Name: imaging of the microstructural failure mechanism in the human hip
Uploaded: 2023-09-29T13:50:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Imaging of the Microstructural Failure Mechanism in the Human Hip at JoVE.com

Financiering van de Australian Research Council (FT180100338; IC190100020) wordt dankbaar erkend.

Het protocol is ontwikkeld en getest met 12 dijbeenmonsters die zijn ontvangen via een lichaamsdonatieprogramma. De monsters werden vers verkregen en opgeslagen bij -20 °C in het Biomechanics and Implants Laboratory van Flinders University (Tonsley, Zuid-Australië, Australië). Het botvocht werd gedurende het hele experiment op peil gehouden. De donoren waren blanke vrouwen (66-80 jaar oud). Ethische goedkeuring werd verkregen van de Social and Behavioural Research Ethics Committee (SBREC) van Flinders University (Proj...

<ol>
	<li>Martelli, S., Perilli, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Time-elapsed+synchrotron-light+microstructural+imaging+of+femoral+neck+fracture.">Time-elapsed synchrotron-light microstructural imaging of femoral neck fracture.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 84, 265-272 (2018).</li><li>Martelli, S., Giorgi, M., Dall' Ara, E., Perilli, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Damage+tolerance+and+toughness+of+elderly+human+femora.">Damage tolerance and toughness of elderly human femora.</a> Acta Biomaterialia. 123, 167-177 (2021).</li><li>Perilli, E., 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=Dependence+of+mechanical+compressive+strength+on+local+variations+in+microarchitecture+in+cancellous+bone+of+proximal+human+femur.">Dependence of mechanical compressive strength on local variations in microarchitecture in cancellous bone of proximal human femur.</a> Journal of Biomechanics. 41 (2), 438-446 (2008).</li><li>Thurner, P. J., 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=Time-lapsed+investigation+of+three-dimensional+failure+and+damage+accumulation+in+trabecular+bone+using+synchrotron+light.">Time-lapsed investigation of three-dimensional failure and damage accumulation in trabecular bone using synchrotron light.</a> Bone. 39 (2), 289-299 (2006).</li><li>Jackman, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative,+3D+visualization+of+the+initiation+and+progression+of+vertebral+fractures+under+compression+and+anterior+flexion.">Quantitative, 3D visualization of the initiation and progression of vertebral fractures under compression and anterior flexion.</a> Journal of Bone and Mineral Research. 31 (4), 777-788 (2016).</li><li>Mayhew, P. M., 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=Relation+between+age,+femoral+neck+cortical+stability,+and+hip+fracture+risk.">Relation between age, femoral neck cortical stability, and hip fracture risk.</a> Lancet. 366 (9480), 129-135 (2005).</li><li>Nazarian, A., Stauber, M., Zurakowski, D., Snyder, B. D., M&#252;ller, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+interaction+of+microstructure+and+volume+fraction+in+predicting+failure+in+cancellous+bone.">The interaction of microstructure and volume fraction in predicting failure in cancellous bone.</a> Bone. 39 (6), 1196-1202 (2006).</li><li>Schileo, E., 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=To+what+extent+can+linear+finite+element+models+of+human+femora+predict+failure+under+stance+and+fall+loading+configurations.">To what extent can linear finite element models of human femora predict failure under stance and fall loading configurations.</a> Journal of Biomechanics. 47 (14), 3531-3538 (2014).</li><li>Schileo, E., 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=An+accurate+estimation+of+bone+density+improves+the+accuracy+of+subject-specific+finite+element+models.">An accurate estimation of bone density improves the accuracy of subject-specific finite element models.</a> Journal of Biomechanics. 41 (11), 2483-2491 (2008).</li><li>Dall'ara, E., 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=A+nonlinear+QCT-based+finite+element+model+validation+study+for+the+human+femur+tested+in+two+configurations+in+vitro.">A nonlinear QCT-based finite element model validation study for the human femur tested in two configurations in vitro.</a> Bone. 52 (1), 27-38 (2013).</li><li>Perilli, E., Parkinson, I. H., Reynolds, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro-CT+examination+of+human+bone:+from+biopsies+towards+the+entire+organ.">Micro-CT examination of human bone: from biopsies towards the entire organ.</a> Annali dell'Istituto Superiore di Sanit&#224;. 48 (1), 75-82 (2012).</li><li>Wearne, L. S., Rapagna, S., Taylor, M., Perilli, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro-CT+scan+optimisation+for+mechanical+loading+of+tibia+with+titanium+tibial+tray:+A+digital+volume+correlation+zero+strain+error+analysis.">Micro-CT scan optimisation for mechanical loading of tibia with titanium tibial tray: A digital volume correlation zero strain error analysis.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 134, 105336 (2022).</li><li>Bennett, K. J., 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=Ex+vivo+assessment+of+surgically+repaired+tibial+plateau+fracture+displacement+under+axial+load+using+large-volume+micro-CT.">Ex vivo assessment of surgically repaired tibial plateau fracture displacement under axial load using large-volume micro-CT.</a> Journal of Biomechanics. 144, 111275 (2022).</li><li>Falcinelli, C., 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=Multiple+loading+conditions+analysis+can+improve+the+association+between+finite+element+bone+strength+estimates+and+proximal+femur+fractures:+A+preliminary+study+in+elderly+women.">Multiple loading conditions analysis can improve the association between finite element bone strength estimates and proximal femur fractures: A preliminary study in elderly women.</a> Bone. 67, 71-80 (2014).</li><li>Orthopedic Image Segmentation. Synopsys Available from: <a target="_blank" href="https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/ortho-medical-image-segmentation.html">https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/ortho-medical-image-segmentation.html</a> (2020)</li></ol>

