Yöntemi ve femur kırığı bir yana sonbahar üzerinde Hip konumda sınama Araçlı fikstür

Özet

Bu makale, biz bir yana Güz Araçlı armatürleri bir standart servo hidrolik çerçeve monte kullanarak kalça yapılandırmasına test kadavra proksimal femora kırık için bir protokol mevcut. Dokuz sayısallaştırılmış sinyal güçleri, anlar ve deplasman iki yüksek hızda video akışları ile birlikte oluşan test sırasında elde edilir.

Özet

Mekanik femora test kemik mineral yoğunluğu dağıtım ve geometri femur mekanik özellikleri gibi klinik olarak ölçülebilir değişkenler katkısını anlayış içine değerli bakış açısı getiriyor. Şu anda, mekanik ölçü birimi güç ve sertlik için geometrik olarak karmaşık tür bones of test için standart bir protokol yoktur. Bu boşluğu adrese kadavra femora kırık ve biyomekanik parametrelerini ölçmek için test etmek için bir protokol geliştirdik. Bu iletişim kuralı çeşitli yük büyüklükleri ve olası kemik yönleri için düşerek kalça yapılandırmasına göre muhasebe yön sağlamak, hız, kemik boyutu ve sol bacak sağ bacak varyasyonları test için uyarlanabilir armatürleri kümesi açıklar. Femora temizleyerek test etmek için hazırlanmıştır, kesme, tarama ve distal uç ve büyük trochanter Çömlekçilik poly(methyl methacrylate) (PMMA) yüzeyler olarak farklı bir protokol sunulan başvurun. Hazırlanan numune test fikstür kalça yana doğru bir düşme taklit eden bir pozisyonda yerleştirilir ve kırık için yüklendi. Test sırasında iki yük ölçülen hücreleri dikey güç femur başı ve büyük trochanter, 6 eksenli yük hücresi için ölçülen Kuvvetleri uygulanan ve distal femur şaft ve bir deplasman sensör anlarda ölçülen arasındaki farklı deplasman femur başı ve trochanter destekler başvurun. Yüksek hızlı kameralar kırık olayların sırasını test sırasında zaman uyumlu olarak kaydetmek için kullanılmıştır. Normal kadavra femora mühendislik tabanlı tanı araçları osteoporoz için daha da geliştirilmesi için araştırma ve bu verilerin azaltma gücü, sertlik, karakterize ve enerji için yaklaşık 200 Osteoporotik, osteopenic, kırık için bize izin verdi.

Giriş

Femur kırığı risk değerlendirmesi için yeni yöntemler ve kırık önlenmesi için bir düşüş kalça biyomekanik süreçlerle kırık sırasında ilgili kapsamlı bir anlayış gerektirir. Kadavra proksimal femur gücü test femur gücü ve bu süreç^1,2 önemli bilgiler sağlayan uyluk yapısal kapasitesini etkileyen faktörler arasındaki ilişkinin belirlenmesinde etkili olduğu kanıtlanmıştır ^{, 3}. deneysel olarak ölçülen femur gücü de kantitatif bilgisayarlı tomografi tabanlı Sonlu elemanlar kırık gücü^{4,5, non-invaziv bir tahmin sağlayan analizi (QCT/FEA) doğrulamak için kullanılan 6,7}.

Bugüne kadar bu kırık için tüm femur örnekleri test etmek için kabul edilen standart bir işlemdir. Klinik olarak ölçülebilir değişkenler (örneğin, kemik mineral yoğunluğu ve geometri) ve femur gücü onların etkisi izole etmek için bu kontrollü ve yinelenebilir bir şekilde gerçekleştirilebilmesi için deneysel test etmek için zorunludur. Kadavra femora düzensiz şekiller ve aralığı boyutları⁸ ' de ve standart test cihazları yerleşik armatürleri kullanarak test etmek imkansız hale ya erkek ya da kadın kadavra farklı yaştan elde edilebilir. Kalça olay bir yana sonbaharda büyük trochanter proksimal femur sıkıştırma, gerginlik, an ve burulma bükme dahil olmak üzere karmaşık yükleme karşılaşabilirsiniz ise basınç yükleme uğrar. Bu tür yükleme senaryoları sınamanız için deneysel tasarım karmaşıklık ekler. Bu nedenle, test protokolünün bir önemli bileşeni olarak bir fikstür gerekir özel olarak tasarlanmış, fabrikasyon ve femur örnekleri farklı şekil ve boyutlarda ve farklı test hızları karşılamak için yüklü. Bu fikstür da bir dizi olası etkilere yük kalça bir düşüşün benzetimi yapmak için istenen yönelimleri test etmek için numuneler tutmak gerekir. Gibi çeşitli koşulları karşılamak için fikstür birden çok sabit olması gerekir ve bileşenleri taşıma bağlı bir şekilde sistemde oyun en aza indirmek için ve düzgün yük-deplasman yanıt elde etmek için.

