הדמיה של ניוון מפרק הברך לאחר פציעת ACL לא פולשנית בחולדות
Overview
מקור: לינדסי ק. לפלי1,2,סטיבן מ. דאבי1,טימותי א. באטרפילד3,4 וסינה שהבזמוהמדי5,
1 המחלקה לקינסיולוגיה, אוניברסיטת קונטיקט, סטורים, CT; 2 המחלקה לכירורגיה אורתופדית, מרכז הבריאות של אוניברסיטת קונטיקט, פרמינגטון, CT; 3 המחלקה למדעי השיקום, אוניברסיטת קנטאקי, לקסינגטון, KY; 4 המרכז לביולוגיה של שרירים, המחלקה לפיזיולוגיה, אוניברסיטת קנטאקי, לקסינגטון, KY; 5 המחלקה להנדסה ביו-רפואית, אוניברסיטת קונטיקט, סטורים, CT
פגיעה ברצועה הצולבת (ACL) של הברך מגבירה באופן דרמטי את הסיכון לדלקת מפרקים ניוונית פוסט טראומטית (PTOA), שכן כשליש מהאנשים יפגינו PTOA רדיוגרפי בעשור הראשון לאחר פציעת ACL. למרות ששחזור ACL (ACLR) משחזר בהצלחה את יציבות מפרק הברך, ACLR וטכניקות השיקום הנוכחיות אינן מונעות את תחילת PTOA. לכן, פגיעת ACL מייצגת את המודל האידיאלי ללמוד את התפתחות PTOA לאחר פגיעה משותפת טראומטית.
מודלים חולדה שימשו בהרחבה כדי לחקור את ההשפעה וההשפעה של פגיעת ACL על PTOA. המודל הנפוץ ביותר של פגיעת ACL הוא טרנספרקציה ACL, שהוא מודל אקוטי המערער בניתוח את המפרק. למרות מעשי, מודל זה אינו מחקה בנאמנות פגיעה אנושית ACL עקב הליכי פגיעה פולשניים ולא פיזיולוגיים להסוות את התגובה הביולוגית המקומית לפציעה. כדי לשפר את התרגום הקליני של התוצאות שלנו, פיתחנו לאחרונה מודל חדשני לא פולשני של פגיעת ACL שבו ACL נקרע באמצעות עומס אחד של דחיסת טיבי. פציעה זו משכפלת מקרוב את תנאי הפציעה הרלוונטיים לבני אדם והיא ניתנת לשחזור רב.
הדמיה של ניוון מפרקים באמצעות טומוגרפיה מיקרו-ממוחשבת (μCT) מספקת מספר התפתחויות משמעותיות על פני טכניקות הכתמת OA מסורתיות, כולל הדמיה תלת-ממדית מהירה, ברזולוציה גבוהה ולא הרסנית של ניוון מפרקים שלם. מטרת הדגמה זו היא להציג את פציעת ACL הלא פולשנית במודל מכרסמים ולהשתמש ב- μCT כדי לכמת ניוון מפרק הברך.
Principles
ה- ACL הוא מבנה דמוי רצועה של רקמת חיבור צפופה הנובעת מהמרחב הבין-יבשתי הקדמי של השוקה ומשתרעת בצורה מעולה ורחבה להיבט האחורי של העריץ הרוחבי של עצם הירך. מבחינה מבנית, ACL משמש הן מייצב פסיבי של הברך, עובד בתיאום עם רצועות אחרות, כמו גם שרירים בירך כדי לעזור לשלוט במפרק במהלך תנועה דינמית. ה- ACL הוא האיפוק העיקרי לעקירת טיביות מקדימה וממלא תפקיד חיוני בשמירה על יציבות מפרק הברך. מעבר לתמיכה מבנית, ACL משמש גם כמסלול למידע עצבי בין מפרק הברך לבין מערכת העצבים המרכזית. הלחץ הגדול ביותר על ACL מתרחש כאשר הברך קרובה להארכה, וזה במהלך תקופה זו כי ACL נמצא בסיכון הגבוה ביותר לפציעה.