Het huidige protocol maakt het mogelijk om de tijdsverlooptijd micromechanica van heupfracturen in drie dimensies ex vivo te bestuderen. Een radiotransparante (aluminium) druktafel die in staat is om een progressieve vervorming toe te passen op de proximale helft van het menselijk dijbeen en de reactiekracht te meten, is op maat ontworpen, vervaardigd en getest. In dit protocol wordt een micro-CT-scanner met een groot volume gebruikt om een temporele opeenvolging van beeldvolumes te bieden die het volledige prox...

Fracturen van de femurhals zijn een grote last voor de vergrijzende bevolking. Microcomputertomografie (micro-CT) beeldvorming en gelijktijdige mechanische tests maken het mogelijk om de microstructuur van het bot te observeren en de relatie met botsterkte, de leeftijdsgebonden veranderingen en verplaatsingen onder belasting te bestuderen 1,2. Tot voor kort waren micro-CT-onderzoeken van bot onder belasting echter beperkt tot uitgesneden botkernen3, kleine dieren4 en menselijke wervelkolomeenheden5. Het huidige protocol kan de verplaatsing van de microstructuur van het gehele proximale menselijke dijbeen onder belasting en na een fractuur kwantificeren.
Er zijn verschillende onderzoeken uitgevoerd om het falen van het menselijk dijbeen te onderzoeken, en soms zijn deze tot contrasterende conclusies gekomen. Zo wordt bijvoorbeeld aangenomen dat het leeftijdsgebonden dunner worden van de corticale en trabeculaire structuren de leeftijdsgebonden gevoeligheid voor fracturen bepaalt door elastische instabiliteit van het botte veroorzaken 6,7, wat in duidelijk contrast staat met de hoge coëfficiënt voor het bepalen van corticale rek en femursterktevoorspellingen ervan uitgaande dat er geen elastische instabiliteit is (R2 = 0,80-0,97)8,9. Niettemin hebben dergelijke studies de femorale sterkte systematisch onderschat (met 21%-29%), waardoor de brosse en quasi-broze botresponsen die in de modellen zijn geïmplementeerd, in twijfel worden getrokken 8,10. Een mogelijke verklaring voor deze ogenschijnlijk contrasterende bevindingen kan liggen in een ander fractuurgedrag van hele botten in vergelijking met geïsoleerde botkernen. Daarom kan het observeren van de vervormings- en fractuurreacties van de botmicrostructuur in volledige proximale dijbenen de kennis van de mechanica van heupfracturen en gerelateerde toepassingen bevorderen.
De huidige methoden voor het afbeelden van volledige menselijke botten met micrometrische resolutie zijn beperkt. Het portaal en de grootte van de detector moeten een geschikt werkvolume bieden voor het menselijk proximale dijbeen (ongeveer 13 cm x 10 cm, breedte x lengte) en eventueel een pixelgrootte in de orde van grootte van 0,02-0,03 mm om ervoor te zorgen dat relevante microarchitecturale kenmerken kunnen worden vastgelegd11. Aan deze specificaties kan momenteel worden voldaan door sommige synchrotronfaciliteiten1 en sommige in de handel verkrijgbare micro-CT-scanners met een groot volume12,13. De compressiefase moet radiotransparant zijn om de verzwakking van de röntgenstraling tot een minimum te beperken en tegelijkertijd een kracht te genereren die voldoende is om een breuk in het menselijk dijbeen te veroorzaken (bijv. tussen 0,9 kN en 14,3 kN voor oudere blanke vrouwen)14. Deze grote variatie in breukbelasting bemoeilijkt de planning van het aantal belastingsstappen om te breken, de totale experimenttijd en de overeenkomstige hoeveelheid geproduceerde gegevens. Om dit probleem aan te pakken, kunnen de fractuurbelasting en -locatie worden geschat via eindige-elementenmodellering door gebruik te maken van de botdichtheidsverdeling van het monster uit klinische computertomografie (CT)-beelden 1,2. Ten slotte moet na het experiment de grote hoeveelheid gegenereerde gegevens worden verwerkt voor het bestuderen van de faalmechanismen en de energiedissipatiecapaciteit in het gehele menselijke dijbeen.
Hier beschrijven we een protocol voor het verkrijgen van een sequentie van driedimensionale microstructurele beelden van het gehele proximale dijbeen onder progressief toenemende vervorming, die klinisch relevante fracturen van de femurhals veroorzaakt2. Het protocol omvat het plannen van de stapsgewijze toename van de compressie van het sample, het laden via een aangepaste radiotransparante compressietrap, beeldvorming via een micro-CT-scanner met een groot volume en het verwerken van de beelden en de belastingsprofielen.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Absorbent tissue</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
			<td>Maintain the bone moisture throughout the experiment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alignment rig</td>
			<td>Custom-made</td>
			<td></td>
			<td>Rig for positioning the specimen in the potting cup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aluminium potting cup</td>
			<td>Custom-made</td>
			<td></td>
			<td>Potting cup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bone saw</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
