Метод и инструментированный приборов для тестирования бедренной кости перелом в сторону падения на хип позиции

Резюме

В этой рукописи мы представляем протокол к разрушению тест трупной проксимального отдела бедра в сторону падения на хип конфигурации, с помощью инструментированный светильники, монтируемое на раме гидравлическая стандартных сервопривода. Девять оцифрованных сигналов, состоящий из сил, моменты и перемещение вместе с двух видеопотоков высокой скорости приобретаются во время тестирования.

Аннотация

Механические испытания бедрах приносит ценную информацию в понимании вклада клинически измеряемом переменных, таких как распределение минеральной плотности костной ткани и геометрии на бедренной механические свойства. В настоящее время не существует стандартного протокола для механических испытаний такие геометрически сложные костей для измерения прочности и жесткости. Чтобы устранить этот пробел мы разработали протокол для тестирования трупной бедро перелома и измерить их биомеханические параметры. Этот протокол описывает набор адаптируемых светильников для размещения различных величин нагрузки и направления учета возможных кости ориентации осенью на хип конфигурации, протестировать скорость, размер костей и вариации левой ноги правой ноги. Бедра были подготовлены для тестирования, очистка, резка, сканирование и заливки дистального конца и более вертела контакт поверхностей в poly(methyl methacrylate) (ПММА), представленные в другой протокол. Подготовлены образцы были помещены в испытательной арматуре в позиции, подражая боком падения на бедра и загружены для разрушения. Во время тестирования, две нагрузки клетки измеренных вертикальных сил применяется к головки бедренной кости и больше вертела, шесть оси тензодатчик силы измеряемой и моментов на валу дистальной бедренной кости и датчик перемещения измеряется дифференциального перемещения между головки бедренной кости и вертела контакт подставки. Высокоскоростные видеокамеры были использованы синхронно записать последовательность событий, перелом во время тестирования. Сокращение этих данных позволил нам характеризуют прочность, жесткость и перелом энергии для почти 200 остеопорозом, osteopenic, и нормальной трупной бедра для дальнейшего развития на основе инженерных средств диагностики остеопороза исследований.

Введение

Разработка новых методов оценки риска переломов бедренной кости и предотвращения разрушения для падения на бедре требуют всеобъемлющего понимания биомеханические процессы во время разрушения. Испытания прочности трупной проксимального отдела бедренной кости оказался эффективным при определении связи между бедренной силы и факторы, влияющие на структурных способность бедра, предоставляя важную информацию в этот процесс^{1,2 , 3}. экспериментально измеренная бедренной сила используется также для проверки на основе количественных компьютерная томография анализа методом конечных элементов (QCT/FEA) который позволяет неинвазивная Оценка перелом прочности^{4,5, 6,7}.

На сегодняшний день, существует не признанных стандартная процедура для проверки всей бедренной образцов для разрушения. Чтобы изолировать клинически измеряемом переменных (например, минеральной плотности костной ткани и геометрии) и их влияние на бедренной прочность, важно для экспериментального тестирования осуществляться образом контролируемый и повторяемости. Трупной бедрах имеют неправильной формы и диапазон размеров⁸ и могут быть получены от мужского или женского пола трупов разных возрастов, что делает невозможным проверить с помощью встроенных светильников стандарт испытаний машин. В сторону падения на бедра событий больше вертела подвергается сжимающей нагрузки, в то время как проксимального отдела бедренной кости могут возникнуть сложные загрузки, включая сжатие, напряженность, изгиб момент и кручения. Такие сценарии загрузки тестирования добавляет сложности к экспериментальный дизайн. Таким образом арматуре, как один из важных компонентов тестирования протокола, должны быть специально разработаны, изготовлены и установлены для размещения бедренной образцы различных форм и размеров и различные тестирования скорости. Этот прибор необходимо также провести образцы для испытаний в диапазоне желаемой ориентации для имитации возможного воздействия нагрузок от падения на бедра. Для удовлетворения такого разнообразия условий, прибор необходимо иметь несколько стационарных и перемещение компонентов подключен к минимуму играть в системе и получить ответ гладкой водоизмещение.

Получение надежных данных важно также во время тестирования. Экспериментальный дизайн должен включать необходимые тензодатчики, преобразователи перемещений, сигналов усилители и кондиционеры для точного измерения силы и моменты на всех поддерживает. Кроме того, высокая скорость видео передний и задний вид бедренной кости, полученные синхронно с приобретением сил необходимо помочь понять последовательность событий, ведущих к разрушению, характеризовать типы переломов, точно и Определите бедренной прочности^4,9.