Güvenilir veri elde etme de test sırasında önemlidir. Deneysel tasarım dahil gerekir gerekli yük hücreleri, deplasman güç çeviriciler, sinyal amplifikatörler ve hiç klimalar doğru ölçü kuvvetler ve anlar destekler. Ayrıca, yüksek hızlı videolar zaman uyumlu olarak Kuvvetleri satın alma ile elde edilen uyluk anterior ve posteiror görüşlerini önde gelen kırık, kırık türleri, karakterize etmek için olaylar dizisi anlamanıza yardımcı olmak için gerekli olan ve hassas femur gücü^4,9tanımlayın.

Olmakla birlikte değerli deneysel çalışmalar literatürde bütün uyluk test, yayımlanmış protokolleri test nasıl gerçekleştirildiği hakkında ayrıntılı bilgi eksikliği veya başka gerçekten onları tekrarlanabilir^{10yapmak için bir çalışmada çok farklıdır, 11}. Mekanik tekrarlanabilir ve tekrarlanabilir olabilen test kemik dokusu standardize etmek için bir çaba için başlangıç noktası olarak kullanılabilir femur örnekleri test etmek için bir protokol tanıtmak için mevcut iş amacı oldu. Bu amaçla tasarlanmış ve yaklaşık 200 kadavra femora test etmek için kullanılan bir test fikstür fabrikasyon. Test fikstür bir alt fikstür ve bir crosshead fikstür dahil. Alt fikstür (şekil 1A-E) sınama sırasında istenen bir yönelim, femur tutar ve trochanter yük hücresi ve femur şaft bağlı bir 6-kanal yük hücresi içerir. Aynı zamanda kemiğin kırık testi için konumlandırma için izin vermek için üç bağımsız çevirileri barındırır. Döndürme noktasının diz eklemi taklit etmek için eklenir. Alt fikstür ana kısımları paslanmaz çelik ve alüminyum kalın parçalar çok sert bir fikstür yapmak kadar yapılmış. Yük hücresi test sırasında büyük trochanter üzerinde basınç Kuvvetleri ölçmek için alt fikstür bağlı olduğu. Crosshead fikstür (şekil 2A-2E) iki alüminyum taban plakaları ve iki çok sert slayt Bilya yatakları (birlikte bir alüminyum plaka, test sırasında femur başı hareketi için hesap ve karşılamak için bağlı) içerir sağ ve sol femora için. Yük hücresi crosshead fikstür çalışmalarında basınç kuvvetler dahil. Yük iliştirilmiş bir alüminyum Kupası basınç yükleri femur başı uygulamak için kullanılır. Bizim yöntemi çeşitli boyutlarıyla her iki cinsiyette sol ve sağ femora için kullanıldı, boyun-Milli görüş açıları, kemik mineral yoğunluğu ve bir yana doğru taklit koşulları yükleme kalça üzerine düşmek. Bizim deneylerde test hızları 5, 100 ve 700 mm/s ayarlanmış, ancak test makinede kullanılabilir herhangi bir değer ayarlanabilir. Tasarlanmış fikstür iki ana bileşenleri, test makine crosshead için bağlı ve diğer test çerçevesine bağlı vardı. Her iki kuvvet ölçmek için yeterli yük hücreleri ile Enstrümante edildi ve her an sınır koşulları destekler. Ayrıca, iki yüksek hızlı video kamera test sırasında kırık olayları kaydetmek için kullanılmıştır. Kırık sonra x-ışınları ve Bilgisayarlı Tomografi (CT) bir dizi tarar sonrası deneysel kırık analizleri için elde edilmiştir. Sonuçları kırık güç de dahil olmak üzere bu deneylerden elde edilen ve enerji şu anda ek tanılama araçlarını araştırmaları sonunda proksimal kırık gücü Osteoporotik hastalarda değerlendirilmesi geliştirmek için kullanılır.