			<td>Cut the specimen to size</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Calibration phantom QCT Pro</td>
			<td>Mindways Software, Inc., Austin, USA</td>
			<td>CT Calibration 13002</td>
			<td>Calibrate grey levels in the images into equivalent bone mineral (ash) density levels</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clinical Computed-Tmography scanner</td>
			<td>General Electric Medical Systems Co., Wisconsin, USA</td>
			<td>Optima CT660</td>
			<td>Preliminary imaging for the prediction of the load step to fracture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Compressive stage</td>
			<td>Custom-made</td>
			<td></td>
			<td>A 10 kg, radiotransparent compressive stage for applying and maintaining throught imaging a prescribed deformation to the specimen.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dental cement</td>
			<td>Soesterberg, The Netherlands</td>
			<td>Vertex RS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Femur specimen</td>
			<td>Science Care, Phoenix, USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Finite-element analysis software</td>
			<td>ANSYS Inc., Canonsburg, USA</td>
			<td>ANSYS Mechanical APDL</td>
			<td>Finite-element software package</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Freezer</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
			<td>Store specimens at -20 &#176;C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hard Drive</td>
			<td>Dell</td>
			<td></td>
			<td>Disk space: 500 GB per volume</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image bnarization and segmentation software</td>
			<td>Skyscan-Bruker, Kontich, Belgium</td>
			<td>CT analyzer</td>
			<td>Image processing software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image elastic segmentation</td>
			<td>The University of Sheffield</td>
			<td>Bone DVC</td>
			<td>https://bonedvc.insigneo.org/dvc/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image processing and automation software</td>
			<td>The MathWork Inc.</td>
			<td>Matlab</td>
			<td>Image processing software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image registration software</td>
			<td>Skyscan-Bruker, Kontich, Belgium</td>
			<td>DataViewer</td>
			<td>Image processing software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image segmentation and FE modelling software</td>
			<td>Simpleware, Exeter, UK</td>
			<td>Scan IP</td>
			<td>Bone egmentation software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image stiching script</td>
			<td>Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU</td>
			<td></td>
			<td>The script is available at IMBL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image visualization</td>
			<td>Kitware, Clifton Park, NY, USA</td>
			<td>Paraview</td>
			<td>Image visualization</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image visualization</td>
			<td>Australian National University</td>
			<td>Dristhi</td>
			<td>Image visualization: doi:10.1117/12.935640</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Imaging and Medical beamline</td>
			<td>Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU</td>
			<td></td>
			<td>Large object micro-CT beamline at the Australian Synchrotron</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laptop</td>
			<td>Dell Inc., USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Low-friction x-y table</td>
			<td>THK Co., Tokyo, Japan</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NI signal acquisition software</td>
			<td>National Instruments, Austin, TX</td>
			<td>NI-DAQmx</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phosphate-buffered saline solution</td>
			<td>Custom-made</td>
			<td></td>
			<td>Maintain the bone moisture throughout the experiment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic bag</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
			<td>Maintain the bone moisture throughout the experiment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rail</td>
			<td>SKF Inc., Lansdale, PA, USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Screw-jack mechanism</td>
			<td>&#160;Benzlers, &#214;rebro, Sweden</td>
			<td>Serie BD (warm gear unit)</td>
			<td>stroke: 150 mm, maximal load: 10,000 N, gear ratio: 27:1, a displacement per revolution: 0.148 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Single pco.edge sensor, lens coupled scintillator</td>
			<td>Australian syncrotron, Clayton, VIC, AU</td>
			<td></td>
			<td>Detector Ruby FOV: 141 x 119 mm; 2560 x 2160 px; 55 &#181;m/px; 50 fps</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Six axis load cell</td>
			<td>ME-Me&#223;systeme GmbH, Hennigsdorf, GE</td>
			<td>K6D6</td>
			<td>Maximal measurement error: 0.005%; maximal force: 10000 N; maximal torque: 500 Nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Strain amplifier</td>
			<td>ME-Me&#223;systeme GmbH, Hennigsdorf, GE</td>
			<td>GSV-1A8USB K6D/M16</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

