הכנת עצם הירך הפרוקסימלי cadaveric לשבר חוזק בדיקה כמותית CT מבוססי ניתוח אלמנטים סופיים

Summary

אנו מציגים פרוטוקול חזק כיצד לשמר בקפידה ולהיערך femora cadaveric לבדיקת שבר והדמית טומוגרפיה ממוחשבת כמותית. השיטה מספקת שליטה מדויקת התנאים קלט לצורך קביעת יחסים בין צפיפות המינרלים בעצמות, כוח שבר, והגדרת הגיאומטריה ומאפיינים מודל אלמנטים סופיים.

Abstract

בדיקות שבר cadaveric משמשות באופן שגרתי כדי להבין גורמים המשפיעים כוח ירך הפרוקסימלי. בגלל רקמות ביולוגיות vivo לשעבר נוטות לאבד תכונות המכאניות שלהם לאורך זמן, דגימה לקראת בדיקה ניסיונית חייבות להתבצע בזהירות כדי לקבל תוצאות אמינות המייצגים בתנאי vivo. מסיבה זו, עצבנו פרוטוקול ומערכת של גופים להכין את דגימות ירך כך התכונות המכאניות שלהם חוו שינויים מינימאליים. Femora נשמרו במצב קפוא למעט במהלך השלבים בהכנה ובדיקה מכנית. המודד הקליני הרלוונטי של מפרק ירך ואת צפיפות מינרלים בעצם צוואר ירך (BMD) התקבלו עם absorptiometry רנטגן הכפול קליני צפיפות עצם (DXA), ואת גיאומטרית 3D וההפצה של מינרלים בעצמות התקבלו באמצעות CT עם רוח רפאי כיול עבור הערכות כמותיות על סמך ערכי בגווני אפור. כל מחלת עצם אפשרי, שבר, או הנוכחות של שתלים או חפצים המשפיעים על מבנה העצם, נפסלה עם סריקות רנטגן. לקבלת הכנה, כל העצמות נוקו בקפידה של רקמות רכות עודפות, נחתכו בעציץ בזווית הסיבוב הפנימית של עניין. אביזר חיתוך איפשר הקצה הדיסטלי של העצם להיות מנותקת עוזב את עצם הירך הפרוקסימלי באורך הרצוי. כדי לאפשר מיקום של צוואר הירך בזוויות שנקבעו במהלך מאוחר CT סריקה ובדיקה מכאני, פירי ירך הפרוקסימלי בעציץ polymethylmethacrylate (PMMA) באמצעות מתקן אשר עוצב במיוחד עבור אורינטציות רצויות. הנתונים הנאספים מניסויים שלנו אז שימשו למתן תוקף של טומוגרפיה ממוחשבת כמותית (QCT) מבוססי ניתוח אלמנטים סופיים (FEA), כמתואר בפרוטוקול אחר. בכתב היד הזה, אנו מציגים את הפרוטוקול לעריכת העצם המדויק לבדיקות מכאניות ודגימה עוקבת QCT / FEA. הפרוטוקול הנוכחי יושם בהצלחה להכין כ -200 CADfemora averic על פני פרק זמן של 6 שנים.

Introduction

Determining the true cadaveric proximal femoral fracture strength with mechanical testing is a destructive method that requires a rigorous testing approach for accurate measurements. In particular, proper bone preparation methods are necessary to maintain near in vivo integrity of the bones prior to mechanical fracture testing¹. This is achieved by proper bone storage and minimizing handling at room temperature. This test data is extensively used to validate QCT/FEA models of femoral fracture which have the potential to be used clinically to understand the fracture risk, especially in osteoporotic patients. Unfortunately, there is no current standard procedure to prepare proximal femur samples for mechanical testing. A good testing procedure should ensure repeatability and reproducibility of the preparation process. Therefore, fixtures required for sample preparation need to be carefully designed and fabricated to minimize the likelihood of various testing errors. We also need to minimize the preparation time for which bone tissue is at room temperature and thus in danger of degradation with irreversible changes in mechanical properties.

