方法和股骨骨折测试在横盘整理的秋天在臀部位置检测的夹具

摘要

在这份手稿，我们提出一项议定书，在髋关节的配置使用标准伺服液压架上安装检测的夹具侧身摔倒骨折试验尸近端股骨。在测试过程中采集包括部队、 时刻和位移以及两个高速视频流的九个数字化的信号。

摘要

机械测试的股骨带来有价值的见解，了解临床可以衡量的变量，例如骨矿物密度分布和几何形状对股骨力学性能的贡献。目前，尚没有用于这种措施强度和刚度的几何复杂骨头的机械试验标准协议。为了缩小这种差距我们制订了一项议定书，尸体股骨骨折并衡量其生物力学参数测试。此协议说明一套适应性强的夹具，以容纳不同的负载大小和方向为可能的骨方向在秋天会计髋关节配置，测试速度、 骨大小和左的腿右腿变化。股骨准备测试由清洗、 切割、 扫描和灌封的远端和股骨大转子接触表面在 poly(methyl methacrylate))，提出在不同的协议。准备好的标本被放置在测试夹具中模仿侧身落在臀部的位置和加载断裂。在测试期间，两个负载细胞测量垂直力适用于股骨头和股骨大转子、 六轴负载细胞测量的部队，并时刻在股骨远端和位移传感器测量差动位移之间股骨头和股骨转子区联系支持。高速摄像机被用来同步记录在测试过程中的断裂事件发生的顺序。这种数据减少允许我们进行归类的强度、 刚度，和断裂能的近 200 骨质疏松，骨质疏松，和正常的尸体股骨，为进一步发展基于工程的骨质疏松症的诊断工具的研究。

引言

股骨骨折风险评估的新方法及落在髋关节骨折预防发展需要对断裂过程中所涉及的生物力学过程的全面理解。尸体股骨近端强度测试已被证明是有效地确定股骨强度与股骨提供重要的见解，在此过程^1，2结构承载能力影响因素之间的关系^,3.实验测量股骨强度也可用于验证的基于定量计算层析成像的有限元分析 (QCT/FEA) 使断裂强度^{4，5，一个非侵入性的估计 6，7}。

到目前为止，并无接受的标准程序来测试整个股骨标本骨折。要隔离临床可以衡量变量 （例如骨密度和几何） 和他们对股骨强度的影响，是实验测试必须以可控和可重复的方式进行。尸体股骨有不规则的形状和范围大小⁸中，可以索取使它无法使用内置固定装置的标准试验机测试不同年龄段的男性或女性尸体。在横盘落在髋关节事件，股骨大转子经历时股骨近端可能会遇到复杂的载荷，包括压缩、 张力、 弯矩和扭矩，压缩加载。测试这种加载场景添加实验设计的复杂性。因此，夹具，作为一个重要组成部分的测试协议，必须专门设计、 捏造，并安装以容纳股样本的不同形状和大小的不同的测试速度。此夹具也必须持有标本测试所需的方向来模拟放在臀部上坠落可能冲击载荷范围内。要满足各种各样的条件，需要有多个固定夹具和运动部件连接尽量发挥在系统中，获得平滑的荷载-位移响应的方式。

在测试过程中，可靠的数据采集也是关键的。实验设计必须纳入必要的负载细胞、 位移传感器、 信号放大器和改良剂对准确地测量力和力矩根本支持。此外，高速视频获得同步采集的部队与股骨的前部和后部意见是必要的有助于了解导致骨折，鉴定骨折类型，事件的顺序和精确定义股骨强度^4，9。

