メソッドと大腿骨骨折は横秋のヒップ位置にテストのインストルメント化された器具

要約

この原稿を使用してインストルメント化された器具標準サーボ油圧フレームにマウントされている股関節の構成の横に秋でテスト切断肢の近位大腿骨を骨折するプロトコルを提案する.力、モーメント、および 2 つの高速ビデオ ストリームと共に変位を含む 9 つのデジタル化された信号は、テスト中に取得されます。

要約

大腿骨の機械的テスト骨ミネラル密度分布と大腿骨の力学的特性の幾何学などの臨床的に測定可能な変数の寄与を理解に貴重な洞察力をもたらします。現在、機械試験測定強度と剛性にこのような複雑な形状の骨のための標準プロトコルはありません。このギャップを埋める死体大腿骨骨折してそのバイオメカニカルなパラメーターを測定するためにテストするためのプロトコルを開発しました。このプロトコルでは、様々 な荷重の大きさと股関節の構成に秋に会計可能な骨の向きの方向に対応、スピード、骨のサイズ、および左脚右脚のバリエーションをテストする適応器具のセットについて説明します。クリーニングによってテストのため、大腿骨を調製、加工、スキャン、および遠位端、大転子をポッティング接触 poly(methyl methacrylate) で面別のプロトコルに提示されています。準備された標本は腰に横に秋を模倣した位置でテスト フィクスチャに配置され、破壊に読み込まれました。テスト中に、2 つの測定セル垂直荷重適用大腿骨頭と大転子、6 軸ロードセル測定力と遠位大腿骨骨幹部と変位センサーで瞬間測定間の変位を微分、転子と大腿骨頭は、サポートにお問い合わせください。高速度ビデオカメラを用いて同期的にテスト中に破壊イベントのシーケンスを記録します。このデータの削減は、強度、剛性を特徴付け、ほぼ 200 の骨粗鬆症、しょう、エネルギーを破壊することができました、骨粗鬆症の診断ツールの技術ベースの更なる発展のため通常の死体大腿骨の研究します。

概要

大腿骨骨折リスク評価のための手法と腰に秋の骨折予防の開発には、破壊に関係する生体力学的プロセスの包括的な理解が必要です。死体大腿骨近位部強度テストは、このプロセス^1,2に重要な洞察を提供する大腿骨の構造性能に影響を与える要因と大腿骨の強度の関係を決定する上で効果的であること証明されています^,3実験測定された大腿骨の強度が定量的コンピューター断層撮影に基づく有限要素解析 (QCT/FEA) 破壊強度^{4,5、非侵襲的推定を可能にする検証に使用されるも。 6,7}。

日には、骨折する大腿骨全体の標本をテストするのには承認済みの標準的な手順はありません。臨床的に測定可能な変数 (など骨密度と幾何学) および大腿骨の強度への影響を分離するには、実験の制御されを反復可能な方法で実施することが不可欠です。死体大腿骨サイズ⁸で不規則な形状や範囲があるし、標準試験機の内蔵の器具を使用してテストすることは不可能、さまざまな年齢層の男性または女性の死体から入手できます。ヒップホップのイベントで横に秋に大転子が圧縮荷重、大腿骨近位部が圧縮、引張、曲げ、ねじりを含む複合負荷を経験しながら行われます。このような負荷シナリオをテストする実験的なデザインに複雑さを追加します。したがって、テスト プロトコルの 1 つの重要なコンポーネントとして、治具必要があります具体的設計、作製、およびインストールされるの異なった形およびサイズ、およびテスト速度が異なる大腿骨のサンプルに対応します。この器具も腰に秋から考えられる影響負荷をシミュレートするために必要な向きの範囲でテストするため試料を保持しなければなりません。このようなさまざまな条件を満たすためには、器具を複数の定常を持つ必要し、システムでプレイを最小限に抑えるため、滑らかな荷重-変位応答を取得する方法で接続されている構成部品の移動します。

信頼性の高いデータ集録は、テスト中にも重要です。信号増幅器の実験的なデザインが必要なロードセル、変位計を組み込む必要があり、正確に測定力と瞬間にエアコンをすべてサポートしています。さらに、軍の買収を同期取得大腿骨の前部と後部の両方のビューの高速度ビデオが破壊、破壊形態を特徴付ける主要なイベントのシーケンスを理解するために必要な正確に大腿骨の強度^4,9を定義します。