To this end, we have developed a procedure that preserves bone tissue across multiple preparation steps. This is important to ensure minimal exposure time at room temperature while also minimizing the number of freeze/thaw cycles which can affect tissue physical properties². The entire procedure is long and nontrivial as the steps occurred over multiple weeks and required scheduling for scanning procedures and personnel availability. The steps included thawing bone samples, screening the samples using DXA scanning to obtain bone mineral density (BMD) values, X-ray to rule out any diseased specimens, and finally CT scanning to estimate distribution of bone mineral and femoral geometry. All the specimens were prepared for testing by removing extraneous soft tissues from the bone surface, cutting the femur to a length required for testing, and potting the femur in a desired orientation for simulating a sideways fall on the hip during subsequent testing. It is essential to keep the time period for all these operations as short as possible. A robust protocol is thus mandatory for consistent specimen preparation, tissue preservation between steps, and for reducing the overall preparation time.

The aim of this paper is to present in detail the procedures involved in the preparation of femoral samples for subsequent mechanical testing under various conditions. Preservation of the bone tissue is crucial in this process and we achieved it by keeping specimens frozen between steps and keeping them carefully wrapped in saline saturated towels at all times except when scanning and mechanically testing the bones. Femora were also kept wrapped in saline wet towels during the steps involving PMMA curing to prevent dryness of the bone tissue.

Protocol

הערה: כל המחקרים שהוצגו בפרוטוקול זה אושרו על ידי דירקטוריון הסקירה המוסדי (IRB) במרפאת מאיו. העצמות התקבלו על פני תקופה של 6 שנים מארגונים שונים. כל הדגימות נאספו בתוך 72 שעות ממותו, עטופות במגבות רוויות מלוחות, ומאוחסן ב -20 ° C עד הכנה.

1. מדידת צפיפות המינרלים בעצם שימוש DXA

1. הסר דגימות והמשיך ב -20 במקפיא ° C להפשיר בטמפרטורת החדר למשך כ -24 שעות; דגימות לא צריכות להיות מוסרת מן האריזה מקורית אם רוב הרקמות רכות הוסרו.
2. השתמש בשני 5 lb צקים אורזים לתת דין וחשבון על רקמות רכות. מכסה את שני שקיות אורזות על שולחן DXA עם שקיות ניילון על מנת למנוע זיהום. השקיות האורזות תהיינה לדמות לרקמות רכות (in vivo) במהלך הסריקה כפי שמוצגות באיור 1.
3. הגן על פני השטח של סורק DXA עם נייר פלסטיק מרופד ומקום 2 רי פלסטיק עטופיםce שקיות על השולחן הסורק (איור 1 א).
4. הנח 2 femora (ימין ושמאל) על גבי שקיות אורז כזה בסוף הפרוקסימלי (כולל ראש הירך) הוא מרוכז על שקיות והצד האחורי הוא למטה (איור 1B). זה מחק מטופל שוכב על הגב שלהם.
5. קדמי כיסוי / סיום ירך הפרוקסימלי חשוף עם שקיות אורזות שתי 5 lb נוספים (איור 1 ג).
6. ראש המכונים עמד על ירך הפרוקסימלי ולסרוק הירך בהתאם לנוהל המוסדי הסטנדרטי למדידת BMD חולה (התרשים 1C). פעל בהתאם להוראות יצרן DXA הספציפיות.
   1. מממשק תוכנת מכונת DXA לבצע סריקת ירך נורמלית. בחר את בחינת הירך, מקם את זרוע DXA על גבי ירך cadaveric ידי לחיצה על החץ ימינה או שמאלה בהתאם על זרוע DXA, ולהתחיל את הבחינה על ידי לחיצה על הכפתור "התחל". לבצע את הניתוח BMD על ידי לחיצה על "נתח".
      לֹאE: T-ציון אוטומטי הנובע הסריקה מסווגת העצם כרגיל, osteopenic או אוסטיאופורוזיס (1D איור). פעל בהתאם להוראות יצרן DXA הספציפיות.

