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

Avustralya Araştırma Konseyi'nden (FT180100338; IC190100020) minnetle kabul edilir.

Protokol, bir vücut bağış programından alınan 12 femur örneği ile geliştirildi ve test edildi. Örnekler taze olarak elde edildi ve Flinders Üniversitesi Biyomekanik ve İmplant Laboratuvarı'nda (Tonsley, Güney Avustralya, Avustralya) -20 °C'de saklandı. Deney boyunca kemik nemi korundu. Bağışçılar Kafkasyalı kadınlardı (66-80 yaş). Flinders Üniversitesi Sosyal ve Davranışsal Araştırma Etik Kurulu'ndan (SBREC) etik izni alınmıştır (Proje # 6380).
1. Numune...

<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>

Mevcut protokol, kalça kırıklarının zaman geçen mikromekaniğinin ex vivo olarak üç boyutlu olarak incelenmesine izin vermektedir. İnsan uyluk kemiğinin proksimal yarısına ilerleyici bir deformasyon uygulayabilen ve reaksiyon kuvvetini ölçebilen bir radyosaydam (alüminyum) sıkıştırma aşaması özel olarak tasarlanmış, üretilmiş ve test edilmiştir. Bu protokolde, mikrometrik çözünürlükte progresif yükleme ile tüm proksimal femuru görüntüleyen geçici bir görüntü hacimleri diz...

Femur boynu kırıkları yaşlanan nüfus için büyük bir yüktür. Mikro-bilgisayarlı tomografi (mikro-BT) görüntüleme ve eşlik eden mekanik testler, kemik mikro yapısının gözlemlenmesine ve kemik gücü, yaşa bağlı değişiklikler ve yük altındaki yer değiştirmelerle ilişkisinin incelenmesine olanak tanır 1,2. Bununla birlikte, yakın zamana kadar, yük altındaki kemiğin mikro-BT çalışmaları, eksize edilmiş kemik çekirdekleri3, küçük hayvanlar4 ve insan omurga üniteleri5 ile sınırlıydı. Mevcut protokol, tüm proksimal insan femurunun mikroyapısının yük altında ve bir kırıktan sonra yer değiştirmesini ölçebilir.
İnsan uyluk kemiğinin başarısızlığını araştırmak için çeşitli çalışmalar yapılmıştır ve bunlar zaman zaman zıt sonuçlara ulaşmıştır. Örneğin, kortikal ve trabeküler yapıların yaşa bağlı incelmesinin, kemiğin elastik instabilitesine neden olarak yaşa bağlı kırılmaya yatkınlığı belirlediği düşünülmektedir6,7, bu da elastik instabilite olmadığı varsayılarak kortikal gerilme ve femoral kuvvet tahminlerinin yüksek katsayısı ile bariz bir tezat oluşturmaktadır (R2 = 0.80-0.97)8,9. Bununla birlikte, bu tür çalışmalar femur kuvvetini sistematik olarak hafife almıştır (%21-29 oranında), bu nedenle modellerde uygulanan kırılgan ve yarı kırılgan kemik tepkilerini sorgulamaktadır 8,10. Görünüşte zıt olan bu bulgular için olası bir açıklama, izole kemik çekirdeklerine kıyasla tüm kemiklerin farklı bir kırılma davranışında bulunabilir. Bu nedenle, tüm proksimal femurlarda kemik mikroyapısının deformasyon ve kırık yanıtlarını gözlemlemek, kalça kırığı mekaniği ve ilgili uygulamalar hakkında bilgi sahibi olmayı ilerletebilir.
Tüm insan kemiklerini mikrometrik çözünürlükte görüntülemek için mevcut yöntemler sınırlıdır. Portal ve dedektör boyutu, insan proksimal uyluk kemiğini barındırmak için uygun bir çalışma hacmi (yaklaşık 13 cm x 10 cm, genişlik x uzunluk) ve ilgili mikro mimari özelliklerin yakalanabilmesini sağlamak için muhtemelen 0,02-0,03 mm mertebesinde bir piksel boyutu sağlamalıdır11. Bu spesifikasyonlar şu anda bazı senkrotron tesisleri1 ve ticari olarak temin edilebilen bazı büyük hacimli mikro-BT tarayıcıları12,13 tarafından karşılanabilir. Sıkıştırma aşaması, insan uyluk kemiğinde bir kırılmaya neden olmak için yeterli bir kuvvet üretirken X-ışını zayıflamasını en aza indirmek için radyo-şeffaf olmalıdır (örneğin, yaşlı beyaz kadınlar için 0,9 kN ile 14,3 kN arasında)14. Bu büyük kırılma yükü değişimi, kırılmaya yönelik yük adımlarının sayısının, genel deney süresinin ve üretilen karşılık gelen veri miktarının planlanmasını zorlaştırır. Bu sorunu çözmek için, kırık yükü ve yeri, klinik bilgisayarlı tomografi (BT) görüntülerinden alınan numunenin kemik yoğunluğu dağılımı kullanılarak sonlu elemanlar modellemesi yoluyla tahmin edilebilir 1,2. Son olarak, deneyden sonra, tüm insan uyluk kemiğindeki başarısızlık mekanizmalarını ve enerji yayma kapasitesini incelemek için üretilen büyük miktarda verinin işlenmesi gerekir.
Burada, femur boynunun klinik olarak anlamlı kırıklarına neden olan, giderek artan deformasyon altında tüm proksimal femurun üç boyutlu mikroyapısal görüntülerinin bir dizisini elde etmek için bir protokol açıklıyoruz2. Protokol, numune sıkıştırmanın kademeli olarak artırılmasının planlanmasını, özel bir radyo-şeffaf sıkıştırma aşaması aracılığıyla yüklenmeyi, büyük hacimli bir mikro-CT tarayıcı aracılığıyla görüntülemeyi ve görüntülerin ve yük profillerinin işlenmesini içerir.