全体大腿骨試験に関する文献の貴重な実験的研究をありますが、公開されたプロトコルがテストの実行方法の詳細については不足または別ように本当に再現性のある^{10、1 つの研究から非常に異なって 11}。現在の仕事の目標は、骨組織を再現できるテストを標準化する努力のための出発点として使用できる大腿のサンプルの機械的試験のプロトコルを導入することだった。このため、設計し、約 200 の死体大腿骨をテストに使用した治具を作製しました。下部治具とクロスヘッド治具、治具が含まれています。下治具 (図 1A-E) は、テスト中に所望の方向に大腿骨を保持し、転子と大腿骨骨幹部に接続している 6 ch ロードセルが含まれています。それはまた破壊試験のボーンの位置決めを許可する 3 つの独立した翻訳を収容します。回転ポイントは、膝継手を模倣に追加されます。下部治具の主要な部分は、非常に硬い治具にするステンレス鋼とアルミニウムの厚い部分の成っていた。ロードセルは、テスト中に大転子に圧縮力を測定する下部治具に添付されます。クロスヘッド フィクスチャ (図 2 a-2E) 2 つのアルミニウム ベース プレートと (一緒に添付アルミ板による)、アカウントのテスト中に大腿骨頭の動きも調整するため、2 つの非常に硬いスライド ボール ベアリングが含まれています右と左の大腿骨。ロードセルは、圧縮力クロスヘッド フィクスチャの対策に含まれています。ロードセルに接続されているアルミのカップを使用して、大腿骨頭に圧縮荷重を適用します。男女ともに、さまざまなサイズの左と右の大腿骨に手法が使用された、首軸角度、骨密度、および模倣、横荷重が腰に落ちる。我々 の実験のテスト速度が 5、100、700 mm/s で設定されたが、試験機で使用可能な任意の値に設定できます。設計された治具、試験機のクロスヘッドに接続するものやその他のテスト フレームに接続されている 2 つの主要なコンポーネントを持っていた。ロードセル力を測定するのに十分な計測された両方の部品と瞬間境界条件をすべてサポートしています。さらに、テスト中に破壊イベントを記録する 2 つの高速ビデオカメラが使用されました。骨折では、一連の x 線写真と計算された断層レントゲン写真撮影 (CT) スキャン ポスト破壊に関する実験的解析が得られました。破壊強度を含むこれらの実験から得られた結果と最終的に骨粗鬆症患者における近位破壊強度の評価を改善するために、エネルギーを診断ツールの追加研究のため現在使用します。

プロトコル

1 大きな治具添付ファイル

1. 標準的な器具をマシンから削除します。
。
2. 離れてクロスヘッドを社内治具に合わせて移動します
。
3. 中央の穴に対応機ロードセル; マシンにアルミ ブロック ( 図 1 a の部分第 1) を配置し、マシン 2 つのボルトを使用するしっかりと固定します
。
4. アルミ ブロックのメイン器具構造 ( 図 1 b の部分第 2) を置き、しっかりと 4 本のボルトを使用してブロックに接続します
。
5. アルミ ブロック治具 ( 図 1) をサポートするために残りはしない器具の部分の下に 4 トン ジャッキを配置します
。
6. 主な器具の 6 チャネル負荷セル フィクスチャ ( 図 1 で第 3 部分) をマウントし、6 本のネジを使用して保護します
。

2。クロスヘッド治具添付ファイル

1. 機のクロスヘッドはクロスヘッド エレベーター コントロールを使用して絶対ゼロに設定します
。
2. 試験機の正面を向いてその曲線エッジと 7 本のネジを使用してクロスヘッドに最初ベース プレート (図 2 b に部分の第 4) をアタッチします
。
3. アタッチ 2 番目ベース プレート ( 図 2 第第 5 報) を使用して 1 つのピボット ネジ。テスト中に左と右の骨をネジに対応します。2 番目のベース プレート (一部号 5) は最初のベース プレート (一部第 4) を基準にしてピボット スクリューについて回転する無料です。かどうかセットアップは、右または左の大腿骨 2 番目のベース プレートの方向によって決まります
。
4. は、2 つのスライド ベアリング ( 図 2 D でその号 6) 2 番目のベース プレート (一部第 5) に 4 本のネジ (2 本のネジは、最初のベース プレートの 1 つの側面からアクセスできます) を使用してアセンブリを取り付けます。最初のベース プレートの上からネジの 2 番目のセットにアクセスできることそのような方法で 2 番目のベース プレートを回転します
   。 注: 右骨左骨からスライドの向きを変更する最初のベース プレートの上に 4 本のネジ留められたは、スライドがピボット スクリューの周りを回転し、必要なオリエンテーションで再度留まる
。
5. 6 チャネル負荷に直交であるスライド携帯機のクロスヘッドを 65 ° の位置に設定すると、手動で回転します
。