Protokol

1. büyük fikstür eki

1. makineden kaldırmak standart armatürleri.
2. Hareket crosshead ayrı kurum içi fikstür karşılamak için.
3. Alüminyum blok (bölümünde No 1 1A rakam) üstünde belgili tanımlık makine yerleştirin ve güvenli bir şekilde iki civatalar kullanarak Makina üzerinde tutturmak; Merkez delik makinesi yük hücresi barındırır.
4. Ana fikstür yapısı (bölümünde No 2 şekil 1B) alüminyum blokta yer ve güvenli bir şekilde 4 Cıvatalar kullanılarak bloğuna ekleyin.
5. Fikstür ( şekil 1 c) desteklemek için alüminyum blok dinlenmek değil fikstür parçası altında dört tonluk jack yerleştirin.
6. 6-kanal yük hücre fikstür (Bölüm No 3 şekil 1 d) ana fikstür monte ve güvenli 6 vidaları kullanarak.

2. Crosshead fikstür eki

1. makine crosshead mutlak crosshead Asansör denetimini kullanarak sıfır olarak ayarlayın.
2. Test makinenin ön bakan eğri kenarları ile 7 vidaları kullanarak crosshead ilk baseplate (Bölüm No 4 şekil 2B) iliştirin.
Attach ikinci baseplate (Bölüm No 5 rakam 2C) kullanarak
3. bir döner vidalı. Vida test sırasında sol ve sağ kemikleri barındırır. İkinci baseplate (Bölüm No 5) ilk baseplate (Bölüm No 4) göre Özet vida hakkında dönebilen serbesttir. İkinci baseplate yönünü belirler düzmece sağ veya sol uyluk için.
4. (İki vidayı ilk baseplate bir taraftan erişilebilir) 4 vidayı kullanarak İki Yataklı (Bölüm No 6 rakam 2D) ikinci baseplate (Bölüm No 5) için derleme ekleyin. İkinci baseplate vida ikinci kümesi ilk baseplates üst kısmından erişilebilir şekilde döndürün.
   Not: doğru kemiğe sol kemik slaytları yönünü değiştirmek için ilk baseplate üstüne 4 vidayı unfastened ve o zaman slaytlar hakkında özet vida döndürülmüş ve yine gerekli yönlendirmeyi tutturulmuş.
5. El ile döndürme 6 kanallı yük için dik olan slaytlar hücre makine crosshead 65 ° göreli konumunu ayarlayarak.

3. Enstrümante fikstür, yüksek hızlı kamera ve ışık Kurulum deneme için

1. Set standart servo hidrolik test Araçlı alt fikstür kadar makine. Bu fikstür femur tutun ve Güz kalça yapılandırmasına ( şekil 1) sol ve sağ femora uyum.
2. Yüksek hızlı kamera ve aydınlatma donanımları ayarlama ( şekil 3A-3D).
   1. Yüksek yoğunluklu ışıklar ile makine her tarafında bir sehpa üzerine getirin ve onları ( şekil 3A) güvenli.
   2. Test iki tarafında yüksek hızlı kameralar makine ve her bir kamera veri edinme birimlerine ( 3B şekil -3 C) bağlanmak için sehpa kadar ayarlama.
   3. İle açık ve edinme birimine bağlı fotoğraf makinesi, kamera ayarlarını yapılandırmak; 6000 kare / saniye (fps) ve çözünürlük 1024 x 512 piksel kare hızı ayarlayın; çözünürlük fotoğraf dahili hafızasına yerleştirmek için azaltılmış ( Şekil 3D).
   4. Set çekim 1 kare/sn (1/6000 kare/sn). Ayrıca kamera seçeneği eyleyici (100 ms hızlı testler için ve yavaş testler için 200 ms) hareket etmeden önce kayıtları başlamak gibi ayarlamak.
   5. İkisi arasındaki eşitleme kablosunu fotoğraf makinesi; seçme tetik modu yazılım ayarı fotoğraf makinelerinin.

