우리는 기술 지원 메이요 클리닉에서 재료 및 구조 시험 핵심 시설에게 감사의 말씀을 전합니다. 또한 우리는 연구 기간 동안 그들의 도움을, 로렌스 J. 베르 글룬, 브랜트 뉴먼, 요른 연산 덴 Buijs 박사에게 감사의 말씀을 전합니다. 이 연구는 재정적으로 그레인저 재단에서 그레인저 혁신 기금에 의해 지원되었다.

참고 :이 프로토콜에 제시된 모든 연구는 메이요 클리닉의 임상 시험 심사위원회 (IRB)의 승인을했다. 뼈 다양한 조직 6 년 동안 얻었다. 모든 표본을 포화 식염수 수건 싸서 준비 될 때까지 -20 ℃에서 보관 죽음은 72 시간 이내에 채취 하였다. 1. DXA를 이용하여 골밀도 측정 <ol><li> 약 24 시간 동안 실온에서 해동 -20 ℃ 냉동고에 보관 시료를 제거; 표본은 대부분의 부드러운 조직이 제거 된 경우 원래 포장에서 제거 할 필요가 없습니다. </li><li> 부드러운 조직을 고려하여 쌀이 5 파운드 가방을 사용합니다. 오염을 방지하기 위해 비닐 봉지와 DXA 테이블에있는 두 개의 쌀 가방을 커버. 도 1에 도시 된 바와 같이 밥 잡화 스캐닝 동안 (생체 내) 부드러운 조직을 둘러싸 시뮬레이션한다. </li><li> 플라스틱 줄이 그어진 된 종이와 DXA 스캐너의 표면을 보호하고 2 플라스틱 포장 리를 배치스캐너 테이블 (그림 1A)에 가전 가방. </li><li> 이러한 (대퇴골 포함) 기단부 가방을 중심으로하고, 후방 측이 아래로 (도 1b)라고 쌀 잡화 위에 대퇴골 두 (좌우)를 놓는다. 이것은 그들의 뒷면에 누워있는 환자를 모방. </li><li> 커버 전방 / 추가이 5 파운드 쌀 가방 (그림 1C)에 노출 된 근위 대퇴골 끝. </li><li> 위치 기계 근위 대퇴골을 통해 머리와 환자의 골밀도 측정 (그림 1C)의 표준 기관의 절차에 따라 대퇴골을 검사합니다. 특정 DXA 제조업체의 지침을 따르십시오. <ol><li> DXA 머신 소프트웨어 인터페이스에서 정상 대퇴골 검사를 수행합니다. , 대퇴골 시험을 선택 DXA의 팔에 따라 왼쪽 또는 오른쪽 화살표를 눌러 사체 대퇴골 상단의 DXA 암을 배치하고 &quot;시작&quot;버튼을 클릭하여 검사를 시작합니다. &quot;분석&quot;을 클릭하여 BMD 분석을 수행합니다. 아니E : 검사에서 결과 자동 T-점수는 정상 골다공증이나 골다공증 (그림 1D)로 뼈를 분류한다. 특정 DXA 제조업체의 지침을 따르십시오. </li></ol></li></ol> 2. 세척, 절단 및 뼈의 말단부 드릴링 <ol><li> 조심스럽게 뼈에서 남아있는 연부 조직을 제거하여 대퇴골의 가장 근위 300mm를 청소합니다. 이 단계는 PMMA가 기계적 시험에 대비하여 포팅 과정에서 뼈를 문의 할 수 있도록 요구된다. 뼈는 이러한 과정을 실온으로 해동 할 필요가 없다. </li><li> 70 % 이소 프로필 알코올로 작업 공간을 살균 한쪽 (그림 2A)에 플라스틱 필름에 흡수 종이 패드 테이블 커버. (2H에 그림 2A)를 절단에 청소로 시작하는 전체 프로세스에 대한 테이블 (그림 2B)에 전체 대퇴골을 설정합니다. 