إعداد عظم الفخذ القريبة المتوفين دماغيا لتحليل العناصر المحدودة مقرها CT-كسر قوة اختبار والكمي

Summary

نقدم بروتوكول قوي حول كيفية الحفاظ على بعناية وإعداد أفخاذ؛ فخذان جثي لاختبار الكسر والكمي محسوب التصوير المقطعي. يوفر طريقة مراقبة دقيقة على شروط المدخلات لغرض تحديد العلاقات بين كثافة المعادن في العظام، وقوة الانكسار، وتحديد محدودة الهندسة نموذج عنصر والممتلكات.

Abstract

يستخدم اختبار الكسر جثي بشكل روتيني لفهم العوامل التي تؤثر على قوة عظم الفخذ القريبة. لأنه خارج الجسم الحي الأنسجة البيولوجية عرضة لتفقد ممتلكاتهم الميكانيكية مع مرور الوقت، العينات التحضير للاختبار التجريبي يجب إجراء بعناية للحصول على نتائج موثوقة أن تمثل في ظروف الجسم الحي. لهذا السبب، قمنا بتصميم بروتوكول ومجموعة من التجهيزات لتحضير العينات الفخذ بحيث خصائصها الميكانيكية شهدت تغيرات طفيفة. وأبقى أفخاذ؛ فخذان في حالة تجمد إلا خلال خطوات إعداد واختبار الميكانيكية. تم الحصول على التدابير السريرية ذات الصلة من الورك والفخذ كثافة الرقبة المعادن في العظام (BMD) مع سريري مزدوج قياس امتصاص الأشعة السينية (DXA) مقياس كثافة العظام، والتي تم الحصول عليها هندسة وتوزيع المعادن في العظام 3D باستخدام التصوير المقطعي مع الوهمية المعايرة ل التقديرات الكمية على أساس القيم اللون الرمادي. أي من الممكن أمراض العظام، كسور، أو وجود يزرع أو القطع الأثرية التي تؤثر على الهيكل العظمي، وقد استبعد مع بالاشعة السينية. لإعداد، وتم تنظيف جميع العظام بعناية من الأنسجة اللينة الزائدة، وقطعت وبوعاء في زاوية دوران الداخلية المثيرة للاهتمام. يسمح لاعبا اساسيا قطع نهاية البعيدة للعظم أن تقطع ترك عظم الفخذ القريبة في الطول المطلوب. للسماح المواقع من عنق الفخذ في زوايا المقررة خلال وقت لاحق من مسح CT والاختبارات الميكانيكية، وبوعاء مهاوي الفخذ القريبة في البولى (PMMA) باستخدام لاعبا اساسيا مصممة خصيصا لتوجهات المطلوب. ثم تم استخدام البيانات التي تم جمعها من تجاربنا للتأكد من صحة الكمي التصوير المقطعي المحوسب (كيو سي تي) المستندة إلى تحليل العناصر المحدودة (الهيئة الاتحادية للبيئة)، كما هو موضح في بروتوكول آخر. في هذه المخطوطة، نقدم بروتوكول لإعداد العظام دقيق لاختبار الميكانيكية ولاحق النمذجة كيو سي تي / الهيئة الاتحادية للبيئة. تم تطبيق البروتوكول الحالي بنجاح لإعداد حوالي 200 نذلأفخاذ؛ فخذان averic على مدى فترة زمنية مدتها 6 سنوات.

Introduction

Determining the true cadaveric proximal femoral fracture strength with mechanical testing is a destructive method that requires a rigorous testing approach for accurate measurements. In particular, proper bone preparation methods are necessary to maintain near in vivo integrity of the bones prior to mechanical fracture testing¹. This is achieved by proper bone storage and minimizing handling at room temperature. This test data is extensively used to validate QCT/FEA models of femoral fracture which have the potential to be used clinically to understand the fracture risk, especially in osteoporotic patients. Unfortunately, there is no current standard procedure to prepare proximal femur samples for mechanical testing. A good testing procedure should ensure repeatability and reproducibility of the preparation process. Therefore, fixtures required for sample preparation need to be carefully designed and fabricated to minimize the likelihood of various testing errors. We also need to minimize the preparation time for which bone tissue is at room temperature and thus in danger of degradation with irreversible changes in mechanical properties.

