsprofile.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das vorliegende Protokoll ermöglicht es, die verstrichene Mikromechanik von Hüftfrakturen in drei Dimensionen ex vivo zu untersuchen. Eine radiotransparente (Aluminium-)Druckstufe, die in der Lage ist, eine progressive Verformung auf die proximale Hälfte des menschlichen Oberschenkelknochens anzuwenden und die Reaktionskraft zu messen, wurde speziell entwickelt, hergestellt und getestet. Ein großvolumiger Mikro-CT-Scanner wird in diesem Protokoll verwendet, um eine zeitliche Abfolge von Bildvolumina zu liefe…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Förderung durch den Australian Research Council (FT180100338; IC190100020) wird dankbar zur Kenntnis genommen.
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)