3。計測器具、高速カメラ、および実験のための照明セットアップ

標準サーボ油圧テストのインストルメント化された下部治具をセット
1. マシン。このフィクスチャは大腿骨を保持し、股関節の構成 ( 図 1) に秋の左と右の大腿骨に対応します
。
2. 高速カメラと照明器具を設定 ( 図 3 a-3D).
   1. マシンの各側に 1 つの三脚の高輝度ライトを配置し、( 図 3 a) をセキュリティで保護します
   。
   2. テストのどちら側に高速カメラ機し、各カメラ ( 3 b を図 -3 C) データ収集ユニットに接続の三脚を設定します
   。
   3. に、集録ユニットに接続のカメラ、カメラの設定を構成する; 6000 フレーム/秒 (fps) や解像度 1,024 × 512 ピクセルにフレーム レートを設定; カメラ内部のメモリに合わせて解像度を減らすことが (図 3 D).
   1 フレーム/秒 (fps 1/6,000)
   4. セット シャッター。アクチュエータ移動 (100 ms 高速試験と低速テスト 200 ms) 前に録音を開始するようもカメラのオプションを設定します
   。
   5. 2 つの同期ケーブル接続カメラ; カメラのソフトウェアの設定の選択のトリガー モード
   。

4。チェック/キャリブレーションを読み込むセルの適切なデータ集録システム (DAQ)

1. DAQ ユニットの設定
   1. 接続テストする DAQ マシン、高速ビデオカメラ、負荷セル、および配線のように、線形電位差計 図 4 の図
   。
   2. 転ロードセル、頭ロードセル、線形電位差計、6 ch ロードセルの適切な接続を確認し、ロードセルに手動で押すことで表示パネルの DAQ ソフトウェアのデータ信号トレースを観察することによって DAQ デバイスに信号をトリガーします
   。
   3. DAQ、シグナルコンディショナ、およびパルス発生器がすべて電源を ON であることを確認します
   。
   4. は、負荷セルおよび線形ポテンショメータからのすべての信号を DAQ ソフトウェアを構成します。DAQ ソフトウェアで選択、" ステップ設定 > > 構成 " タブし、各ロードセルに関連付けられている各信号入力の集録レート (Hz) を設定します。" トリガー "] タブで、適切なトリガ オプションを選択します。ビデオ機器がまたビデオ/DAQ システムの共時性を確保するための試験実行中にトリガーされるようにします
   。
2. 大腿骨頭に公称負荷 (たとえば 1600 ポンドの最大 200 ポンドの最小値) を適用し、標準サーボ油圧マシンを使用して適度な負荷を確認する転子ロードセル測定セルし比較するメーカー校正データ ・ シート ( 図 5 a).
3. は、同様に、 図 5 b に示すように死んで体重を使用して 6 ch ロードセルに静的荷重を適用します。機能をチェックして、6 ch ロードセルの性能 ( 図 5 a -5B) 測定と理論的な力と瞬間値のパーセントの違いを計算することによって。エラーが 5% 未満にする必要があります
   。 注: 負荷のすべてのセルする必要があるされています自分の製造元が事前に。この手順でのみこと、ロードセルが機能している、すべての接続がなされ、信号が合理的な確認します
。
4. 1. の 線形電位差計のキャリブレーション はクロスヘッドに線形電位差計フィクスチャを確保し、フィクスチャ ( 図 5) の線形電位差計を配置します。ポテンショ メーター本体をロックし、DAQ ユニット コネクタに差し込みますネジ
   2. は、ポテンショ メーター位置が最大圧縮から最大延長とレコードの変位と (少なくとも 3 つのデータ ポイント) の対応する電圧に変換するよう手動でアクチュエータ (25 mm) とロード フレームに移動します。電圧対変位をプロットし、フィット データを線形機能 (R ² > 0.95)。校正係数として線形方程式 (mm/V) の傾きを入力、" パラメーターのスケーリング " DAQ ソフトウェア ボックス
   。
5. すべてのデータ集録が機能的で合理的な確認して破壊するサロゲート グラスファイバー骨をテストすることによって全体的なテスト コンピューターのセットアップを確認します。これは転子ロードセル、大腿骨頭ロードセル、線形電位差計、6 チャネル負荷セル、およびトリガー信号 ( 図 6) が含まれています
。