Хотя есть ценные экспериментальные исследования в литературе на тестирование всего бедра, опубликованные протоколы отсутствуют сведения о как тестирование было выполнено или очень отличаются от одного исследования, в другой, чтобы действительно сделать их воспроизводимость^{10, 11}. Целью текущей работы было представить протокол для механических испытаний бедренной образцов, которые могут использоваться в качестве отправной точки для усилий стандартизировать костной ткани, тестирование, которое может быть повторяемости и воспроизводимости. С этой целью мы разработаны и изготовлены Испытательная арматура, который был использован для тестирования около 200 трупной бедра. Испытательная арматура для испытаний включали нижней арматуры и крейцкопфа. Внизу прибора (рис. 1A-E) проводит бедренной кости в желаемой ориентации во время тестирования и включает в себя датчик нагрузки вертела и 6-канальный тензодатчика, подключенных к валу бедренной. Он также вмещает три независимых переводы для позиционирования для тестирования перелом кости. Вращение точка добавляется для имитации коленного сустава. Основные части нижней арматуры состоят из толстые куски из нержавеющей стали и алюминия, чтобы сделать очень жесткой приборов. Тензодатчик прикреплена к нижней приборов для измерения сжимающей силы на более вертела во время тестирования. Крейцкопф приспособление (рисунок 2A-2E) включает в себя два алюминиевых опорные плиты и два очень жесткой слайд шариковых подшипников (прилагается вместе с алюминиевой пластины), для учета движения головки бедренной кости во время тестирования, а также для размещения для правого и левого бедра. Тензодатчик включены в меры приспособление крейцкопфа сжимающей силы. Кубок алюминия придает динамометр используется для применения сжимающей нагрузки к головки бедренной кости. Наш метод был использован для левого и правого бедра обоих полов, с различными размерами, шеи вал углы, минеральной плотности костной ткани и условия, подражая боком нагрузки приходятся на бедра. Тестирование скорости в наших экспериментах были установлены на 5, 100 и 700 мм/сек, но они может быть присвоено любое значение, доступных для тестирования компьютера. Дизайн светильника имел два основных компонентов, подключенных к крейцкопфа испытательная машина и подключен к испытательной раме. Обе части были инструментированы с Тензодатчики достаточными для измерения силы и момента граничные условия на всех поддерживает. Кроме того были использованы два высокоскоростных видеокамер для записи событий перелом во время тестирования. После разрушения, сканирует набор рентгеновских лучей и компьютерная томография (КТ) были получены для анализа экспериментальных перелом поста. Результаты, полученные от этих экспериментов, включая прочность на излом и энергии в настоящее время используются для дополнительных исследований в диагностических инструментов в конечном итоге улучшить оценки прочности проксимальных переломов у больных остеопорозом.

протокол

1. большого привязанность приспособление

1. удалить стандартные светильники из машины.
2. Перемещения подвижной траверсы отдельно для размещения собственных приборов.
3. Место алюминиевого блока (часть № 1 в Рисунок 1A) на машине и надежно крепятся на машины с помощью двух болтов; отверстие в центре вмещает машина тензодатчика.
4. Место в структуре основной арматуре (часть № 2 в Рисунок 1B) на алюминиевых блоков и надежно прикрепить его к блока с помощью 4 болты.
5. Место 4 тонный Джек под частью светильник, который не опирается на алюминиевый блок для поддержки прибора ( рис. 1 c).
6. Монтировать светильник ячейки 6-канальный нагрузки (часть № 3 в 1 d на рисунке) на основной арматуре и закрепите его с помощью винтов 6.

2. Крейцкопф арматуре вложение

1. задать крейцкопфа машина для абсолютного нуля с помощью управления лифтом крейцкопфа.
2. Придают первой опорной плиты (часть № 4 на рис. 2B) 7 винтами с его изогнутыми краями передней тестирования машины крейцкопфа.
3. Присоединения второй опорной плиты (часть № 5 в рисунке 2 c) использование одной поворотной винт. Винт вмещает кости левой и правой во время тестирования. Второй опорной плиты (часть № 5) является бесплатным для поворота о вращения винта относительно первой опорной плиты (часть № 4). Ориентация второй опорной определяет, является ли установка для правой или левой бедренной.
4. Придают Ассамблее два слайд подшипников (часть № 6 в 2D фигура) для второй опорной плиты (часть № 5) с помощью 4 винтов (два винта могут быть доступны из одной стороны первого плите). Вращать второй опорной таким образом, что второй набор винтов могут быть доступны из верхней части первого опорные плиты.
   Примечание: Чтобы изменить ориентацию слайдов из кости левой правой кости, 4 винта поверх первой опорной застегнул, а затем поворачивается вокруг оси винта и снова прикрепить на требующуюся ориентацию слайдов.
5. Вручную вращать клетки слайды, которые перпендикулярны нагрузки 6-канальный, установив машина крейцкопфа относительное положение 65 °.