<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

Giderek artan yükler altında kemik mikroyapısının görüntülenmesi, kemiğin mikroyapısal bozulma davranışının gözlemlenmesini sağlar. Burada, femur boynunun klinik olarak anlamlı kırıklarına neden olan, giderek artan deformasyon altında tüm proksimal femurun üç boyutlu mikroyapısal görüntülerinin bir dizisini elde etmek için bir protokol açıklıyoruz. Protokol, popülasyondaki kemik mineral yoğunluğunun alt ucunda 66-80 yaş arası kadın donörlerden alınan dört femora kullanılarak gösterilmiştir (T-skoru aralığı = −2.09 ila −4.75). Mikro-bilgisayarlı tomografi (mikro-BT) görüntüleme sırasında uygulanan yükü kaydederken, tek bacaklı bir duruşu taklit eden örneklerin yüklenmesi için radyo-şeffaf bir sıkıştırma aşaması tasarlanmıştır. Görüş alanı 146 mm genişliğinde ve 132 mm yüksekliğindeydi ve izotropik piksel boyutu 0,03 mm idi. Kuvvet artışı, kırılma yükünün sonlu eleman tahminlerine dayanıyordu. Sıkıştırma aşaması, yer değiştirmeyi numuneye uygulamak ve öngörülen kuvvet artışlarını yürürlüğe koymak için kullanıldı. Femur boynunun açılması ve kesilmesine bağlı alt sermaye kırıkları dört ila beş yük artışından sonra meydana geldi. Mikro-BT görüntüleri ve reaksiyon kuvveti ölçümleri, kemik gerilmesini ve enerji absorpsiyon kapasitesini incelemek için işlendi. Erken yükleme adımlarında korteksin kararsızlığı ortaya çıktı. Femur başındaki subkondral kemik, kırık öncesi% 16'ya ulaşan büyük deformasyonlar ve kırık kadar destek kapasitesinde ilerleyici bir artış gösterdi. Deformasyon enerjisi, kırılmaya kadar yer değiştirme ile doğrusal olarak artarken, rijitlik kırılmadan hemen önce sıfıra yakın değerlere düşmüştür. Kırılma enerjisinin dörtte üçü, son %25'lik kuvvet artışı sırasında numune tarafından alındı. Sonuç olarak, geliştirilen protokol, ileri bir donör yaşında kayda değer bir enerji emme kapasitesi veya hasar toleransı ve kortikal ve trabeküler kemik arasında sinerjik bir etkileşim ortaya çıkardı.

Görüntüler tüm proksimal femuru, basınç soketini, diş çimentosunu, alüminyum kabı ve sarma dokusunu gösterir. Kırık öncesi ve kırık sonrası yük arttıkça kemik mikro mimarisinin giderek deforme olduğu görülebilir (Şekil 4).
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64947/64947fig04.jpg"> Şekil 4: Dizüstü bilgisayara bağlı sıkıştırma<...

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

Protokol, büyük hacimli mikro-BT taraması, özel yapım bir sıkıştırma aşaması ve gelişmiş görüntü işleme araçlarını birleştirerek tüm proksimal insan femurundaki kemik mikro yapısının deformasyonunun ve tokluğunun ölçülmesini sağlar.

