Questo protocollo consente di osservare la microstruttura dell'intero femore umano mentre si deforma sotto carico e frattura. Attraverso l'imaging dell'intero femore con risoluzione microstrutturale, questo protocollo permette di studiare come il diverso compartimento corticale trabecolare dell'osso, determini sinergicamente la sua capacità di sopportare il carico. Far progredire la nostra comprensione del meccanismo della frattura ossea può informare i metodi diagnostici avanzati per l'osteoporosi.
Questo protocollo è stato sviluppato presso il sincrotrone australiano, adattato per l'uso in uno scanner micro-CT commerciale di grande volume presso l'Università e applicato per studiare diverse regioni anatomiche, tra cui il ginocchio e la spalla. In linea di principio, può essere esteso a materiali di dimensioni simili a ossa e articolazioni umane intere. Questo studio richiede competenze in diverse discipline, tra cui l'imaging, la meccanica dei solidi e la modellazione computazionale in biomeccanica.
Per iniziare, utilizzando uno scanner TC clinico, scansionare il campione del femore con uno spessore della fetta e una dimensione dei pixel nel piano di circa 0,5-0,7 millimetri. Accanto al campione, scansionare un fantoccio di calibrazione della densitometria TC, con cinque concentrazioni note di colorante potassio idrogeno fosfato. Successivamente, segmentare la geometria ossea dalle immagini TC cliniche, calibrare i livelli di grigio nelle immagini ai corrispondenti valori di densità ossea e al modulo di Young, utilizzando la relazione densità/modulo elastico.
Dopo aver creato una mesh della geometria segmentata, importarla nel software ad elementi finiti. Completamente vincolato da tre a sei millimetri di profondità, l'estremità distale del modello, quindi replica una configurazione di carico di posizione a gamba singola applicando una forza nominale di 1000 Newton, abdotta di otto gradi dall'asse dell'asta femorale nel piano coronale e passante per il centro della testa del femore. Risolvi il modello a elementi finiti utilizzando il solutore PCG integrato.
Quindi, eseguendo i comandi indicati, generare una tabella degli elementi contenente i componenti di deformazione del primo e del terzo principio in corrispondenza del baricentro dell'elemento. Successivamente, eseguire il comando indicato per calcolare il rapporto di deformazione tra le componenti di deformazione del primo e del terzo principio nel modello e la deformazione, l'intenzione e la compressione dello snervamento osseo. Scalare la forza nominale in base al rapporto di deformazione di picco, all'intenzione e alla compressione e scartare il più grande dei due per stimare il carico di frattura.
Posizionare un banco di prova sullo stadio di rotazione micro-CT con il provino nella condizione di riferimento scarico e avviare la scansione micro-CT. Ripetere l'imaging due volte per la condizione di scarico e srotolare il cavo dopo la scansione. Applicare l'incremento di forza azionando manualmente il meccanismo del martinetto a vite a una velocità costante di circa un secondo per giro ed eseguire l'imaging micro-CT.
Ripetere l'incremento della forza fino a quando il provino non si rompe, come indicato da un improvviso calo della forza di reazione. Eseguire l'imaging micro-TC del campione fratturato. Quindi visualizzare la sequenza delle immagini di proiezione a vari livelli di caricamento.
Sottocampionare le immagini micro-CT per quattro, per ridurre il tempo di calcolo. Co-registrare rigidamente, nello spazio, le immagini del provino sotto carico, con quelle nella condizione di riferimento scarico, utilizzando la diafisi distale come bersaglio della co-registrazione. Crea modelli tridimensionali di superficie per la visualizzazione dopo aver binarizzato le immagini micro-CT.
Determinare lo spostamento delle immagini su una griglia di 50 pixel, utilizzando il DVC osseo. Quindi determinare il tensore di deformazione, convertendo la griglia in un modello a elementi finiti. Applicate lo spostamento calcolato in corrispondenza dei nodi e risolvete il modello.
Successivamente, utilizzando l'interpolazione cubica, con la funzione inter P tre in Mac-Lab, ricampionare i volumi di spostamento e deformazione in modo che corrispondano alle dimensioni delle dimensioni originali delle immagini micro-CT. Visualizza gli spostamenti, la deformazione e le immagini microstrutturali per la visualizzazione e l'animazione di grandi volumi. Per l'analisi della deformazione ossea, visualizzare la deformazione permanente dell'osso sovrapponendo le immagini ottenute in condizioni di scarico e dopo la frattura.
Quindi visualizzare la progressiva deformazione microstrutturale dell'osso sovrapponendo i modelli tridimensionali in condizioni di carico, a livelli di carico crescenti e post frattura. Visualizzare la deformazione dell'osso nella posizione della frattura. Infine, utilizzando la statistica descrittiva e i metodi di regressione, analizza l'energia di deformazione, la rigidezza e lo spostamento.
L'imaging micro-TC e i conseguenti test meccanici consentono di osservare le fratture del collo del femore. Un'animazione ha mostrato che la testa del femore ruotava progressivamente medialmente, mentre si muoveva distalmente fino alla frattura. La curvatura della testa si è appiattita sotto l'alveolo, dove è stata osservata instabilità corticale locale, ma nessuna instabilità del volume trabecolare sottostante.
L'insorgenza della frattura avviene piegando la corteccia, progredendo lungo il gruppo trabecolare compressivo principale, o tagliando a circa 45 gradi dall'asse trabecolare di compressione principale. La deformazione ha superato la resa ossea, una volta che i quattro hanno superato il 50% del carico di frattura previsto, raggiungendo l'8-16% di compressione prima della frattura. È stata osservata una deformazione permanente nella regione della testa sotto il picco di compressione.
Il cedimento si è verificato in uno stato di deformazione complesso, mostrando compressione, tensione e deformazione di taglio. L'energia di deformazione era una funzione lineare dello spostamento fino alla frattura, mostrando un comportamento di frattura stabile. Un aspetto critico per la replica del protocollo è l'ottenimento dell'incremento del passo di carico, che è importante per controllare il numero di gradini di carico necessari per causare una frattura allo spostamento e la pianificazione dell'esperimento.
Anche l'ottenimento di immagini di buona qualità è importante per un'analisi significativa dei dati. La convinzione che l'instabilità elastica che richiede il forte aumento degli incidenti di frattura sopra i 60 anni di età ha focalizzato il caso della ricerca nella prevenzione della fragilità sullo spessore corticale. Il comportamento di frattura elasticamente stabile dimostrato da questo protocollo, in ossa leggermente osteoporotiche, sposta l'attenzione attuale sulle interazioni corticali e trabecolari.
Questa procedura può far progredire modelli considerativi della meccanica ossea, informare la diagnosi di fragilità e la progettazione di dispositivi impiantabili.
