Name: proximal cadaveric femur preparation for fracture strength testing and quantitative ct-based finite element analysis
Uploaded: 2017-03-11T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Proximal Cadaveric Femur Preparation for Fracture Strength Testing and Quantitative CT-based Finite Element Analysis at JoVE.com

ברצוננו להודות מתקן הבדיקה Core חומרים המבני במרפאת מאיו לקבלת תמיכה טכנית. בנוסף אנו רוצים להודות לורנס ג&#39;יי Berglund, בראנט ניומן, דן אופ יורן Buijs, Ph.D., על עזרתם במהלך המחקר. מחקר זה נתמך כלכלית על ידי קרן חדשנות גריינג&#39;ר מקרן גריינג&#39;ר.

הערה: כל המחקרים שהוצגו בפרוטוקול זה אושרו על ידי דירקטוריון הסקירה המוסדי (IRB) במרפאת מאיו. העצמות התקבלו על פני תקופה של 6 שנים מארגונים שונים. כל הדגימות נאספו בתוך 72 שעות ממותו, עטופות במגבות רוויות מלוחות, ומאוחסן ב -20 ° C עד הכנה. ...

<ol>
	<li>Cristofolini, L., Schileo, E., Juszczyk, M., Taddei, F., Martelli, S., Viceconti, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+testing+of+bones:+the+positive+synergy+of+finite-element+models+and+in+vitro+experiments.">Mechanical testing of bones: the positive synergy of finite-element models and in vitro experiments.</a> Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 368, 2725-2763 (2010).</li><li>Cartner, J. L., Hartsell, Z. M., Ricci, W. M., Tornetta, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Can+we+trust+ex+vivo+mechanical+testing+of+fresh-frozen+cadaveric+specimens?+The+effect+of+postfreezing+delays.">Can we trust ex vivo mechanical testing of fresh-frozen cadaveric specimens? The effect of postfreezing delays.</a> J Orthop Trauma. 25 (8), 459-461 (2011).</li><li>An, Y. H., Draughn, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Mechanical testing of bone and the bone-implant interface. , (1999).</li><li>van Haaren, E. H., van der Zwaard, B. C., van der Veen, A. J., Heyligers, I. C., Wuisman, P. I., Smit, T. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+long-term+preservation+on+the+mechanical+properties+of+cortical+bone+in+goats.">Effect of long-term preservation on the mechanical properties of cortical bone in goats.</a> Acta Orthop. 79, 708-716 (2008).</li><li>Shaw, J. M., Hunter, S. A., Gayton, J. C., Boivin, G. P., Prayson, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Repeated+freeze-thaw+cycles+do+not+alter+the+biomechanical+properties+of+fibular+allograft+bone.">Repeated freeze-thaw cycles do not alter the biomechanical properties of fibular allograft bone.</a> Clin Orthop Relat Res. 470 (3), 937-943 (2012).</li><li>Topp, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Embalmed+and+fresh+frozen+human+bones+in+orthopedic+cadaveric+studies:+which+bone+is+authentic+and+feasible?.">Embalmed and fresh frozen human bones in orthopedic cadaveric studies: which bone is authentic and feasible?.</a> Acta Orthop. 83 (5), 543-547 (2012).</li><li>Manske, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cortical+and+trabecular+bone+in+the+femoral+neck+both+contribute+to+proximal+femur+failure+load+prediction.">Cortical and trabecular bone in the femoral neck both contribute to proximal femur failure load prediction.</a> Osteoporos Int. 20 (3), 445-453 (2009).</li><li>Rezaei, A., Dragomir-Daescu, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Femoral+Strength+Changes+Faster+With+Age+Than+BMD+in+Both+Women+and+Men:+A+Biomechanical+Study.">Femoral Strength Changes Faster With Age Than BMD in Both Women and Men: A Biomechanical Study.</a> J Bone Miner Res. 30, 2200-2206 (2015).</li><li>Cristofolini, L., McNamara, B., Freddi, A., Viceconti, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+measured+strains+in+the+loaded+femur:+quantification+of+experimental+error.">In vitro measured strains in the loaded femur: quantification of experimental error.</a> J Strain Anal Eng Des. 32, 193-200 (1997).</li><li>Dragomir-Daescu, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robust+QCT/FEA+models+of+proximal+femur+stiffness+and+fracture+load+during+a+sideways+fall+on+the+hip.">Robust QCT/FEA models of proximal femur stiffness and fracture load during a sideways fall on the hip.</a> Ann Biomed Eng. 39, 742-755 (2011).</li></ol>