장갑을 포함한 개인 보호 장비 (PPE)를 착용눈 보호. </li><li> 초과 골막을 긁고 스크레이퍼와 메스 (그림 2C, 2H)를 사용하여 여분의 조직을 절단. </li><li> 조명기의 아크릴 판에 대한 대퇴골의 머리도 2D에서와 같이 사용자 정의 만든 절단기구에 뼈를 놓습니다. </li><li> 정렬 및 절단기구 (그림 2D)에있는 두 개의 핀에 대한 골간를 개최합니다. </li><li> 골간에 홈판을 체결하여 고정에 뼈를 고정; 뼈 고정에 평평하게 거짓말을하지 않는 경우, 선단 오프 테이블 탑을 걸고 시편 대신에 (그림 2D)를 유지하기 위해 필요에 따라 선택적으로 우편은 대퇴골 경부 넥타이. </li><li> 가이드로 슬롯 판을 통해 캐스팅 커터 (그림 2E)를 사용하여 대퇴골의 말단 샤프트를 잘라; 더 나은 그립 마른 헝겊 / 수건으로 뼈를 개최합니다. </li><li> 고정구에서 뼈를 제거; 절단 후 정상 뼈의 길이는 255mm (그림이다2 층). </li><li> 약 25mm 깊이 큐렛을 이용하여 골수의 수질 캐비티를 청소합니다. 그런 다음 내부 표면을 건조하는 데 도움이되는 거즈 스폰지를 삽입합니다. 금형에서 대퇴골의 선단을 배치 직전에 거즈를 제거합니다. 그립 마른 수건 / 걸레와 뼈와의 선단을 통해 시편의 근위 절단 끝에서 약 25mm를 10 밀리미터 구멍을 드릴. 참고 :이 PMMA는 운하를 통과 단단히 뼈를 고정 할 수 있도록하는 것입니다. </li></ol> 3. 뼈를 포팅 <ol><li> 설계 및 제작합니다 포팅 컨테이너입니다. 포팅 용기 5 mm 두께의 아크릴 판으로 만든 다음 외형 갖는다 : 50mm 사각형 단면 100mm 높이 (도 3A) 50 밀리미터. </li><li> 적절한 뼈 식별과 라벨 포팅 용기 (그림 3a 및도 3b - 아크릴 상자에 라벨을 참조). </li><li> 올바른 방향으로 삽입기구를 조정 (왼쪽 다리또는 오른쪽 다리를; 예를 들어, 15 ° 또는 30 ° 내부 회전). </li><li> 포팅 용기 (그림 3B)에 고정, 장소 뼈를 삽입의베이스에 포팅 컨테이너를 놓고 원하는 값으로 뼈의 내부 회전 각도를 조정하는기구 (그림 3C)에 포인터로 목을 맞 춥니 다. </li><li> PMMA 분말 60g을 측정하고 분말이 용해 될 때까지 연기 후드 아래에 액체 수지 30 g을 혼합한다. 혼합물을 부을 수 있어야한다. 이 과정을 위해 일회용 종이컵을 사용합니다. </li><li> PMMA는 명확하고 어려운 때까지 15 분 - 흄 후드 (그림 3D)에서 뼈 화분 용기에 혼합물을 부어 약 10 치료할 수 있습니다. 이것은 ~ PMMA와 포팅 용기의 1/2를 작성해야합니다. 조심스럽게 PMMA 중합 (그림 3E)시 발열로 인한 조직의 건조를 방지하기 위해 식염수 포화 수건 뼈를 래핑합니다. </li><li> 정기적으로는 정렬 상태를 유지하기 위해 대퇴골을 확인경화시 컨테이너입니다. </li><li> 포팅기구에서 대퇴골을 제거하고 식염수를 적신 종이 타월 (그림 3E)로 바꿈. </li><li> 단계 3.5에서 설명한 바와 같이 흄 후드 PMMA의 90g을 준비하고 완전히 포팅 컨테이너를 입력합니다. 힘든 될 때까지 15 분 - 10의 PMMA를 치료. </li><li> 수지가 경화 된 후, 단단히, 식염수 적신 종이 타월에 / 재 포장 뼈를 감싸 냉장고에 -20 ° C에서 비닐 봉투 및 저장 표본으로 다룹니다. </li></ol> 4. X 선으로 뼈 이미징 (주의! 