Méthode et appareil instrumenté pour les tests de Fracture fémorale dans une Position de chute-à-la-hop sur le côté

Résumé

Dans ce manuscrit, nous présentons un protocol pour fracturer les fémurs proximaux cadavériques test lors d’une chute sur le côté sur la configuration de hanche avec des luminaires instrumentées, montés sur un châssis hydraulique servo standard. Des signaux numérisés neuf comprenant des forces, moments et déplacement ainsi que de deux flux vidéo haute vitesse sont acquises au cours des essais.

Résumé

Essais mécaniques des fémurs apporte des renseignements précieux dans la compréhension de la contribution des variables mesurables sur le plan clinique comme la distribution de la densité minérale osseuse et de la géométrie sur les propriétés mécaniques fémorales. Il n’existe actuellement aucun protocole standard pour les essais mécaniques de ces os géométriquement complexes à mesure résistance et rigidité. Pour combler cette lacune, nous avons développé un protocole pour tester des fémurs cadavériques de fracture et de mesurer leurs paramètres biomécaniques. Ce protocole décrit un ensemble d’accessoires adaptables pour accueillir les différentes grandeurs de charge et directions comptables pour les orientations possibles os lors d’une chute sur la configuration de la hanche, de tester les variations de la jambe gauche de la jambe droite, OS taille et vitesse. Les fémurs étaient préparés pour l’épreuve de nettoyage, coupe, balayage et le terreau de l’extrémité distale et le grand trochanter contact avec des surfaces en poly(methyl methacrylate) (PMMA) tel que présenté dans un protocole différent. Les spécimens préparés ont été placés dans l’appareil d’essai en position imitant une chute sur le côté sur la hanche et chargé pour fracturer. Pendant l’essai, deux forces verticales cellules mesurée de charge appliquent à la tête fémorale et le grand trochanter, un peson à six axes forces mesurées et mesuré les moments à la tige fémorale distale et un capteur de déplacement déplacement différentiel entre le trochanter et tête fémorale contact prend en charge. Caméras vidéo à haute vitesse ont été utilisés pour enregistrer de façon synchrone la séquence des événements de rupture pendant l’essai. La réduction de ces données a permis de caractériser la résistance, rigidité et énergie pour presque 200 ostéoporotiques, ostéopénie, de fracture et recherche des fémurs cadavériques normales pour la poursuite du développement d’outils de diagnostic axée sur l’ingénierie pour l’ostéoporose.

Introduction

Mise au point de nouvelles méthodes pour l’évaluation de risque de fracture fémorale et prévention de la fracture d’une chute sur la hanche nécessite une compréhension approfondie des processus de biomécaniques au cours de la fracture. Fémur proximal cadavérique force test s’est avéré efficace pour déterminer la relation entre la force fémorale et facteurs influant sur la capacité structurelle du fémur fournissant des renseignements importants dans ce processus^{1,2 , 3}. force fémorale mesurée expérimentalement est également utilisée pour la validation de base Quantitative Computed Tomography analyse par éléments finis (FEA/QCT) qui permet une estimation non invasif de fracture force^{4,5, 6,7}.

A ce jour, il n’y a aucune procédure standard acceptée pour tester des spécimens entiers fémorales à se fracturer. Pour isoler des variables mesurables sur le plan clinique (par exemple, la densité minérale osseuse et de la géométrie) et leur influence sur la résistance fémorale, il est impératif pour les essais expérimentaux à réaliser de manière contrôlée et répétable. Fémurs cadavériques qui ont des formes irrégulières et portée en tailles⁸ et peuvent être obtenus auprès des cadavres mâles ou femelles d’âges différents, il est impossible de tester avec des luminaires intégrés de norme machines d’essai. Lors d’une chute sur le côté sur l’événement de la hanche, le grand trochanter subit une compression de chargement, tandis que le fémur proximal peut-être éprouver de chargement complexe, y compris la compression, tension, torsion et moment de flexion. Test de ces scénarios de chargement ajoute complexité pour la conception expérimentale. Par conséquent, un luminaire, comme une composante importante du protocole de test, doit être spécifiquement conçu, fabriqué et installé pour accueillir fémorales échantillons de différentes formes et tailles et différentes vitesses d’essais. Ce luminaire devant également contenir les échantillons pour tester dans une gamme des orientations souhaitées pour simuler l’impact possible des charges d’une chute sur la hanche. Pour répondre à une telle variété de conditions, l’appareil a besoin d’avoir plusieurs stationnaire et composants connectés de manière à minimiser le jeu dans le système et d’obtenir une réponse de déplacement de charge lisse.