imaging of the microstructural failure mechanism in the human hip

Door de microstructuur van het bot onder steeds toenemende belasting in beeld te brengen, kan het microstructurele faalgedrag van bot worden geobserveerd. Hier beschrijven we een protocol voor het verkrijgen van een sequentie van driedimensionale microstructurele beelden van het volledige proximale dijbeen onder progressief toenemende vervorming, waardoor klinisch relevante fracturen van de femurhals ontstaan. Het protocol wordt gedemonstreerd met behulp van vier femora van vrouwelijke donoren in de leeftijd van 66-80 jaar aan de onderkant van de botmineraaldichtheid in de populatie (T-scorebereik = -2,09 tot -4,75). Er werd een radio-transparante compressietafel ontworpen voor het laden van de monsters die een houding met één been nabootsen, terwijl de uitgeoefende belasting werd geregistreerd tijdens microcomputertomografie (micro-CT) beeldvorming. Het gezichtsveld was 146 mm breed en 132 mm hoog, en de isotrope pixelgrootte was 0,03 mm. De krachttoename was gebaseerd op eindige-elementenvoorspellingen van de breukbelasting. De druktrap werd gebruikt om de verplaatsing op het monster toe te passen en de voorgeschreven krachtstappen uit te voeren. Subkapitaalfracturen als gevolg van openen en afschuiving van de femurhals traden op na vier tot vijf belastingsstappen. De micro-CT-beelden en de reactiekrachtmetingen werden verwerkt om de botbelasting en het energieabsorptievermogen te bestuderen. Instabiliteit van de cortex trad op bij de vroege laadstappen. Het subchondrale bot in de heupkop vertoonde grote vervormingen tot 16% vóór de fractuur, en een progressieve toename van de ondersteuningscapaciteit tot aan de fractuur. De vervormingsenergie nam lineair toe met de verplaatsing tot aan de breuk, terwijl de stijfheid vlak voor de breuk afnam tot bijna nulwaarden. Driekwart van de breukenergie werd door het monster afgenomen tijdens de laatste krachttoename van 25%. Concluderend onthulde het ontwikkelde protocol een opmerkelijke energieabsorptiecapaciteit, of schadetolerantie, en een synergetische interactie tussen het corticale en trabeculaire bot op een gevorderde donorleeftijd.