기계를 사용하는 경우 X 레이 방사선에 대한 적절한 치료와 함께 작동) <ol><li> X 선에 대한 필름을 사용하는 경우, (개발자 룸에서) 노브를 시계 방향으로 돌려 스캔하기 전에 적어도 20 분 (업체 당 지침)에 X 선 개발자를 켭니다. </li><li> X 들여다 봤지 전에 카세트에 노출되지 않은 필름이 확인; 카세트는 어두운 방에서 열 수 있습니다. </li><li> 에게 기계를 돌려잠금을 해제하고 기계 머리를 확장합니다. </li><li> 빔의 경로에 카트를 놓고 빔 (그림 4A)에서 카트에 카세트를 배치합니다. </li><li> 장소 및 카세트 (그림 4B)에 대퇴골의 위치; 이 방향이 캡처됩니다 : 중간 - 측면보기 및 전후방보기를. 이에 따라 표본 이미지를 레이블. </li><li> 처음 노출 후, 납과 뼈의 위치를 ​​교환합니다. </li><li> 리드 이미 노출 절반을 덮고 미노 측 초 방향 뼈를 노출. 이것은 사용자가 두 방향 (도 4c-D) 중 하나의 뼈 한 X 선 필름을 사용할 수있다. </li><li> 카세트를 변경하고 두 번째 방향에 각각 대퇴골 회전합니다. </li><li> 하나 대퇴골의 경우, X 선을 필름 전체의 초기 노출을 방지하기 위해 리드 커버가 카세트의 절반을 커버한다. </li><li> 개인 보호의 우위가 늘어선 휴대용 벽 뒤에 이동하고 노출하는 트리거를 사용뼈. </li><li> 완료시, 잠금 및 저장 위치, X 선 기계에 OFF 키를 설정하고 노출 된 X 선 필름을 제거하기 위해 X 선 머리를 돌려줍니다. </li><li> 정규 필름 현상을 이용하여 X 선 화상 (도 4E)을 얻기 위해 필름을 개발한다. 방에 하얀 빛을 켜고 영화 개발자를 찾습니다. 빨간 불 켜고 카세트를 열기 전에 백색광을 끄고 필름 개발 과정을 진행합니다. 카세트를 열고 개발을 통해 필름을 넣어. 흰색 빛을 켜고 필름이 개발 된 후에는 붉은 빛을 끄십시오. </li></ol> 뼈 5. CT 스캔 <ol><li> 냉장고에서 약 24 시간 스캔하기 전에 뼈를 제거합니다. 뼈가 완전히 스캔하기 전에 해동해야합니다. </li><li> 확인 뼈가 마지막에 청소를 최소화하기 위해 스캔 비닐 봉지에 싸여있다. </li><li> 장소와 대퇴골 및 CT 스캔 고정 (그림 5A-B)의 교정 팬텀을 고정합니다. f를ixture 교정 팬텀 (그림 5C)를 보유하고 있으며 또한 방향 (그림 5D-E) 이후 기계 테스트를 원하는 방향으로 동일한에서 대퇴골을 보유하고있다. 이 상호 등록 (다른 프로토콜에서 설명) QCT / FEA 모델링 과정에서 CT 스캔 (도 5F)로부터의 데이터를 사용하도록 요구된다. 참고 : 고정은 (는) 근위 대퇴골 (대퇴골 머리, 목, 큰 대 전자 및 근위 축)을 방해하지 않고 CT 스캔의 대퇴골을 노출하도록 설계되었습니다. </li><li> 중부 표준시 스캐너에서 대퇴골과 함께 고정이 제대로 가이드로 시스템 레이저 (그림 5D-E)를 사용하여 정렬되어 있는지 확인합니다. 다시 확인 (켜기 / 끄기 버튼 레이저를 눌러)이 CT 긴 축 레이저 조명기의 정렬을. 팬텀은이기구에 고정으로 레이저 정렬 할 필요가 없습니다. 제로 회로 차단기를 눌러 기기의 제어 패널의 테이블 위치를 제로제어판에서 N (0 ← →). </li><li> 다음은 CT 표준 운영 절차 (120) KVP, 216 mAs의 1의 회전 시간에 CT 기계를 작동하고 1 피치 초 고해상도 모드 (zUHR)를 사용. 이것은 0.4 mm 슬라이스 두께 및 0.30의 픽셀 크기를 제공 - 0.45 mm가 시야 (FOV)의 크기에 따라. </li><li> 기계적 시험 이전에 CT 스캔을 확인 데이터는 관심의 이미지가 캡처되어 저장되어 있는지 확인합니다. 실험하는 날까지 -20 ℃에서 재 냉동 뼈. </li></ol>