ניקוי 2., חיתוך וקידוח בקצה הדיסטלי של העצם

1. נקו את 300 מ"מ הפרוקסימלי ביותר של עצם הירך על ידי הסרת כל רקמות רכות הנותרים בזהירות מן העצם. צעד זה נדרש כדי לאפשר PMMA לפנות העצם במהלך תהליך השתילה בהכנה לבדיקות מכניות. העצמות לא צריך להיות מופשר לטמפרטורת החדר לתהליך הזה.
2. לטהר את סביבת העבודה עם אלכוהול איזופרופיל 70% ולכסות את השולחן עם רפידות נייר סופג עם סרט פלסטי בצד אחד (איור 2 א). הגדר את עצם הירך כולו על השולחן (איור 2 ב) עבור כל התהליך החל עם ניקוי חיתוך (איור 2 א ל 2H). ללבוש ציוד מגן אישי (PPE) כולל כפפותומשקפי מגן.
3. לגרד periosteum עודף וחותכים ממנו רקמה עודפת באמצעות מגרד ו אזמל (איור 2 ג, 2H).
4. מניחים את עצם אביזר חיתוך מחוייט כפי שמוצג באיור 2 ד עם ראש עצם הירך נגד צלחת אקריליק של הנורה.
5. יישר והחזק את diaphysis נגד שתי סיכות על קישוט חיתוך (איור 2).
6. אבטח את העצם אל גוף התאורה על ידי הידוק את הצלחת המחוררת על diaphysis; אם העצם לא לשכב על אביזר, לתלות את בראש הטבלה הקצה הדיסטלי וגם zip אופציונלי לקשור בצוואר הירך לפי הצורך להחזיק את הדגימה במקום (איור 2 ד).
7. חותך את הפיר הדיסטלי של עצם הירך באמצעות החותך היצוק (2E איור) באמצעות צלחת מחוררת כמדריך; להחזיק עצם עם סמרטוט / מגבת יבשה לאחיזה טובה יותר.
8. הסר את העצם מהמנורה; אורך עצם תקין לאחר החתך הוא 255 מ"מ (איור2F).
9. נקה את החלל מדולרי של מח באמצעות מגרדת כ 25 מ"מ עמוקה. לאחר מכן, הכנס ספוג גזה כדי לעזור לייבש את פני השטח הפנימי. הסר את הגזה רק לפני צבת הקצה הדיסטלי של עצם ירך העובש. גריפ העצם במגבת / סמרטוט יבש לקדוח חור 10 מ"מ דרך הקצה הדיסטלי של כ 25 מ"מ מהקצה לחתוך הפרוקסימלי של הדגימה. הערה: זו היא לאפשר PMMA לחדור התעלה ולאבטח את העצם בחוזקה.