De afbeeldingen tonen het volledige proximale dijbeen, de drukkoker, het tandheelkundig cement, de aluminium beker en het wikkeldoekje. De microarchitectuur van het bot kan geleidelijk worden vervormd naarmate de belasting toeneemt vóór de fractuur en na de fractuur (figuur 4).
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64947/64947fig04.jpg"> Afbeelding 4: De compressiefa...

Watch this Scientific Journal Video about Imaging of the Microstructural Failure Mechanism in the Human Hip at JoVE.com

Imaging of the Microstructural Failure Mechanism in the Human Hip

Het protocol maakt het mogelijk om de vervorming van de botmicrostructuur in het gehele proximale menselijke dijbeen en de taaiheid ervan te meten door micro-CT-scans met een groot volume, een op maat gemaakte compressiefase en geavanceerde beeldverwerkingstools te combineren.

Beeldvorming van het microstructurele faalmechanisme in de menselijke heup

Imaging the bone microstructure under progressively increasing loads allows for observing the microstructural failure behavior of bone. Here, we describe ...

Dit protocol maakt het mogelijk om de microstructuur van het hele menselijke dijbeen te observeren terwijl het vervormt onder belasting en breuk. Door het hele dijbeen met microstructurele resolutie in beeld te brengen, maakt dit protocol het mogelijk om te bestuderen hoe de verschillende trabeculaire corticale compartimenten van het bot synergetisch bepalen hoe het vermogen om de belasting te weerstaan wordt bepaald. Het vergroten van ons begrip van het botbreukmechanisme kan geavanceerde diagnostische methoden voor osteoporose informeren.Dit protocol is ontwikkeld bij de Australian Synchrotron, aangepast voor gebruik in een commerciële, grote micro-CT-scanner aan de universiteit en toegepast om verschillende anatomische regio's te bestuderen, waaronder de knie en schouder. In principe kan het worden uitgebreid tot materialen van vergelijkbare grootte als hele menselijke botten en gewrichten. Deze studie vereist expertise in verschillende disciplines, waaronder beeldvorming, vaste mechanica en computationele modellering in de biomechanica.Scan om te beginnen met behulp van een klinische CT-scanner het dijbeenmonster met een plakdikte en een pixelgrootte in het vlak van ongeveer 0,5 tot 0,7 millimeter. Scan naast het monster een CT-densitometriekalibratiefantoom, met vijf bekende concentraties kleurstof kaliumwaterstoffosfaat. Segmenteer vervolgens de botgeometrie van de klinische CT-beelden, kalibreer de grijsniveaus in de afbeeldingen op overeenkomstige botdichtheidswaarden en de modulus van Young, met behulp van de relatie tussen dichtheid en elastische modulus.Nadat u een net van de gesegmenteerde geometrie hebt gemaakt, importeert u het net in de eindige-elementensoftware. Volledig beperkt drie tot zes millimeter diep, het distale uiteinde van het model, repliceer vervolgens een configuratie met één been door een nominale kracht van 1000 Newton uit te oefenen, acht graden ontvoerd vanaf de as van de femurschacht in het coronale vlak en door het midden van de femurkop te gaan. Los het eindige-elementenmodel op met behulp van de ingebouwde PCG-oplosser.Genereer vervolgens, door het uitvoeren van de aangegeven commando's, een elemententabel met de eerste en derde hoofdstamcomponenten op het zwaartepunt van het element. Voer vervolgens de aangegeven opdracht uit om de rekverhouding te berekenen tussen de eerste en derde hoofdrekcomponenten in het model en de rek, intentie en compressie van de botopbrengst. Schaal de nominale kracht met de piekrekverhouding, intentie en compressie, en gooi de grootste van de twee weg om de breukbelasting te schatten.Plaats een testopstelling op de micro-CT-rotatietafel met het monster in de referentie-onbelaste toestand en start de micro-CT-scan. Herhaal de beeldvorming twee keer voor de onbelaste toestand en wikkel de kabel na het scannen af. Pas de krachttoename toe door het vijzelmechanisme