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</ol>

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우리는 엉덩이 구성에 옆으로 가을에 대퇴 강도의 기계적 시험 및 QCT / FEA 모델링을 보장하는 강력한 뼈 준비 프로토콜을 제시했다. 이 방법은 우리의 표준 자체 프로토콜이되었다. 6 년 과정 동안, 다양한 인력으로, 약 200 대퇴골이 성공적으로이 프로토콜에 따라 제조 하였다. 프로토콜의 결과는 전이성 질환, 이전의 골절 또는 X 선을 사용하여 임플란트를 배제, DXA를 사용하여 뼈 상태를 분류하고...

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.

<table><tbody><tr><td>CT potting container and scanning fixture</td><td>Internally manufactured</td><td>N/A</td><td>Custom designed and manufactured</td></tr><tr><td>CT scanner</td><td>Siemens</td><td>Somatom Definition scanner (Siemens, Malvern, PA)</td><td>CT scanning equipment</td></tr><tr><td>Quantitative CT Phantom</td><td>Midways Inc, San Francisco, CA</td><td>Model 3 CT calibration Phantom</td><td>Used for obtaining BMD values from Hounsfield units in the CT image</td></tr><tr><td>Dual Energy X-ray Absorptiometry scanner</td><td>General Electric</td><td>N/A</td><td>GE Lunar iDXA scanner for bone health or any similar BMD scanners</td></tr><tr><td>Hygenic Orhodontic Resin (PMMA)</td><td>Patterson Dental Supply</td><td>H02252</td><td>Controlled substance and can be purchased with proper approval</td></tr><tr><td>Freezer</td><td>Kenmore</td><td>N/A</td><td>This is a -20 &amp;deg;C storage for bones</td></tr><tr><td>X-ray scanner</td><td>General Electric</td><td>&amp;nbsp;46-270615P1</td><td>X-ray imaging equipment.&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>X-ray films</td><td>Kodak</td><td>N/A</td><td>Used to display x-ray images</td></tr><tr><td>X-ray developer</td><td>Kodak X-Omatic</td><td>M35A X-OMAT&amp;nbsp;</td><td>Used for developing X-ray images</td></tr><tr><td>X-ray Cassette</td><td>Kodak X-Omatic</td><td>N/A</td><td>Used for holding x-ray films</td></tr><tr><td>5-pound Rice Bags</td><td>Great Value</td><td>N/A&amp;nbsp;</td><td>Used for mimicking soft tissue during the DXA scanning process</td></tr><tr><td>Physiologic Saline (0.9% Sodium Chloride)</td><td>Baxter</td><td>NDC 0338-0048-04</td><td>Used for keeping samples hydrated</td></tr><tr><td>Scalpels and scrapers</td><td>Bard-Parker</td><td>N/A</td><td>Used to clean the bone from soft tissue</td></tr><tr><td>Cast cutter</td><td>Stryker</td><td>810-BD001</td><td>Used to cut femoral shaft</td></tr><tr><td>Drilling machine</td><td>Bosch</td><td>N/A</td><td>Used to drill the femoral shaft</td></tr><tr><td>Fume Hood</td><td>Hamilton</td><td>70532</td><td>Used for ventilation when using making PMMA</td></tr></tbody></table>

proximal cadaveric femur preparation for fracture strength testing and quantitative ct-based finite element analysis

사체 파괴 검사는 정기적으로 근위 대퇴골의 강도에 영향을 미치는 요인을 이해하는 데 사용됩니다. 생체 외 생물학적 조직 시간에 걸쳐 기계적 특성을 상실하는 경향이 있기 때문에, 실험 테스트에 대한 준비를주의 깊게 수행되어야 생체 조건에서 나타내는 신뢰할 수있는 결과를 얻기 위해 시편. 그런 이유로, 기계적 특성 변화를 최소화 경험하도록 대퇴 시험편을 제조 프로토콜기구 세트를 설계 하였다. 대퇴골은 제외 준비 단계 및 기계적 테스트 기간 동안 냉동 상태를 유지 하였다. 고관절과 대퇴골의 골 미네랄 밀도 (BMD)의 관련 임상 측정은 임상 이중 X 선 흡수 법 (DXA) 뼈 농도계 수득하고, 3D 형상 및 골밀도의 분포 보정 팬텀과 CT를 이용하여 수득 하였다 그레이 스케일 값에 기초하여 정량적 추정. 가능한 뼈 질환, 골절또는 임플란트 또는 골격 구조에 영향을 미치는 인공물의 존재는, X 선 검사로 배제 하였다. 제조에 대해, 모든 본 심하게 초과 연조직 세척하고, 관심있는 내부 회전 각도로 절단하여 포팅 하였다. 절삭 지그 뼈의 선단부가 원하는 길이의 대퇴골을 떠나 절단 할 수 있었다. 나중에 CT 검사 및 기계적 시험 기간 동안 소정의 각도에서 대퇴 경부의 위치를 ​​허용하려면, 근위 대퇴 샤프트가 원하는 방향을 위해 특별히 고안된기구를 사용하여 폴리 메틸 메타 크릴 레이트 (PMMA)에 화분 하였다. 다른 프로토콜에 설명 된 실험에서 수집 된 데이터는, 유한 요소 해석 (FEA)을 기반 정량적 전산화 단층 촬영 (QCT)의 검증에 사용되었다. 이 논문에서 우리는 기계적 시험 및 후속 QCT / FEA 모델링을위한 정확한 뼈 준비를위한 프로토콜을 제시한다. 현재의 프로토콜이 성공적으로 약 200 CAD를 제조인가6 년의 기간 동안 averic 대퇴골.