虽然有宝贵的实验研究在文献中对整个股骨测试，已发布的协议要么缺乏细节上如何进行了测试，要么是非常不同的从一项研究的另一个，真正使他们重现^{10， 11}。当前工作的目标是介绍机械测试可以作为努力的起点用于标准化测试的可重复性和可再现的骨组织的股骨样品的协议。为此，我们设计和制作测试夹具，用于测试约 200 尸体股骨。测试夹具包括底部夹具和十字头夹具。底部夹具 （图 1A-E） 举行股骨在测试过程中所需的方向，包括转子负荷细胞和连接到股骨干 6 信道负载细胞。它还可容纳三个独立的翻译，以便定位的骨骨折测试。旋转点添加到模仿膝关节。底部夹具的主要部分被组成的厚片的不锈钢和铝，使非常僵硬的夹具。负载细胞被附加到底部夹具在测试过程中测量股骨大转子上的压缩力。十字头夹具 (图 2A-2E) 包括两个铝基座和两个非常僵硬幻灯片球轴承 （连接在一起的铝板），在测试过程中占股骨头的运动，容纳为左、 右股骨。负载单元格包括在十字头夹具措施压缩力。附加到负载单元格铝杯用于将压缩荷载传递到股骨头。我们的方法用于男女各种尺寸与左、 右股骨、 颈干角，骨密度，和加载条件模仿侧身落在臀部。在我们的实验测试速度为 5、 100 和 700 毫米/秒，但他们可以设置为任何值的测试计算机上可用。设计工装夹具有两个主要组件，一个连接到测试机十字头和其他连接到测试框架。两个部分被即刻负载细胞足以测量力和力矩边界条件在所有支持。此外，两个高速摄像机被用来在测试过程中记录断裂事件。骨折后，一套 x 射线和计算层析成像 (CT) 扫描后实验性骨折分析得到了。结果从这些实验包括断裂强度和能源目前用于额外的诊断工具的研究，最终改善骨质疏松症患者近端断裂强度的评估。

研究方案

1.大型夹具附件

1. 从机器中删除标准夹具。
2. 移动十字头分开以适应内部夹具。
3. 将铝块 （在 图 1A 部分号 1） 放在机器上和牢固地扣上使用两个螺栓机; 在中心孔可容纳机负载细胞。
4. 在铝块上放置主要夹具结构 （在 图 1B 第第 2 部分） 和安全地将它附加到块中使用 4 根螺栓。
5. 放置四吨杰克下不休息在铝块支持夹具 ( 图 1) 的夹具的一部分。
6. 在主要夹具上装载 6 信道负载细胞夹具 （ 图 1 中的部分号 3） 和安全使用 6 螺钉。

2。十字头夹具附件

1. 将机十字头设置为使用十字头电梯控制的绝对零。
2. 第一基板 ( 图 2B 中的部件号 4) 重视十字头 7 螺钉用其面对的试验机前面的曲边。
3. 附加第二基板 （在 图 2 中的部件号 5） 使用一个旋转螺杆。螺丝在测试过程中容纳了左、 右的骨头。第二基板 (部件号 5) 可以自由旋转枢轴螺钉相对于第一基板 (部件号 4) 有关。第二底板的方向确定安装是否为右侧或左侧股骨。
4. 连接两个幻灯片轴承 （ 图 2D 中的部分 6 号） 第二基板 (部件号 5) 使用 4 个螺钉 （从第一基板的一侧，就可以访问两个螺钉） 的大会。旋转方式可以从第一滑床板的顶部螺丝第二套第二基板。
   注意: 若要更改幻灯片的方向从左骨对骨，在第一基板上的四颗螺丝都松开，并对幻灯片进行旋转枢轴螺钉和再紧固在所需方向。
5. 通过将机十字头设置为 65 ° 的相对位置手动旋转幻灯片正交 6 信道负载细胞。

3。检测夹具、 高速摄像机和灯光设置实验

1. 套仪器的底部夹具标准伺服液压试验机。此夹具将举行股骨和容纳左和右股骨在秋天对髋关节的配置 ( 图 1)。
2. 设置高速相机和照明设备 ( 图 3A-3D)。
   1. 与机器两侧各一个三脚架上定位高强度灯光和确保它们 ( 图 3A)。
   2. 为高速相机两侧的测试机和每个摄像机连接到数据采集单元 （ 图 3B -3 C） 设置三脚架。
   3. 与照相机上并连接到采集单元，配置相机设置; 设置帧速率为 6000 帧 / 秒 (fps) 和分辨率为 1,024 x 512 像素; 可以降低分辨率来容纳相机内部内存 (图 3D)。
   4. 集快门到 1 帧/秒 (1/6,000 fps)。此外设置相机选项，这样录音开始之前作动器移动 (100 ms 快速测试和慢测试 200 毫秒)。
   5. 将两者之间的同步电缆连接相机; 在相机的软件设置中选择触发模式。

