ヒト股関節の微細構造破壊機構のイメージング

大腿骨頸部の骨折は、高齢化社会にとって大きな負担となっています。マイクロコンピュータ断層撮影(マイクロCT)イメージングとそれに付随する機械的検査により、骨の微細構造を観察し、骨強度、加齢に伴う変化、および負荷下での変位との関係を研究することができます^1,2。しかし、最近まで、負荷がかかった状態での骨のマイクロCT研究は、切除された骨芯³、小動物⁴、およびヒト脊椎ユニット⁵に限定されていました。本プロトコルは、荷重下および骨折後の近位ヒト大腿骨全体の微細構造の変位を定量化することができる。

人間の大腿骨の障害を調査するためにいくつかの研究が行われており、時には対照的な結論に達しています。例えば、皮質構造および海綿構造の加齢に伴う薄化は、骨の弾性不安定性を引き起こすことによって加齢に伴う骨折感受性を決定すると考えられ^ており6,7、これは、弾性不安定性がないと仮定した場合の皮質緊張および大腿骨強度予測の高い決定係数(^R2 = 0.80-0.97)^8,9とは明らかに対照的である.それにもかかわらず、そのような研究は体系的に大腿骨の強度を過小評価しており(21%〜29%)、したがって^{、モデルで}実装された脆性および準脆性骨応答に疑問を投げかけています^8,10。これらの明らかに対照的な所見の1つの可能な説明は、孤立した骨コアと比較して骨全体の骨折挙動が異なることにある可能性があります。したがって、大腿骨近位部全体の骨微細構造の変形と骨折応答を観察することは、大腿骨骨折力学および関連するアプリケーションに関する知識を深める可能性があります。

マイクロメトリック分解能で人骨全体をイメージングする現在の方法は限られています。ガントリーと検出器のサイズは、ヒトの大腿骨近位部をホストするのに適した作業容積(約13 cm x 10 cm、幅 x 長さ)と、関連するマイクロアーキテクチャの特徴を確実に捕捉できるように、場合によっては0.02〜0.03 mmのオーダーのピクセルサイズを提供する必要があります¹¹。これらの仕様は、現在、一部の放射光施設¹と市販の大容量マイクロCT^{スキャナー12,13}で満たすことができる。圧縮段階は、人間の大腿骨に骨折を引き起こすのに十分な力(例えば、高齢の白人女性の場合0.9 kNから14.3 kNの間)を発生させながら、X線の減衰を最小限に抑えるために、放射線透過性でなければなりません¹⁴。この大きな破壊荷重変動は、破砕する荷重ステップ数、全体的な実験時間、およびそれに対応する生成されるデータ量の計画を複雑にします。この問題に対処するために、臨床コンピュータ断層撮影(CT^{)画像からの}標本の骨密度分布を使用して、有限要素モデリングによって破壊荷重と位置を推定できます^1,2。最後に、実験後、生成された大量のデータを処理して、人間の大腿骨全体の故障メカニズムとエネルギー散逸能力を研究する必要があります。

ここでは、大腿骨頸部^の臨床的に関連する骨折を引き起こす、徐々に増加する変形の下で大腿骨近位部全体の一連の3次元微細構造画像を取得するためのプロトコルについて説明します2。このプロトコルには、検体圧縮の段階的な増分の計画、カスタムの放射線透過性圧縮ステージ を介した ロード、大容量のマイクロCTスキャナー による イメージング、および画像とロードプロファイルの処理が含まれます。