handmatig te bedienen met een constante snelheid van ongeveer een seconde per ronde en voer de micro-CT-beeldvorming uit.Herhaal de krachttoename totdat het monster breekt, zoals aangegeven door een plotselinge daling van de reactiekracht. Voer micro-CT-beeldvorming uit van het gebroken monster. Visualiseer vervolgens de opeenvolging van projectiebeelden bij verschillende belastingsstappen.Subsample de micro-CT-beelden met vier, om de rekentijd te verkorten. Registreer in de ruimte de beelden van het monster onder belasting rigide samen met die in de onbelaste referentietoestand, met behulp van de distale diafyse als doel van de co-registratie. Maak driedimensionale oppervlaktemodellen voor visualisatie na het binariseren van de micro-CT-beelden.Bepaal de verplaatsing in de afbeeldingen over een raster van 50 pixels groot, met behulp van bone DVC. Bepaal vervolgens de rektensor, door het rooster om te zetten in een eindige-elementenmodel. Pas de berekende verplaatsing toe op de knooppunten en los het model op.Vervolgens, met behulp van kubische interpolatie, met de inter P three-functie in Mac-Lab, worden de verplaatsings- en rekvolumes opnieuw bemonsterd zodat ze overeenkomen met de grootte van de oorspronkelijke grootte van micro-CT-beelden. Visualiseer verplaatsingen, rek en microstructurele beelden voor visualisatie en animatie van grote volumes. Geef voor de analyse van botvervorming de permanente vervorming van het bot weer door de beelden die zijn verkregen in onbelaste omstandigheden en na de breuk over elkaar heen te leggen.Geef vervolgens de progressieve microstructurele vervorming van het bot weer door de driedimensionale modellen over elkaar heen te leggen in onbelaste omstandigheden, bij toenemende belastingsniveaus en na de fractuur. Geef de spanning van het bot op de plaats van de breuk weer. Analyseer ten slotte met behulp van beschrijvende statistieken en regressiemethoden de vervormingsenergie, stijfheid en verplaatsing.Micro-CT-beeldvorming en gelijktijdige mechanische tests maken het mogelijk om femurhalsfracturen te observeren. Een animatie toonde aan dat de heupkop geleidelijk mediaal draaide, terwijl hij distaal omhoog bewoog tot aan de breuk. De kromming van het hoofd werd afgevlakt onder de koker, waar lokale corticale instabiliteit, maar geen instabiliteit van het onderliggende trabeculaire volume, werd waargenomen.De breuk vangt aan door het buigen van de cortex, ofwel voortschrijdend langs de belangrijkste compressieve trabeculaire groep, ofwel door afschuiving op ongeveer 45 graden van de hoofdprincipe compressieve, trabeculaire as. De rek overtrof de botopbrengst, zodra de vier 50% van de verwachte fractuurbelasting slaagden, en bereikten acht tot 16% compressie vóór de fractuur. Permanente vervorming werd waargenomen in het hoofdgebied onder piekcompressie.Falen trad op onder een complexe rektoestand, die compressie, spanning en schuifspanning vertoont. De vervormingsenergie was een lineaire functie van de verplaatsing tot aan de breuk, wat een stabiel breukgedrag vertoonde. Een cruciaal aspect voor het repliceren van het protocol is het verkrijgen van de toename van de belastingsstap, wat belangrijk is voor het beheersen van het aantal belastingsstappen dat nodig is om een breuk te veroorzaken en voor de planning van het experiment.Het verkrijgen van beelden van goede kwaliteit is ook belangrijk voor een zinvolle analyse van de gegevens. De overtuiging dat elastische instabiliteit de sterke toename van fractuurincidenten boven de 60 jaar vereist, concentreerde het onderzoek naar fragiliteitspreventie op corticale dikte. Het elastisch stabiele fractuurgedrag dat door dit protocol wordt aangetoond, in licht osteoporotische botten, verschuift de huidige focus naar corticale en trabeculaire interacties.Deze procedure kan doordachte modellen van botmechanica bevorderen, de diagnose van kwetsbaarheid en het ontwerp van implanteerbare apparaten informeren.

