Dieses Protokoll ermöglicht die Beobachtung der Mikrostruktur des gesamten menschlichen Oberschenkelknochens, wie er sich unter Belastung und Fraktur verformt. Durch die Darstellung des gesamten Oberschenkelknochens mit mikrostruktureller Auflösung ermöglicht dieses Protokoll zu untersuchen, wie die verschiedenen trabekulären kortikalen Kompartimente des Knochens synergetisch seine Fähigkeit bestimmen, der Belastung standzuhalten. Die Verbesserung unseres Verständnisses des Knochenbruchmechanismus kann zu fortschrittlichen diagnostischen Methoden für Osteoporose führen.
Dieses Protokoll wurde am australischen Synchrotron entwickelt, für den Einsatz in einem kommerziellen, großvolumigen Mikro-CT-Scanner an der Universität angepasst und zur Untersuchung verschiedener anatomischer Regionen, einschließlich Knie und Schulter, angewendet. Prinzipiell lässt sie sich auf Materialien ausweiten, die ähnlich groß sind wie ganze menschliche Knochen und Gelenke. Diese Studie erfordert Fachwissen in mehreren Disziplinen, darunter Bildgebung, Festkörpermechanik und computergestützte Modellierung in der Biomechanik.
Scannen Sie zunächst mit einem klinischen CT-Scanner die Oberschenkelprobe mit einer Schichtdicke und einer Pixelgröße von etwa 0,5 bis 0,7 Millimetern in der Ebene. Scannen Sie neben der Probe ein CT-Densitometrie-Kalibrierphantom mit fünf bekannten Konzentrationen des Farbstoffs Kaliumhydrogenphosphat. Segmentieren Sie als Nächstes die Knochengeometrie aus den klinischen CT-Bildern, kalibrieren Sie die Graustufen in den Bildern auf die entsprechenden Knochendichtewerte und den Elastizitätsmodul unter Verwendung des Dichte-Elastizitätsmodul-Verhältnisses.
Nachdem Sie ein Netz der segmentierten Geometrie erstellt haben, importieren Sie das Netz in die Finite-Elemente-Software. Das distale Ende des Modells, das vollständig drei bis sechs Millimeter tief ist, repliziert dann eine einbeinige Standbelastungskonfiguration, indem eine Nennkraft von 1000 Newton aufgebracht wird, die um acht Grad von der Achse des Oberschenkelschaftes in der koronalen Ebene abgeleitet wird und durch die Mitte des Hüftkopfes verläuft. Lösen Sie das Finite-Elemente-Modell mit dem integrierten PCG-Solver.
Generieren Sie dann durch Ausführen der angegebenen Befehle eine Elementtabelle, die die erste und dritte Hauptdehnungskomponente am Schwerpunkt des Elements enthält. Führen Sie als Nächstes den angegebenen Befehl aus, um das Dehnungsverhältnis zwischen der ersten und dritten Hauptdehnungskomponente im Modell und der Knochennachgiebigkeitsdehnung, -absicht und -kompression zu berechnen. Skalieren Sie die Nennkraft nach dem Spitzendehnungsverhältnis, der Absicht und der Kompression und verwerfen Sie die größte der beiden, um die Bruchlast abzuschätzen.
Positionieren Sie einen Prüfstand auf dem Mikro-CT-Rotationstisch mit der Probe im unbelasteten Referenzzustand und starten Sie den Mikro-CT-Scan. Wiederholen Sie die Bildgebung zweimal, um den unbelasteten Zustand zu ermitteln, und wickeln Sie das Kabel nach dem Scannen ab. Wenden Sie die Krafterhöhung an, indem Sie den Spindelhubmechanismus manuell mit einer konstanten Geschwindigkeit von etwa einer Sekunde pro Runde betätigen, und führen Sie die Mikro-CT-Bildgebung durch.
Wiederholen Sie die Krafterhöhung, bis die Probe bricht, was durch einen plötzlichen Abfall der Reaktionskraft angezeigt wird. Führen Sie eine Mikro-CT-Bildgebung der gebrochenen Probe durch. Visualisieren Sie dann die Abfolge der Projektionsbilder bei verschiedenen Ladeschritten.