ACL הוא הרצועה הברך הפצועה הנפוצה ביותר במהלך פעילויות ספורט ועבודה. פציעות ACL ללא מגע מהוות כמעט 70% מכלל פציעות ה- ACL, והן מתרחשות כאשר אדם מייצר מספיק כוחות ו / או רגעים בברך שמוביל לטעינה מופרזת של ACL. למרות המנגנון של פגיעה ACL ללא מגע נחקר באמצעות מגוון מודלים מחקר (פוטנציאלי, רטרוספקטיבי, תצפיתי, in vivo ו במבחנה), קביעה ישירה של איך פציעה מתרחשת נשאר חמקמק. שחזור ACL מבוצע לעתים קרובות על ידי החדרה כירורגית של חלק של מיתר הברך או גיד פיקת הברך לאזור של ACL. מטרת השיקום הכירורגי היא למקסם את יציבות הברך ואת היכולת התפקודית שאבדו בעקבות הפציעה. שחזור כירורגי מאפשר חזרה בטוחה לספורט ומקדם בריאות מפרק הברך לטווח ארוך. עם זאת, למרות המאמצים הטובים ביותר של רופאים וחוקרים, כמעט שני שלישים מהחולים עם ACL משוחזר חולים משוחזרים אינם חוזרים לפעילות ב 12 חודשים לאחר השחזור ויותר מ 50% של ברכיים משוחזרות ACL יש סימנים רדיוגרפיים של PTOA 5-14 שנים לאחר הפציעה.
מודלים של בעלי חיים מספקים הן דרך מעשית והן רלוונטית מבחינה קלינית ללמוד את ההיסטוריה הטבעית ואת התגובה של הטיפול לבריאות המפרקים. חשוב לציין שלברך של חולדה יש אנטומיה ותפקוד דומים לברכיים בבני אדם, מה שהופך את ברך החולדה למודל שימושי לחקר PTOA לאחר פציעת ACL. כדי לשפר את התרגום הקליני של התוצאות שלנו, פיתחנו לאחרונה מודל חדשני לא פולשני של פגיעת ACL, שבו ACL נקרע באמצעות עומס אחד של דחיסת טיבי. פציעה זו משכפלת מקרוב את תנאי הפציעה הרלוונטיים לבני אדם והיא ניתנת לשחזור רב.
התקן הטעינה מורכב משתי פלטפורמות טעינה מותאמות אישית (איור 1); שלב הברך העליון מותקן בקשיחות למפעיל ליניארי (מפעיל ליניארי DC L16-63-12-P, Phidgets, אלברטה, CA) שממקם את החלק האחורי הימני ב 30°1-3 של דורסיפלקסיון ו 100 °1 של כיפוף הברך תוך מתן מקום לתת-שפל חיצוני של השוקה ביחס עצם הירך; השלב התחתון מחזיק את הברך הכפופה ומותקן ישירות מעל תא עומס (HDM Inc., PW6D, סאות'פילד, MI). במהלך הפציעה, חולדות הם מרדים ולאחר מכן האחורי הימני נתון עומס יחיד של דחיסת טיבי במהירות של 8 מ"מ / s.1 פגיעת ACL הוא ציין על ידי שחרור של כוח דחיסה במהלך פציעה כי הוא פיקוח באמצעות תוכנית מותאמת אישית (LabVIEW, מכשירים לאומיים, אוסטין, TX). לאחר פציעה, קרע ACL מאושר קלינית על ידי הבדיקה של לכמן, שם עצם הירך מאובטחת בעוד כוח חיצוני מוחל על השוקה. תרגום טיבי מוגזם של טיבאל מצביע על מחסור ב- ACL. לאחר מכן ניתן להאריך ולאבטח את ה- ACL בהתקן מודפס בתלת-ממד מותאם אישית כדי לדמיין ניוון מפרק הברך. תמונות נרכשות כדי לאפיין שינויים במבנה trabecular הקשורים לפיתוח PTOA. 4
איור 1: עומס דחיסה טיבי גורם לפגיעת ACL מבודדת לא פולשנית.