הצגנו פרוטוקול הכנה עצם חזק להבטחת דוגמנות בדיקות מכאני QCT / FEA של כוח ירך כתוצאה מנפילת צידה לתצורת הירך. שיטה זו הפכה הפרוטוקול הסטנדרטי ללא צורך במיקור החוץ שלנו. במהלך 6 שנים, עם אנשים שונים, כ -200 femora הוכנו בהצלחה בעקבות פרוטוקול זה. התוצאות של הפרוטוקול כוללות לסיוו...

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 border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<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 -20oC storage for bones</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>X-ray scanner</td>
			<td>General Electric</td>
			<td>&#160;46-270615P1</td>
			<td>X-ray imaging equipment.&#160;&#160;</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&#160;</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&#160;</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

בדיקות שבר cadaveric משמשות באופן שגרתי כדי להבין גורמים המשפיעים כוח ירך הפרוקסימלי. בגלל רקמות ביולוגיות vivo לשעבר נוטות לאבד תכונות המכאניות שלהם לאורך זמן, דגימה לקראת בדיקה ניסיונית חייבות להתבצע בזהירות כדי לקבל תוצאות אמינות המייצגים בתנאי vivo. מסיבה זו, עצבנו פרוטוקול ומערכת של גופים להכין את דגימות ירך כך התכונות המכאניות שלהם חוו שינויים מינימאליים. Femora נשמרו במצב קפוא למעט במהלך השלבים בהכנה ובדיקה מכנית. המודד הקליני הרלוונטי של מפרק ירך ואת צפיפות מינרלים בעצם צוואר ירך (BMD) התקבלו עם absorptiometry רנטגן הכפול קליני צפיפות עצם (DXA), ואת גיאומטרית 3D וההפצה של מינרלים בעצמות התקבלו באמצעות CT עם רוח רפאי כיול עבור הערכות כמותיות על סמך ערכי בגווני אפור. כל מחלת עצם אפשרי, שבר, או הנוכחות של שתלים או חפצים המשפיעים על מבנה העצם, נפסלה עם סריקות רנטגן. לקבלת הכנה, כל העצמות נוקו בקפידה של רקמות רכות עודפות, נחתכו בעציץ בזווית הסיבוב הפנימית של עניין. אביזר חיתוך איפשר הקצה הדיסטלי של העצם להיות מנותקת עוזב את עצם הירך הפרוקסימלי באורך הרצוי. כדי לאפשר מיקום של צוואר הירך בזוויות שנקבעו במהלך מאוחר CT סריקה ובדיקה מכאני, פירי ירך הפרוקסימלי בעציץ polymethylmethacrylate (PMMA) באמצעות מתקן אשר עוצב במיוחד עבור אורינטציות רצויות. הנתונים הנאספים מניסויים שלנו אז שימשו למתן תוקף של טומוגרפיה ממוחשבת כמותית (QCT) מבוססי ניתוח אלמנטים סופיים (FEA), כמתואר בפרוטוקול אחר. בכתב היד הזה, אנו מציגים את הפרוטוקול לעריכת העצם המדויק לבדיקות מכאניות ודגימה עוקבת QCT / FEA. הפרוטוקול הנוכחי יושם בהצלחה להכין כ -200 CADfemora averic על פני פרק זמן של 6 שנים.

Femora cadaveric נשלחו קפוא ומתוחזק ב -20 ° C עד הכנת החלה. סריקת BMD בוצעה באמצעות סורק DXA למדוד מפרק ירך והצוואר BMD וכן T-ניקוד עבור כל דגימה (איור 1). T-ציון הוא מספר סטיות התקן של נמדדת BMD בהשוואה לערכים ממוצעים עבור נבדקים בריאים צעירים. זה יכול לנוע בין...

