Método y accesorio equipado para pruebas de fractura Femoral en una posición de caída sobre la cadera hacia los lados

Resumen

En este manuscrito, presentamos un protocolo de examen cadavérico fémures proximales de la fractura en una caída hacia un lado sobre la cadera configuración utilizando accesorios instrumentados montados sobre un bastidor hidráulico de servo estándar. Nueve señales digitalizadas que comprende las fuerzas, momentos y desplazamientos junto con dos secuencias de vídeo de alta velocidad se adquieren durante la prueba.

Resumen

Ensayos mecánicos de los fémures aporta información valiosa en la comprensión de la contribución de variables medibles clínicamente como distribución de la densidad mineral ósea y la geometría en las propiedades mecánicas femorales. Actualmente, no existe ningún protocolo estándar para la prueba mecánica de tales huesos geométricamente complejos a la medida de fuerza y rigidez. Para hacer frente a este vacío hemos desarrollado un protocolo para probar fémures cadavéricos para fracturar y para medir sus parámetros biomecánicos. Este protocolo describe un conjunto de accesorios adaptables para dar cabida a las diferentes magnitudes de carga y direcciones representan orientaciones posibles del hueso en una caída en la configuración de la cadera, prueba velocidad, tamaño del hueso y las variaciones de la pierna derecha pierna izquierda. Los fémures estaban preparados para la prueba de limpieza, corte, análisis y rellenado el extremo distal y el trocánter mayor en contacto con superficies en poly(methyl methacrylate) (PMMA) que se presenta en un protocolo diferente. Las muestras preparadas se colocaron en el luminario de prueba en una posición que mímico una caída lateral en la cadera y cargadas para fracturar. Durante la prueba, dos carga células midieron las fuerzas verticales aplicación a la cabeza femoral y el trocánter mayor, una célula de carga de seis ejes medidas fuerzas y momentos en el eje femoral distal y un sensor de desplazamiento medición el desplazamiento diferencial entre la trocánter y cabeza del fémur en contacto con soportes. Se utilizaron cámaras de vídeo de alta velocidad síncrono grabar la secuencia de eventos de fractura durante la prueba. La reducción de los datos nos ha permitido caracterizar la fuerza, rigidez, y fractura de energía para casi 200 osteoporosis, osteopenia, e investigación de fémures cadavéricos normales para el desarrollo de herramientas de diagnóstico basadas en la ingeniería para la osteoporosis.

Introducción

Desarrollo de nuevos métodos para la evaluación del riesgo de fractura de fémur y prevención de fracturas por una caída sobre la cadera requieren una comprensión global de los procesos biomecánicos implicados durante la fractura. Prueba de resistencia de fémur proximal cadavérico ha demostrado para ser eficaz en la determinación de la relación entre la fuerza femoral y factores que afectan la capacidad estructural del fémur proporciona penetraciones importantes en este proceso^{1,2 , 3}. fuerza femoral medido experimentalmente también se utiliza para la validación de la base de la tomografía computada cuantitativa análisis por elementos finitos (QCT/FEA) que permite una estimación no invasiva de fractura resistencia^{4,5, 6,7}.

Hasta la fecha, no existe ningún procedimiento estándar aceptada para probar especímenes enteros femorales fractura. Para aislar variables clínico mensurable (por ejemplo, la densidad mineral ósea y la geometría) y su influencia en la fuerza femoral, es imprescindible para las pruebas experimentales a llevarse a cabo de manera controlada y repetible. Cadavéricos fémures tienen formas irregulares y gama en tamaños⁸ y pueden obtener de cadáveres ya sea masculinos o femeninos de diferentes edades, lo que hace imposible realizar las pruebas utilizando incorporados accesorios de máquinas de ensayo de la norma. En una caída hacia los lados en el evento de cadera, el trocánter mayor se somete a carga a la compresión, mientras que el fémur proximal puede experimentar carga compleja incluida la compresión, tensión, momento de flexión, torsión. Estos escenarios de carga de la prueba agrega complejidad al diseño experimental. Por lo tanto, un accesorio, como un componente importante de lo protocolo de pruebas, debe ser específicamente diseñado, fabricado e instalado para acomodar muestras femorales de diferentes formas y tamaños y diversas velocidades de prueba. Este accesorio debe contener también las muestras para la prueba en una gama de orientaciones deseadas para simular cargas de posible impacto de una caída sobre la cadera. Para satisfacer una variedad de condiciones, la lámpara debe tener múltiples fijas y componentes en movimiento conectan de una manera para minimizar el juego en el sistema y para obtener una respuesta de carga-desplazamiento suave.