To this end, we have developed a procedure that preserves bone tissue across multiple preparation steps. This is important to ensure minimal exposure time at room temperature while also minimizing the number of freeze/thaw cycles which can affect tissue physical properties². The entire procedure is long and nontrivial as the steps occurred over multiple weeks and required scheduling for scanning procedures and personnel availability. The steps included thawing bone samples, screening the samples using DXA scanning to obtain bone mineral density (BMD) values, X-ray to rule out any diseased specimens, and finally CT scanning to estimate distribution of bone mineral and femoral geometry. All the specimens were prepared for testing by removing extraneous soft tissues from the bone surface, cutting the femur to a length required for testing, and potting the femur in a desired orientation for simulating a sideways fall on the hip during subsequent testing. It is essential to keep the time period for all these operations as short as possible. A robust protocol is thus mandatory for consistent specimen preparation, tissue preservation between steps, and for reducing the overall preparation time.

The aim of this paper is to present in detail the procedures involved in the preparation of femoral samples for subsequent mechanical testing under various conditions. Preservation of the bone tissue is crucial in this process and we achieved it by keeping specimens frozen between steps and keeping them carefully wrapped in saline saturated towels at all times except when scanning and mechanically testing the bones. Femora were also kept wrapped in saline wet towels during the steps involving PMMA curing to prevent dryness of the bone tissue.

Protocol

ملاحظة: تمت الموافقة على جميع الدراسات المقدمة في هذا البروتوكول من قبل مجلس المراجعة المؤسسية (IRB) في مايو كلينيك. وقد تم الحصول على عظام على مدى 6 سنوات من المنظمات المختلفة. وقد تم جمع جميع العينات خلال 72 ساعة من الموت، ملفوفة في المياه المالحة المشبعة والمناشف، وتخزينها في -20 درجة مئوية حتى إعداد.

1. قياس كثافة العظام المعدنية عن طريق DXA

1. إزالة العينات المحفوظة في الثلاجة -20 درجة مئوية لذوبان الجليد في درجة حرارة الغرفة لمدة 24 ساعة. العينات لا تحتاج إلى إزالتها من التعبئة والتغليف الأصلي إذا تمت إزالة معظم الأنسجة اللينة.
2. استخدام اثنين من 5 رطل أكياس من الأرز لحساب الأنسجة اللينة. تغطية أكياس الأرز اثنين على الطاولة DXA مع أكياس البلاستيك لمنع التلوث. فإن أكياس الأرز محاكاة المحيطة الأنسجة الرخوة (في الجسم الحي) خلال المسح كما هو مبين في الشكل 1.
3. حماية سطح الماسح الضوئي DXA مع مبطنة بالبلاستيك ورقة وضعت 2 بلاستيكية ملفوفة ريأكياس م على الطاولة الماسح الضوئي (الشكل 1A).
4. وضع 2 أفخاذ؛ فخذان (اليمين واليسار) على رأس أكياس الأرز بحيث يتركز نهاية الداني (بما في ذلك رأس الفخذ) على الحقائب والجانب الخلفي لأسفل (الشكل 1B). هذا يحاكي المريض مستلقيا على ظهورهم.
5. غطاء الأمامي / يتعرض نهاية عظم الفخذ القريبة مع اثنين من أكياس الأرز 5 رطل إضافية (الشكل 1C).
6. رئيس الجهاز الموقف على عظم الفخذ القريبة ومسح عظم الفخذ وفقا للإجراء مؤسسي موحد لقياس كثافة المعادن بالعظام المريض (الشكل 1C). اتبع إرشادات الشركة المصنعة معينة DXA.
   1. من واجهة البرنامج آلة DXA إجراء فحص عظم الفخذ الطبيعي. حدد الامتحان عظم الفخذ، وضع الذراع DXA على رأس عظم الفخذ جثي عن طريق الضغط على السهم الأيسر أو الأيمن وفقا لذلك على الذراع DXA، وبدء الامتحان عن طريق النقر على زر "البدء". إجراء تحليل كثافة المعادن بالعظام عن طريق النقر على "تحليل".
      ليسE: الناتج الآلي T-درجة من الفحص يصنف العظام كالمعتاد، قلة العظم أو هشاشة العظام (1D الشكل). اتبع إرشادات الشركة المصنعة معينة DXA.

