שיטה, מעקב אביזר בשביליאתה לא רואה שיש בדיקה בעמדה סתיו-בה-היפ לצדדים

Summary

כתב יד זה, אנו מציגים פרוטוקול שבר femora הפרוקסימלית cadaveric מבחן בנפילה הצידה לתצורת הירך באמצעות גופי מעקב רכוב על מסגרת הידראולי סרוו סטנדרטי. תשעה אותות סרוקים הכוללת כוחות, רגעים ועקירה יחד עם שני זרמי וידאו במהירות גבוהה נרכשים במהלך הבדיקה.

Abstract

בדיקות מכניות של femora מביא תובנות לתוך הבנת התרומה של measureable קלינית משתנים כגון עצם צפיפות מינרלים הפצה וגיאומטריה על תכונות מכניות הירך. נכון לעכשיו, אין שום פרוטוקול סטנדרטי עבור בדיקות מכניות של עצמות גיאומטריים מורכבים כגון מדד חוזק, קשיות. לפנות את הפער הזה פיתחנו פרוטוקול כדי לבדוק femora cadaveric להישבר וכדי למדוד את הפרמטרים biomechanical שלהן. פרוטוקול זה מתאר קבוצה של גופי וישימה כדי להתאים עומס מגניטודות השונים, כיווני החשבונאי עצם אפשרי אוריינטציות בנפילה לתצורת היפ, בדיקת מהירות, בגודל העצם ברגל שמאל של הרגל הימנית וריאציות. Femora הוכנו לבדיקה על ידי ניקוי, חיתוך, סריקה, השתילה הדיסטלי של הירך פנה משטחים ב- poly(methyl methacrylate) (PMMA) כפי שהוצג ב פרוטוקול אחר. דגימות מוכן להציב את מתקן הבדיקה בעמדה מחקה ליפול לצדדים על הירך, טעון להישבר. במהלך הבדיקה, טען שני תאים נמדד כוחות אנכי חלה על ראש הירך, הירך, תא שש ציר עומס כוחות נמדד ומדד רגעים הפיר הירך הדיסטלי, וכן חיישן תזוזה הזחה ההפרש בין ראש הירך, תל הירך פנה תומך. מצלמות וידאו במהירות גבוהה שימשו באופן סינכרוני להקליט רצף האירועים שבר במהלך הבדיקה. ההפחתה של נתונים אלה אפשרה לנו לאפיין את החוזק, קשיחות, שבר אנרגיה כמעט 200 osteoporotic, osteopenic, ומחקר נורמלי femora cadaveric להמשך פיתוח של מבוסס על הנדסת כלי אבחון לאוסטאופורוזיס.

Introduction

פיתוח שיטות רומן הערכת סיכונים בשביליאתה לא רואה שיש ומניעת שבר ליפול על הירך דורשות הבנה מקיפה של התהליכים biomechanical מעורב במהלך שבר. בדיקות חוזק עצם הירך מקורב cadaveric הוכח להיות יעיל בקביעת היחס בין הכוח הירך ואת הגורמים המשפיעים על יכולת מבנית של עצם הירך לספק תובנות חשובות זה תהליך^{1,2 , 3}. כוח הירך השפעול נמדד משמש גם לצורך אימות מבוסס-טומוגרפיה מחושב כמותית סופיים רכיב QCT/לפורומי אנליזות אשר מאפשרת הערכה בלתי פולשני של שבר כוח^{4,5, 6,7}.

נכון להיום, יש אין נוהל מקובל לבחון דגימות כל הירך להישבר. כדי לבודד משתנים measureable קלינית (כגון צפיפות המינרלים של העצם וגיאומטריה) והשפעתם על הירך כוח, זה הכרחי לצורך בדיקה ניסויית יבוצע באופן מבוקר. Cadaveric femora יש טווח והצורות לא סדיר בגדלים⁸ , ניתן להשיג זכר או נקבה גופות בגילאים שונים, ואי אפשר לבדוק באמצעות גופי מובנה של תקן בדיקות המכונות. בנפילה הצידה על אירוע היפ, הירך עובר טעינה compressive, בעוד עצם הירך proximal עלולים להיתקל העמסה מורכבות כולל דחיסה, מתח, כיפוף רגע ולאחר מאמץ פיתול. בדיקת תרחישים כאלה העמסה מוסיפה מורכבות הנבחנים. לכן, אביזר, כמרכיב חשוב אחד של פרוטוקול הבדיקה, חייב להיות במיוחד המיועד, מפוברק, מותקן כדי להכיל את הירך דגימות של צורות שונות, גדלים של מהירויות בדיקה שונים. זה מקבע עליך להחזיק גם דגימות לבדיקת במגוון כיוונים הרצוי כדי לדמות המון השפעה אפשרית מנפילה על הירך. לפגוש כזה מגוון תנאים, הנורה צריך להיות נייחים מרובים, הזזת רכיבים מחוברים בצורה כדי למזער את המשחק במערכת וכדי להשיג היענות חלקה עומס-עקירה.