4. Kontrol/Calibrating yük hücreleri için uygun veri toplama sistemi (DAQ)

1. DAQ birimi kurma
   1. Bağlan testi DAQ makine, yüksek hızlı video kamera, yük hücreleri ve kablolama gösterildiği gibi doğrusal potansiyometre Şematik olarak şekil 4.
   2. Trokanterik yük hücresi, baş yük hücresi, doğrusal potansiyometre, 6-kanal yük hücresi uygun bağlantıyı denetleyin ve veri sinyalin izleri DAQ yazılım Görünüm panelinde el ile yük hücresi iterek gözlemleyerek DAQ cihazın sinyal tetiklemek.
   3. DAQ, sinyal kremi ve nabız jeneratör tüm ON güç olduğundan emin olun.
   4. DAQ yazılım yük hücreleri ve doğrusal potansiyometre gelen tüm sinyalleri için yapılandırın. DAQ yazılımı seçin " adım kurulum > > yapılandırma " tab ve her yük hücresi ile ilişkili her sinyal girişi için Alım hızı (Hz) kadar ayarla. Üzerinde " Triggering " sekmesinde, uygun tetikleyici seçeneği seçin. Video cihazı-de var tetiklenen deneme video/DAQ sistem synchronicity sağlamak için ishal sırasında.
2. Femur başı nominal yük (örneğin en az 1600 lbs ve en fazla 200 lbs) uygulamak ve makul yük doğrulamak için standart servo hidrolik makine kullanarak trochanter yük hücreleri hücre ölçümleri ve üretici için karşılaştırın kalibrasyon bilgi formları ( şekil 5A).
3. Benzer şekilde, statik yükler için 6 kanallı yük hücresi 5B rakam gösterildiği gibi bir ölü ağırlık kullanarak uygulayın. İşlevini denetlemek ve 6 kanallı yük hücresi performansını doğrulayın ( şekil 5A -5B) ölçülen ve teorik kuvveti ile an değerleri yüzde farkları hesaplayarak. Hata % 5'den az olmalıdır.
   Not: Tüm yük hücreleri, üreticileri tarafından önceden kalibre varsa gerekir. Bu adım, yalnızca yük hücreleri çalıştığı tüm bağlantıları yapılır ve sinyalleri makul denetler.
4. 1. Doğrusal potansiyometre ayarlama crosshead için doğrusal potansiyometre fikstür güvenli ve doğrusal potansiyometre fikstür ( şekil 5C) yerleştirin. Potansiyometre vücut kilitlemek ve bağlayıcı DAQ birimini fiş için vidayı sıkın
   Potansiyometre pozisyon maksimum uzantısı ve kayıt talebiyle ve karşılık gelen voltaj (en az üç veri noktaları için) en yüksek derece sıkıştırma anlamına
   2. el ile Aktüatör (25 mm) yük karede taşıyın. Deplasman gerilim vs arsa ve veri doğrusal bir işleve uygun (R ² > 0.95). Doğrusal denklem (mm/V) eğimi kalibrasyon faktörü olarak giriş " parametre ölçekleme " kutusunu DAQ yazılım.
5. Genel test makine kurulum tüm veri toplama işlev ve makul olduğundan emin olmak için kırık için bir vekil fiberglas kemik sınayarak doğrulayın. Bu trochanter yük hücresi, femoral baş yük hücresi, doğrusal potansiyometre, altı kanallı yük hücresi ve tetikleyici sinyal ( şekil 6) içerir.

