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

Finansiering från Australian Research Council (FT180100338; IC190100020) tas tacksamt emot.

Protokollet utvecklades och testades med 12 lårbensprover som erhållits från ett kroppsdonationsprogram. Proverna erhölls färska och förvarades vid −20 °C vid Biomechanics and Implants Laboratory vid Flinders University (Tonsley, South Australia, Australien). Benfuktigheten bibehölls under hela experimentet. Donatorerna var kaukasiska kvinnor (66-80 år). Etiskt godkännande erhölls från Social and Behavioural Research Ethics Committee (SBREC) vid Flinders University (Project # 6380).
<p class="jove_title...

<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>

Det nuvarande protokollet gör det möjligt att studera den tidsförflutna mikromekaniken för höftfrakturer i tre dimensioner ex vivo. Ett radiotransparent (aluminium) trycksteg som kan applicera en progressiv deformation på den proximala halvan av det mänskliga lårbenet och mäta reaktionskraften har skräddarsytts, tillverkats och testats. En mikro-CT-skanner med stor volym används i detta protokoll för att ge en tidssekvens av bildvolymer som visar hela det proximala lårbenet med progressiv belastning...

Frakturer i lårbenshalsen är en stor börda för den åldrande befolkningen. Mikrodatortomografi (mikro-CT) och samtidig mekanisk testning gör det möjligt att observera benets mikrostruktur och studera dess förhållande till benstyrka, dess åldersrelaterade förändringar och förskjutningar under belastning 1,2. Fram till nyligen var dock mikro-CT-studier av ben under belastning begränsade till utskurna benkärnor3, små djur4 och mänskliga ryggradsenheter5. Det nuvarande protokollet kan kvantifiera förskjutningen av mikrostrukturen i hela det proximala mänskliga lårbenet under belastning och efter en fraktur.
Flera studier har genomförts för att undersöka det mänskliga lårbenets svikt, och ibland har dessa kommit fram till kontrasterande slutsatser. Till exempel tros den åldersrelaterade förtunningen av de kortikala och trabekulära strukturerna bestämma den åldersrelaterade känsligheten för frakturer genom att orsaka elastisk instabilitet i benet6,7, vilket står i uppenbar kontrast till den höga bestämningskoefficienten för kortikal töjning och förutsägelser av lårbensstyrka som inte antar någon elastisk instabilitet (R2 = 0,80-0,97)8,9. Ändå har sådana studier systematiskt underskattat lårbensstyrkan (med 21%-29%), vilket ifrågasätter de sköra och kvasisköra bensvaren som implementerats i modellerna 8,10. En möjlig förklaring till dessa till synes kontrasterande fynd kan ligga i ett annat frakturbeteende hos hela ben jämfört med isolerade benkärnor. Att observera deformations- och frakturresponsen hos benmikrostrukturen i hela proximala lårben kan därför öka kunskapen om höftfrakturmekanik och relaterade tillämpningar.
Nuvarande metoder för att avbilda hela mänskliga ben med mikrometrisk upplösning är begränsade. Portalen och detektorns storlek måste ha en lämplig arbetsvolym för att hysa det mänskliga proximala lårbenet (cirka 13 cm x 10 cm, bredd x längd) och eventuellt en pixelstorlek i storleksordningen 0,02–0,03 mm för att säkerställa att relevanta mikroarkitektoniska särdrag kan fångas11. Dessa specifikationer kan för närvarande uppfyllas av vissa synkrotronljusanläggningar1 och vissa kommersiellt tillgängliga mikro-CT-skannrar med stora volymer12,13. Kompressionssteget måste vara radiotransparent för att minimera röntgendämpning samtidigt som det genererar en kraft som är tillräcklig för att orsaka en fraktur på det mänskliga lårbenet (t.ex. mellan 0,9 kN och 14,3 kN för äldre vita kvinnor)14. Denna stora variation i brottbelastningen komplicerar planeringen av antalet belastningssteg till brott, den totala experimenttiden och motsvarande mängd data som produceras. För att lösa detta problem kan frakturbelastningen och platsen uppskattas via finita elementmodellering genom att använda bentäthetsfördelningen för provet från kliniska datortomografibilder (CT) 1,2. Slutligen, efter experimentet, måste den stora mängden data som genereras bearbetas för att studera felmekanismerna och energiförlustkapaciteten i hela det mänskliga lårbenet.
Här beskriver vi ett protokoll för att erhålla en sekvens av tredimensionella mikrostrukturella bilder av hela det proximala lårbenet under progressivt ökande deformation, vilket orsakar kliniskt relevanta frakturer i lårbenshalsen2. Protokollet inkluderar planering av den stegvisa ökningen av provkompressionen, laddning via ett anpassat radiotransparent kompressionssteg, avbildning via en mikro-CT-skanner med stor volym och bearbetning av bilderna och belastningsprofilerna.