2. تنظيف، قطع وحفر والقاصي نهاية العظام

1. تنظيف 300 ملم معظم القريبة من عظم الفخذ عن طريق إزالة بعناية أي نوع من الأنسجة الناعمة المتبقي من العظام. هناك حاجة إلى هذه الخطوة للسماح PMMA في الاتصال العظم أثناء عملية بوتينغ في التحضير للاختبار الميكانيكية. ليس من الضروري أن إذابة العظام لدرجة حرارة الغرفة لهذه العملية.
2. تطهير مساحة العمل مع 70٪ ايزوبروبيل وتغطية الجدول مع منصات ورقة ماصة مع فيلم من البلاستيك على جانب واحد (الشكل 2A). تعيين عظم الفخذ كله على الطاولة (الشكل 2B) عن العملية برمتها بدءا من تنظيف لقطع (الشكل 2A إلى 2H). ارتداء معدات الوقاية الشخصية (PPE) بما في ذلك القفازاتوحماية العين.
3. كشط غشاء العظم الزائد وقطع الأنسجة الزائدة باستخدام مكشطة ومشرط (الشكل 2C، 2H).
4. وضع العظام في قطع اعبا اساسيا حسب الطلب كما هو مبين في الشكل 2D مع رأس عظم الفخذ ضد لوحة اكريليك من المباراة.
5. محاذاة مع الاستمرار على diaphysis ضد اثنين من المسامير لاعبا اساسيا على القطع (الشكل 2D).
6. تأمين العظام لاعبا اساسيا من خلال تشديد أسفل لوحة فترة زمنية محددة على diaphysis. إذا العظام لا الاستلقاء على المباراة، شنق القاصي نهاية قبالة أعلى الجدول وأيضا البريدي اختياريا ربط عنق الفخذ حسب الحاجة لعقد العينة في مكان (الشكل 2D).
7. قطع رمح القاصي عظم الفخذ باستخدام قطع الزهر (الشكل 2E) من خلال لوحة فترة زمنية محددة كدليل. عقد العظام مع قطعة قماش جافة / منشفة لقبضة أفضل.
8. إزالة العظام من المباراة. طبيعي طول العظام بعد قطع 255 مم (الشكل2F).
9. تنظيف تجويف النخاع من نخاع باستخدام مجرفة حوالي 25 ملم عميقة. ثم، تضاف اسفنجة شاش للمساعدة في تجفيف السطح الداخلي. إزالة الشاش فقط قبل وضعها في نهاية البعيدة للعظم الفخذ في القالب. قبضة العظام بمنشفة جافة / خرقة وحفر حفرة 10 ملم خلال نهاية البعيدة بحوالي 25 ملم من نهاية الداني قطع من العينة. ملاحظة: هذا هو السماح للPMMA لاختراق القناة وتأمين العظام بحزم.

3. بوتينغ العظام

1. تصميم والحاويات بوتينغ افتعال. مصنوعة من حاويات بوتينغ من 5 ملم أوراق الأكريليك سميكة ولها أبعاد الخارجية التالية: 50 مم 50 مم المقطع العرضي مربع و 100 مم طويل القامة (الشكل 3A).
2. التسمية بوتينغ حاوية مع تحديد العظام المناسب (الشكل 3A و 3B - راجع التسمية على مربع الاكريليك).
3. ضبط اعبا اساسيا التضمين إلى التوجه السليم (الساق اليسرىأو الساق اليمنى. على سبيل المثال 15 درجة أو 30 درجة دوران الداخلي).
4. وضع حاوية بوتينغ في قاعدة تضمين لاعبا اساسيا، مكان العظام في حاوية بوتينغ (الشكل 3B) ومحاذاة العنق مع المؤشر في المباراة (الشكل 3C) لضبط زاوية دوران الداخلية من العظام إلى القيمة المطلوبة.
5. قياس 60 غرام من مسحوق PMMA وتخلط مع 30 غرام من الراتنج السائل تحت غطاء الدخان حتى يذوب المسحوق. وينبغي أن يكون الخليط القابلة للسكب. استخدام كوب ورقة المتاح لهذه العملية.
6. صب الخليط في وعاء بوتينغ مع العظام تحت غطاء الدخان (الشكل 3D)، والسماح لعلاج لمدة 10-15 دقيقة حتى PMMA واضح والثابت. هذا يجب أن تملأ فقط ~ 1/2 من الحاوية بوتينغ مع PMMA. بعناية التفاف العظام في المياه المالحة المشبعة المناشف لمنع جفاف الأنسجة بسبب الحرارة الجيل أثناء PMMA البلمرة (الشكل 3E).
7. فحص دوري عظم الفخذ للتأكد من أنه لا يزال الانحياز فيحاوية خلال علاج.
8. إزالة عظم الفخذ من مباراة بوتينغ والتفاف مع المياه المالحة غارقة منشفة ورقية (الشكل 3E).
9. إعداد 90 غرام من PMMA تحت غطاء الدخان كما هو موضح في الخطوة 3.5 و ملء حاوية بوتينغ تماما. علاج PMMA لمدة 10-15 دقيقة حتى يصبح من الصعب.
10. بعد أن شفي الراتنج، والتفاف بإحكام / rewrap العظام في المياه المالحة غارقة مناشف ورقية، وتغطي مع حقيبة وتخزين بلاستيكية العينات في -20 درجة مئوية في الفريزر.

