הדמיה של מנגנון הכשל המיקרו-מבני בירך האדם

פרוטוקול זה מאפשר התבוננות במיקרו-מבנה של עצם הירך האנושית כולה כשהיא מתעוותת תחת עומס ושבר. על ידי הדמיה של עצם הירך כולה ברזולוציה מיקרו-מבנית, פרוטוקול זה מאפשר ללמוד כיצד התא הטרבקולרי הטרבקולרי השונה של העצם, קובע באופן סינרגי את יכולתו לעמוד בעומס. קידום הבנתנו את מנגנון השבר בעצם יכול לסייע בשיטות אבחון מתקדמות לאוסטאופורוזיס.

פרוטוקול זה פותח בסינכרוטרון האוסטרלי, מותאם לשימוש בסורק מיקרו-CT מסחרי בנפח גדול באוניברסיטה ויושם לחקר אזורים אנטומיים שונים, כולל הברך והכתף. באופן עקרוני, ניתן להרחיב אותו לחומרים בגודל דומה לעצמות ומפרקים אנושיים שלמים. מחקר זה דורש מומחיות במספר דיסציפלינות, כולל דימות, מכניקת מוצקים ומידול חישובי בביומכניקה.

כדי להתחיל, באמצעות סורק CT קליני, סרוק את דגימת עצם הירך עם עובי פרוסה וגודל פיקסל במישור של כ 0.5 עד 0.7 מילימטרים. לצד הדגימה, סרוק פנטום כיול CT צפוף, עם חמישה ריכוזים ידועים של צבע אשלגן מימן פוספט. לאחר מכן, פלחו את גיאומטריית העצם מתמונות ה-CT הקליניות, כיילו את רמות האפור בתמונות לערכי צפיפות העצם המתאימים, ואת המודולוס של יאנג, תוך שימוש ביחס צפיפות למודולוס אלסטי.

לאחר יצירת רשת שינוי של הגיאומטריה המקוטעת, ייבאו את רשת השינוי לתוכנת הרכיבים הסופיים. מוגבל לחלוטין בעומק של שלושה עד שישה מילימטרים, הקצה הדיסטלי של הדגם, ואז משכפל תצורת העמסה של רגל אחת על ידי הפעלת כוח נומינלי של 1000 ניוטון, שנחטף בשמונה מעלות מציר פיר הירך במישור העטרה ועובר דרך מרכז ראש הירך. פתור את מודל האלמנטים הסופיים באמצעות פותר PCG המובנה.

לאחר מכן, על ידי ביצוע הפקודות שצוינו, צור טבלת רכיבים המכילה את רכיבי הזן הראשון והשלישי במרכז האלמנט. לאחר מכן, בצע את הפקודה שצוינה כדי לחשב את יחס המאמץ בין מרכיבי הזן העיקרון הראשון והשלישי במודל לבין זן תפוקת העצם, הכוונה והדחיסה. שנה את הכוח הנומינלי לפי יחס המאמץ השיא, הכוונה והדחיסה, והשלך את הגדול מבין השניים כדי להעריך את עומס השבר.

מקם מתקן בדיקה על שלב סיבוב המיקרו-CT עם הדגימה במצב פריקת הייחוס והתחל את סריקת המיקרו-CT. חזור על ההדמיה פעמיים עבור מצב הפריקה ושחרר את הכבל לאחר הסריקה. הפעל את תוספת הכוח על ידי הפעלה ידנית של מנגנון שקע הבורג בקצב קבוע של כשניה אחת לכל סיבוב, ובצע את הדמיית המיקרו-CT.

חזור על תוספת הכוח עד שהדגימה נשברת, כפי שמצוין על ידי ירידה פתאומית בכוח התגובה. בצע הדמיית מיקרו-CT של הדגימה השבורה. לאחר מכן דמיינו את רצף תמונות ההקרנה בשלבי טעינה שונים.