<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

Avbildning av benets mikrostruktur under progressivt ökande belastningar gör det möjligt att observera benets mikrostrukturella felbeteende. Här beskriver vi ett protokoll för att erhålla en sekvens av tredimensionella mikrostrukturella bilder av hela det proximala lårbenet under progressivt ökande deformation, vilket orsakar kliniskt relevanta frakturer i lårbenshalsen. Protokollet demonstreras med hjälp av fyra femora från kvinnliga donatorer i åldern 66-80 år i den nedre delen av bentätheten i populationen (T-poängintervall = −2,09 till −4,75). Ett radiotransparent kompressionssteg utformades för att ladda proverna som replikerade en enbensställning, samtidigt som den applicerade belastningen registrerades under mikrodatortomografi (mikro-CT). Synfältet var 146 mm brett och 132 mm högt, och den isotropa pixelstorleken var 0,03 mm. Kraftökningen baserades på finita elementförutsägelser av brottbelastningen. Trycksteget användes för att applicera förskjutningen på provet och anta de föreskrivna kraftökningarna. Frakturer under huvudstaden på grund av öppning och skjuvning av lårbenshalsen inträffade efter fyra till fem belastningsökningar. Mikro-CT-bilderna och reaktionskraftmätningarna bearbetades för att studera benbelastningen och energiupptagningsförmågan. Instabilitet i cortex uppträdde vid de tidiga laddningsstegen. Det subkondrala benet i lårbenshuvudet uppvisade stora deformationer som nådde 16 % före fraktur, och en progressiv ökning av stödkapaciteten fram till fraktur. Deformationsenergin ökade linjärt med förskjutningen fram till brott, medan styvheten minskade till nära nollvärden omedelbart före brott. Tre fjärdedelar av brottenergin togs av provet under den sista 25-procentiga kraftökningen. Sammanfattningsvis avslöjade det utvecklade protokollet en anmärkningsvärd energiabsorptionsförmåga, eller skadetolerans, och en synergisk interaktion mellan det kortikala och trabekulära benet vid en avancerad donatorålder.

Bilderna visar hela det proximala lårbenet, tryckhylsan, tandcementet, aluminiumkoppen och omslagsservetten. Benets mikroarkitektur kan ses gradvis deformeras när belastningen ökar före frakturen och efter frakturen (figur 4).
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64947/64947fig04.jpg"> Figur 4: Trycksteget som är anslutet till den bärbara datorn...

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

Protokollet gör det möjligt att mäta deformationen av benmikrostrukturen i hela det proximala mänskliga lårbenet och dess seghet genom att kombinera mikro-CT-skanning med stora volymer, ett skräddarsytt kompressionssteg och avancerade bildbehandlingsverktyg.