Acquisition de données fiables est également essentielle au cours des essais. Le protocole expérimental doit intégrer le nécessaire pesons, capteurs de déplacement, amplificateurs de signaux et conditionneurs pour mesurer avec précision les forces et les moments du tout prend en charge. En outre, les vidéos haute vitesse des deux vues antérieures et postérieures du fémur obtenus de façon synchrone avec l’acquisition des forces sont nécessaires pour aider à comprendre la séquence des événements ayant conduit à la rupture, de caractériser les types de fractures et précisément définir la force fémorale^4,9.

Bien qu’il existe des études expérimentales précieux dans la littérature sur le fémur tout test, protocoles publiés n’ont pas plus de détails sur la façon dont les tests ont été effectués ou sont très différentes d’une étude à l’autre pour les rendre vraiment reproductible^{10, 11}. Les travaux en cours visait à mettre en place un protocole pour les essais mécaniques des échantillons fémorales qui peuvent servir comme point de départ d’un effort visant à normaliser le tissu osseux stable qui peut être répétables et reproductibles. À cette fin, nous avons conçu et fabriqué un appareil d’essai qui a servi à tester environ 200 fémurs cadavériques. L’appareil d’essai inclus un montage de fond et un montage de la crosse. Le montage de fond (Figure 1 a-E) détient le fémur à une orientation désirée pendant les essais et comprend une cellule de pesage trochanter et une cellule de charge 6 voies reliée à la tige fémorale. Il accueille également trois traductions indépendantes permettant le positionnement de l’OS pour l’essai de rupture. Un point de rotation est ajouté pour imiter l’articulation du genou. Les grandes parties de l’appareil de fond étaient constitués de morceaux épais d’acier inoxydable et d’aluminium pour faire un montage très rigide. Une cellule de charge est fixée à l’armature de fond pour mesurer la force de compression sur le grand trochanter au cours des essais. Le montage de la crosse (Figure 2 a-2E) comprend deux plaques de base en aluminium et deux roulements à billes toboggan très raide (attachés ensemble par une plaque d’aluminium), pour expliquer le mouvement de la tête fémorale au cours des essais et aussi pour accueillir pour les fémurs de droite et de gauche. Une cellule de charge inclus dans les mesures de fixation cruciformes force de compression. Une coupe en aluminium fixée à la cellule de charge est utilisée pour appliquer des charges de compression de la tête fémorale. Notre méthode a été utilisée pour des fémurs gauche et droite des deux sexes, avec des tailles différentes, des angles de cou-arbre, la densité minérale osseuse et conditions imitant un latéral de chargement tombent sur la hanche. Les vitesses d’essais dans nos expériences ont été fixés à 5, 100 et 700 mm/s, mais ils peuvent être définies sur une valeur disponible sur la machine d’essai. Le luminaire conçu a deux composantes principales, celui qui est connecté à la traverse de la machine d’essai et l’autre au châssis de test. Les deux parties ont été instrumentées avec les cellules de charge suffisantes pour mesurer la force et moment des conditions aux limites du tout prend en charge. En outre, deux caméras vidéo à haute vitesse ont été utilisés pour enregistrer les événements de rupture pendant l’essai. Après une fracture, un ensemble de rayons x et Tomographie calculée (CT) scanne ont été obtenus pour les analyses expérimentales fracture post. Résultats obtenus par ces expériences, y compris la résistance à la rupture et l’énergie sont actuellement utilisées pour la recherche supplémentaire dans les outils de diagnostic pour éventuellement améliorer l’évaluation de la résistance à la rupture proximale chez les patients ostéoporotiques.