4. التصوير العظام بالأشعة السينية

(تنبيه! تعمل مع الرعاية المناسبة للإشعاع الأشعة السينية عند استخدام الجهاز)

1. في حالة استخدام أفلام للأشعة X، وتحويل المطور الأشعة السينية في 20 دقيقة على الأقل (لكل مصنع تعليمات) قبل المسح الضوئي من خلال تحويل اتجاه عقارب الساعة مقبض الباب (في غرفة المطور).
2. تأكد من وجود الفيلم لم يتعرضوا في الكاسيت قبل X-raying. يجب فتح كاسيت فقط في غرفة مظلمة.
3. تحويل الجهاز لفتح وتمديد رئيس الجهاز.
4. وضع عربة تحت المسار من الحزم ووضع الكاسيت على العربة تحت شعاع الشكل (4A).
5. مكان وموقف عظم الفخذ على كاسيت (الشكل 4B)؛ سوف يتم القبض على اثنين من التوجهات: عرض وسطي الاطراف وعرض الأمامي الخلفي. تسمية الصور عينة وفقا لذلك.
6. بعد أول تعرض، مبادلة زمام المبادرة والعظام المواقع.
7. تغطية نصف تتعرض بالفعل مع الرصاص وفضح العظام في التوجه الثاني على الجانب غير معلن. هذا يسمح للمستخدم لاستخدام واحد فيلم الأشعة السينية لعظمة واحدة في اتجاهين (الشكل 4C-D).
8. تغيير الكاسيت وتناوب كل عظم الفخذ في التوجه الثاني.
9. في حالة وجود عظم الفخذ واحد، وتغطي نصف كاسيت مع غطاء من الرصاص لتجنب التعرض الأولي للفيلم كامل للأشعة السينية.
10. تحرك وراء جدار مبطنة الرصاص المحمولة للحماية الشخصية واستخدامها على الزناد لفضحالعظام.
11. عند الانتهاء، العودة رئيس الأشعة السينية لقفل وموقف المخزن، تسليم مفتاح لOFF على آلة الأشعة السينية وإزالة يتعرض فيلم الأشعة السينية.
12. تطوير الفيلم للحصول على صور الأشعة السينية (الشكل 4E) باستخدام مطور الفيلم العادي. بدوره على ضوء أبيض في الغرفة وتحديد موقع المطور الفيلم. بدوره على ضوء أحمر وإيقاف الضوء الأبيض قبل فتح الكاسيت والمضي قدما في عملية فيلم النامية. فتح الكاسيت ووضع الفيلم من خلال المطور. بدوره على ضوء الأبيض وإيقاف الضوء الأحمر مرة واحدة وقد تم تطوير هذا الفيلم.