Avbildning av den mikrostrukturella felmekanismen i den mänskliga höften

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

Detta protokoll gör det möjligt att observera mikrostrukturen i hela det mänskliga lårbenet när det deformeras under belastning och fraktur. Genom att avbilda hela lårbenet med mikrostrukturell upplösning gör detta protokoll det möjligt att studera hur de olika trabekulära kortikala delarna av benet synergiskt bestämmer dess förmåga att motstå belastningen. Att öka vår förståelse för benfrakturmekanismen kan ligga till grund för avancerade diagnostiska metoder för osteoporos.Detta protokoll har utvecklats vid Australian Synchrotron, anpassats för användning i en kommersiell mikro-CT-skanner med stor volym vid universitetet och tillämpats för att studera olika anatomiska regioner, inklusive knä och axel. I princip kan det utvidgas till material av liknande storlek som hela mänskliga ben och leder. Denna studie kräver expertis inom flera discipliner, inklusive avbildning, hållfasthetslära och beräkningsmodellering inom biomekanik.Till att börja med, med hjälp av en klinisk CT-skanner, skanna lårbensprovet med en skivtjocklek och en pixelstorlek i planet på cirka 0,5 till 0,7 millimeter. Skanna tillsammans med provet ett CT-densitometrikalibreringsfantom, med fem kända koncentrationer av färgämneskaliumvätefosfat. Segmentera sedan bengeometrin från de kliniska CT-bilderna, kalibrera grånivåerna i bilderna till motsvarande bentäthetsvärden och Youngs modul, med hjälp av förhållandet mellan densitet och elastisk modul.När du har skapat ett nät med den segmenterade geometrin importerar du nätet till programvaran för finita element. Helt begränsad tre till sex millimeter djup, den distala änden av modellen, replikerar sedan en enbensbelastningskonfiguration genom att applicera en nominell kraft på 1000 Newton, bortförd med åtta grader från lårbensaxeln i koronaplanet och passerar genom mitten av lårbenshuvudet. Lös finita elementmodellen med hjälp av den inbyggda PCG-lösaren.Generera sedan en elementtabell som innehåller de första och tredje principstamkomponenterna vid elementets centroid, genom att utföra de angivna kommandona. Utför sedan det angivna kommandot för att beräkna töjningsförhållandet mellan de första och tredje principtöjningskomponenterna i modellen och benutbytet, töjning, avsikt och kompression. Skala den nominella kraften med topptöjningsförhållandet, avsikten och kompressionen, och kassera den största av de två för att uppskatta brottbelastningen.Placera en testrigg på mikro-CT-rotationssteget med provet i referensobelastat tillstånd och starta mikro-CT-skanningen. Upprepa avbildningen två gånger för det obelastade tillståndet och linda av kabeln efter skanning. Applicera kraftökningen genom att manuellt aktivera domkraftsmekanismen med en konstant hastighet av cirka en sekund per omgång och utför mikro-CT-avbildningen.Upprepa kraftökningen tills provet spricker, vilket indikeras av en plötslig minskning av reaktionskraften. Utför mikro-CT-avbildning av det frakturerade provet. Visualisera sedan sekvensen av projektionsbilder vid olika laddningssteg.Subsampla mikro-CT-bilderna med fyra för att minska beräkningstiden. Registrera bilderna av provet under belastning i rymden med bilderna i det obelastade referenstillståndet, med den distala diafysen som mål för samregistreringen. Skapa tredimensionella modeller för visualisering efter binärisering av mikro-CT-bilderna.Bestäm förskjutningen i bilderna över ett rutnät som är 50 pixlar stort med hjälp av ben-DVC. Bestäm sedan töjningstensorn genom att konvertera rutnätet till en finita elementmodell. Tillämpa den beräknade förskjutningen vid noderna och lös modellen.Därefter, med hjälp av kubisk interpolation, med inter P tre-funktionen i Mac-Lab, sampla om förskjutnings- och töjningsvolymerna för att matcha storleken på den ursprungliga storleken på mikro-CT-bilder. Visualisera förskjutningar, töjningar och mikrostrukturella bilder för visualisering och animering av stora volymer. För bendeformationsanalys, visa den permanenta deformationen av benet genom att lägga över bilderna som erhållits under obelastade förhållanden och efter frakturen.Visa sedan den progressiva mikrostrukturella deformationen av benet genom att lägga över de tredimensionella modellerna under obelastade förhållanden, vid ökande belastningsnivåer och efter fraktur. Visa belastningen av benet på frakturplatsen. Slutligen, med hjälp av beskrivande statistik och regressionsmetoder, analysera deformationsenergin, styvheten och förskjutningen.Mikro-CT-avbildning och samtidiga mekaniska tester gör det möjligt att observera lårbenshalsfrakturer. En animation visade att lårbenshuvudet gradvis roterade medialt, samtidigt som det rörde sig distalt upp till fraktur. Huvudets krökning plattades ut under hylsan, där lokal kortikal instabilitet, men ingen instabilitet i den underliggande trabekulära volymen, observerades.Frakturdebut sker genom att cortex böjs, antingen genom att den huvudsakliga trycktrabekulära gruppen fortskrider, eller genom skjuvning vid cirka 45 grader från huvudprincipens tryckande, trabekulära axel. Belastningen översteg benutbytet, när de fyra lyckades med 50 % av den förväntade frakturbelastningen och nådde åtta till 16 % kompression före frakturen. Permanent deformation observerades i huvudregionen under toppkompression.Brottet inträffade under ett komplext töjningstillstånd, vilket visar kompression, spänning och skjuvtöjning. Deformationsenergin var en linjär funktion av förskjutningen fram till brottet, vilket visade ett stabilt brottbeteende. En kritisk aspekt för att replikera protokollet är att erhålla belastningsstegsökningen, vilket är viktigt för att kontrollera antalet belastningssteg som krävs för att orsaka en fraktur och planering av experimentet.Att få bilder av god kvalitet är också viktigt för en meningsfull analys av data. Tron att elastisk instabilitet som kräver en kraftig ökning av frakturincidenter över 60 års ålder fokuserade fallet med forskning om skörhetsprevention på kortikal tjocklek. Det elastiskt stabila frakturbeteendet som demonstreras av detta protokoll, i lätt osteoporotiska ben, flyttar det nuvarande fokuset till kortikala och trabekulära interaktioner.Denna procedur kan främja considerativa modeller av benmekanik, informera diagnosen av bräcklighet och utformningen av implanterbara enheter.

Research

JoVE Journal

Engineering

Spatial Separation of Molecular Conformers and Clusters

Rumslig separation av molekylära konformatorer och kluster

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

Snabb bildteknik för att studera Drop Impact Dynamics av ​​icke-newtonska vätskor

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

Omgivande Sätt för framställning av ett joniskt Gated Nanorör Common Cathode i Tandem organiska solceller

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 Tidsberoende dielektriska genombrottet i transmissionselektronmikroskop: En möjlighet att förstå mekanismen Fel i Microelectronic Devices

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 Kana Contrast Imaging för Rapid III-V heteroepitaxiell karakterisering

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

Kvantifiering av vätgaskoncentrationer i Surface och gränssnitts Lager och strömaterial genom djupprofilering med kärnreaktionen Analys

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

Simulering av människan orsakade vibrationer Baserat på kännetecknat av fältet Fotgängare Beteende

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-odling av epikardiella celler från mus embryonala hjärta

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

Mikrofluidisk Imaging Flödescytometri genom Asymmetrisk Detektering Tidssträckning Optisk Mikroskopi (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

Riktlinjer och erfarenhet av att använda Imaging biomarkör Explorer (IBEX) för 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 ...