사체 대퇴골 냉동 배송과 준비가 시작 될 때까지 -20 ° C에서 유지되었다. BMD 주사는 각 시험편 (도 1)를위한 고관절 BMD 목뿐만 아니라 T 점수를 측정 DXA 스캐너를 이용하여 수행 하였다. T 자 점수는 젊은 정상인의 평균 값과 비교하여 측정 된 BMD의 표준 편차의 수입니다. 그것은 골다공증 골다공증 뼈 -1과 -2.5 사이의 뼈, 정상 뼈보다 높은 -1 위해 -2.5 이하의 범?...

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Proximal Cadaveric Femur Preparation for Fracture Strength Testing and Quantitative CT-based Finite Element Analysis

우리는 신중하게 보존 및 파괴 시험 및 정량적 전산화 단층 촬영 영상에 대한 사체 대퇴골을 준비하는 방법에 대한 강력한 프로토콜을 제시한다. 상기 방법은 골밀도, 파괴 강도 사이의 관계를 판정하고, 유한 요소 모델의 형상 및 속성을 정의하기위한 목적의 입력 조건을 정밀 제어를 제공한다.

파괴 강도 시험 및 정량 CT 기반의 유한 요소 분석을위한 근위 대퇴골 사체 준비

Cadaveric fracture testing is routinely used to understand factors that affect proximal femur strength.  Because ex vivo biological tissues are prone to ...

proximal-cadaveric-femur-preparation-for-fracture-strength-testing

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9.3K 조회수.  Mayo Clinic.  우리는 신중하게 보존 및 파괴 시험 및 정량적 전산화 단층 촬영 영상에 대한 사체 대퇴골을 준비하는 방법에 대한 강력한 프로토콜을 제시한다. 상기 방법은 골밀도, 파괴 강도 사이의 관계를 판정하고, 유한 요소 모델의 형상 및 속성을 정의하기위한 목적의 입력 조건을 정밀 제어를 제공한다. 

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Quantitative Autonomic Testing

Disorders associated with dysfunction of autonomic nervous system are quite common yet frequently unrecognized. Quantitative autonomic testing can be invaluable tool for evaluation of these disorders, both in clinic and research. There are number of autonomic tests, however, only few were validated clinically or are quantitative. Here, fully quantitative and clinically validated protocol for testing of autonomic functions is presented. As a bare minimum the clinical autonomic laboratory should have a tilt table, ECG monitor, continuous noninvasive blood pressure monitor, respiratory monitor and a mean for evaluation of sudomotor domain. The software for recording and evaluation of autonomic tests is critical for correct evaluation of data. The presented protocol evaluates 3 major autonomic domains: cardiovagal, adrenergic and sudomotor. The tests include deep breathing, Valsalva maneuver, head-up tilt, and quantitative sudomotor axon test (QSART). The severity and distribution of dysautonomia is quantitated using Composite Autonomic Severity Scores (CASS). Detailed protocol is provided highlighting essential aspects of testing with emphasis on proper data acquisition, obtaining the relevant parameters and unbiased evaluation of autonomic signals. The normative data and CASS algorithm for interpretation of results are provided as well.

Standardized, comprehensive and fully quantitative testing of autonomic functions is described. The autonomic tests consist of evaluation of all three major autonomic domains including cardiovagal, adrenergic and sudomotor. The severity and distribution of dysautonomia is quantitated using Composite Autonomic Severity Scores.

양적 자율 테스트

Disorders associated with dysfunction of autonomic nervous system are quite common yet frequently unrecognized. Quantitative autonomic testing can be ...