Subsampling der Mikro-CT-Bilder um vier, um die Rechenzeit zu verkürzen. Die Bilder der unter Last stehenden Probe werden mit denen im unbelasteten Referenzzustand starr im Raum zusammen registriert, wobei die distale Diaphyse als Ziel der Koregistrierung verwendet wird. Erstellen Sie dreidimensionale Oberflächenmodelle zur Visualisierung nach der Binarisierung der Mikro-CT-Bilder.
Bestimmen Sie die Verschiebung in den Bildern über ein Raster von 50 Pixeln Größe mit Hilfe von Bone DVC. Bestimmen Sie dann den Dehnungstensor, indem Sie das Gitter in ein Finite-Elemente-Modell umwandeln. Wenden Sie die berechnete Verschiebung auf die Knoten an, und lösen Sie das Modell.
Als Nächstes werden mit kubischer Interpolation und der inter P three-Funktion in Mac-Lab die Verschiebungs- und Dehnungsvolumina neu abgetastet, um sie an die Größe der Originalgröße der Mikro-CT-Bilder anzupassen. Visualisieren Sie Verschiebungen, Dehnungen und mikrostrukturelle Bilder für die Visualisierung und Animation großer Volumina. Für die Analyse der Knochenverformung wird die dauerhafte Verformung des Knochens angezeigt, indem die Bilder, die unter unbelasteten Bedingungen und nach der Fraktur aufgenommen wurden, überlagert werden.
Zeigen Sie dann die fortschreitende mikrostrukturelle Verformung des Knochens an, indem Sie die dreidimensionalen Modelle unter unbelasteten Bedingungen, bei steigenden Belastungsniveaus und nach Frakturen überlagern. Zeigen Sie die Belastung des Knochens an der Frakturstelle an. Analysieren Sie schließlich mit Hilfe von deskriptiver Statistik und Regressionsmethoden die Verformungsenergie, die Steifigkeit und die Verschiebung.
Mikro-CT-Bildgebung und begleitende mechanische Tests ermöglichen die Beobachtung von Oberschenkelhalsfrakturen. Eine Animation zeigte, dass sich der Hüftkopf progressiv medial drehte, während er sich distal nach oben bis zur Fraktur bewegte. Die Kopfkrümmung flachte unter der Alveole ab, wo eine lokale kortikale Instabilität, aber keine Instabilität des darunter liegenden trabekulären Volumens beobachtet wurde.
Der Beginn der Fraktur erfolgt durch Biegung des Kortex, entweder entlang der kompressiven trabekulären Hauptgruppe, oder durch Scherung in einem Winkel von etwa 45 Grad von der Hauptkompressionsachse, trabekulären Achse. Die Dehnung überstieg die Knochenausbeute, sobald die vier 50 % der erwarteten Frakturbelastung erreichten, und erreichte eine Kompression von acht bis 16 % vor der Fraktur. Eine bleibende Verformung wurde im Kopfbereich unter maximaler Kompression beobachtet.
Das Versagen trat unter einem komplexen Dehnungszustand auf, der Druck-, Zug- und Scherdehnungen zeigte. Die Verformungsenergie war eine lineare Funktion der Verschiebung bis zum Bruch und zeigte ein stabiles Bruchverhalten. Ein kritischer Aspekt für die Replikation des Protokolls ist das Erreichen des Lastschrittinkrements, das wichtig ist, um die Anzahl der Lastschritte zu steuern, die erforderlich sind, um einen Bruch in die Verschiebung zu verursachen, und die Planung des Experiments.
Eine gute Bildqualität ist auch wichtig für eine aussagekräftige Analyse der Daten. Der Glaube, dass elastische Instabilität, die einen steilen Anstieg von Frakturvorfällen über 60 Jahren erfordert, konzentrierte den Fall der Forschung zur Fragilitätsprävention auf die kortikale Dicke. Das elastisch stabile Frakturverhalten, das durch dieses Protokoll in leicht osteoporotischen Knochen demonstriert wird, verschiebt den aktuellen Fokus auf kortikale und trabekuläre Interaktionen.
Dieses Verfahren kann überlegene Modelle der Knochenmechanik voranbringen, die Diagnose von Fragilität und das Design implantierbarer Geräte unterstützen.