Watch this Scientific Journal Video about Proximal Cadaveric Femur Preparation for Fracture Strength Testing and Quantitative CT-based Finite Element Analysis at JoVE.com

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

אנו מציגים פרוטוקול חזק כיצד לשמר בקפידה ולהיערך femora cadaveric לבדיקת שבר והדמית טומוגרפיה ממוחשבת כמותית. השיטה מספקת שליטה מדויקת התנאים קלט לצורך קביעת יחסים בין צפיפות המינרלים בעצמות, כוח שבר, והגדרת הגיאומטריה ומאפיינים מודל אלמנטים סופיים.

הכנת עצם הירך הפרוקסימלי cadaveric לשבר חוזק בדיקה כמותית CT מבוססי ניתוח אלמנטים סופיים

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

Research

JoVE Journal

Medicine

Quantitative Autonomic Testing

בדיקה כמותית האוטונומית

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

Manual Muscle Testing:  A Method of Measuring Extremity Muscle Strength Applied to Critically Ill Patients

בדיקת שרירים ידנית: שיטת מדידת חוזק שרירים בגפיים יישומית על חולים אנושים

Survivors of acute respiratory distress syndrome (ARDS) and other causes of critical illness often have generalized weakness, reduced exercise tolerance, ...

Method to Measure Tone of Axial and Proximal Muscle

שיטה למדוד טון של שרירים נטיית ציר וסמוך

The control of tonic muscular activity remains poorly understood.  While abnormal tone is commonly assessed clinically by measuring the passive resistance ...

Quantitative Analysis of Chromatin Proteomes in Disease

ניתוח הכמות של Proteomes הכרומטין במחלות

In the nucleus reside the proteomes whose functions are most intimately linked with gene regulation. Adult mammalian cardiomyocyte nuclei are unique due ...

Sequential In vivo Imaging of Osteogenic Stem/Progenitor Cells During Fracture Repair

Sequential In vivo Imaging of Osteogenic Stem/Progenitor Cells During Fracture Repair

עוקב<em&gt; בvivo</em&gt; הדמיה של תאי גזע / אב osteogenic במהלך תיקון שבר

Bone turns over continuously and is highly regenerative following injury. Osteogenic stem/progenitor cells have long been hypothesized to exist, but in ...

Adjustable Stiffness, External Fixator for the Rat Femur Osteotomy and Segmental Bone Defect Models

נוקשות מתכוונן, תופסנים חיצוניים למודלים של עכברי ירך osteotomy ומגזרי עצם הפגם

The mechanical environment around the healing of broken bone is very important as it determines the way the fracture will heal. Over the past decade there ...

Adapted Resistance Training Improves Strength in Eight Weeks in Individuals with Multiple Sclerosis

התנגדות מותאמת הדרכה משפרת את החוזק בשמונה שבועות באנשים עם טרשת נפוצה

Hip weakness is a common symptom affecting walking ability in people with multiple sclerosis (MS). It is known that resistance strength training (RST) can ...

In Vivo Evaluation of Fracture Callus Development During Bone Healing in Mice Using an MRI-compatible Osteosynthesis Device for the Mouse Femur

In Vivo Evaluation of Fracture Callus Development During Bone Healing in Mice Using an MRI-compatible Osteosynthesis Device for the Mouse Femur

אין ויוו הערכה של שבר פיתוח קסם במהלך עצם הריפוי בעכברים שימוש בהתקן התואם ל- MRI Osteosynthesis את העכבר אתי

Endochondral fracture healing is a complex process involving the development of fibrous, cartilaginous, and osseous tissue in the fracture callus. The ...

Muscle Imbalances: Testing and Training Functional Eccentric Hamstring Strength in Athletic Populations

איזון שרירים: בדיקות והדרכה כוח שריר הירך אקסצנטרי פונקציונלי באוכלוסיות אתלטי

Many hamstring injuries that occur during physical activity occur while the muscles are lengthening, during eccentric hamstring muscle actions. Opposite ...

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

שבר מכשיר עיצוב ואופטימיזציה פרוטוקול עבור שברים סגורים מיוצב מכרסמים

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