연구

의학

Method and Instrumented Fixture for Femoral Fracture Testing in a Sideways Fall-on-the-Hip Position

Mechanical testing of femora brings valuable insights into understanding the contribution of clinically-measureable variables such as bone mineral density distribution and geometry on the femoral mechanical properties. Currently, there is no standard protocol for mechanical testing of such geometrically complex bones to measure strength, and stiffness. To address this gap we have developed a protocol to test cadaveric femora to fracture and to measure their biomechanical parameters. This protocol describes a set of adaptable fixtures to accommodate the various load magnitudes and directions accounting for possible bone orientations in a fall on the hip configuration, test speed, bone size, and left leg-right leg variations. The femora were prepared for testing by cleaning, cutting, scanning, and potting the distal end and greater trochanter contact surfaces in poly(methyl methacrylate) (PMMA) as presented in a different protocol. The prepared specimens were placed in the testing fixture in a position mimicking a sideways fall on the hip and loaded to fracture. During testing, two load cells measured vertical forces applied to the femoral head and greater trochanter, a six-axis load cell measured forces and moments at the distal femoral shaft, and a displacement sensor measured differential displacement between the femoral head and trochanter contact supports. High speed video cameras were used to synchronously record the sequence of fracture events during testing. The reduction of this data allowed us to characterize the strength, stiffness, and fracture energy for nearly 200 osteoporotic, osteopenic, and normal cadaveric femora for further development of engineering-based diagnostic tools for osteoporosis research.

In this manuscript, we present a protocol to fracture test cadaveric proximal femora in a sideways fall on the hip configuration using instrumented fixtures mounted on a standard servo hydraulic frame. Nine digitized signals comprising forces, moments, and displacement along with two high speed video streams are acquired during testing.

방법 및 대 퇴 골절 옆으로을-에서--엉덩이 위치에서 테스트를 위해 계측된 설비

Mechanical testing of femora brings valuable insights into understanding the contribution of clinically-measureable variables such as bone mineral density ...

생체공학

A Method to Estimate Cadaveric Femur Cortical Strains During Fracture Testing Using Digital Image Correlation

This protocol describes the method using digital image correlation to estimate cortical strain from high speed video images of the cadaveric femoral surface obtained from mechanical testing. This optical method requires a texture of many contrasting fiduciary marks on a solid white background for accurate tracking of surface deformation as loading is applied to the specimen. Immediately prior to testing, the surface of interest in the camera view is painted with a water-based white primer and allowed to dry for several minutes. Then, a black paint is speckled carefully over the white background with special consideration for the even size and shape of the droplets. Illumination is carefully designed and set such that there is optimal contrast of these marks while minimizing reflections through the use of filters. Images were obtained through high speed video capture at up to 12,000 frames/s. The key images prior to and including the fracture event are extracted and deformations are estimated between successive frames in carefully sized interrogation windows over a specified region of interest. These deformations are then used to compute surface strain temporally during the fracture test. The strain data is very useful for identifying fracture initiation within the femur, and for eventual validation of proximal femur fracture strength models derived from Quantitative Computed Tomography-based Finite Element Analysis (QCT/FEA).

In this protocol, the femur surface strains are estimated during fracture testing using the digital image correlation technique. The novelty of the method involves application of a high-contrast stochastic speckle pattern on the femur surface, carefully specified illumination, high speed video capture, and digital image correlation analysis for strain calculations.

방법 골절 디지털 이미지 상관 관계를 사용 하 여 테스트 하는 동안 싱가포르로 대 퇴 골 피 질 긴장을 예상

This protocol describes the method using digital image correlation to estimate cortical strain from high speed video images of the cadaveric femoral ...

A Simple Critical-sized Femoral Defect Model in Mice

While bone has a remarkable capacity for regeneration, serious bone trauma often results in damage that does not properly heal. In fact, one tenth of all limb bone fractures fail to heal completely due to the extent of the trauma, disease, or age of the patient. Our ability to improve bone regenerative strategies is critically dependent on the ability to mimic serious bone trauma in test animals, but the generation and stabilization of large bone lesions is technically challenging. In most cases, serious long bone trauma is mimicked experimentally by establishing a defect that will not naturally heal. This is achieved by complete removal of a bone segment that is larger than 1.5 times the diameter of the bone cross-section. The bone is then stabilized with a metal implant to maintain proper orientation of the fracture edges and allow for mobility. 
Due to their small size and the fragility of their long bones, establishment of such lesions in mice are beyond the capabilities of most research groups. As such, long bone defect models are confined to rats and larger animals. Nevertheless, mice afford significant research advantages in that they can be genetically modified and bred as immune-compromised strains that do not reject human cells and tissue.
Herein, we demonstrate a technique that facilitates the generation of a segmental defect in mouse femora using standard laboratory and veterinary equipment. With practice, fabrication of the fixation device and surgical implantation is feasible for the majority of trained veterinarians and animal research personnel. Using example data, we also provide methodologies for the quantitative analysis of bone healing for the model.

