Визуализация механизма микроструктурного разрушения тазобедренного сустава человека
Summary
Протокол позволяет измерять деформацию микроструктуры кости во всем проксимальном отделе бедренной кости человека и ее прочность, сочетая микрокомпьютерную томографию большого объема, компрессионную стадию, изготовленную по индивидуальному заказу, и передовые инструменты обработки изображений.
Abstract
Визуализация микроструктуры кости при прогрессивно возрастающих нагрузках позволяет наблюдать за поведением микроструктурного разрушения кости. В данной работе мы описываем протокол получения последовательности трехмерных микроструктурных изображений всего проксимального отдела бедренной кости при прогрессивно нарастающей деформации, вызывающей клинически значимые переломы шейки бедренной кости. Протокол продемонстрирован на примере четырех бедренных костей доноров женского пола в возрасте 66-80 лет с нижней границей минеральной плотности костной ткани в популяции (диапазон Т-критерия = от −2,09 до −4,75). Радиопрозрачный компрессионный столик был разработан для нагружения образцов, воспроизводящих стойку на одной ноге, с одновременным регистрированием приложенной нагрузки при микрокомпьютерной томографии (микро-КТ). Поле зрения составляло 146 мм в ширину и 132 мм в высоту, а размер изотропного пикселя — 0,03 мм. Приращение силы было основано на конечно-элементных прогнозах нагрузки на разрушение. Стадия сжатия использовалась для приложения смещения к образцу и введения заданного приращения усилия. Субкапитальные переломы из-за вскрытия и сдвига шейки бедренной кости происходили после четырех-пяти приращений нагрузки. Микро-КТ-изображения и измерения силы реакции были обработаны для изучения деформации кости и способности поглощать энергию. Нестабильность коры головного мозга проявилась на ранних этапах нагрузки. Субхондральная кость головки бедренной кости демонстрировала большие деформации, достигавшие 16% до перелома, и прогрессирующее увеличение опорной способности вплоть до перелома. Энергия деформации линейно возрастала со смещением вплоть до разрушения, в то время как жесткость снижалась до околонулевых значений непосредственно перед разрушением. Три четверти энергии разрушения было поглощено образцом во время заключительного 25-процентного приращения силы. В заключение, разработанный протокол показал замечательную способность поглощать энергию, или устойчивость к повреждениям, а также синергетическое взаимодействие между кортикальной и трабекулярной костью в пожилом возрасте донора.
Introduction
Переломы шейки бедренной кости являются серьезным бременем для стареющего населения. Микрокомпьютерная томография (микро-КТ) и сопутствующее механическое исследование позволяют наблюдать микроструктуру кости и изучать ее связь с прочностью кости, ее возрастными изменениями и смещениями под нагрузкой 1,2. Однако до недавнего времени микро-КТ исследований костей под нагрузкой ограничивались иссеченными костными ядрами3, мелкими животными4 и позвоночником человека5. Настоящий протокол позволяет количественно оценить смещение микроструктуры всего проксимального отдела бедренной кости человека под нагрузкой и после перелома.
Было проведено несколько исследований по изучению недостаточности бедренной кости человека, и иногда они приходили к противоположным выводам. Например, считается, что возрастное истончение кортикальных и трабекулярных структур определяет возрастную предрасположенность к переломам, вызывая эластическую нестабильность кости6,7, что явно контрастирует с высоким коэффициентом определения деформации коры и прогнозов прочности бедренной кости при условии отсутствия эластической нестабильности (R2 = 0,80-0,97)8,9. Тем не менее, такие исследования систематически недооценивали прочность бедренной кости (на 21%-29%), что ставит под сомнение хрупкие и квазихрупкие костные реакции, реализованные в моделях 8,10. Одно из возможных объяснений этих, казалось бы, противоречащих друг другу результатов может заключаться в различном поведении при переломе целых костей по сравнению с изолированными костными ядрами. Таким образом, наблюдение за реакцией на деформацию и перелом микроструктуры кости во всем проксимальном отделе бедренной кости может углубить знания о механике перелома бедра и связанных с ней приложениях.
Существующие методы визуализации целых костей человека с микрометрическим разрешением ограничены. Размер портала и детектора должен обеспечивать подходящий рабочий объем для размещения проксимального отдела бедренной кости человека (примерно 13 см x 10 см, ширина x длина) и, возможно, размер пикселя порядка 0,02-0,03 мм, чтобы обеспечить возможность захвата соответствующих микроархитектурных элементов11. В настоящее время этим спецификациям могут соответствовать некоторые синхротронныеустановки1 и некоторые коммерчески доступные микрокомпьютерные томографыбольшого объема 12,13. Компрессионная ступень должна быть радиопрозрачной, чтобы свести к минимуму ослабление рентгеновского излучения и создать силу, достаточную для того, чтобы вызвать перелом бедренной кости человека (например, от 0,9 кН до 14,3 кН для пожилых белых женщин)14. Такое большое изменение нагрузки на трещину усложняет планирование количества этапов нагружения до разрушения, общего времени эксперимента и соответствующего объема получаемых данных. Для решения этой проблемы нагрузка и локализация перелома могут быть оценены с помощью конечно-элементного моделирования с использованием распределения плотности костной ткани образца по изображениям клинической компьютерной томографии (КТ) 1,2. Наконец, после эксперимента большой объем полученных данных необходимо обработать для изучения механизмов отказа и способности к диссипации энергии во всей бедренной кости человека.
Здесь мы описываем протокол получения последовательности трехмерных микроструктурных изображений всего проксимального отдела бедренной кости при прогрессивно нарастающей деформации, которая вызывает клинически значимые переломы шейки бедренной кости2. Протокол включает в себя планирование ступенчатого приращения сжатия образца, нагружение с помощью специальной радиопрозрачной компрессионной ступени, визуализацию с помощью микрокомпьютерного томографа большого объема и обработку изображений и профилей нагрузки.
Protocol
Representative Results
Discussion
Настоящий протокол позволяет изучать микромеханику переломов шейки бедра в трех измерениях ex vivo. Радиопрозрачная (алюминиевая) компрессионная ступень, способная оказывать прогрессирующую деформацию на проксимальную половину бедренной кости человека и измерять силу реакции, бы?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Финансирование со стороны Австралийского исследовательского совета (FT180100338; IC190100020) с благодарностью.
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)