3. Инструментированный арматуре, высокоскоростной камеры и установки освещения для эксперимента

1. комплект вверх инструментированный нижней арматуры на стандартных сервопривода гидравлические испытания машины. Это приспособление проведет бедренной кости и разместить левого и правого бедра в падение на бедра конфигурации ( рис. 1).
2. Высокоскоростной камеры и осветительное оборудование ( рис. 3A-3D).
   1. Огни высокой интенсивности на Штативы с одной на каждой стороне машины и прикрепите их ( рис. 3A).
   2. Настройка Штативы для высокоскоростной камеры по обе стороны тестирования машины и подключения каждой камеры для приобретения единиц данных ( рисунок 3B -3 C).
   3. С камеры включен и подключен к блоку приобретения, настраивать параметры камеры; задать частоту до 6000 кадров в секунду (fps) и резолюции 1024 x 512 пикселов; резолюции может быть сокращено до внутренней памяти камеры ( 3D рисунок).
   4. Набор затвора до 1 кадра в секунду (fps 1/6000). Также задать параметр камеры, таким образом, что записи начать, прежде чем замыкание (100 мс для быстрых тестов и 200 мс для медленных тестов).
   5. Кабель синхронизации между двумя камеры; режим выберите триггер в параметре программное обеспечение камер.

4. Проверка/Калибровально нагрузки ячейки для надлежащего системы сбора данных (DAQ)

1. Настройка DAQ подразделение
   1. Connect DAQ испытаний машина, высокоскоростной видео-камеры, Тензодатчики и линейной потенциометра, как показано в проводке Схема на рис. 4.
   2. Проверить правильность подключения вертельный тензодатчики, головы тензодатчики, линейной потенциометра, 6-канальный Тензодатчики и вызвать сигнал на устройство DAQ путем наблюдать следы сигнал данных в панели представления DAQ программного обеспечения вручную нажатием на динамометр.
   3. Убедитесь, что DAQ, формирователь сигналов и генератор импульсов все питание вкл.
   4. Настроить DAQ программное обеспечение для всех сигналов от нагрузки клеток и линейной потенциометра. В DAQ программным обеспечением, выберите " шаг установки > > конфигурация " вкладке и приобретение частота (Гц) для каждого входного сигнала, связанные с каждой ячейкой нагрузки. На " запуск " вкладку, выберите соответствующий параметр запуска. Видео оборудование также может запускаться во время судебного разбирательства для обеспечения синхронности системы видео/DAQ.
2. Применять номинальную нагрузку (например минимум 200 фунтов максимум 1600 фунтов) головки бедренной кости и вертела Тензодатчики с использованием стандартных сервопривода гидравлические машины для проверки разумные нагрузки мобильных измерений и сравнить с производителем калибровочные данные листы ( Рисунок 5A).
3. Аналогично, применить статические нагрузки к ячейке 6-канальный нагрузки с помощью мертвым грузом, как показано на Рисунок 5B. Проверьте функциональность и производительность 6-канальный тензодатчика ( Рисунок 5A -5B) путем расчета процентов различия между измеренных и теоретические силы и момент значений. Ошибка должна быть менее 5%.
   Примечание: Все нагрузки ячейки должны был откалиброван их производителем заранее. Этот шаг только проверяет, что функционирование тензодатчики, все соединения выполнены и сигналы являются разумными.
Калибровка линейная потенциометр
2. безопасный линейный потенциометра приспособление для крейцкопфа и место линейной потенциометра в прибор ( рис. 5 c). Затяните винты блокировки потенциометра тела и вставьте разъем в исполнимых DAQ
3. Вручную переместить привода (25 мм) на несущий каркас, так что положение потенциометра переводится из максимального сжатия максимальное расширение и запись перемещений и соответствующего напряжения (для точек данных по меньшей мере три). Участка перемещения против напряжения и соответствовать линейной функции к данным (R ² > 0,95). Ввод наклон линейного уравнения (мм/V) как калибровочный фактор в " масштабирование параметр " коробки программного обеспечения DAQ.
4. Проверить общее тестирование установки машины путем тестирования суррогатной стекловолокна кости перелом чтобы убедиться, что все сбора данных функциональных и разумной. Это включает в себя вертела тензодатчики, бедренной головки тензодатчики, линейной потенциометра, 6 канальный динамометр и сигнал триггера ( рис. 6).

5. Подготовка костей для тестирования

1. оттепель костей при комнатной температуре на 24 часа и удаления влаги, лишний жир и любые оставшиеся мягких тканей с помощью ПАза полотенца.
2. Кости в акрил, сканирование арматуре и подготовить стоматологического цемента. Измеряют 60 g порошка PMMA и смешать с 30 g жидкой смолы под Зонта до полного растворения порошка. Смесь должна быть наливные. Используйте Одноразовый бумажный стаканчик для этого процесса. Этот шаг предназначен для заливки более вертела в алюминиевой чашки ( рис. 7A).
3. Выравнивание Кубок алюминия ниже вертела. Затем налить ПММА цемента до половины высоты Кубка и поднять арматуре платформы по размеру кость в чашку. Разрешить 10-15 мин для полимеризации.
4. Обертывание костей в солевых смоченной полотенца, чтобы избежать сухости ткани во время полимеризации костного цемента.
5. Перемещение костей на испытательной арматуре в испытательная машина с Кубка алюминия придает вертела ( рис. 7B)
6. Центр алюминиевых Кубок на табличку, прикрепленную к ячейке вертельный нагрузки и Отрегулируйте подшипники скольжения, так что алюминиевые чашки слегка затрагивает динамометр. Извлеките штырёк из светильника для вращения прибора
7. центр и нижней подвижной траверсы для контакта с головки бедренной кости.
8. Обзор установки, положения костей, нагрузки ячейки сигналы и Кубок позиции. Кроме обзора DAQ устройство; Убедитесь, что все оборудование и нагрузки клетки соединены правильно и убедитесь, что все включено. Проверка установки программного обеспечения для надлежащего сигнал ответа от каждой нагрузки ячейки.
9. Снимать фотографии бедренной кости помещены в арматуре с 2 сторон.
10. Установите диафрагму позволяют достаточно света на сенсор камеры и контроля глубины резкости. Проверьте качество изображения, сосредоточив внимание на шейки бедра. Этот процесс должен предотвратить любые бликов и глянцевый кости областей в изображении, которая будет затрагивать захвата событий перелом.

6. Тестирование для разрушения

1. проверить, Рама механические нагрузки серво запрограммирован для контроля соответствующего перемещения 25 мм для теста перелом в кадре механической нагрузки сервопривод для погрузки и разгрузки.
   Примечание: Эти производитель конкретные параметры и должен быть ввода и проверены в панели управления тестирования оборудования согласно спецификации производителя.
2. Проверка освещения для сведения к минимуму размышления в видео-камеры и система сбора данных один последний раз.
3. Нажмите на Пуск значок из панели управления, чтобы инициировать последовательность испытаний для перелома бедра ( рис. 7 c) испытания.
4. Принимать фотографии перелом бедренной кости от 2-х сторон.
5. Вручную отозвать привода и удаления бедренной кости из машины.

7. После разрушения подготовки

1. Удалить кость из арматуре.
2. Лента проксимальный конец сломанной кости для вала, обертывание в мокрые полотенца и пластиковые мешки ( рис. 7 d), а затем замерзает при -20 ° с.
3. Сохранить кости для дальнейшего после переломов лучевой и КТ изображений.
   Примечание: Подробности этих процессов ранее объяснил в другой протокол от нашей группы (рассматриваемого в JoVE) ( рис. 7е).

Результаты

Внутренние светильники установлены после того, как стандартные светильники удаляются из тестирования машины. Во-первых нижней тяжелый светильник монтируется и обеспеченных (рис. 1). Это включает в себя расширенный руки провести 6-канальный тензодатчик...

Обсуждение

Мы предложили протокол к разрушению тест проксимального отдела бедра трупной осенью на хип конфигурации, с которой мы успешно протестировали около 200 образцов. Протокол включает в себя несколько собственных оформленные Светильники для бедренной прочности, испытания в условиях различ...

Материалы

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