Animal models are frequently employed to mimic serious bone injury in biomedical research. Due to their small size, establishment of stabilized bone lesions in mice are beyond the capabilities of most research groups. Herein, we describe a simple method for establishing and analyzing experimental femoral defects in mice.

마우스의 간단한 임계 크기의 대퇴 결함 모델

While bone has a remarkable capacity for regeneration, serious bone trauma often results in damage that does not properly heal. In fact, one tenth of all ...

Imaging of the Microstructural Failure Mechanism in the Human Hip

Imaging the bone microstructure under progressively increasing loads allows for observing the microstructural failure behavior of bone. Here, we describe a protocol for obtaining a sequence of three-dimensional microstructural images of the entire proximal femur under progressively increasing deformation, causing clinically relevant fractures of the femoral neck. The protocol is demonstrated using four femora from female donors aged 66-80 years at the lower end of bone mineral density in the population (T-score range = &#8722;2.09 to &#8722;4.75). A radio-transparent compressive stage was designed for loading the specimens replicating a one-leg stance, while recording the applied load during&#160;micro-computed tomography (micro-CT) imaging. The field of view was 146 mm wide and 132 mm high, and the isotropic pixel size was 0.03 mm. The force increment was based on finite-element predictions of the fracture load. The compressive stage was used to apply the displacement to the specimen and enact the prescribed force increments. Sub-capital fractures due to opening and shear of the femoral neck occurred after four to five load increments. The micro-CT&#160;images and the reaction force measurements were processed to study the bone strain and energy absorption capacity. Instability of the cortex appeared at the early loading steps. The subchondral bone in the femoral head displayed large deformations reaching 16% before&#160;fracture, and a progressive increase in the support capacity up to&#160;fracture. The deformation energy linearly increased with the displacement up to&#160;fracture, while the stiffness decreased to near-zero values immediately before&#160;fracture. Three-fourths of the fracture energy was taken by the specimen during the final 25% force increment. In conclusion, the protocol developed revealed a remarkable energy absorption capacity, or damage tolerance, and a synergic interaction between the cortical and trabecular bone at an advanced donor age.

The protocol enables the measurement of the deformation of the bone microstructure in the entire proximal human femur and its toughness by combining large-volume micro-CT scanning, a custom-made compressive stage, and advanced image processing tools.

인간 고관절의 미세구조 실패 메커니즘 이미징

Imaging the bone microstructure under progressively increasing loads allows for observing the microstructural failure behavior of bone. Here, we describe ...

공학

Subject-specific Musculoskeletal Model for Studying Bone Strain During Dynamic Motion

Bone stress injuries are common in sports and military trainings. Repetitive large ground impact forces during training could be the cause. It is essential to determine the effect of high ground impact forces on lower-body bone deformation to better understand the mechanisms of bone stress injuries. Conventional strain gauge measurement has been used to study in vivo tibia deformation. This method is associated with limitations including invasiveness of the procedure, involvement of few human subjects, and limited strain data from small bone surface areas. The current study intends to introduce a novel approach to study tibia bone strain under high impact loading conditions. A subject-specific musculoskeletal model was created to represent a healthy male (19 years, 80 kg, 1,800 mm). A flexible finite element tibia model was created based on a computed tomography (CT) scan of the subject&#39;s right tibia. Laboratory motion capture was performed to obtain kinematics and ground reaction forces of drop-landings from different heights (26, 39, 52 cm). Multibody dynamic computer simulations combined with a modal analysis of the flexible tibia were performed to quantify tibia strain during drop-landings. Calculated tibia strain data were in good agreement with previous in vivo studies. It is evident that this non-invasive approach can be applied to study tibia bone strain during high impact activities for a large cohort, which will lead to a better understanding of injury mechanism of tibia stress fractures.

During landing, lower-body bones experience large mechanical loads and are deformed. It is essential to measure bone deformation to better understand the mechanisms of bone stress injuries associated with impacts. A novel approach integrating subject-specific musculoskeletal modeling and finite element analysis is used to measure tibial strain during dynamic movements.

Bone stress injuries are common in sports and military trainings. Repetitive large ground impact forces during training could be the cause. It is ...

