Este protocolo permite observar la microestructura de todo el fémur humano a medida que se deforma bajo carga y fractura. Al obtener imágenes de todo el fémur con resolución microestructural, este protocolo permite estudiar cómo los diferentes compartimentos corticales trabeculares del hueso, determinan sinérgicamente su capacidad para soportar la carga. Avanzar en nuestra comprensión del mecanismo de fractura ósea puede informar métodos de diagnóstico avanzados para la osteoporosis.
Este protocolo ha sido desarrollado en el Sincrotrón Australiano, adaptado para su uso en un escáner comercial de micro-TAC de gran volumen en la Universidad y aplicado para estudiar diferentes regiones anatómicas, incluyendo la rodilla y el hombro. En principio, puede extenderse a materiales de tamaño similar a los huesos y articulaciones humanas enteras. Este estudio requiere experiencia en varias disciplinas, incluidas las imágenes, la mecánica de sólidos y el modelado computacional en biomecánica.
Para comenzar, utilizando un escáner de tomografía computarizada clínica, escanee la muestra de fémur con un grosor de corte y un tamaño de píxel en el plano de aproximadamente 0,5 a 0,7 milímetros. Junto con la muestra, escanee un maniquí de calibración de densitometría por TC, con cinco concentraciones conocidas de colorante fosfato de hidrógeno de potasio. A continuación, segmente la geometría ósea de las imágenes clínicas de TC, calibre los niveles de gris en las imágenes con los valores de densidad ósea correspondientes y el módulo de Young, utilizando la relación entre la densidad y el módulo elástico.
Después de crear una malla de la geometría segmentada, importe la malla en el software de elementos finitos. Completamente restringido de tres a seis milímetros de profundidad, el extremo distal del modelo, luego replica una configuración de carga de postura de una sola pierna aplicando una fuerza nominal de 1000 Newton, abducida ocho grados desde el eje de la diáfisis femoral en el plano coronal y pasando por el centro de la cabeza femoral. Resuelva el modelo de elementos finitos con el solucionador de PCG incorporado.
A continuación, mediante la ejecución de los comandos indicados, genere una tabla de elementos que contenga el primer y tercer componente de deformación principal en el centroide del elemento. A continuación, ejecute el comando indicado para calcular la relación de deformación entre el primer y tercer componente principal de deformación en el modelo y la deformación, intención y compresión del fluencia ósea. Escale la fuerza nominal por la relación de deformación máxima, la intención y la compresión, y descarte la mayor de las dos para estimar la carga de fractura.
Coloque un banco de pruebas en la etapa de rotación de micro-CT con la muestra en la condición de referencia descargada e inicie la exploración de micro-CT. Repita la imagen dos veces para la condición descargada y desenrolle el cable después de escanear. Aplique el incremento de fuerza accionando manualmente el mecanismo de gato de tornillo a una velocidad constante de aproximadamente un segundo por ronda y realice las imágenes de micro-CT.
Repita el incremento de fuerza hasta que la muestra se fracture, como lo indica una caída repentina en la fuerza de reacción. Realizar una microtomografía computarizada de la muestra fracturada. A continuación, visualice la secuencia de imágenes de proyección en varios pasos de carga.
Submuestrear las imágenes de micro-TC por cuatro, para reducir el tiempo de cálculo. Co-registrar rígidamente, en el espacio, las imágenes de la muestra bajo carga, con las que se encuentran en la condición de referencia descargada, utilizando la diáfisis distal como objetivo del co-registro. Cree modelos tridimensionales de superficie para su visualización después de binarizar las imágenes de micro-CT.
Determine el desplazamiento de las imágenes en una cuadrícula de 50 píxeles de tamaño, utilizando DVC óseo. A continuación, determine el tensor de deformación, convirtiendo la cuadrícula en un modelo de elementos finitos. Aplique el desplazamiento calculado en los nodos y resuelva el modelo.
A continuación, utilizando la interpolación cúbica, con la función inter P tres en Mac-Lab, vuelva a muestrear los volúmenes de desplazamiento y deformación para que coincidan con el tamaño del tamaño original de las imágenes de micro-CT. Visualice desplazamientos, deformaciones e imágenes microestructurales para la visualización y animación de grandes volúmenes. Para el análisis de la deformación ósea, muestre la deformación permanente del hueso superponiendo las imágenes obtenidas en condiciones de descarga y después de la fractura.
A continuación, muestre la deformación microestructural progresiva del hueso superponiendo los modelos tridimensionales en condiciones de descarga, a niveles de carga crecientes y después de la fractura. Muestra la tensión del hueso en el lugar de la fractura. Finalmente, utilizando estadística descriptiva y métodos de regresión, se analiza la energía de deformación, la rigidez y el desplazamiento.
Las imágenes de micro-TC y las pruebas mecánicas concomitantes permiten observar las fracturas del cuello femoral. Una animación mostró que la cabeza femoral rotaba progresivamente medialmente, mientras se movía distalmente hacia arriba hasta fracturarse. La curvatura de la cabeza se aplanó debajo de la cavidad, donde se observó inestabilidad cortical local, pero no inestabilidad del volumen trabecular subyacente.
El inicio de la fractura se produce por flexión de la corteza, ya sea progresando a lo largo del grupo trabecular compresivo principal, o por cizallamiento a unos 45 grados del eje trabecular de compresión principal. La deformación superó el rendimiento óseo, una vez que los cuatro lograron el 50% de la carga de fractura esperada, alcanzando entre el 8 y el 16% de compresión antes de la fractura. Se observó una deformación permanente en la región de la cabeza bajo la compresión máxima.
La falla se produjo bajo un estado de deformación complejo, mostrando compresión, tensión y deformación por cizallamiento. La energía de deformación fue una función lineal del desplazamiento hasta la fractura, mostrando un comportamiento de fractura estable. Un aspecto crítico para replicar el protocolo es obtener el incremento de pasos de carga, que es importante para controlar el número de pasos de carga necesarios para causar una fractura al desplazamiento y la planificación del experimento.
La obtención de imágenes de buena calidad también es importante para un análisis significativo de los datos. La creencia de que la inestabilidad elástica que exige el aumento pronunciado de los incidentes de fractura por encima de los 60 años de edad centró el caso de la investigación en prevención de la fragilidad en el grosor cortical. El comportamiento de fractura elásticamente estable demostrado por este protocolo, en huesos ligeramente osteoporóticos, cambia el enfoque actual a las interacciones corticales y trabeculares.
Este procedimiento puede avanzar en modelos considerativos de la mecánica ósea, informar el diagnóstico de fragilidad y el diseño de dispositivos implantables.