İnsan Kalçasındaki Mikroyapısal Başarısızlık Mekanizmasının Görüntülenmesi

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

Bu protokol, yük ve kırılma altında deforme olurken tüm insan uyluk kemiğinin mikro yapısının gözlemlenmesini sağlar. Bu protokol, tüm uyluk kemiğini mikroyapısal çözünürlükle görüntüleyerek, kemiğin farklı trabeküler kortikal bölmesinin yüke dayanma kapasitesini sinerjik olarak nasıl belirlediğini incelemeyi mümkün kılar. Kemik kırığı mekanizmasını daha iyi anlamak, osteoporoz için ileri tanı yöntemlerini bilgilendirebilir.Bu protokol Avustralya Synchrotron'da geliştirilmiş, üniversitede ticari, büyük hacimli bir mikro-BT tarayıcısında kullanılmak üzere uyarlanmış ve diz ve omuz dahil olmak üzere farklı anatomik bölgeleri incelemek için uygulanmıştır. Prensip olarak, tüm insan kemiklerine ve eklemlerine benzer büyüklükteki malzemelere genişletilebilir. Bu çalışma, görüntüleme, katı mekaniği ve biyomekanikte hesaplamalı modelleme dahil olmak üzere çeşitli disiplinlerde uzmanlık gerektirmektedir.Başlamak için, bir klinik BT tarayıcısı kullanarak, femur örneğini bir dilim kalınlığı ve yaklaşık 0,5 ila 0,7 milimetre düzlem içi piksel boyutu ile tarayın. Numunenin yanı sıra, bilinen beş konsantrasyonda boya potasyum hidrojen fosfat içeren bir CT dansitometri kalibrasyon fantomunu tarayın. Daha sonra, klinik BT görüntülerinden kemik geometrisini bölümlere ayırın, görüntülerdeki gri seviyeleri karşılık gelen kemik yoğunluğu değerlerine ve yoğunluk-elastik modül ilişkisini kullanarak Young modülüne kalibre edin.Parçalı geometrinin bir ağını oluşturduktan sonra, ağı sonlu elemanlar yazılımına aktarın. Modelin distal ucu, üç ila altı milimetre derinliğinde tamamen kısıtlanmış, daha sonra koronal düzlemde femur şaft ekseninden sekiz derece kaçırılan ve femur başının merkezinden geçen 1000 Newton'luk bir nominal kuvvet uygulayarak tek bacaklı bir duruş yükleme konfigürasyonunu çoğaltır. Yerleşik PCG çözücüyü kullanarak sonlu elemanlar modelini çözün.Ardından, belirtilen komutları yürüterek, elemanın merkezinde birinci ve üçüncü prensip gerinim bileşenlerini içeren bir eleman tablosu oluşturun. Ardından, modeldeki birinci ve üçüncü temel gerinim bileşenleri ile kemik verim gerilimi, niyet ve sıkıştırma arasındaki gerinim oranını hesaplamak için belirtilen komutu yürütün. Nominal kuvveti en yüksek gerinim oranına, niyete ve sıkıştırmaya göre ölçeklendirin ve kırılma yükünü tahmin etmek için ikisinin en büyüğünü atın.Numune referans yüksüz durumdayken mikro-CT rotasyon aşamasına bir test donanımı yerleştirin ve mikro-CT taramasını başlatın. Yüksüz durum için görüntülemeyi iki kez tekrarlayın ve taramadan sonra kabloyu açın. Vidalı kriko mekanizmasını tur başına yaklaşık bir saniyelik sabit bir hızda manuel olarak çalıştırarak kuvvet artışını uygulayın ve mikro-CT görüntülemeyi gerçekleştirin.Reaksiyon kuvvetinde ani bir düşüşle gösterildiği gibi, numune kırılana kadar kuvvet artışını tekrarlayın. Kırık numunenin mikro-BT görüntülemesini gerçekleştirin. Ardından, projeksiyon görüntülerinin sırasını çeşitli yükleme adımlarında görselleştirin.Hesaplama süresini azaltmak için mikro-CT görüntülerini dörde bölün. Uzayda, yük altındaki numunenin görüntülerini, yüksüz referans durumundakilerle, distal diyafizi ortak kaydın hedefi olarak kullanarak katı bir şekilde birlikte kaydedin. Mikro-CT görüntülerini ikilileştirdikten sonra görselleştirme için yüzey üç boyutlu modeller oluşturun.Kemik DVC'yi kullanarak 50 piksel boyutunda bir ızgara üzerinde görüntülerdeki yer değiştirmeyi belirleyin. Ardından, ızgarayı bir sonlu eleman modeline dönüştürerek gerinim tensörünü belirleyin. Hesaplanan yer değiştirmeyi düğümlere uygulayın ve modeli çözün.Daha sonra, Mac-Lab'deki inter P three işleviyle kübik enterpolasyon kullanarak, yer değiştirme ve gerinim hacimlerini mikro-CT görüntülerinin orijinal boyutunun boyutuna uyacak şekilde yeniden örnekleyin. Büyük hacimli görselleştirme ve animasyon için yer değiştirmeleri, gerinimleri ve mikroyapısal görüntüleri görselleştirin. Kemik deformasyon analizi için, yüksüz koşullarda ve kırık sonrasında elde edilen görüntüleri üst üste bindirerek kemiğin kalıcı deformasyonunu görüntüleyin.Ardından, üç boyutlu modelleri yüksüz koşullarda, artan yük seviyelerinde ve kırılma sonrası üst üste bindirerek kemiğin ilerleyici mikro yapısal deformasyonunu görüntüleyin. Kırık yerinde kemiğin gerginliğini görüntüleyin. Son olarak, tanımlayıcı istatistikler ve regresyon yöntemlerini kullanarak deformasyon enerjisini, sertliğini ve yer değiştirmeyi analiz edin.Mikro-BT görüntüleme ve eşlik eden mekanik testler femur boynu kırıklarının gözlenmesine olanak sağlar. Bir animasyon, femur başının distal olarak kırığa doğru hareket ederken aşamalı olarak medial olarak döndüğünü gösterdi. Soketin altında baş eğriliği düzleşti, burada lokal kortikal instabilite gözlendi, ancak altta yatan trabeküler hacimde instabilite gözlenmedi.Kırılma başlangıcı, korteksin bükülmesiyle, ya ana basınç trabeküler grubu boyunca ilerleyerek ya da ana prensip sıkıştırıcı, trabeküler eksenden yaklaşık 45 derece kesme ile meydana gelir. Dördü beklenen kırık yükünün %50'sini başardıktan sonra gerinim kemik verimini aştı ve kırılmadan önce sekiz ila %16 kompresyona ulaştı. Pik bası altında baş bölgesinde kalıcı deformasyon gözlendi.Arıza, sıkıştırma, çekme ve kesme gerilimi gösteren karmaşık bir gerinim durumu altında meydana geldi. Deformasyon enerjisi, kırılmaya kadar yer değiştirmenin doğrusal bir fonksiyonuydu ve kararlı bir kırılma davranışı gösteriyordu. Protokolün çoğaltılması için kritik bir husus, yer değiştirmeye ve deneyin planlanmasına neden olmak için gereken yük adımlarının sayısını kontrol etmek için önemli olan yük adımı artışını elde etmektir.Verilerin anlamlı bir şekilde analiz edilmesi için kaliteli görüntüler elde etmek de önemlidir. 60 yaşın üzerindeki kırık olaylarının keskin bir şekilde artmasını gerektiren elastik instabilite inancı, kırılganlığın önlenmesine yönelik araştırmaların kortikal kalınlığa odaklanmıştır. Bu protokol tarafından hafif osteoporotik kemiklerde gösterilen elastik olarak stabil kırık davranışı, mevcut odağı kortikal ve trabeküler etkileşimlere kaydırır.Bu prosedür, kemik mekaniğinin dikkate değer modellerini geliştirebilir, kırılganlık teşhisini ve implante edilebilir cihazların tasarımını bilgilendirebilir.