Cantilever Bending of Murine Femoral Necks

Fractures in the femoral neck are a common occurrence in individuals with osteoporosis. Many mouse models have been developed to assess disease states and therapies, with biomechanical testing as a primary outcome measure. However, traditional biomechanical testing focuses on torsion or bending tests applied to the midshaft of the long bones. This is not typically the site of high-risk fractures in osteoporotic individuals. Therefore, a biomechanical testing protocol was developed that tests the femoral necks of murine femurs in cantilever bending loading to replicate better the types of fractures experienced by osteoporosis patients. Since the biomechanical outcomes are highly dependent on the flexural loading direction relative to the femoral neck, 3D printed guides were created to maintain a femoral shaft at an angle of 20&#176; relative to the loading direction. The new protocol streamlined the testing by reducing variability in alignment (21.6&#176; &plusmn; 1.5&#176;, COV = 7.1%, n = 20) and improved reproducibility in the measured biomechanical outcomes (average COV = 26.7%). The new approach using the 3D printed guides for reliable specimen alignment improves rigor and reproducibility by reducing the measurement errors due to specimen misalignment, which should minimize sample sizes in mouse studies of osteoporosis.

The present protocol describes the development of a reproducible testing platform for murine femoral necks in a cantilever bending set-up. Custom 3D printed guides were used to consistently and rigidly fix the femurs in optimal alignment.

뮤린 대퇴목의 캔틸레버 굽힘

Fractures in the femoral neck are a common occurrence in individuals with osteoporosis. Many mouse models have been developed to assess disease states and ...

Fracture Apparatus Design and Protocol Optimization for Closed-stabilized Fractures in Rodents

The reliable generation of consistent stabilized fractures in animal models is essential for understanding the biology of bone regeneration and developing therapeutics and devices. However, available injury models are plagued by inconsistency resulting in wasted animals and resources and imperfect data. To address this problem of fracture heterogeneity, the purpose of the method described herein is to optimize fracture generation parameters specific to each animal and yield a consistent fracture location and pattern. This protocol accounts for variations in bone size and morphology that may exist between mouse strains and can be adapted to generate consistent fractures in other species, such as rat. Additionally, a cost-effective, adjustable fracture apparatus is described. Compared to current stabilized fracture techniques, the optimization protocol and new fracture apparatus demonstrate increased consistency in stabilized fracture patterns and locations. Using optimized parameters specific to the sample type, the described protocol increases the precision of induced traumas, minimizing the fracture heterogeneity typically observed in closed-fracture generation procedures.

The goal of the protocol is to optimize the fracture generation parameters to yield consistent fractures. This protocol accounts for the variations in bone size and morphology that may exist between animals. Additionally, a cost-effective, adjustable fracture apparatus is described.

골절 기구 디자인 및 설치류에서 폐쇄 안정 골절에 대 한 프로토콜 최적화

The reliable generation of consistent stabilized fractures in animal models is essential for understanding the biology of bone regeneration and developing ...

골절 감수성에 대한 기계적 검사의 원리와 프로토콜

Practical Considerations for the Design, Execution, and Interpretation of Studies Involving Whole-Bone Bending Tests of Rodent Bones

Skeletal fragility leading to fracture is an American public health crisis resulting in 1.5 million fractures each year and $18 billion in direct care costs. The ability to understand the mechanisms underlying bone disease and the response to treatment is not only desired, but critical. Mechanical testing of bone serves as a valuable technique for understanding and quantifying a bone&#39;s susceptibility to fracture. While this method appears simple to perform, inappropriate and inaccurate conclusions may be reached if governing assumptions and key steps are disregarded by the user. This has been observed across disciplines as studies continue to be published with misuse of methods and incorrect interpretation of results. This protocol will serve as a primer for the principles associated with mechanical testing along with the application of these techniques-from considerations of sample size through tissue harvesting and storage, to data analysis and interpretation. With this in hand, valuable information regarding a bone&#39;s susceptibility to fracture may be obtained, furthering understanding for both academic research and clinical solutions.

저자 스포트라이트: Enhancing Accuracy and Reproducibility in Whole Bone Bending Tests(전체 뼈 굽힘 검사의 정확성 및 재현성 향상) 

Mechanical testing of rodent bones is a valuable method for extracting information regarding a bone's susceptibility to fracture. Lacking proper practical understanding, the results may be overinterpreted or lack validity. This protocol will serve as a guide to ensure mechanical tests are performed accurately to provide valid and functional data.

설치류 뼈의 전체 뼈 굽힘 시험과 관련된 연구의 설계, 실행 및 해석에 대한 실용적인 고려 사항

Skeletal fragility leading to fracture is an American public health crisis resulting in 1.5 million fractures each year and $18 billion in direct care ...

파괴 강도 시험 및 정량 CT 기반의 유한 요소 분석을위한 근위 대퇴골 사체 준비

요약

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