5. CT مسح العظام

1. إزالة العظام من الفريزر حوالي 24 ساعة قبل المسح. العظام يجب إذابة تماما قبل المسح.
2. واختتم ضمان العظام في أكياس بلاستيكية للمسح الضوئي للحد من تنظيف في نهاية المطاف.
3. مكان وتأمين عظم الفخذ والوهمية المعايرة في الفحص بالاشعة المقطعية اعبا اساسيا (الشكل 5A-B). ووixture يحمل الوهمية المعايرة (الشكل 5C) وأيضا يحمل عظم الفخذ في التوجه (الشكل 5D-E) متطابقة مع الاتجاه المطلوب للاختبار الميكانيكية لاحق. مطلوب هذا التسجيل عبر استخدام بيانات من الفحص بالاشعة المقطعية (الشكل 5F) في عملية النمذجة كيو سي تي / الهيئة الاتحادية للبيئة (الموصوفة في بروتوكول آخر).
   ملاحظة: تم تصميم لاعبا اساسيا بحيث يعرض عظم الفخذ للالفحص بالاشعة المقطعية دون عرقلة عظم الفخذ القريبة (رأس الفخذ والرقبة، وزيادة المدور، ورمح الداني).
4. تأكد من محاذاة اعبا اساسيا الى جانب عظم الفخذ في ماسح التصوير المقطعي بشكل صحيح باستخدام الليزر نظام كمرشدين (الشكل 5D-E). إعادة فحص محاذاة اعبا اساسيا مع CT طويلة الليزر محور (عن طريق الضغط الليزر على زر تشغيل / إيقاف). شبح لا تحتاج إلى أن تتماشى مع الليزر كما هو تأمينها في المباراة. الصفر موقف الجدول من لوحة التحكم في الجهاز عن طريق الضغط على بطو الصفرن (→ 0 ←) على لوحة التحكم.
5. بعد CT إجراءات التشغيل القياسية، وتشغيل الجهاز CT في 120 KVP، 216 ماس (1)، حان الوقت دوران، والملعب من 1 باستخدام فائقة وضع عالية الدقة (الظهر). وهذا يعطي شريحة سمك 0.4 ملم، وحجم بكسل 0،30-0،45 مم تبعا لحجم مجال الرؤية (فوف).
6. تحقق CT-SCAN البيانات قبل الاختبار الميكانيكي لضمان أن الصور التي تهم يتم التقاطها وحفظها. اعادة تجميد العظام عند درجة حرارة -20 درجة مئوية حتى اليوم من التجربة.

النتائج

تم شحنها من أفخاذ؛ فخذان جثي المجمدة والحفاظ على درجة حرارة -20 درجة مئوية حتى بدأ التحضير. تم تنفيذ BMD المسح باستخدام ماسح ضوئي DXA لقياس الورك والرقبة BMD فضلا عن T-درجة لكل عينة (الشكل 1). تي برصيد هو عدد الانحرافات المعيارية للBMD يقاس بالمقارنة ...

Discussion

قدمنا ​​بروتوكول إعداد العظام قوية لضمان الميكانيكية اختبار وكيو سي تي / الهيئة الاتحادية للبيئة نمذجة قوة الفخذ في سقوط جانبية على تكوين الورك. وأصبح هذا الأسلوب لدينا بروتوكول قياسي في منزل. على مدى 6 سنوات، مع أفراد متفاوتة، وتم إعداد نحو 200 أفخاذ؛ فخذان بنجاح بعد...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
CT potting container and scanning fixture	Internally manufactured	N/A	Custom designed and manufactured
CT scanner	Siemens	Somatom Definition scanner (Siemens, Malvern, PA)	CT scanning equipment
Quantitative CT Phantom	Midways Inc, San Francisco, CA	Model 3 CT calibration Phantom	Used for obtaining BMD values from Hounsfield units in the CT image
Dual Energy X-ray Absorptiometry scanner	General Electric	N/A	GE Lunar iDXA scanner for bone health or any similar BMD scanners
Hygenic Orhodontic Resin (PMMA)	Patterson Dental Supply	H02252	Controlled substance and can be purchased with proper approval
Freezer	Kenmore	N/A	This is a -20 °C storage for bones
X-ray scanner	General Electric	46-270615P1	X-ray imaging equipment.
X-ray films	Kodak	N/A	Used to display x-ray images
X-ray developer	Kodak X-Omatic	M35A X-OMAT	Used for developing X-ray images
X-ray Cassette	Kodak X-Omatic	N/A	Used for holding x-ray films
5-pound Rice Bags	Great Value	N/A	Used for mimicking soft tissue during the DXA scanning process
Physiologic Saline (0.9% Sodium Chloride)	Baxter	NDC 0338-0048-04	Used for keeping samples hydrated
Scalpels and scrapers	Bard-Parker	N/A	Used to clean the bone from soft tissue
Cast cutter	Stryker	810-BD001	Used to cut femoral shaft
Drilling machine	Bosch	N/A	Used to drill the femoral shaft
Fume Hood	Hamilton	70532	Used for ventilation when using making PMMA