3. שתילת העצם

1. עיצוב מיכל השתילה לפברק. המכולות השתילה עשויים 5 מ"מ יריעות עבות אקריליק ויש להם את הממדים החיצוניים הבאים: 50 מ"מ על 50 מ"מ חתך מרובע ו -100 מ"מ גבוה (איור 3 א).
2. תווית מיכל שתילה עם זיהוי עצמות מתאים (איור 3 א ו 3 ב - להציג את התווית על תיבת אקריליק).
3. התאם את מתקן הטבעה אל הכיוון הנכון (רגל שמאלאו רגל ימין; למשל 15 ° או 30 ° וסיבוב פנימי).
4. מניחים מיכל השתילה בבסיס של הטבעה מקבע, עצם מקום במיכל השתילה (איור 3B) וליישר הצוואר עם המצביע מקבע (איור 3 ג) כדי להתאים את זווית הסיבוב הפנימי של העצם לערך הרצוי.
5. מדוד 60 גרם של אבקת PMMA ומערבבים עם 30 גרם של שרף נוזל מתחת למכסה המנוע קטר עד נמס האבקה. התערובת צריכה להיות pourable. בעזרת כוס נייר חד פעמית עבור תהליך זה.
6. יוצקים את התערובת לתוך מיכל השתילה עם העצם תחת במנדף (איור 3D), לאפשר לרפא במשך כ 10 - 15 דקות עד PMMA ברור וקשה. זה אמור רק למלא ~ 1/2 של מיכל השתילה עם PMMA. בזהירות לעטוף את עצם במגבות רווי מלח כדי למנוע יובש רקמות עקב החום דור במהלך פילמור PMMA (איור 3E).
7. בדוק מעת לעת את עצם הירך כדי לוודא שהוא נשאר מיושרמיכל במהלך ריפוי.
8. סר ירך מן מתקן שתילה ולעטוף במגבת נייר ספוגה מלוחה (האיור 3E).
9. כן 90 גרם של PMMA תחת במנדף כמוסבר בשלב 3.5 ולמלא את מכל השתילה לחלוטין. לרפא את PMMA במשך כ 10 - 15 דקות עד שהוא הופך להיות קשה.
10. אחרי השרף רפא, בחוזקה לעטוף / rewrap עצם במגבות נייר ספוגה מלוחה, לכסות עם דגימות שקית ולאחסן פלסטיק ב -20 ° C במקפיא.

4. הדמית העצם עם רנטגן

(זהירות! Operate עם טיפול הולם עבור קרינת רנטגן בעת שימוש בהתקן)

1. אם אתה משתמש וסרט צילומי רנטגן, פונים המפתחים רנטגן ב -20 דקות לפחות (מחיר הוראות היצרן) לפני הסריקה על ידי סיבוב הכפתור בכיוון השעון (בחדר היזם).
2. ודא שיש סרט שלא נחשף את הקלטת לפני רנטגן; קלטת אמורה להיפתח רק בחדר חשוך.
3. הפעל המכונה על מנתלפתוח ולהרחיב את הראש המכונה.
4. מניח עגלה תחת הנתיב של הקורה ומניח קלטת על העגלה תחת (איור 4 א) הקורה.
5. מקום ומקם את הירך על הקלטת (איור 4 ב); שתי אוריינטציות יהיה בשבי: המדיאלי-לרוחב להציג הקדמי-אחורי נוף. לייבל תמונות הדגימה בהתאם.
6. לאחר החשיפה הראשונה, להחליף את מיקומי עופרת העצם.
7. מכסים במחצית כבר חשוף בעופרת ולחשוף את העצם בכיוון השני בצד שלא נחשפו. זה מאפשר למשתמש להשתמש בסרט רנטגן אחד עבור עצם אחת בשני כיוונים (איור 4C-D).
8. שנה את הקלטת ולסובב כל ירך לתוך האורינטציה השנייה.
9. במקרה של עצם ירך יחידה, לכסות מחצית הקלטת עם כיסוי עופרת להימנע מחשיפה ראשונית של הסרט כולו לקרן רנטגן.
10. העבר מאחורי קיר נייד מצופה עופרת להגנה אישית ולהשתמש ההדק לחשוףהעצמות.
11. עם סיום, לחזור ראש רנטגן לנעול ומצבת חנות, לסובב את המפתח למצב כבוי במחשב רנטגן ולהסיר סרט רנטגן חשוף.
12. לפתח את הסרט כדי להשיג תמונות רנטגן (איור 4E) באמצעות מפתח סרט רגיל. כבה את האור הלבן בחדר ולאתר יזם הסרט. כבה את האור האדום ומכבה את האור הלבן לפני פתיחת הקלטת להמשיך בתהליך פיתוח סרט. פתח את הקלטת ולשים את הסרט דרך היזם. כבה את האור הלבן ומכבים את האור האדום פעם בסרט פותחה.

