이 프로토콜을 사용하면 전체 인간 대퇴골이 하중과 파괴로 인해 변형될 때 미세 구조를 관찰할 수 있습니다. 미세 구조 해상도로 전체 대퇴골을 이미징함으로써 이 프로토콜은 뼈의 다양한 섬유주 피질 구획이 시너지 효과를 발휘하여 하중을 견딜 수 있는 능력을 결정하는 방법을 연구할 수 있습니다. 골절 메커니즘에 대한 이해를 높이면 골다공증에 대한 고급 진단 방법을 알릴 수 있습니다.
이 프로토콜은 호주 싱크로트론(Australian Synchrotron)에서 개발되었으며, 대학의 상업용 대용량 마이크로 CT 스캐너에 사용하도록 조정되었으며 무릎과 어깨를 포함한 다양한 해부학적 부위를 연구하는 데 적용되었습니다. 원칙적으로 전체 인간의 뼈 및 관절과 유사한 크기의 재료로 확장 될 수 있습니다. 이 연구는 생체 역학의 이미징, 고체 역학 및 컴퓨터 모델링을 포함한 여러 분야의 전문 지식을 필요로 합니다.
먼저 임상 CT 스캐너를 사용하여 슬라이스 두께와 약 0.5-0.7mm의 면내 픽셀 크기로 대퇴골 검체를 스캔합니다. 표본과 함께 5가지 알려진 염료 농도의 인산수소칼륨 염료가 있는 CT 밀도 측정 보정 팬텀을 스캔합니다. 다음으로, 임상 CT 영상에서 골의 형상을 분할하고, 밀도와 탄성률 관계를 사용하여 이미지의 회색 수준을 해당 골밀도 값 및 영률(Young's modulus)로 보정합니다.
분할된 형상의 메쉬를 생성한 후 메쉬를 유한 요소 소프트웨어로 가져옵니다. 모델의 말단부 끝인 3-6mm 깊이로 완전히 구속된 다음 관상면의 대퇴골 축 축에서 8도 납치되고 대퇴골두의 중심을 통과하는 1000뉴턴의 공칭 힘을 가하여 단일 다리 자세 하중 구성을 복제합니다. 내장된 PCG 솔버를 사용하여 유한 요소 모델을 풉니다.
그런 다음 표시된 명령을 실행하여 요소의 중심에서 첫 번째 및 세 번째 기본 변형률 성분을 포함하는 요소 테이블을 생성합니다. 다음으로, 표시된 명령을 실행하여 모델의 첫 번째 및 세 번째 기본 변형률 성분과 본 항복 변형률, 의도 및 압축 사이의 변형률을 계산합니다. 피크 변형률 비율, 의도 및 압축으로 공칭 힘을 조정하고 둘 중 가장 큰 힘을 버려 파괴 하중을 추정합니다.
표본이 기준 무부하 상태인 상태에서 micro-CT 회전 스테이지에 테스트 장비를 배치하고 micro-CT 스캔을 시작합니다. 무부하 상태에 대해 이미징을 두 번 반복하고 스캔 후 케이블을 풉니다. 라운드당 약 1초의 일정한 속도로 스크류 잭 메커니즘을 수동으로 작동하여 힘 증가를 적용하고 마이크로 CT 이미징을 수행합니다.
반력의 급격한 감소로 표시된 대로 시편이 파손될 때까지 힘 증가를 반복합니다. 골절된 표본의 micro-CT 영상을 수행합니다. 그런 다음 다양한 하중 단계에서 투영 영상의 시퀀스를 시각화합니다.
계산 시간을 줄이기 위해 micro-CT 영상을 4배로 서브샘플링합니다. 우주에서 하중을 받고 있는 표본의 이미지를 하중이 가해지지 않은 기준 조건의 이미지와 함께 엄격하게 공동 정합하며, 원위 단피증을 공동 정합 대상으로 사용합니다. micro-CT 영상을 이진화한 후 시각화를 위한 표면 3차원 모델을 생성합니다.
뼈 DVC를 사용하여 50픽셀 크기의 격자에 대한 이미지의 변위를 결정합니다. 그런 다음 그리드를 유한 요소 모델로 변환하여 변형 텐서를 결정합니다. 계산된 변위를 절점에 적용하고 모형을 풉니다.
그런 다음 Mac-Lab의 inter P three 기능과 함께 3차 보간을 사용하여 micro-CT 이미지의 원래 크기 크기와 일치하도록 변위 및 변형률 부피를 다시 샘플링합니다. 변위, 변형률 및 미세 구조 이미지를 시각화하여 대용량의 시각화 및 애니메이션을 구현합니다. 뼈 변형 분석의 경우, 하중이 가해지지 않은 상태와 골절 후에 얻은 이미지를 겹쳐서 뼈의 영구적인 변형을 표시합니다.
그런 다음 하중이 가해지지 않은 상태에서, 하중 수준이 증가할 때, 골절 후 3차원 모델을 오버레이하여 뼈의 점진적인 미세 구조 변형을 표시합니다. 골절 위치에서 뼈의 변형을 표시합니다. 마지막으로, 기술 통계량과 회귀 방법을 사용하여 변형 에너지, 강성 및 변위를 분석합니다.
Micro-CT 영상과 그에 수반되는 기계적 검사를 통해 대퇴골 경부 골절을 관찰할 수 있습니다. 애니메이션은 대퇴골두가 점진적으로 내측으로 회전하면서 골절까지 원위부로 이동하는 것을 보여주었습니다. 머리 곡률은 소켓 아래에서 평평해졌고, 국소 피질 불안정성은 관찰되었지만 기본 섬유주 용적의 불안정성은 관찰되지 않았습니다.
골절 시작은 피질을 구부려 주 압축 섬유주 그룹을 따라 진행하거나 주요 원리 압축, 섬유주 축에서 약 45도 떨어진 전단에 의해 발생합니다. 변형률은 골절 하중의 50%를 달성하여 골절 전 8-16%의 압축에 도달하면 골수량을 초과했습니다. 영구적인 변형은 피크 압축 하에서 머리 부위에서 관찰되었습니다.
복잡한 변형 상태에서 압축, 인장 및 전단 변형을 나타내는 파손이 발생했습니다. 변형 에너지는 파괴까지의 변위의 선형 함수로, 안정적인 파괴 거동을 보여줍니다. 프로토콜 복제의 중요한 측면은 하중 단계 증분을 얻는 것이며, 이는 변위 및 실험 계획에 파괴를 일으키는 데 필요한 하중 단계 수를 제어하는 데 중요합니다.
좋은 품질의 이미지를 얻는 것도 의미 있는 데이터 분석을 위해 중요합니다. 60세 이상의 골절 사고가 급격히 증가하는 탄성 불안정성이 피질 두께에 대한 취약성 예방 연구의 중심이 되었습니다. 가벼운 골다공증성 뼈에서 이 프로토콜에 의해 입증된 탄력적으로 안정적인 골절 거동은 현재의 초점을 대뇌 피질 및 섬유주 상호 작용으로 옮깁니다.
이 절차는 뼈 역학에 대한 사려 깊은 모델을 발전시키고 취약성 진단 및 이식 가능한 장치의 설계에 정보를 제공할 수 있습니다.