דגימת משנה של תמונות מיקרו-CT בארבע, כדי לקצר את זמן החישוב. רישום משותף נוקשה, בחלל, את התמונות של הדגימה תחת עומס, עם אלה במצב הייחוס הפריקה, תוך שימוש בדיאפיזה הדיסטלית כיעד לרישום המשותף. צור מודלים תלת מימדיים של פני השטח להדמיה לאחר בינאריזציה של תמונות המיקרו-CT.

קבעו את התזוזה בתמונות על פני רשת בגודל 50 פיקסלים, באמצעות DVC עצם. לאחר מכן קבע את טנזור המאמץ, על ידי המרת הרשת למודל אלמנטים סופיים. החל את התזוזה המחושבת בצמתים ופתור את המודל.

לאחר מכן, באמצעות אינטרפולציה מעוקבת, עם פונקציית inter P שלוש ב- Mac-Lab, דגום מחדש את נפחי התזוזה והמאמץ כדי להתאים לגודל המקורי של תמונות מיקרו-CT. הצג תמונות חזותיות של תזוזות, מתח ומיקרו-מבניות לצורך תצוגה חזותית והנפשה בנפח גדול. לניתוח עיוות עצם, הצג את העיוות הקבוע של העצם על ידי כיסוי התמונות המתקבלות בתנאים פרוקים ולאחר השבר.

לאחר מכן הצג את העיוות המיקרו-מבני המתקדם של העצם על ידי כיסוי המודלים התלת-ממדיים בתנאים פרוקים, ברמות עומס הולכות וגדלות ולאחר שבר. הצג את המאמץ של העצם במיקום השבר. לבסוף, באמצעות סטטיסטיקה תיאורית ושיטות רגרסיה, לנתח את אנרגיית העיוות, הנוקשות, ואת התזוזה.

הדמיית מיקרו-CT ובדיקות מכניות נלוות מאפשרות צפייה בשברים בצוואר הירך. אנימציה הראתה כי ראש עצם הירך מסתובב בהדרגה מדיאלית, תוך כדי תנועה דיסטלית כלפי מעלה עד לשבר. עקמומיות הראש השתטחה מתחת לשקע, שם נצפתה אי יציבות מקומית בקליפת המוח, אך לא נצפתה אי יציבות של נפח הטרבקולר הבסיסי.

הופעת שבר מתרחשת על ידי כיפוף קליפת המוח, או התקדמות לאורך הקבוצה הטרבקולרית הדחוסה העיקרית, או על ידי גזירה בערך 45 מעלות מהציר הטרבקולרי העיקרי. המאמץ עלה על תפוקת העצם, לאחר שהארבעה הצליחו ב-50% מעומס השברים הצפוי, והגיעו לדחיסה של שמונה עד 16% לפני השבר. עיוות קבוע נצפה באזור הראש תחת דחיסת שיא.

הכשל התרחש במצב מאמץ מורכב, המראה דחיסה, מתח ומתח גזירה. אנרגיית העיוות הייתה פונקציה ליניארית של התזוזה עד לשבר, והראתה התנהגות שבר יציבה. היבט קריטי לשכפול הפרוטוקול הוא השגת תוספת שלב העומס, החשובה לשליטה במספר שלבי העומס הנדרשים כדי לגרום לשבר לתזוזה ותכנון הניסוי.

קבלת תמונות באיכות טובה חשובה גם לניתוח משמעותי של הנתונים. האמונה כי חוסר יציבות אלסטית הדורשת עלייה תלולה של אירועי שבר מעל גיל 60 מיקדה את המקרה של מחקר במניעת שבריריות על עובי קליפת המוח. התנהגות השבר היציבה מבחינה אלסטית המודגמת על ידי פרוטוקול זה, בעצמות אוסטיאופורוטיות קלות, מעבירה את המוקד הנוכחי לאינטראקציות קליפת המוח והטרבקולריות.

הליך זה יכול לקדם מודלים מתחשבים של מכניקת העצם, ליידע את האבחנה של שבריריות ואת העיצוב של מכשירים מושתלים.