5。テスト用の骨を準備する

1. 24 時間室温で骨を解凍し、水分、余分な脂肪や pa を使用して任意の残りの軟部組織を除去タオルあたり
。
2. 骨スキャンのフィクスチャは、アクリルで置き、歯科用セメントを準備します。Pmma の 60 g を測定し、ヒューム フードの下で液体の樹脂の 30 g を混ぜて粉が溶けるまで。混合物は、pourable する必要があります。このプロセスを使い捨ての紙カップを使用します。このステップでは、アルミニウム カップ ( 図 7 a) の大転子をポッティングします
。 転下アルミのカップを
3. に合わせます。カップの高さの半分に PMMA セメントを注ぐし、カップに骨に合わせて器具のプラットフォームを調達します。重合のための 10-15 分を許可します
。
4. 生理食塩水でラップ骨は骨セメントの重合中に組織の乾燥を避けるためにタオルを浸した
。
5. 転子 ( 図 7 b) に接続されているアルミのカップを持つテスト機でテスト ・ フィクスチャにボーンを移動
6. センターの大転子のロードセルを接続されているプレートにアルミニウム カップとアルミのカップに少し触れるロードセル スライド ベアリングを調整します。可能にする治具の回転治具からピンを削除
7. センターと大腿骨頭との接触のクロスヘッド
。
8. レビュー セットアップ、ボーンの位置、負荷セル信号とカップ位置。また、DAQ デバイスを確認します。機器や負荷のすべてのセルが適切に接続されている、すべてが入っていることを確認ことを確認します。各ロードセルから適切な信号応答のソフトウェアのセットアップを確認してください
。
9. 大腿骨の写真を撮っては、2 つの側面からフィクスチャ
。
10. は、カメラのセンサーに十分な光を許可し、被写し界深度を制御する絞り値を設定します。大腿骨頚部に焦点を当て、画像の品質を確認してください。このプロセスは、まぶしさと破壊イベントをキャプチャに影響を与えるイメージで光沢のある骨領域を防ぐ必要があります
。

6。破壊テスト

1. サーボ機械ロード フレームは適切な変位制御サーボ機械ロード フレームの両方をロードおよびアンロードのための破壊試験では 25 mm のためプログラムを確認します
   。 注: これらの製造元固有の設定は、する必要がありますが入力し、メーカーの仕様によるとテスト機器のコントロール パネルで確認します
。
2. 照明反射ビデオ カメラやデータ集録システムの最後の一時間を最小限に抑えることを確認してください
。
3. テスト ( 図 7) 大腿骨を骨折するテスト シーケンスを開始するコントロール パネルから開始アイコンをクリックします
。
4. 2 つの側面から骨折大腿骨の写真を撮ます
。
5. 手動でアクチュエータを撤回し、大腿骨をマシンから削除します
。

7。準備を破壊後

1. フィクスチャから骨を削除します
。
2. シャフト、濡れたタオルやビニール袋 ( 図 7) で折り返しおよび-20 でフリーズし骨の近位壊れた端をテープ ° C
3. X 線写真と CT 画像をさらに骨折後の骨を保持します
   。 注: 詳細 (ゼウスのレビュー) の下で私達のグループから以前これらのプロセス別のプロトコルで説明されているため ( 図 7E).

結果

社内の備品は、標準的な器具を試験機から削除した後にマウントされています。まず、下重い器具がマウント、(図 1) をセキュリティで保護します。これも目的の内転角度で配置する大腿骨骨幹部を可能にする 6 ch ロードセルを保持するために拡張アームが含まれます。次に、2 つの摩擦滑り軸受を含むクロスヘッドの据え付け品は、破壊 (

ディスカッション

破壊するためのプロトコルが正常に約 200 のサンプルをテストしたのと股関節の構成に秋に死体の近位大腿骨をテストを提案します。プロトコルには、いくつかの社内設計の治具大腿骨の強度が異なる荷重条件下でのテストが含まれています。器具試験速度と骨の向きで右と左の大腿骨のテストことができます。器具や測定機器をマウントした後グラスファイバー大腿骨をテストして、すべ?...

資料

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