Este protocolo permite a observação da microestrutura de todo o fêmur humano à medida que este se deforma sob carga e fratura. Através da obtenção de imagens de todo o fêmur com resolução microestrutural, este protocolo permite estudar como os diferentes compartimentos corticais trabeculares do osso determinam sinergicamente sua capacidade de suportar a carga. O avanço da compreensão do mecanismo de fratura óssea pode informar métodos diagnósticos avançados para osteoporose.
Este protocolo foi desenvolvido no Síncrotron Australiano, adaptado para uso em um microtomógrafo comercial de grande volume da Universidade e aplicado no estudo de diferentes regiões anatômicas, incluindo joelho e ombro. Em princípio, pode ser estendido a materiais de tamanho semelhante a ossos e articulações humanos inteiros. Este estudo requer conhecimentos em várias disciplinas, incluindo imagem, mecânica dos sólidos e modelagem computacional em biomecânica.
Para começar, usando um tomógrafo clínico, digitalize o espécime de fêmur com uma espessura de corte e um tamanho de pixel no plano de aproximadamente 0,5 a 0,7 milímetros. Juntamente com o espécime, digitalize um simulador de calibração de densitometria por TC, com cinco concentrações conhecidas de hidrogenofosfato de potássio corante. Em seguida, segmentar a geometria óssea a partir das imagens clínicas de TC, calibrar os níveis de cinza nas imagens para valores correspondentes de densidade óssea e módulo de elasticidade, usando a relação densidade com módulo elástico.
Depois de criar uma malha da geometria segmentada, importe a malha para o software de elementos finitos. Totalmente restrito de três a seis milímetros de profundidade, a extremidade distal do modelo, em seguida, replicar uma configuração de carga de apoio unipodal aplicando uma força nominal de 1000 Newton, abduzida em oito graus a partir do eixo da diáfise femoral no plano coronal e passando pelo centro da cabeça femoral. Resolva o modelo de elementos finitos usando o solver PCG integrado.
Em seguida, executando os comandos indicados, gere uma tabela de elementos contendo o primeiro e o terceiro componentes de deformação de princípio no centroide do elemento. Em seguida, execute o comando indicado para calcular a razão de deformação entre o primeiro e o terceiro componentes principais de deformação no modelo e o rendimento ósseo de deformação, intenção e compressão. Dimensionar a força nominal pela razão de pico de deformação, intenção e compressão, e descartar a maior das duas para estimar a carga de fratura.
Posicione um equipamento de teste no estágio de rotação da micro-TC com a amostra na condição de referência descarregada e inicie a micro-TC. Repita a geração de imagens duas vezes para a condição de descarga e desenrole o cabo após a digitalização. Aplicar o incremento de força acionando manualmente o mecanismo do macaco de parafuso a uma taxa constante de aproximadamente um segundo por rodada e realizar a micro-TC.
Repetir o incremento de força até que o espécime se frature, como indicado por uma queda brusca na força de reação. Realizar micro-TC do espécime fraturado. Em seguida, visualize a sequência de imagens de projeção em várias etapas de carga.
Subamostrar as imagens de micro-TC em quatro, para reduzir o tempo de computação. Co-registrar rigidamente, no espaço, as imagens do espécime sob carga, com aquelas na condição de referência descarregada, utilizando a diáfise distal como alvo do co-registro. Crie modelos tridimensionais de superfície para visualização após binarizar as imagens de micro-TC.
Determine o deslocamento nas imagens em uma grade de 50 pixels de tamanho, usando DVC ósseo. Em seguida, determine o tensor de deformação, convertendo a grade em um modelo de elementos finitos. Aplique o deslocamento calculado nos nós e resolva o modelo.
Em seguida, usando interpolação cúbica, com a função inter P três no Mac-Lab, reamostrar os volumes de deslocamento e deformação para corresponder ao tamanho do tamanho original das imagens de micro-TC. Visualize deslocamentos, deformações e imagens microestruturais para visualização e animação de grandes volumes. Para análise da deformação óssea, exibir a deformação permanente do osso sobrepondo as imagens obtidas em condições de descarga e após a fratura.
Em seguida, exibir a deformação microestrutural progressiva do osso sobrepondo os modelos tridimensionais em condições de descarga, em níveis crescentes de carga e pós-fratura. Exiba a tensão do osso no local da fratura. Finalmente, usando estatística descritiva e métodos de regressão, analise a energia de deformação, rigidez e deslocamento.
A microtomografia computadorizada e os exames mecânicos concomitantes permitem a observação das fraturas do colo do fêmur. Uma animação mostrou que a cabeça femoral girava progressivamente medialmente, enquanto se movia distalmente até a fratura. A curvatura da cabeça achatou-se sob o alvéolo, onde foi observada instabilidade cortical local, mas sem instabilidade do volume trabecular subjacente.
O início da fratura ocorre pela flexão da cortical, progredindo ao longo do grupo trabecular compressivo principal, ou pelo cisalhamento a cerca de 45 graus do eixo trabecular compressivo principal. A tensão excedeu o rendimento ósseo, uma vez que os quatro conseguiram 50% da carga de fratura esperada, atingindo oito a 16% de compressão antes da fratura. Deformação permanente foi observada na região cefálica sob pico de compressão.
A falha ocorreu sob um estado de deformação complexa, mostrando compressão, tensão e tensão de cisalhamento. A energia de deformação foi uma função linear do deslocamento até a fratura, mostrando um comportamento estável da fratura. Um aspecto crítico para a replicação do protocolo é a obtenção do incremento do passo de carga, que é importante para controlar o número de passos de carga necessários para causar uma fratura no deslocamento e planejamento do experimento.
A obtenção de imagens de boa qualidade também é importante para uma análise significativa dos dados. A crença de que a instabilidade elástica que exige o aumento acentuado de incidentes de fratura acima de 60 anos de idade focalizou o caso de pesquisa em prevenção de fragilidade na espessura cortical. O comportamento de fratura elasticamente estável demonstrado por este protocolo, em ossos levemente osteoporóticos, desloca o foco atual para interações corticais e trabeculares.
Este procedimento pode avançar modelos considerativos da mecânica óssea, informar o diagnóstico de fragilidade e o projeto de dispositivos implantáveis.