Procedure
פציעת ACL לא פולשנית
- ללבוש ציוד הגנה אישי מתאים. אתה יכול להשתמש במסכת נשימה, אבל זה לא חובה עבור פרוטוקול זה.
- להרדים את החולדות באמצעות תא אינדוקציה עם 5% איזופלוראן וחמצן 1 L / min. לשמור על זרימת ההרדמה באמצעות חרוט האף עם 1 - 3% איזופלוראן ו 500 מ"ל / דקה של חמצן. אם המנגנון אינו מוגדר על שולחן חבטה אחורית או מטה, ודא שגז פסולת מנוקד באמצעות מערכת שולחן ומסנני פחם.
- בצע קמצוץ בוהן כדי להבטיח הגעה לעומק הרדמה הולם. שים לב כי אין צורך להחיל חומר סיכה לעיניים הפרוטוקול מבוצע במהירות (< 3 דקות) ויש סיכון מינימלי של יובש בקרנית.
- מקם את החלק האחורי הימני ב-30 מעלות של גב-עצם ו-100 מעלות של כיפוף הברך תוך מתן מקום לתת-חלוקה אחורית של השוקה ביחס לירך הירך.
- הרכבה נוקשה על במת הברך העליונה למפעיל ליניארי.
- מקם את הברך הכפופפת על השלב התחתון, אשר מותקן ישירות מעל תא עומס.
- לגרום לפגיעת ACL באמצעות עומס יחיד של דחיסת טיבי במהירות של 8 מ"מ/s.
- פגיעת ACL נרשמת על ידי שחרור של כוח דחיסה. זה מנוטר באמצעות תוכנית מותאמת אישית.
- לאחר הפציעה, בזמן שבעל החיים עדיין נמצא במישור ההרדמה, בצעו בדיקה של לחמן כדי לאשר קלינית קרע ACL התרחש. בדיקה של לחמן היא בדיקה קלינית המשמשת להערכת שלמות ה- ACL על ידי הערכת יציבות תוכנית קשתית. בעת ייצוב עצם הירך, למשוך את השוקה קדימה (בכיוון קדמי) כדי להעריך את כמות התנועה. ACL שלם יפיק "תחושה קצה מוצקה" שבו החוקר לא יוכל לתרגם את השוקה קדימה. ACL פצוע יפיק "תחושה רכה או רכה קצה," המעיד על ACL קרוע.
- למשיך את עצם הירך ואת השוקה כדי לזהות כל נזק חמור לעצמות. אם לא מזוהות התוויות נגד, העבר את החיה לכלוב שלו ואפשר לה להתאושש. במהלך תקופה זו, נטר את החיה כדי להבטיח שהוא לא מראה סימנים של כאב, כגון חוסר רצון לזוז, ווקאליזציה או פוזה חריגה.
הדמיית μCT של ניוון מפרקים
תמונות דו-ממדיות מתקבלות באמצעות הגדרות סורק של 70 kV, הנוכחי 85.5 μA (איור 2B). הנתונים נאספים כל שלב סיבוב של 0.6° ברזולוציה של 11.5 מיקרומטר עד 180° שלם. תמונות חתך משוחזרות באמצעות אלגוריתם החלקה של הקרנה אחורית ובערימה של תמונות משוחזרות(איור 2C). מבנה Trabecular מנותח לאחר מכן על ידי פילוח בתוכנה, לפיה כדור 1.53 מ"מ מרוכז בלוח האפיפיסאלי של הרמות המהופליות וה לרוחב טיביאל עצם הירך כדי לקבוע עובי trabecular (מיקרומטר), הפרדה trabecular (מיקרומטר) ומספר trabecular (1/מ"מ). 5,6
- ב 4 שבועות לאחר פציעת ACL, להרדים את החולדה עם חשיפה ממושכת CO2 בתא האינדוקציה.