Research

JoVE Journal

Engineering

Spatial Separation of Molecular Conformers and Clusters

Moleküler Konformatörlerin ve Kümelerin Mekansal Ayrımı

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

Mühendislik

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

Non-Newtonian Akışkanlar Bırak Etkisi Dynamics Eğitim Hızlı Görüntüleme Tekniği

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

Tandem Organik Güneş Pilleri bir iyonik Geçitli Karbon Nanotüp Ortak Katot Üretimi için ortam Yöntemi

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

Transmisyon Elektron Mikroskobu Situ Zamana bağlı Dielektrik Dağılımı In: Bir imkanı Mikroelektronik aygıtlar Başarısızlık Mekanizması Anlayın

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

Rapid III-V Heteroepitaxial Karakterizasyonu için Elektron Channeling Kontrast Görüntüleme

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

Nükleer Reaksiyon Analizi Derinlik Profiling yoluyla Yüzey ve Arayüz Katmanlar ve Dökme Malzeme Hidrojen Konsantrasyonları miktar tayini

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

Characterized In-sahada Yaya Davranışı geçerli İnsan kaynaklı Titreşimlerin Simülasyonu

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

Fare Embriyonik From The Heart Epikardiyal Hücrelerinin Vitro Kültür

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

Asimetrik Algılama Zaman-Streçi Optik Mikroskopi (ATOM) ile Mikroakışkan Görüntüleme Akış Sitometresi

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

Yönergeler ve biyomarker Explorer (IBEX) görüntüleme için Radiomics kullanarak deneyimi

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 ...