4。检查/标定加载细胞为适当的数据采集系统 (DAQ)

1. 数据采集单元设置
   1. 连接到测试数据采集机、 高速摄像机、 测压元件和布线中所示的线性电位器原理 图 4 中。
   2. 检查正确的连接的股骨粗隆部负载细胞，磁头加载单元，线性电位器，6 信道负载细胞，并触发信号到 DAQ 设备通过观察数据信号痕迹在视图面板中的数据采集软件，通过手动推负载细胞。
   3. 验证数据采集、 信号调理和脉冲发生器是所有动力。
   4. 配置从负载细胞和线性电位器的所有信号的数据采集软件。在数据采集软件，选择 " 一步安装 > > 配置 " 选项卡，然后为每个与每个负载单元格关联的信号输入设置采集频率 （赫兹）。对 " 触发 " 选项卡上，选择适当的触发选项。视频设备也应触发期间试运行，以确保视频/数据采集系统同步性。
2. 额定负载 （例如至少 200 磅，最大限度地 1600 磅） 适用于股骨头和使用标准伺服液压机器验证合理负载的转子负荷细胞细胞测量和比较对制造商校准数据单 ( 图 5A)。
3. 同样，不适用于静荷载作用下 6 信道负载细胞通过使用一片死寂，如 图 5B 所示。检查功能和验证 6 信道负载电池的性能 ( 图 5A -5B) 通过计算实测和理论的力和力矩值之间的百分比差异。误差应小于 5%。
   注: 所有负载细胞必须被都校准由其制造商提前。这一步只检查负载细胞运作、 进行所有的连接和信号是合理的。
4. 校准线性电位器
   1. 安全到十字头线性电位器夹具和线性电位器置于夹具 （ 图 5）。拧紧螺钉锁电位器身体和连接器插入数据采集单元
   2. 手动移动 （25 毫米） 致动器上负荷帧，使电位器位置从最大压缩转换最大扩展和记录位移和相对应的电压 （至少三个数据点）。情节与电压位移和拟合数据的线性函数 (R ² > 0.95)。输入的线性方程 (m m/V) 边坡作为校正因子成 " 缩放参数 " 框中的数据采集软件。
5. 验证总体测试机安装测试代理玻璃纤维骨骨折以确保所有的数据采集功能和合理。这包括转子负荷细胞、 股骨头部测压元件、 线性电位器、 六信道负载细胞，触发信号 ( 图 6)。

5。准备测试的骨头

1. 解冻在室温下 24 h 的骨头和去除水分，多余的脂肪和任何剩余的软组织使用 pa每毛巾。
2. 骨置于扫描夹具，丙烯酸和制备牙科水泥。计量 60 克 PMMA 粉和混合液体树脂在通风橱下 30 克直到粉溶解为止。混合物应浇注。为这一进程使用一次性纸杯。这一步是为灌封股骨大转子在铝杯 ( 图 7A)。
3. 对齐低于转子铝杯。然后在此基础上，倒到高度的杯中，一半的 PMMA 水泥，提高夹具平台以适合骨进杯子里。允许为聚合的 10-15 分钟。
4. 包骨头在生理盐水中的浸泡过的毛巾在骨水泥聚合期间避免组织干燥。
5. 移动到中铝杯附加到转子 ( 图 7B) 试验机测试夹具的骨
6. 中心铝杯上板附加到股骨粗隆部负载单元格，并调整幻灯片轴承，铝杯略有触动的负载单元格。从夹具旋转夹具的允许删除 pin
7. 中心和低与股骨头接触十字头。
8. 审查安装、 骨位置、 负载细胞信号和杯位置。此外审查 DAQ 设备;确保所有设备和负荷的细胞连接正确，并验证所有已通电。检查软件设置为适当的信号响应从每个负载细胞。
9. 股骨拍照放在从 2 面夹具。
10. 设置光圈使足够的光线到相机传感器和控制领域的深度。通过专注于股骨颈检查图像质量。这一过程应防止任何眩光和光泽骨区域图像中会影响捕获骨折事件。