Adquisición de datos confiable también es crítico durante la prueba. El diseño experimental debe incorporar las células de carga necesario, transductores de desplazamiento, amplificadores de señal y acondicionadores para exactamente medir fuerzas y momentos apoya en todo. Además, vídeos de alta velocidad de las vistas anteriores y posteriores del fémur obtenido sincrónicamente con la adquisición de fuerzas son necesarias para ayudar a entender la secuencia de acontecimientos que condujeron a la fractura, caracterizar tipos de fractura y precisamente definir fuerza femoral^4,9.

Aunque hay valiosos estudios experimentales en la literatura sobre todo fémur pruebas, protocolos publicados carecen de detalles sobre cómo se realizó la prueba o son muy diferentes de un estudio a otro para que verdaderamente sean reproducibles^{10, 11}. El objetivo del presente trabajo fue presentar un protocolo para pruebas mecánicas de muestras femorales que pueden utilizarse como punto de partida de un esfuerzo para normalizar el tejido óseo que puede ser repetible y reproducible de la prueba. Para ello, hemos diseñado y fabricado un accesorio de prueba que se utilizó para probar fémures cadáver cerca de 200. El accesorio de prueba incluye un accesorio de la parte inferior y un soporte de cruceta. El accesorio de la parte inferior (figura 1A-E) mantiene el fémur en una orientación deseada durante la prueba e incluye una célula de carga de trocánter y una célula de carga de 6 canales conectados al eje femoral. También acomoda tres traducciones independientes para permitir la colocación del hueso para la prueba de fractura. Un punto de rotación se agrega a la articulación de la rodilla. Las mayores partes de la armadura inferior se componen de trozos gruesos de acero inoxidable y aluminio para hacer un accesorio muy tieso. Una célula de carga está conectada a la lámpara de la parte inferior para medir fuerzas de compresión sobre el trocánter mayor durante la prueba. La luminaria de la cruceta (figura 2A-2E) incluye dos placas de base de aluminio y dos rodamientos de bolas muy rígida de la diapositiva (Unidos juntos por una placa de aluminio), para tener en cuenta el movimiento de la cabeza femoral durante la prueba y también para dar cabida a para fémures derecho e izquierdos. Una célula de carga había incluido en las medidas de fijación de la cruceta fuerzas de compresión. Una taza de aluminio unida a la célula de carga se utiliza para aplicar las cargas a la compresión a la cabeza femoral. Nuestro método se utilizó para fémures izquierdos y derechos de ambos sexos, con diferentes tamaños, ángulos de eje cuello, densidad mineral ósea y mímico un lado de las condiciones de carga caen sobre la cadera. Las velocidades de prueba en nuestros experimentos se establecieron en 5, 100 y 700 mm/s, pero puede establecer en cualquier valor disponible en la máquina de prueba. El aparato diseñado tenía dos componentes principales, uno conectado a la cruceta de la máquina de prueba y el otro conectado a la estructura de la prueba. Ambas partes fueron instrumentadas con celdas de carga suficientes para medir fuerza y condiciones de límite de momento apoya en todo. Además, se utilizaron dos cámaras de vídeo de alta velocidad para grabar los eventos de fractura durante la prueba. Después de la fractura, se analiza un conjunto de rayos x y tomografía computarizada (TC) se obtuvieron para el análisis de fractura experimental post. Resultados obtenidos de estos experimentos incluyendo fractura fuerza y energía se utilizan actualmente para la investigación adicional en herramientas de diagnóstico para finalmente mejorar la evaluación de la fuerza de fractura proximal en pacientes osteoporóticas.