5. סריקת CT של עצמות

1. הסר עצמות מהמקפיא כ -24 שעות לפני הסריקה. עצמות חייבות להיות מופשרות לפני לחלוטין סריקה.
2. ודא העצמות עטופות בשקיות פלסטיק לסריקה כדי למזער לנקות בסוף.
3. מקום ולאבטח את עצם הירך ואת פנטום כיול מתקן סריקת CT (איור 5 א-ב). ה- Fixture מחזיקה פנטום הכיול (איור 5 ג) ובעלת ירך אורינטציה (איור 5D-E) זהה בכיוון הרצוי לבדיקות מכאניות שלאחר מכן. רישום צלב זה נדרש להשתמש בנתונים מסריקת CT (האיור 5F) בתהליך דוגמנות QCT / FEA (המתואר בפרוטוקול אחר).
   הערה: האבזר תוכנן כך שהוא חושף את עצם הירך לסריקת CT ללא הפרעת עצם הירך הפרוקסימלית (ראש עצם ירך, צוואר, trochanter יותר, ופיר הפרוקסימלי).
4. ודא הנורה יחד עם עצם הירך בתוך סורק CT מיושר כהלכה באמצעות לייזרים מערכת כמדריכים (איור 5D-E). Re-לבדוק את היישור של מתקן עם לייזר ציר זמן CT (על ידי לחיצה לייזר לחצן הפעלה / כיבוי). הפנטום לא צריך להיות מתואם עם לייזר כפי שהוא מאובטח שבתוך בית הנורה. אפס את המיקום בטבלה מלוח הבקרה של המכשיר על ידי לחיצה על אפס button (→ 0 ←) בלוח הבקרה.
5. בעקבות הליך ההפעלה CT רגיל, להפעיל את המכונה CT ב 120 KVP, 216 Mas, זמן סיבוב של 1, ועל המגרש של 1 באמצעות מצב ברזולוציה גבוהה במיוחד (zUHR). זה נותן עובי פרוס 0.4 מ"מ, ואת גודל פיקסל של 0.30 - 0.45 מ"מ, בהתאם לגודל של שדה הראייה (FOV).
6. בדקו CT סריקת נתונים לפני בדיקה מכאנית על מנת להבטיח כי תמונות של עניין נלכדות והצילו. Refreeze העצם ב -20 ° C עד היום של הניסוי.

תוצאות

Femora cadaveric נשלחו קפוא ומתוחזק ב -20 ° C עד הכנת החלה. סריקת BMD בוצעה באמצעות סורק DXA למדוד מפרק ירך והצוואר BMD וכן T-ניקוד עבור כל דגימה (איור 1). T-ציון הוא מספר סטיות התקן של נמדדת BMD בהשוואה לערכים ממוצעים עבור נבדקים בריאים צעירים. זה יכול לנוע בין...

Discussion

הצגנו פרוטוקול הכנה עצם חזק להבטחת דוגמנות בדיקות מכאני QCT / FEA של כוח ירך כתוצאה מנפילת צידה לתצורת הירך. שיטה זו הפכה הפרוטוקול הסטנדרטי ללא צורך במיקור החוץ שלנו. במהלך 6 שנים, עם אנשים שונים, כ -200 femora הוכנו בהצלחה בעקבות פרוטוקול זה. התוצאות של הפרוטוקול כוללות לסיוו...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
CT potting container and scanning fixture	Internally manufactured	N/A	Custom designed and manufactured
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
Dual Energy X-ray Absorptiometry scanner	General Electric	N/A	GE Lunar iDXA scanner for bone health or any similar BMD scanners
Hygenic Orhodontic Resin (PMMA)	Patterson Dental Supply	H02252	Controlled substance and can be purchased with proper approval
Freezer	Kenmore	N/A	This is a -20 °C 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
5-pound Rice Bags	Great Value	N/A	Used for mimicking soft tissue during the DXA scanning process
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
Cast cutter	Stryker	810-BD001	Used to cut femoral shaft
Drilling machine	Bosch	N/A	Used to drill the femoral shaft
Fume Hood	Hamilton	70532	Used for ventilation when using making PMMA