Protocole

1. attachement luminaire grand

1. retirer des appareils standards de la machine.
2. Déplacer à croisillon dehors pour accueillir le luminaire interne.
3. Placer le bloc en aluminium (pièces n ° 1 dans la Figure 1 a) sur la machine et la fixer solidement sur la machine à l’aide de deux boulons ; le trou au centre accueille le peson machine.
4. Placer la structure de l’appareil principal (partie no 2 dans la Figure 1 b) sur le bloc en aluminium et fixez-le solidement au bloc à l’aide de 4 boulons.
5. Placer un cric de quatre tonnes en vertu de la partie de l’appareil qui ne repose pas sur le bloc en aluminium à l’appui de l’appareil ( Figure 1).
6. Le montage charge 6 voies cellulaires (partie n ° 3 dans la Figure 1) sur l’appareil principal et fixez-le à l’aide de 6 vis.

2. Traverse du luminaire pièce jointe

1. crosshead machine la valeur zéro absolu à l’aide de contrôle ascenseur cruciformes.
2. Attacher la première plaque de base (partie n ° 4 dans la Figure 2 b) à la traverse avec ses bords incurvés vers l’avant de la machine d’essai de 7 vis.
3. Attach deuxième plaque de base (partie n ° 5 dans la Figure 2) en utilisant une vis pivotante. La vis peut accueillir OS de gauche et de droite pendant l’essai. La deuxième plaque de base (partie n ° 5) est libre de pivoter sur la vis de pivot par rapport à la première plaque de base (partie n ° 4). Orientation de la deuxième plaque de base détermine si le programme d’installation est pour le fémur droit ou gauche.
4. Fixer l’ensemble des deux paliers-glisseurs (partie n ° 6 en Figure 2D) à la deuxième plaque de base (partie n ° 5) à l’aide de 4 vis (deux vis sont accessibles d’un côté de la première plaque de base). Faire pivoter la deuxième plaque de base de telle sorte que le deuxième jeu de vis sont accessibles depuis le sommet de la première platines.
   Remarque : Pour modifier l’orientation des diapositives de l’os de gauche à droite OS, les 4 vis sur le dessus de la première plaque de base sont déverrouillés, et puis les diapositives sont tourner autour de la vis de pivot et fixées à nouveau à l’orientation nécessaire.
5. Tourner manuellement les diapositives qui sont orthogonaux à charge 6 voies cellulaires en définissant la traverse de la machine à la position relative de 65°.

3. Instrumentés luminaire, Camera haute vitesse et installation d’éclairage pour l’expérience

1. ensemble vers le haut de l’appareil bas instrumentée sur un test hydraulique servo standard machine. Ce luminaire tiendra le fémur et accueillir des fémurs gauche et droite en chutant sur la configuration de hanche ( Figure 1).
2. Mis en place une caméra à grande vitesse et matériel d’éclairage ( Figure 3 a-3D).
   1. Position des lumières de forte intensité sur trépieds avec un de chaque côté de la machine et les fixer ( Figure 3 a).
   2. Mis en place les trépieds de caméras ultra-rapides, de chaque côté de l’essai de la machine et relier chaque caméra à unités d’acquisition de données ( Figure 3 b -3 C).
   3. Avec les caméras sur et connectés à l’unité d’acquisition, configurer les paramètres de la caméra ; définir la cadence de 6000 images par seconde (fps) et la résolution 1 024 x 512 pixels ; résolution peut être réduite pour tenir compte de mémoire interne appareil photo ( Figure 3D).
   4. Ensemble obturateur 1 image/s (1/6 000 fps). Également définir l’option caméra tels que les enregistrements commencent avant l’actionneur déplace (100 ms pour les tests rapides et 200 ms pour les tests lents).
   5. Connecter le câble de synchronisation entre les deux caméras ; mode de déclenchement select dans le paramètre du logiciel des caméras.