5. Kemikler için test hazırlama

1. çözülme kemikler için 24 saat oda sıcaklığında ve nem, aşırı yağ ve kalan herhangi bir yumuşak doku pa kullanarak kaldırmahavlu başına.
2. Kemik fikstür tarama akrilik yerleştirin ve diş çimento hazırlamak. 60 g PMMA tozu ölçmek ve duman başlık altında sıvı reçine 30 g toz eriyene kadar karıştırın. Karışımı pourable olmalıdır. Tek kullanımlık kağıt bardak için bu işlemi kullanın. Büyük trochanter bir alüminyum Kupası ( şekil 7A) Çömlekçilik için bu adımdır.
3. Alüminyum Kupası trochanter altına hizalayın. Sonra yarım fincan yüksekliğine PMMA çimento dökmek ve kemik içine sığacak şekilde fikstür platformu yükseltmek. 10-15 dk polimerizasyon için izin.
4. Şal kemiklerinde tuz batırılmış havlu doku kuruluk kemik çimento polimerizasyon sırasında önlemek için.
5. Kemik trochanter ( şekil 7B) bağlı alüminyum Kupası ile test makinede test fikstür için hareket
6. Alüminyum Kupası trokanterik yük iliştirilmiş plaka üzerinde ortalamak ve alüminyum Kupası biraz yük hücresi dokunur Yataklı ayarlayın. Fikstür dönüş için fikstür pin kaldırmak
7. Merkezi ve alt crosshead femur başı ile temas için.
8. Gözden geçirme Kur, kemik konumu, yük hücresi sinyalleri ve Kupası konumu. Ayrıca bir daha gözden geçirme DAQ aygıt; tüm ekipman ve yük hücreleri düzgün bağlandığından ve tüm açık olduğundan emin olun. Her yük hücresi yanıtından uygun sinyal için yazılım ayarları'nı denetleyin.
9. Femur fotoğraf çekmek 2 taraftan fikstür konulmak.
10. Yeterli ışık fotoğraf makinesi sensörünün üzerine izin ve alan derinliğini kontrol etmek için diyafram ayarlamak. Görüntü kalitesi üzerinde femur boynu odaklanarak denetleyin. Bu işlem herhangi bir parlama ve parlak kemik kırığı olay yakalama etkileyecek görüntü bölgelerde engelleyecektir.

6. Bir kırık test

1. servo mekanik yük çerçeve hem yükleme ve boşaltma için servo mekanik yük çerçeve kırık testi için 25 mm uygun deplasman kontrolü için programlanmış doğrula.
   Not: Bunlar üretici belirli ayarlarıdır ve olmalı giriş ve üreticinin belirtimlerine göre test etme donanımları, Denetim Masası'ndaki doğrulanmadı.
2. Bir final zaman video kameralar ve veri toplama sistemi yansımaları en aza indirmek için aydınlatma doğrulayın.
3. Kırık testi uyluk kemiği ( şekil 7C) için sınama sırası başlatmak için Denetim Masası'ndan başlangıç ikonuna tıklayın.
4. Al 2 taraftan kırık uyluk resimlerini.
5. El ile Aktüatör geri çekmek ve uyluk çıkarın.

7. Hazırlık sonrası kırık

1. fikstür kaldırmak kemik.
2. Milli Küçük, ıslak havlu ve plastik torbalar ( Şekil 7 d) sarın ve -20 dondurmak için kemik teyp proksimal kırık sonu ° C.
3. Korumak daha sonrası çatlak x-ışını ve CT görüntüleme için kemik.
   Not: Bu işlemler daha önce başka bir iletişim kuralında (Jüpiter, inceleniyor) bizim gruptan açıklandı için detaylar ( şekil 7E).

Sonuçlar

Standart armatürleri test makineden kaldırıldıktan sonra kurum içi fikstür monte edilir. İlk olarak, alt ağır fikstür monte edilmiş ve güvenli (şekil 1). Bu da istenen dıştan açıyla hizalanmasını femur şaft sağlayan 6 kanallı yük hücresi tutmak için genişletilmiş bir kol içerir. Daha sonra iki sürtünmesiz Yataklı dahil olmak üzere crosshead fikstür yük ve femoral kafa hareketi uygulanması sırasında kırık (

Tartışmalar

Biz kırık bir protokol ile başarılı bir şekilde yaklaşık 200 örnekleri test ettik kalça yapılandırmasına bir sonbaharda proksimal kadavra femora test önerdi. Protokol femur gücü farklı yükleme koşullar altında test için birkaç şirket içinde tasarlanmış armatürleri içerir. Fikstür farklı test hızları ve kemik yönelimleri sağ ve sol femora in test etmek için izin verir. Fikstür ve ölçme aletleri takma sonra fiberglas uyluk kemiği ise zaman uyumlu olarak çalışan tüm donanım ve yaz...

Malzemeler

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