6。测试到骨折

1. 验证伺服机械负荷框架编程为 25 毫米的断裂试验伺服机械负荷框架中加载和卸载的适当位移控制。
   注意: 这些是制造商特定的设置应输入和验证在控制面板的测试设备根据制造商规格。
2. 验证照明，以尽量减少反射在视频摄像机和数据采集系统，最后一次。
3. 单击开始图标从控制面板启动测试序列断裂试验股骨 ( 图 7)。
4. 从 2 边治疗股骨骨折拍照。
5. 手动收回作动器和从机删除股骨。

7。后骨折制备

1. 骨去除夹具。
2. 磁带断的近端的骨轴、 包裹在湿的毛巾和塑料袋 ( 图 7)，并然后冻结在-20 ° C.
3. 保留进一步后骨折的 x 线及 CT 成像骨头。
   注: 详细介绍了为这些进程已经从我们组 （审查在朱庇特） 以前解释在另一种协议 ( 图 7E)。

结果

内部的夹具安装后标夹具从试验机中删除。第一，底部重夹具是安装和固定 (图 1)。这包括扩展的手臂想站 6 通道负载细胞，这也使股骨在预期内收角对齐。下一步，包括两个无摩擦滑动轴承十字头夹具安装以适应应用程序的负载和股骨头部的动作期间骨折 (图 2)。上部的夹具是可调的测试左和右腿。一旦所有夹具都安装，安装...

讨论

我们提出了一项议定书，断裂测试尸体股骨近端在秋天的髋关节的配置，我们已经成功地测试了大约 200 个样本。议定书 》 包括几个内部设计的夹具为股骨强度在不同加载条件下的试验。夹具允许测试在不同的测试速度和骨方向的左边和右边股骨。后安装夹具和测量仪器，测试的玻璃纤维股骨骨折以确保所有的硬件和软件工具正确连接，同步，工作和正确地记录的信号和视频。只是之前实际尸体...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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
Hygenic Orthodontic Resin (PMMA)	Patterson Dental Supply	H02252	Controlled substance and can be purchased with proper approval
Freezer	Kenmore	N/A	This is a -20oC 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
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
Fume Hood	Hamilton	70532	Used for ventilation when preparing PMMA for potting of specimens
Single axis load cell	Transducer Techniques, Temecula, CA, USA	LPU-3K; S/N 219627	Capacity 3000 LBS
Six channel load cell	JR3,Woodland, CA	45E15A4	Mechanical load rating 1000N
Linear potentiometer	Novotechnik, Southborough, MA, USA		Used to acquire linear displacements during testing
Slide ball bearing	Schneeberger	Type NK	Part of the testing fixture
Mechanical testing machine	MTS, Minneapolis, MN	858 Mini Bionix II	Used for compression of femur
Lighting unit	ARRI		Needed for high speed video recordings
high-speed video camera	Photron Inc., San Diego, CA, USA	Photron Fastcam APX-RS	Used to capture the high speed video recordings of the fracture events
Photron FASTCAM Viewer	Photron Inc., San Diego, CA, USA	Ver.3392(x64)	Used to view the high speed video recordings
Camera lens	Zeiss	Zeiss Planar L4/50 ZF Lens	Needed to high image resolution
Signal conditioner board (DAQ)	National Instruments		Input/output signal connector
Signal Express	National Instruments	N/A	Data acquisition software
Laptop Computer	Dell	N/A	Used to monitor and acquire all signals from the testing procedure