Protocolo

1. gran accesorio accesorio

1. quitar accesorios estándar de la máquina.
2. Mover la cruceta aparte para acomodar el accesorio interno.
3. Colocar el bloque de aluminio (parte n º 1 en la figura 1A) en la máquina y sujete firmemente la máquina con dos pernos, el agujero en el centro acomoda la celda de carga de máquina.
4. Coloque la estructura principal de la luminaria (parte n º 2 en la figura 1B) en el bloque de aluminio y asegure firmemente al bloque con 4 tornillos.
5. Colocar un jack de cuatro toneladas en la parte del aparato que no se apoye en el bloque de aluminio para apoyar el aparato ( figura 1).
6. Instale el aparato de la célula de carga de 6 canales (parte no. 3 en figura 1) en el accesorio principal y asegúrelo con 6 tornillos.

2. Cruceta accesorio accesorio

1. fijar la cruceta de la máquina al cero absoluto mediante cruceta lift control.
2. Fije la primera placa base (parte Nº 4 en la figura 2B) a la cruceta mediante 7 tornillos con sus bordes curvados hacia el frente de la máquina de prueba.
3. Una segunda placa de base (parte Nº 5 en la figura 2) utilizando un tornillo giratorio. El tornillo acomoda los huesos izquierdos y derechos durante la prueba. La segunda placa base (parte Nº 5) es libre para girar sobre el tornillo de pivote con respecto a la primera base (parte Nº 4). Orientación de la placa base segunda determina si la configuración es para fémur izquierdo o derecho.
4. Anexe el montaje de los rodamientos de dos diapositivas (parte n ° 6 en la Figura 2D) a la segunda base (parte Nº 5) con 4 tornillos (tornillos pueden accederse desde un lado de la primera placa base). Gire la placa base segunda de tal manera que el segundo conjunto de tornillos se puede acceder desde la parte superior de la primer placa.
   Nota: Para cambiar la orientación de las diapositivas de izquierda hueso a hueso derecho, los 4 tornillos en la parte superior la primera placa base se desató, y luego diapositivas se gira sobre el tornillo de pivote fijadas otra vez en la orientación requerida.
5. Gire manualmente las diapositivas que son ortogonales a 6 canales carga celular estableciendo la cruceta de la máquina en la posición relativa de 65°.

3. Instrumentados accesorio, cámara de alta velocidad y configuración de iluminación para experimento

máquina

1. conjunto para arriba el accesorio del fondo instrumentado en un prueba hidráulica servo estándar. Este accesorio se mantenga fémur y acomodar fémures izquierdos y derechos en el otoño en la configuración de la cadera ( figura 1).
2. Configurar cámara de alta velocidad y equipos de iluminación ( Figura 3A-3D).
   1. Coloque luces de alta intensidad sobre trípodes con uno a cada lado de la máquina y fijar ( Figura 3A).
   2. Configurar trípodes para cámaras de alta velocidad a ambos lados de la prueba de la máquina y conectan cada cámara a unidades de adquisición de datos ( figura 3B -3 C).
   3. Con las cámaras encendidas y conectadas a la unidad de adquisición, configurar ajustes de la cámara; establecer fotogramas a 6000 frames por segundo (fps) y resolución de 1.024 x 512 píxeles; resolución puede ser reducida para dar cabida a memoria interna cámara ( Figura 3D).
   4. Conjunto obturador a 1 frame/sec (1/6.000 fps). También establecer la opción de la cámara que las grabaciones empiezan antes de que el actuador mueve (100 ms para las pruebas rápidas y 200 ms para pruebas lento).
   5. El cable de sincronización entre las dos cámaras, el modo del disparador seleccione en la configuración del software de las cámaras fotográficas.