רכישת נתונים אמינים חיוני גם במהלך הבדיקה. הנבחנים חייבים לשלב את הצורך טען תאים, מתמרים תזוזה, אות מגברים ותומך מזגני כוחות למדוד במדויק, רגעים בכלל. בנוסף, קטעי וידאו במהירות גבוהה של שתי התצוגות anterior ואת אחורי של עצם הירך שהושג באופן סינכרוני עם רכישת כוחות נחוצים לעזור להבין את רצף האירועים שהובילו שבר, לאפיין את סוגי שבר, בדיוק להגדיר כוח הירך^4,9.

אמנם יש ערך מחקרים ניסיוניים בספרות על כל עצם הירך בדיקות, פרוטוקולים שפורסמו או חוסר פרטים על איך הבדיקה בוצעה או שונים מאוד מחקר אחד לשני כדי באמת להפוך אותם לשחזור^{10, 11}. מטרת העבודה הנוכחית הייתה להציג עבור בדיקות מכניות דוגמאות הירך יכול לשמש כנקודת ההתחלה של מאמץ לתקנן את רקמת העצם בדיקה שיכולה להיות הדיר, לשחזור של פרוטוקול. לשם כך, אנו תוכנן, מפוברק מתקן בדיקה אשר שימש כדי לבדוק כ-200 femora cadaveric. הנורה הבדיקה כללה מתקן התחתון מתקן גלגל נוהג. הנורה התחתון (איור 1 א'-E) מחזיק עצם הירך-כיוון הרצוי במהלך הבדיקה והוא כולל תא מטען תל הירך תא 6-ערוץ עומס מחובר הפיר הירך. מתאים גם שלושה תרגומים עצמאית כדי לאפשר מיקום העצם לבדיקת שבר. נקודת סיבוב נוסף לחקות את הברך. החלקים העיקריים של הנורה התחתון נעשו חתיכות עבות של פלדת אל-חלד, אלומיניום כדי להפוך אביזר מאוד נוקשה. תא המטען מחובר אביזר התחתון כדי למדוד כוחות compressive על הירך במהלך הבדיקה. הנורה גלגל נוהג (איור 2 א-2E) כוללת שני לוחות הבסיס אלומיניום, שקופיות והגאי מסבים (מחובר יחד על ידי צלחת אלומיניום), כדי להסביר התנועה של ראש הירך במהלך הבדיקה וגם כדי להכיל שני עבור femora ימינה ושמאלה. תא מטען כלולה האמצעים מקבע גלגל נוהג כוחות compressive. גביע אלומיניום המצורפת לתא המטען משמש כדי להחיל את עומסי compressive לראש הירך. השיטה שלנו שומש femora ימינה ושמאלה משני המינים, בגדלים שונים, זוויות פיר הצוואר, צפיפות, וטעינה תנאים מחקה לצדדים ליפול על הירך. המהירויות בדיקות בניסויים שלנו נקבעו ב 5, 100 ו- 700 מ מ/s, אך הם ניתן להגדיר ערך כלשהו זמין במחשב בדיקה. הנורה מעוצב היו שני מרכיבים עיקריים, האחד מחובר גלגל נוהג של מכונת בדיקות והשני מחובר למסגרת הבדיקה. שני החלקים היו שעברו אינסטרומנטציה עם תאי טעינה מספיקות למדוד את כוח ותומך תנאי גבול רגע בכלל. בנוסף, שתי מצלמות וידאו מהיר שימשו כדי לתעד את האירועים שבר במהלך הבדיקה. לאחר שבר, סריקת סדרת צילומי רנטגן, שחושב טומוגרפיה ממוחשבת (CT) התקבלו עבור פוסט ניתוחי שבר ניסיוני. התוצאות שהתקבלו ניסויים אלה כולל שבר כוח, אנרגיה משמשים כיום לצורך מחקר נוסף של כלי אבחון בסופו של דבר לשפר את ההערכה של כוח proximal שבר osteoporotic בחולים.