4. Vérification/étalonnage charger les cellules pour système approprié de Acquisition de données (DAQ)

1. mise en place l’unité DAQ
   1. Connect le DAQ aux essais machine, caméra vidéo à grande vitesse, pesons et potentiomètre linéaire comme le montre le câblage schématique à la Figure 4.
   2. Vérifier la bonne connexion du peson trochantérienne, cellule de charge de la tête, potentiomètre linéaire, cellule de charge de 6 canaux et déclencher le signal pour le matériel DAQ en observant les traces de signal de données dans le panneau d’affichage du logiciel DAQ en poussant sur le peson.
   3. Vérifier que les matériels DAQ, conditionneur de Signal et générateur d’impulsions sont tous alimentés par ON.
   4. Configurer le logiciel d’acquisition de données pour tous les signaux de la cellule de pesage et le potentiomètre linéaire. Dans le logiciel d’acquisition de données, sélectionnez le " configuration > > Configuration " onglet et mis en place le taux d’acquisition (Hz) pour chaque signal d’entrée associée à chaque cellule de pesage. Sur la " déclenchement " onglet, sélectionnez l’option appropriée de déclenchement. Équipement vidéo devrait également être déclenché au cours d’essais préliminaires afin d’assurer la synchronicité de système vidéo/DAQ.
2. Appliquer une charge nominale (par exemple, un minimum de 200 lbs pour un maximum de 1600 lbs) à la tête du fémur et pesons trochanter à l’aide de la machine hydraulique servo standard pour vérifier la charge raisonnable des mesures de cellules et comparer fabricant fiches de données de calibration ( Figure 5 a).
3. De la même manière, appliquer des charges statiques à la cellule de charge de 6 canaux en utilisant un port en lourd, comme illustré à la Figure 5 b. Vérifier la fonctionnalité et de vérifier le rendement de la cellule de charge de 6 canaux ( Figure 5 a -5 b) en calculant les différences en pourcentage entre la force mesurée et théorique et les valeurs des moments. L’erreur doit être inférieure à 5 %.
   Remarque : Toutes les cellules de charge doivent ont été calibrés par leur fabricant à l’avance. Cette étape vérifie uniquement que les cellules de charge fonctionnent, tous les branchements et les signaux sont raisonnables.
4. De calibrer le potentiomètre linéaire
   1. fixer l’appareil potentiomètre linéaire à la traverse et place le potentiomètre linéaire dans l’appareil ( Figure 5). Serrer les vis pour verrouiller le corps du potentiomètre et brancher le connecteur de l’unité d’acquisition de données
   2. Déplacer manuellement l’actionneur (25 mm) sur le cadre de la charge afin que la position du potentiomètre se traduit d’une compression maximale en extension maximale et déplacements Records et la tension correspondante (pour les points de données au moins trois). Tracer les déplacements vs tension et monter une fonction linéaire aux données (R ² > 0,95). L’entrée de la pente de l’équation linéaire (mm/V) comme le facteur d’étalonnage dans le " mise à l’échelle de paramètre " boîte du logiciel DAQ.
5. Vérifier la configuration globale de la machine test en le testant un os de fibre de verre de substitution se rompe pour s’assurer que toutes les acquisitions de données sont fonctionnelle et raisonnable. Cela comprend la cellule de pesage trochanter, cellule de charge de la tête fémorale, potentiomètre linéaire, la cellule de pesage de six canaux et le signal de déclenchement ( Figure 6).