Research

JoVE Journal

Engineering

Spatial Separation of Molecular Conformers and Clusters

Ruimtelijke scheiding van moleculaire conformers en clusters

Gas-phase molecular physics and physical chemistry experiments commonly use supersonic expansions through pulsed valves for the production of cold ...

Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

Snelle beeldvormende techniek om te studeren Drop Impact Dynamiek van niet-Newtoniaanse vloeistoffen

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for ...

Ambient Method for the Production of an Ionically Gated Carbon Nanotube Common Cathode in Tandem Organic Solar Cells

Ambient Methode voor de productie van een ionisch Gated koolstof nanobuis Common Cathode in Tandem organische zonnecellen

A method of fabricating organic photovoltaic (OPV) tandems that requires no vacuum processing is presented. These devices are comprised of two ...

In Situ Time-dependent Dielectric Breakdown in the Transmission Electron Microscope: A Possibility to Understand the Failure Mechanism in Microelectronic Devices

In Situ Time-dependent Dielectric Breakdown in the Transmission Electron Microscope: A Possibility to Understand the Failure Mechanism in Microelectronic Devices

In Situ Tijdafhankelijk Diëlektrische Breakdown in de Transmission Electron Microscope: een mogelijkheid om het faalmechanisme in Microelectronic Devices Begrijp

The time-dependent dielectric breakdown (TDDB) in on-chip interconnect stacks is one of the most critical failure mechanisms for microelectronic devices. ...

Electron Channeling Contrast Imaging for Rapid III-V Heteroepitaxial Characterization

Electron Channeling Contrast Imaging voor Rapid III-V hetero karakterisatie

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging ...

Quantification of Hydrogen Concentrations in Surface and Interface Layers and Bulk Materials through Depth Profiling with Nuclear Reaction Analysis

Kwantificering van waterstof concentraties in Functionele Lagen en Bulk Materials door middel van diepte- met Nuclear Reaction Analysis

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and ...

Simulation of Human-induced Vibrations Based on the Characterized In-field Pedestrian Behavior

Simulatie van de mens veroorzaakte Trillingen Op basis van de kenmerk-veld Voetganger Behavior

For slender and lightweight structures, vibration serviceability is a matter of growing concern, often constituting the critical design requirement. With ...

In Vitro Culture of Epicardial Cells From Mouse Embryonic Heart

In Vitro Culture of Epicardial Cells From Mouse Embryonic Heart

In Vitro Cultuur van epicardiale cellen uit muis embryonale Heart

During embryogenesis, the epicardial contribution to coronary vasculature development has been very well established. Cells derived from the epicardium ...

Microfluidic Imaging Flow Cytometry by Asymmetric-detection Time-stretch Optical Microscopy (ATOM)

Microfluidic Imaging Flow Cytometry by Asymmetric-detection Time-stretch Optical Microscopy ATOM

Microfluïdische Imaging Flow Cytometry door Asymmetrische Deteksie Time-stretch Optische Microscopie (ATOM)

Scaling the number of measurable parameters, which allows for multidimensional data analysis and thus higher-confidence statistical results, has been the ...

Guidelines and Experience Using Imaging Biomarker Explorer (IBEX) for Radiomics

Guidelines and Experience Using Imaging Biomarker Explorer IBEX for Radiomics

Richtsnoeren en ervaring met behulp van Imaging Biomarker Explorer (IBEX) voor Radiomics

Imaging Biomarker Explorer (IBEX) is an open-source tool for medical imaging radiomics work. The purpose of this paper is to describe how to use IBEX's ...