Protocol

1. מצורף מתקן גדול

1. להסיר את גופי סטנדרטי מהמכונה.
2. להזיז גלגל נוהג בנפרד כדי להכיל את הנורה ללא צורך במיקור חוץ.
3. למקם את הבלוק אלומיניום (חלק מס ' 1 באיור 1A) על המכונה והדקו היטב על המכונה באמצעות שני ברגים; החור במרכז יכול להכיל את התא מטען מכונת.
4. למקם את המבנה הראשי מקבע (חלק מס ' 2 באיור 1B) על הבלוק אלומיניום ולחבר אותו באופן מאובטח כדי לחסום את באמצעות 4 ברגים.
5. למקם שקע ארבע טונות תחת החלק של אביזר זה אינו בנוי על הבלוק אלומיניום כדי לתמוך הנורה ( איור 1C).
6. הר הנורה תא עומס ערוץ 6 (חלק מס ' 3 באיור 1D) האהיל הראשי ולאבטח אותה באמצעות ברגים 6.

2. גלגל נוהג מקבע המצורף

1. מוגדר גלגל נוהג המכונה האפס המוחלט באמצעות שליטה להרים גלגל נוהג.
2. הראשון baseplate (חלק מס ' 4, איור 2B) לצרף גלגל נוהג באמצעות ברגים 7 עם קצוות מעוגלים שלה מול החלק הקדמי של המכונה בדיקה.
3. צרף שני baseplate (חלק מס ' 5 ב- 2C איור) באמצעות בורג אחד הציר. הבורג להכיל ימינה ושמאלה עצמות במהלך הבדיקה. Baseplate השני (חלק מס ' 5) היא בחינם על צירם על הבורג pivot ביחס baseplate הראשון (חלק מס ' 4). הכיוון של baseplate השני קובעת אם ההגדרה תהיה עבור עצם הירך הימני או השמאלי.
4. לצרף ההרכבה של שתי שקופיות המנוע (חלק מס ' 6 בדו מימד איור) כדי baseplate השני (חלק מס ' 5) באמצעות 4 ברגים (שני הברגים ניתן לגשת מצד אחד של baseplate הראשונה). לסובב את baseplate השני בצורה כזאת, כי הסט השני של הברגים ניתן לגשת מהחלק העליון של baseplates הראשון.
   הערה: כדי לשנות את הכיוון של השקופיות של העצם השמאלי עצם הנכון, הברגים 4 מעל baseplate הראשונה הם התיר ואז שקופיות הם מסובבים על הבורג pivot הידק שוב על הכיוון הנדרש.
5. השקופיות אשר אורתוגונלית לטעון 6-ערוץ ידנית וסיבוב תא על-ידי הגדרת מכונת גלגל נוהג המיקום היחסי של 65°.

3. מעקב אביזר המצלמה במהירות גבוהה, התקנת תאורה לניסוי

1. קבע את הנורה התחתון שעברו אינסטרומנטציה על סרוו סטנדרטי הידראולי בדיקה המכונה. זה מקבע להחזיק את עצם הירך, להכיל femora שמאל וימין בסתיו לתצורת היפ ( איור 1).
2. להגדיר את המצלמה במהירות גבוהה וציוד תאורה ( איור 3 א-3D).
   1. הצב בעוצמה גבוהה אורות על חצובות עם אחד בכל צד של המכונה ולאבטח אותם ( איור 3 א).
   2. להגדיר "התלת רגליים" עבור מצלמות מהירות גבוהה משני צדי בדיקה מכונת להתחבר לכל מצלמה נתונים רכישת יחידות ( איור 3B -3 ג).
   3. עם המצלמות על ומחובר ליחידת הרכש, קביעת התצורה של הגדרות המצלמה; מוגדר במסגרת שיעור 6000 מסגרות לשנייה (fps) and ברזולוציה עד 1,024 x 512 פיקסלים; רזולוציה יכול להיות מופחת כדי להכיל את המצלמה זיכרון פנימי ( איור תלת-ממד).
   4. סט התריס 1 מסגרות לשנייה (fps 1/6000). גם להגדיר את האפשרות המצלמה כך ההקלטות להתחיל לפני במפעיל יעבור (ms 100 לבדיקות מהיר ו- 200 ms לבדיקות איטי).
   5. חבר את כבל סינכרון בין שתי מצלמות; בחר מפעיל מצב בהגדרת התוכנה של המצלמות.