- הרחבה ואבטחה של ACL שנפצעה בהתקן מותאם אישית המודפס בתלת-ממד(איור 2A).
- השג תמונות באמצעות μCT.
- השיגו רדיוגרפיות מישוריות פרונטליות כדי לקבוע את המרחב המשותף. היצרות (בין קונדיל הירך לרמת טיבי [נמדד במ"מ]) לעומת הגפה שאינה פצועה.
- השג תמונות דו-ממדיות באמצעות הגדרות הסורק הבאות: 70 kV ו- 85.5 μA הנוכחי.
- אסוף את הנתונים בכל שלב סיבוב של 0.6° בגודל פיקסל של 11.5 מיקרומטר עד 180° שלם.
- שחזרו תמונות חתך באמצעות אלגוריתם החלקה של הקרנה אחורית בערימה של תמונות משוחזרות.
- כדי להבטיח אזור עקבי של עניין נמדד, למקם כדור 1.53 מ"מ בצלחת האפיפיסאלי של מישורי טיביאלי מדיאלי לרוחב עצם הירך כדי לקבוע עובי trabecular (מיקרומטר), הפרדה trabecular (מיקרומטר), ומספר trabecular (1/מ"מ).
איור 2: A) התקן מודפס מותאם אישית להחזקת μCT, B) תמונות דו-ממדיות ו- C) μCT תלת-ממדי.
Results
מספר טראבקולרי קטן יותר, עובי טראבקולרי מופחת ומרווח טרבקולרי גדול יותר, כל מאפייני סימן ההיכר של תחילת PTOA, ניכרו 4 שבועות לאחר קרע ACL לא פולשני(טבלה 1 ואיור 3). תמונה של ACL ניתח של איבר בריא לעומת איבר פצוע חריף מוצגת באיור 5. המודל הלא פולשני של פציעת ACL, שבו ACL נקרע באמצעות עומס אחד של דחיסת טיבי, הצליח לייצר קרע פרוקסימלי מבודד של ACL.
איור 3: תמונת μCT משוחזרת תלת-ממדית של פציעת ACL חריפה (משמאל) ופציעה של 4 שבועות לאחר ACL (מימין) בחולדה.
טבלה 1: מדידות אופייניות של תחילת PTOA.
| בעל חיים |
Tb.N (1/מ"מ) |
Tb.Th (μמ ') |
שחף. (μמ ') |
| פצוע ACL חריף | 3.11 | 168.5 | 217 |
| 4 wks לאחר ACL פציעה | 2.63 | 166.7 | 213 |
איור 4: תמונה של ACL-איבר פצוע חריף (משמאל) ותמונה של ACL שלם ובריא (מימין).
Application and Summary
וידאו זה מדגים כיצד מפעיל ליניארי יכול לשמש כדי לייצר קרע ACL מבודד לא פולשני בחולדות. פציעה זו משכפלת מקרוב את תנאי הפציעה הרלוונטיים לבני אדם והיא ניתנת לשחזור רב. כדי להתגבר על כמה מהמגבלות העיקריות של טכניקות הכתמת OA מסורתיות, שיטה זו משתמשת μCT כדי לכמת ניוון מפרק שלם ומבנה trabecular.
התערבויות מבוססות ראיות לשיפור התוצאות השיקומיות של השלד והשרירים הן תחום משמעותי ביותר שהשתנה מעט בשני העשורים האחרונים, למרות שהתקדמות משמעותית בביולוגיה בסיסית הציעה כי שינויים בפרוטוקולי השיקום הם מזמן. הבעיה היא כי מומחים לשיקום קלאסי השתמשו בדוחות אנקדוטיים כדי לעצב את הפרקטיקה הקלינית ולא מדע בסיסי כדי לספק השערות מושכלות שנבדקות באורגניזמים מודל לפני התרגום למרפאה. ההליכים המתוארים כאן מספקים למדענים שיטה לשכפל מקרוב פגיעה משותפת טראומטית הרלוונטית לבני אדם ולהשתמש ב- μCT כדי לעקוב אחר התקדמות בריאות המפרקים.