4. Células de carga de verificación/calibración de sistema adecuado de adquisición datos (DAQ)

1. montar unidad DAQ
   1. Conecte el DAQ para la prueba de la máquina, cámara de vídeo de alta velocidad, celdas de carga y potenciómetro lineal como se muestra en el cableado esquemática en la figura 4.
   2. Verifique la conexión correcta de la célula de carga trocantérica, célula de carga principal, potenciómetro lineal, célula de carga de 6 canales y activar señal a dispositivo DAQ mediante la observación de rastros de señal de datos en el panel de vista del software DAQ empujando manualmente en la celda de carga.
   3. Verificar que los DAQ, acondicionador de señal y generador de pulso todo encendido ON.
   4. Configurar el software DAQ para todas las señales de las células de carga y el potenciómetro lineal. En el software DAQ, seleccione la " configuración de paso > > configuración " pestaña y configurar la velocidad de adquisición (Hz) para cada entrada de señal asociado a cada celda de carga. En el " disparo " pestaña, seleccione la opción de activación adecuada. Equipo de vídeo también debe accionar durante funcionamientos de ensayo para asegurar la sincronía del sistema DAQ/video.
2. Aplicar una carga nominal (por ejemplo un mínimo de 200 libras hasta un máximo de 1600 libras) a la cabeza del fémur y trocánter celdas de carga usando la máquina hidráulica servo estándar para verificar la carga razonable celular mediciones y comparar al fabricante hojas de datos de calibración ( figura 5A).
3. Del mismo modo, aplicar cargas estáticas a la celda de carga de 6 canales utilizando un peso muerto como se muestra en la figura 5B. Comprobar el funcionamiento y comprobar el rendimiento de la célula de carga de 6 canales ( figura 5A -5B) mediante el cálculo de porcentajes diferencias entre los valores de momento y fuerza teórica y medida. El error debe ser menos del 5%.
   Nota: Todas las células de carga deben haberse calibradas por el fabricante de antemano. Este paso sólo comprueba que funcionan las células de carga, todas las conexiones están hechas y las señales son razonables.
4. Calibrar el potenciómetro lineal
   1. asegurar el aparato de potenciómetro lineal a la cruceta y el potenciómetro lineal en el aparato ( figura 5). Apriete los tornillos para cerrar el cuerpo del potenciómetro y enchufe el conector en la unidad DAQ
   2. Mover manualmente el actuador (25 mm) en el marco de carga para que la posición del potenciómetro se traduce de la compresión máxima en extensión máxima y desplazamientos de registro y la correspondiente tensión (al menos tres puntos). Trama de desplazamiento vs tensión y ajustar una función lineal a los datos (R ² > 0.95). De entrada la pendiente de la ecuación lineal (mm/V) como el factor de calibración en el " parámetro de escalamiento " caja del software DAQ.
5. Verifique la configuración de la máquina prueba general probando un hueso de fibra de vidrio de sustituto a la fractura para asegurarse de que toda adquisición de datos es funcional y razonable. Esto incluye celda de carga de trocánter, célula de carga de cabeza femoral, potenciómetro lineal, la célula de carga de seis canales y la señal de disparo ( figura 6).