4. בדיקת/Calibrating לטעון תאים עבור נאות נתונים רכישת מערכת (DAQ)

1. הגדרת יחידת DAQ
   1. לחבר DAQ לבדיקת מחשב, מצלמת וידאו במהירות גבוהה, טען תאים ו נגד משתנה לינארית, כפי שמוצג חיווט סכמטי באיור 4.
   2. בדוק את החיבור הנכון של עומס trochanteric תא, טען ראש תא, נגד משתנה לינארית, טען ערוץ 6 תאים, ויפעיל האות למכשיר DAQ על ידי התבוננות עקבות אות נתונים בחלונית ' תצוגה ' של התוכנה DAQ על-ידי לחיצה ידנית את התא מטען.
   3. לוודא DAQ, מרכך אות ו מחולל הפעימה הם כל מופעל על.
   4. להגדיר את התוכנה DAQ עבור כל אותות התאים עומס, את נגד משתנה לינארית. התוכנה DAQ, בחר " שלב ההתקנה > > תצורה " טאב ולהגדיר את קצב רכישת (Hz) עבור כל קלט אות המשויך לכל תא מטען. -" Triggering " טאב, בחר באפשרות המתאימה מפעילה. ציוד וידאו גם תופעל במהלך המשפט פועל כדי להבטיח מערכת וידאו/DAQ שנרים ידיים.
2. להחיל עומס נומינלית (לדוגמה מינימום של 200 ליברות למקסימום של 1600 ק ג) ראש הירך, תל הירך טען תאים באמצעות מכונת הידראולי סרוו סטנדרטי כדי לוודא עומס סביר תא מדידות ולהשוות את היצרן גליונות נתונים כיול ( איור 5A).
3. להחיל באופן דומה, עומסים סטטי על התא 6-ערוץ עומס באמצעות משקל מת כפי שמוצג איור 5B. לבדוק את הפונקציונליות ולוודא את הביצועים של התא עומס ערוץ 6 ( איור 5A -5B) על-ידי חישוב אחוז ההבדלים בין כוח נמדד ותיאורטי וערכים הרגע. השגיאה צריך להיות פחות מ- 5%-
   הערה: כל התאים עומס בטח יש היה מכויל על ידי יצרן שלהם מראש. שלב זה בודק רק כי התאים עומס מתפקדות, כל החיבורים נעשים, האותות סבירים.
4. כיול של נגד משתנה לינארית
   1. לאבטח אביזר לינאריות נגד משתנה כדי גלגל נוהג, מקום נגד משתנה ליניארי של הנורה ( איור 5C). את הברגים כדי לנעול את הגוף נגד משתנה ולחבר את המחבר ההוראה DAQ
   2. להעביר באופן ידני במפעיל (25 מ מ) על המסגרת טען אז כי העמדה נגד משתנה מתורגם של דחיסה מרבית ההרחבה המרבית ואת displacements שיא המתח המתאימה (עבור נקודות נתונים לפחות שלושה). מגרש העקירה נגד מתח ובכושר פונקציה קווית על הנתונים (R ² > 0.95). קלט את השיפוע של המשוואה הקווית (מ מ/V) כגורם כיול לתוך " דרוג פרמטר " קופסת התוכנה DAQ.
5. לאמת ההגדרה הכוללת מכונת בדיקות על-ידי בדיקת עצם פיברגלס הפונדקאית להישבר כדי לוודא כי כל חדרי קירור והקפאה הוא פונקציונלי והגיוני. כולל תא מטען תל הירך, טען ראש הירך תא, נגד משתנה לינארית, התא עומס ערוץ 6, את לחצן האות במוקש ( איור 6).