5. Préparation des os pour un test

1. décongeler os à température ambiante pendant 24h et enlever l’humidité, les excès de graisse et tout restant des tissus mous à l’aide de papar serviettes.
2. Placer les os à l’acrylique, l’appareil de numérisation et préparer le ciment dentaire. Mesurer 60 g de poudre PMMA et mélangez avec 30 g de résine liquide sous hotte jusqu'à ce que la poudre soit dissout. Le mélange doit être avec bec verseur. Utiliser une tasse de papier jetables pour ce processus. Cette étape est pour le rempotage du grand trochanter dans une tasse en aluminium ( Figure 7 a).
3. Aligner la coupe aluminium dessous le trochanter. Ensuite, couler du ciment PMMA à moitié de la hauteur de la coupe et élever la plate-forme de montage pour s’adapter à l’os dans la tasse. Permettre à 10-15 min pour la POLYMERISATION.
4. OS wrap dans une solution saline imbibé de serviettes pour éviter la sécheresse de tissu lors de la polymérisation du ciment osseux.
5. Déplacer les os pour le montage d’essai à la machine d’essai avec coupe aluminium attaché au trochanter ( Figure 7 b)
6. Centre la coupe de l’aluminium sur la plaque fixée à la cellule de pesage trochantérienne et ajuster les paliers lisses afin que la coupe d’aluminium touche légèrement la cellule de pesage. Retirez la tige de l’appareil afin de permettre une rotation du gabarit
7. Center et s’abaissent la crosse pour le contact avec la tête fémorale.
8. Examen le programme d’installation, la position de l’OS, signaux de cellule de charge et position de coupe. Également vérifier le matériel DAQ ; s’assurer que toutes les cellules de matériel et de la charge sont correctement branchés et vérifier que tous sont sous tension. Vérifier la configuration du logiciel pour la réponse de signal correct de chaque cellule de pesage.
9. Prendre des photos du fémur placé dans le montage des 2 côtés.
10. Régler l’ouverture pour permettre assez de lumière sur le capteur de la caméra et contrôler la profondeur de champ. Vérifier la qualité d’image en mettant l’accent sur le col du fémur. Ce processus devrait éviter tout éblouissement et régions osseuses brillant dans l’image qui nuiraient à capturer l’événement fracture.

6. Test de Fracture

1. vérifier le cadre de charge mécanique de servo est programmé pour le contrôle du déplacement approprié de 25 mm pour l’essai de fracture dans le cadre de charge mécanique de servo pour chargement et déchargement.
   Remarque : Ces sommes fabricant des paramètres spécifiques et doivent être entrées et vérifiés dans le panneau de configuration de l’équipement d’essai selon les spécifications du fabricant.
2. Vérifier l’éclairage afin de minimiser les reflets dans les caméras vidéo et le système d’acquisition de données une toute dernière fois.
3. Cliquez sur l’icône Démarrer du panneau de commande pour lancer la séquence d’essai pour fracture fémur test ( Figure 7).
4. Prendre des photos du fémur fracturé des 2 côtés.
5. Rétracter actionneur et retirez-le du fémur de la machine manuellement.

7. Après préparation de fracture

1. Retirez osseuses de luminaire.
2. Extrémité cassée proximale de bande osseuse pour l’arbre, envelopper dans des serviettes mouillées et sacs en plastique ( Figure 7) et puis congeler à -20 ° C.
3. Préserver les os pour l’imagerie des rayons x et CT plus loin après fracture.
   NOTE : Le détail de ces processus ont été expliqués précédemment dans un autre protocole de notre groupe (à l’étude à JoVE) ( Figure 7E).

Résultats

Luminaires internes sont installés après que les montages standards sont retirés de la machine d’essai. Tout d’abord, l’appareil lourd bas est monté et fixé (Figure 1). Il s’agit d’un bras tendu pour contenir la cellule de charge 6 voies qui permet également la tige fémorale doit être harmonisé à un angle d’antéversion désirée. Ensuite, l’armature de crosse y compris les deux roulements de glissement sans frottement est monté pour ...

Discussion

Nous avons proposé un protocole à la cassure d’essai fémurs cadavériques proximales lors d’une chute sur la configuration de hanche avec lequel nous avons testé avec succès environ 200 échantillons. Le protocole inclut plusieurs luminaires conçus internes pour essai dans des conditions de chargement différent de résistance fémorale. L’appareil permet de tester des fémurs droite et gauche à différentes vitesses d’essais et les orientations de l’OS. Après avoir monté le luminaire et les instrument...

matériels

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