Imaging del meccanismo di cedimento microstrutturale nell'anca umana

Le fratture del collo del femore sono un onere importante per la popolazione anziana. L’imaging con tomografia microcomputerizzata (micro-TC) e i conseguenti test meccanici consentono di osservare la microstruttura ossea e di studiarne la relazione con la resistenza ossea, i cambiamenti legati all’età e gli spostamenti sotto carico ^1,2. Tuttavia, fino a poco tempo fa, gli studi di micro-TC dell’osso sotto carico erano limitati ai nuclei ossei asportati³, ai piccoli animali⁴ e alle unità della colonna vertebrale umana⁵. Il presente protocollo è in grado di quantificare lo spostamento della microstruttura dell’intero femore umano prossimale sotto carico e dopo una frattura.

Diversi studi sono stati condotti per indagare il cedimento del femore umano e, a volte, questi hanno raggiunto conclusioni contrastanti. Ad esempio, si ritiene che l’assottigliamento delle strutture corticali e trabecolari correlato all’età determini la suscettibilità alla frattura legata all’età causando instabilità elastica dell’osso^6,7, che è in apparente contrasto con l’alto coefficiente di determinazione delle previsioni di deformazione corticale e forza femorale assumendo l’assenza di instabilità elastica (R² = 0,80-0,97)^8,9. Ciononostante, tali studi hanno sistematicamente sottostimato la resistenza femorale (del 21%-29%), mettendo così in discussione le risposte ossee fragili e quasi fragili implementate nei modelli ^8,10. Una possibile spiegazione per questi risultati apparentemente contrastanti potrebbe risiedere in un diverso comportamento di frattura di intere ossa rispetto ai nuclei ossei isolati. Pertanto, l’osservazione delle risposte alla deformazione e alla frattura della microstruttura ossea in interi femori prossimali può far progredire la conoscenza della meccanica della frattura dell’anca e delle relative applicazioni.

I metodi attuali per l’imaging di intere ossa umane con risoluzione micrometrica sono limitati. Il gantry e le dimensioni del rivelatore devono fornire un volume di lavoro adeguato per ospitare il femore prossimale umano (circa 13 cm x 10 cm, larghezza x lunghezza) e possibilmente una dimensione dei pixel dell’ordine di 0,02-0,03 mm per garantire che le caratteristiche microarchitettoniche rilevanti possano essere catturate¹¹. Queste specifiche possono attualmente essere soddisfatte da alcuni impianti di sincrotrone¹ e da alcuni scanner micro-CT di grandi volumi disponibili in commercio^12,13. La fase di compressione deve essere radiotrasparente per ridurre al minimo l’attenuazione dei raggi X e generare una forza sufficiente a causare una frattura al femore umano (ad esempio, tra 0,9 kN e 14,3 kN per le donne bianche anziane)¹⁴. Questa grande variazione del carico di frattura complica la pianificazione del numero di fasi di carico da fratturare, il tempo complessivo dell’esperimento e la corrispondente quantità di dati prodotti. Per risolvere questo problema, il carico e la posizione della frattura possono essere stimati tramite modellazione agli elementi finiti utilizzando la distribuzione della densità ossea del campione dalle immagini cliniche di tomografia computerizzata (TC) ^1,2. Infine, dopo l’esperimento, il grande volume di dati generati deve essere elaborato per studiare i meccanismi di guasto e la capacità di dissipazione dell’energia nell’intero femore umano.

In questo articolo descriviamo un protocollo per ottenere una sequenza di immagini microstrutturali tridimensionali dell’intero femore prossimale in deformazione progressivamente crescente, che provoca fratture clinicamente rilevanti del collo del femore². Il protocollo include la pianificazione dell’incremento graduale della compressione del campione, il caricamento tramite uno stadio di compressione radiotrasparente personalizzato, l’imaging tramite uno scanner micro-CT di grande volume e l’elaborazione delle immagini e dei profili di carico.