5. הכנת עצמות בדיקה

1. להפשיר עצמות בטמפרטורת החדר במשך 24 שעות ביממה ולהסיר את הלחות, עודף שומן ו כל רקמות רכות הנותר באמצעות הרשות הפלסטיניתלכל מגבות.
2. למקם עצם באקריליק סריקה מקבע והכן מלט שיניים. למדוד 60 גר' PMMA אבקה ומערבבים עם 30 גרם של שרף נוזלי מתחת fume המנוע עד האבקה פיזר. התערובת צריכה להיות pourable. השתמש כוס נייר חד פעמיות עבור תהליך זה. השלב זה עבור השתילה את הירך בגביע אלומיניום ( איור 7 א).
3. יישר בגביע אלומיניום מתחת תל הירך. לאחר מכן, יוצקים PMMA צמנט לגובה חצי הכוס, להעלות את הפלטפורמה מקבע כדי להתאים את העצם לתוך הכוס. לאפשר 10-15 דקות בשביל הפילמור.
4. עצמות גלישת בתוך תמיסת מלח ספוג מגבות כדי להימנע רקמות יובש בעת הפילמור מלט עצם.
5. להזיז את העצם כדי הנורה בדיקה במכונה בדיקה עם גביע אלומיניום מחובר תל הירך ( איור 7)
6. מרכז בגביע אלומיניום בצלחת המצורפת לתא המטען trochanteric ולהתאים את השקופית מסבים כך בגביע אלומיניום נוגע מעט את התא מטען. הסר את ה-pin של הנורה כווני של הנורה
7. התחתונה גלגל נוהג של קשר עם ראש הירך ומרכז.
8. סקירה ההתקנה, עצם מיקום, אותות התאים עומס, והמיקום גביע. גם סקירה DAQ התקן; ודא כי כל התאים עומס וציוד מחוברים כראוי, ודא כי כל מופעל על. בדוק בהגדרת התוכנה אות נכונה התגובה של כל תא המטען.
9. קח תמונות של עצם הירך להציב הנורה מ- 2 הצדדים.
10. להגדיר את הצמצם כדי לאפשר מספיק אור אל החיישן במצלמה ולשלוט על עומק השדה. בדוק את איכות התמונה על-ידי התמקדות בצוואר הירך. תהליך זה צריך למנוע כל בוהק וציפוי מבריק עצם אזורים בתמונה שישפיעו על לכידת האירוע שבר.

6. בדיקות כדי שבר

1. ודא שמסגרת עומס מכני servo מתוכנת לשליטה הזחה המתאים של 25 מ מ עבור הבדיקה שבר במסגרת עומס מכני servo להעמסה ופריקה.
   הערה: אלה יצרן הגדרות ספציפיות ולא צריך להיות קלט ונבדקה שבלוח הבקרה של ציוד בדיקה על פי מפרט היצרן.
2. לאמת תאורה לצמצם השתקפויות מצלמות הוידאו, ומערכת רכישת הנתונים בפעם האחרונה.
3. לחץ על הסמל ' התחלה ' בלוח הבקרה כדי ליזום בדיקת רצף להישבר מבחן עצם הירך ( איור 7C).
4. לצלם תמונות של עצם הירך שבורה מ- 2 הצדדים.
5. ידנית. משכי למפעיל ולהסיר את עצם הירך ממכונת.

7. פוסט-שבר הכנה

1. להסיר עצם מקבע.
2. טייפ הקצה השבור הפרוקסימלית של העצם שאפט, עוטף מגבות רטובות, שקיות ניילון ( איור 7D) ולאחר מכן להקפיא ב-20 מעלות צלזיוס
3. לשמר את העצמות עבור עוד יותר לאחר שבר רנטגן ו- CT הדמיה-
   הערה: פרטים על תהליכים אלה בעבר להסבר בפרוטוקול אחר מהקבוצה שלנו (תחת ביקורת-יופיטר) ( איור 7-אי).

תוצאות

פרזול שבאתר הן רכוב אחרי גופי סטנדרטי יוסרו מן המכונה בדיקה. ראשית, הנורה כבד התחתון רכוב, מאובטחת (איור 1). זה כולל זרוע מורחבת כדי להחזיק את התא 6-ערוץ עומס המאפשרת גם הפיר הירך ייושר בזווית הרצויה ההסתמכות. בשלב הבא, הנורה גלגל נוהג כולל שתי שקופיות העיצור?...

Discussion

אנחנו הציע פרוטוקול להישבר מבחן femora cadaveric הפרוקסימלית בנפילה לתצורת היפ אשר בדקנו בהצלחה כ-200 דוגמאות. הפרוטוקול כולל מספר גופי מעוצבת ללא צורך במיקור חוץ לכוח הירך בדיקות בתנאים העמסה שונים. הנורה מאפשרת בדיקה של femora הימנית והשמאלית -במהירויות בדיקות שונות וכיוונים העצם. לאחר הרכבה הנורה...

Materials

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