5. Preparación de los huesos para pruebas

1. descongelar los huesos a temperatura ambiente durante 24 h y eliminar humedad, exceso de grasa y cualquier tejido blando restante utilizando papor toallas.
2. Colocar el hueso en el acrílico lámpara de exploración y preparar el cemento dental. Medir 60 g de polvo PMMA y mezcla con 30 g de resina líquida bajo campana hasta que el polvo se disuelva. La mezcla debe ser vertible. Use una taza de papel disponible para este proceso. Este paso es para el encapsulamiento del trocánter mayor en una taza de aluminio ( Figura 7A).
3. Alinee la taza de aluminio por debajo del trocánter. Luego, vierta cemento PMMA a mitad de la altura de la Copa y eleve la plataforma accesorio para encajar el hueso en la Copa. Permita 10-15 min para la polimerización.
4. Huesos de plástico en solución salina empapada toallas para evitar la sequedad del tejido durante la polimerización del cemento de hueso.
5. Mover el hueso para el accesorio de la prueba en la máquina de prueba con la taza de aluminio atado trocánter ( figura 7B)
6. Centro de la Copa de aluminio en la placa adherida a la célula de carga trocantérica y ajustar cojinetes de diapositiva para que la taza de aluminio toca ligeramente la celda de carga. Retire el pasador de la luminaria para permitir la rotación de la lámpara
7. centro y bajo la cruceta para el contacto con la cabeza femoral.
8. Revisar configuración, posición del hueso, las señales de la célula de carga y posición de la taza. También revisar el dispositivo DAQ; Asegúrese de que todas las celdas del equipo y la carga están conectadas correctamente y verificar que todos están encendidos. Compruebe la configuración del software para la respuesta de la señal correcta de cada celda de carga.
9. Tomar fotos del fémur se colocan en la luminaria de 2 lados.
10. Ajusta la abertura para permitir la suficiente luz sobre el sensor de la cámara y controlar la profundidad de campo. Compruebe la calidad de imagen, centrándose en el cuello femoral. Este proceso debe prevenir cualquier fulgor y regiones de hueso brillante en la imagen que pueden afectar a capturar el evento fractura.

6. La prueba para fractura de

1. verificar el marco de carga mecánica servo está programado para el control de desplazamiento apropiada de 25 mm para la prueba de la fractura en el marco de carga mecánica servo para carga y descarga.
   Nota: Estos son fabricante ajustes específicos y deben ser entrados y verifica en el panel de control del equipo de prueba según las especificaciones del fabricante.
2. Verificar la iluminación para reducir al mínimo reflexiones en las cámaras de vídeo y el sistema de adquisición de datos una vez final.
3. Haga clic en el icono de inicio desde el panel de control para iniciar la secuencia de la prueba para fractura de fémur de prueba ( figura 7).
4. Tomar fotos del fémur fracturado de 2 lados.
5. Actuador de retracción y sacar el fémur de máquina manualmente.

7. Preparación posterior a la fractura

1. extraer hueso accesorio.
2. Extremo roto proximal de la cinta del hueso y del eje, envolver en toallas mojadas y bolsas de plástico ( figura 7), entonces congelar a -20 ° C.
3. Preservar los huesos para más fractura posterior radiografía y CT la proyección de imagen.
   Nota: Los detalles de estos procesos han sido previamente explicados en otro protocolo de nuestro grupo (examina Jove) ( figura 7E).

Resultados

Accesorios internos se montan después de desconectar los accesorios estándar de la máquina de prueba. En primer lugar, el aparato pesado inferior está había montado y había asegurado (figura 1). Esto incluye un brazo extendido para sostener la célula de carga de 6 canales que permite el eje femoral esté alineado en un ángulo de aducción deseada. A continuación, el aparato de cruceta incluyendo dos rodamientos de deslizamiento sin fricción está mo...

Discusión

Propusimos un protocolo de fractura probar fémures cadavéricos proximal en una caída sobre la cadera configuración con la que hemos probado con éxito cerca de 200 muestras. El protocolo incluye varios accesorios diseño internos para prueba bajo condiciones de carga distintas de la fuerza femoral. El aparato permite probar fémures derecho e izquierdos a velocidades de prueba diferentes y orientaciones de hueso. Después de montar el aparato y los instrumentos de medida, un fémur de fibra de vidrio es la prueba par...

Materiales

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