רשימת חומרים:
| ציוד | חברה | מספר קטלוג | הערות |
| מפעיל ליניארי | פידג'ט | L16-63-12-P | |
| טען תא | HDM בע"מ | PW6D | |
| μ CT | זייס | XRM Xradia 520 |
References
- Maerz T, Kurdziel MD, Davidson AA, Baker KC, Anderson K, Matthew HW. Biomechanical Characterization of a Model of Noninvasive, Traumatic Anterior Cruciate Ligament Injury in the Rat. Ann Biomed Eng. 2015;43(10):2467-2476.
- Christiansen BA, Anderson MJ, Lee CA, Williams JC, Yik JH, Haudenschild DR. Musculoskeletal changes following non-invasive knee injury using a novel mouse model of post-traumatic osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage. 2012;20(7):773-782.
- Lockwood KA, Chu BT, Anderson MJ, Haudenschild DR, Christiansen BA. Comparison of loading rate-dependent injury modes in a murine model of post-traumatic osteoarthritis. J Orthop Res. 2014;32(1):79-88.
- Blair-Levy JM, Watts CE, Fiorentino NM, Dimitriadis EK, Marini JC, Lipsky PE. A type I collagen defect leads to rapidly progressive osteoarthritis in a mouse model. Arthritis Rheum. 2008;58(4):1096-1106.
- Mohan G, Perilli E, Kuliwaba JS, Humphries JM, Parkinson IH, Fazzalari NL. Application of in vivo micro-computed tomography in the temporal characterisation of subchondral bone architecture in a rat model of low-dose monosodium iodoacetate-induced osteoarthritis. Arthritis Res Ther. 2011;13(6):R210.
- Jones MD, Tran CW, Li G, Maksymowych WP, Zernicke RF, Doschak MR. In vivo microfocal computed tomography and micro-magnetic resonance imaging evaluation of antiresorptive and antiinflammatory drugs as preventive treatments of osteoarthritis in the rat. Arthritis Rheum. 2010;62(9):2726-2735.
Skip to...
Videos from this collection:
Now Playing
הדמיה של ניוון מפרק הברך לאחר פציעת ACL לא פולשנית בחולדות
Biomedical Engineering
8.3K Views
הדמיה דגימות ביולוגיות עם מיקרוסקופיה אופטית וקונפוקל
Biomedical Engineering
36.2K Views
הדמיית SEM של דגימות ביולוגיות
Biomedical Engineering
24.0K Views
ייחוס ביולוגי של נשאי ננו-תרופות: יישומים של SEM
Biomedical Engineering
9.5K Views
הדמיית אולטרסאונד בתדר גבוה של אב העורקים בבטן
Biomedical Engineering
14.8K Views
מיפוי מאמץ כמותי של מפרצת באבי העורקים בבטן
Biomedical Engineering
4.6K Views
טומוגרפיה פוטואקוסטית לדם תמונה ולומנים בבטורה האינפרא-רנאלית
Biomedical Engineering
5.9K Views
הדמיית תהודה מגנטית לבבית
Biomedical Engineering
15.0K Views
סימולציות דינמיקה של נוזל חישובי של זרימת דם במפרצת מוחית
Biomedical Engineering
11.9K Views
הדמיית פלואורסצנטיות כמעט אינפרא אדום של מפרצות באבי העורקים בבטן
Biomedical Engineering
8.4K Views
טכניקות למדידת לחץ דם לא פולשניות
Biomedical Engineering
12.1K Views
רכישה וניתוח של אות אק"ג (אלקטרוקרדיוגרפיה)
Biomedical Engineering
106.7K Views
חוזק מתיחה של ביו-חומרים הניתנים למיחזור
Biomedical Engineering
7.7K Views
הדמיית מיקרו-CT של חוט השדרה של העכבר
Biomedical Engineering
8.3K Views
הדמיית SPECT ו- CT משולבת כדי להמחיש את תפקוד הלב
Biomedical Engineering
11.2K Views
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved