Этот протокол позволяет наблюдать микроструктуру всей бедренной кости человека, поскольку она деформируется под нагрузкой и переломом. Визуализируя всю бедренную кость с микроструктурным разрешением, этот протокол позволяет изучить, как различные трабекулярные кортикальные компартменты кости, синергетически определяют ее способность выдерживать нагрузку. Углубление нашего понимания механизма перелома костей может помочь передовым методам диагностики остеопороза.
Этот протокол был разработан в Австралийском синхротроне, адаптирован для использования в коммерческом микрокомпьютерном томографе большого объема в университете и применен для изучения различных анатомических областей, включая колено и плечо. В принципе, он может быть распространен на материалы, аналогичные по размеру цельным человеческим костям и суставам. Это исследование требует опыта в нескольких дисциплинах, включая визуализацию, механику твердого тела и компьютерное моделирование в биомеханике.
Для начала с помощью клинического компьютерного томографа отсканируйте образец бедренной кости с толщиной среза и размером пикселя в плоскости примерно от 0,5 до 0,7 миллиметра. Рядом с образцом отсканируйте калибровочный фантом для КТ-денситометрии с пятью известными концентрациями красителя гидрофосфата калия. Затем сегментируйте геометрию кости по клиническим КТ-изображениям, откалибруйте уровни серого на изображениях в соответствии с соответствующими значениями плотности костной ткани и модуля Юнга, используя зависимость плотности от модуля упругости.
После создания сетки сегментированной геометрии импортируйте сетку в конечно-элементное программное обеспечение. Полностью ограниченный глубиной от трех до шести миллиметров, дистальный конец модели, затем воспроизведите нагрузочную конфигурацию стойки на одной ноге, приложив номинальное усилие 1000 Ньютон, отведенное на восемь градусов от оси бедренного стержня в корональной плоскости и проходящее через центр головки бедренной кости. Решайте конечно-элементную модель с помощью встроенного решателя PCG.
Затем, выполнив указанные команды, сгенерировать таблицу элементов, содержащую первую и третью основные компоненты деформации в центроиде элемента. Затем выполните указанную команду для расчета коэффициента деформации между первой и третьей основными компонентами деформации в модели и деформацией, намерением и сжатием костной ткани. Масштабируйте номинальную силу по коэффициенту пиковой деформации, намерению и сжатию и отбросьте наибольшее из двух, чтобы оценить нагрузку на разрушение.
Установите испытательный стенд на вращающийся столик микро-КТ с образцом в эталонном ненагруженном состоянии и запустите микро-КТ-сканирование. Повторите визуализацию дважды для состояния без нагрузки и размотайте кабель после сканирования. Примените приращение усилия, вручную приводя в действие винтовой домкрат с постоянной скоростью примерно одну секунду на раунд, и выполните микрокомпьютерную томографию.
Повторяйте приращение усилия до тех пор, пока образец не разрушится, на что указывает внезапное падение силы реакции. Выполните микрокомпьютерную томографию образца с переломом. Затем визуализируйте последовательность проекционных изображений на различных ступенях нагрузки.
Поддискретизируйте микро-КТ-изображения на четыре, чтобы сократить время вычислений. Жестко сорегистрируйте в пространстве изображения образца под нагрузкой с изображениями в ненагруженном эталонном состоянии, используя дистальный диафиз в качестве мишени для совместной регистрации. Создание поверхностных трехмерных моделей для визуализации после бинаризации микро-КТ изображений.
Определите смещение на изображениях по сетке размером 50 пикселей с помощью костного DVC. Затем определите тензор деформации, преобразовав сетку в конечно-элементную модель. Примените рассчитанное смещение в узлах и рассчитайте модель.
Затем, используя кубическую интерполяцию с функцией inter P три в Mac-Lab, передискретизируйте объемы смещения и деформации, чтобы они соответствовали размеру исходного размера изображений микро-КТ. Визуализируйте смещения, деформации и микроструктурные изображения для визуализации больших объемов и анимации. Для анализа деформации кости отобразите постоянную деформацию кости путем наложения изображений, полученных в ненагруженных условиях и после перелома.
Затем отобразите прогрессирующую микроструктурную деформацию кости путем наложения трехмерных моделей в ненагруженных условиях, при возрастающих уровнях нагрузки и после перелома. Отобразите напряжение кости в месте перелома. Наконец, используя описательную статистику и регрессионные методы, проанализируйте энергию деформации, жесткость и смещение.
Микрокомпьютерная томография и сопутствующие механические исследования позволяют наблюдать переломы шейки бедренной кости. Анимация показала, что головка бедренной кости постепенно вращается медиально, двигаясь дистально вверх до перелома. Искривление головы сглаживалось под впадиной, где наблюдалась локальная кортикальная нестабильность, но не наблюдалась нестабильность нижележащего трабекулярного объема.
Начало перелома происходит при изгибе коры головного мозга, либо прогрессирующем вдоль основной компрессионной трабекулярной группы, либо при сдвиге примерно под углом около 45 градусов от основной компрессионной, трабекулярной оси. Деформация превышала выход кости, как только четверо достигали 50% ожидаемой нагрузки от перелома, достигая от 8 до 16% компрессии перед переломом. Остаточная деформация наблюдалась в области головки при пике сжатия.
Разрушение происходило в сложном деформированном состоянии, демонстрируя сжатие, растяжение и деформацию сдвига. Энергия деформации была линейной функцией смещения до разрушения, демонстрируя стабильное поведение разрушения. Критическим аспектом для репликации протокола является получение приращения шага нагрузки, что важно для контроля количества шагов нагрузки, необходимых для того, чтобы вызвать разрушение до смещения, и планирования эксперимента.
Получение изображений хорошего качества также важно для содержательного анализа данных. Вера в то, что упругая нестабильность, требующая резкого увеличения числа случаев разрушения в возрасте старше 60 лет, сосредоточила внимание исследователей в области предотвращения хрупкости на толщине кортикального слоя. Эластично стабильное поведение при переломах, демонстрируемое этим протоколом, в слегка остеопоротических костях, смещает фокус внимания на кортикальные и трабекулярные взаимодействия.
Эта процедура может способствовать развитию репрезентативных моделей механики кости, информировать о диагностике хрупкости и дизайне имплантируемых устройств.
