このプロトコルは、負荷や骨折の下で変形する人間の大腿骨全体の微細構造の観察を可能にします。このプロトコルは、大腿骨全体を微細構造の分解能でイメージングすることにより、骨の異なる小柱皮質区画が、負荷に耐える能力を相乗的に決定する方法を調査することを可能にします。骨折のメカニズムの理解を深めることは、骨粗鬆症の高度な診断方法に情報を提供することができます。
このプロトコルは、オーストラリアのシンクロトロンで開発され、大学の商用の大容量マイクロCTスキャナーでの使用に適応し、膝や肩などのさまざまな解剖学的領域の研究に適用されました。原理的には、人間の骨や関節全体と同程度の大きさの材料に拡張することができます。この研究には、イメージング、固体力学、バイオメカニクスの計算モデリングなど、いくつかの分野の専門知識が必要です。
まず、臨床用CTスキャナーを使用して、スライスの厚さと約0.5〜0.7ミリメートルの面内ピクセルサイズで大腿骨標本をスキャンします。試料と並行して、5つの既知の濃度の色素リン酸水素カリウムを含むCTデンシトメトリーキャリブレーションファントムをスキャンします。次に、臨床CT画像から骨の形状をセグメント化し、密度と弾性率の関係を使用して、画像のグレーレベルを対応する骨密度値とヤング率に較正します。
セグメント化された形状のメッシュを作成した後、そのメッシュを有限要素ソフトウェアにインポートします。モデルの遠位端を3〜6ミリメートルの深さで完全に拘束し、冠状平面の大腿骨軸軸から8度外転し、大腿骨頭の中心を通過する1000ニュートンの公称力を加えることで、片脚の立脚荷重構成を再現します。組み込みのPCGソルバーを使用して有限要素モデルを解きます。
次に、指示されたコマンドを実行して、要素の重心における第 1 主ひずみ成分と第 3 主ひずみ成分を含む要素テーブルを生成します。次に、指示されたコマンドを実行して、モデル内の第1および第3主ひずみ成分と、骨降伏ひずみ、意図、および圧縮の間のひずみ比を計算します。公称力をピークひずみ比、意図力、圧縮でスケーリングし、2つのうち最大の力を破棄して破壊荷重を推定します。
試験片を基準無負荷状態にして、マイクロCT回転ステージに試験装置を配置し、マイクロCTスキャンを開始します。無負荷状態で撮影を2回繰り返し、スキャン後にケーブルをほどきます。スクリュージャッキ機構を1ラウンドあたり約1秒の一定速度で手動で作動させて力の増分を適用し、マイクロCTイメージングを実行します。
反力の急激な低下によって示されるように、試験片が破断するまで力の増分を繰り返します。破砕した標本のマイクロCTイメージングを行います。次に、さまざまな荷重ステップでの射影イメージのシーケンスを可視化します。
マイクロ CT 画像を 4 つサブサンプリングして、計算時間を短縮します。遠位骨幹を共登録のターゲットとして使用して、負荷がかかった状態での標本の画像を、負荷がかかっていない参照条件の画像と空間で厳密に共登録します。マイクロCT画像を2値化した後、可視化のための表面3次元モデルを作成します。
ボーン DVC を使用して、50 ピクセルのサイズのグリッド上のイメージの変位を決定します。次に、グリッドを有限要素モデルに変換して、ひずみテンソルを決定します。計算された変位を節点に適用し、モデルを解きます。
次に、3次補間とMac-Labのinter P three関数を使用して、変位とひずみの体積をリサンプリングして、マイクロCT画像の元のサイズに一致させます。変位、ひずみ、微細構造の画像を可視化し、大量の可視化とアニメーションを実現します。骨変形解析では、無負荷状態と骨折後に得られた画像を重ね合わせて、骨の永久変形を表示します。
次に、無負荷状態、負荷レベルの増加、および骨折後の3次元モデルを重ね合わせることにより、骨の進行性の微細構造変形を表示します。骨折箇所の骨のひずみを表示します。最後に、記述統計と回帰法を使用して、変形エネルギー、剛性、および変位を解析します。
マイクロCT画像とそれに付随する機械的検査により、大腿骨頸部骨折を観察することができます。アニメーションは、大腿骨頭が徐々に内側に回転し、遠位に上に移動して骨折することを示しました。頭部の湾曲はソケットの下で平坦になり、局所的な皮質の不安定性は観察されましたが、下にある小柱容積の不安定性は観察されませんでした。
骨折の発症は、皮質を曲げることによって、主圧縮小柱群に沿って進行するか、主主圧縮小柱軸から約45度のせん断によって発生します。ひずみが骨量を上回り、4人が予想される骨折荷重の50%を達成し、骨折前に8〜16%の圧迫に達しました。ピーク圧縮下で頭部領域に永久変形が観察された。
破損は、圧縮、引張、せん断ひずみを示す複雑なひずみ状態で発生しました。変形エネルギーは破壊までの変位の線形関数であり、安定した破壊挙動を示した。プロトコルを再現するための重要な側面は、変位破壊を引き起こすために必要な荷重ステップ数を制御し、実験を計画するために重要な荷重ステップ増分を取得することです。
データを有意義に分析するには、高品質の画像を取得することも重要です。60歳を超えると骨折事故が急激に増加する弾性不安定性が皮質の厚さに脆弱性防止の研究の事例を集中させました。このプロトコルによって、軽く骨粗鬆症の骨で実証された弾性的に安定した骨折挙動は、現在の焦点を皮質および小柱の相互作用に移します。
この手順は、骨力学の考慮されたモデルを前進させ、脆弱性の診断と埋め込み型デバイスの設計に情報を提供することができます。
