Analyse der Knochendeformation und Muskelkräfte der menschlichen Tibia

Kriechbaumer, Andreas; Rittweger, Jörn; Itskov, Mikhail

doi:10.18154/RWTH-2020-00369

Analyse der Knochendeformation und Muskelkräfte der menschlichen Tibia = Analysis of bone deformation and muscle forces in the human tibia

Kriechbaumer, Andreas^RWTH*

2019 & 2020

VerantwortlichkeitsangabeAndreas Kriechbaumer

ImpressumAachen : RWTH Aachen University, Lehr- und Forschungsgebiet Kontinuumsmechanik 2019

Umfang1 Online-Ressource (XI, 142 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-9814417-9-6

ReiheBericht / RWTH Aachen University, Lehr- und Forschungsgebiet Kontinuumsmechanik ; 10

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Druckausgabe: 2019. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Itskov, Mikhail (Thesis advisor)^RWTH* ; Rittweger, Jörn (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-11-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-00369
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/775990/files/775990.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Kontinuumsmechanik (418220)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
biomechanics (frei) ; bones (frei) ; stress-strain-state (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Für die Erforschung des Weltraums durch den Menschen, aber auch für die Gesundheit auf der Erde allgemein, ist ein grundlegendes Verständnis über die Adaption des Knochens essentiell. Die Regulierung des Auf- und Abbaus des Knochens wird über seine Deformation gesteuert, welche wiederum aus der mechanischen Belastung dessen resultiert. Diese Zusammenhänge zu verstehen, die Auswirkungen von verschiedenen Aktivitäten auf die Deformation des Knochens zu kennen und in Relation setzten zu können, ist der Schlüssel zu dem gesuchten, grundlegenden Verständnis. Im Zuge dieser Arbeit wurde hierfür eine Methode entwickelt, diese Zusammenhänge qualitativ und quantitativ herzuleiten. Basierend auf in vivo Messungen an der Tibia wurde ein Algorithmus zur in silico Analyse der vorliegenden Daten entwickelt. Dieser macht sich die Konsequenzen des Hookeschen Gesetzes in Form des Superpositionsprinzips zu Nutze, um quasi-invers aus der gemessenen Deformationsbewegung die dafür notwendigen Kräfte zu bestimmen. Diese können in einer Finite Elemente Analyse (FEA) mit den rekonstruierten Tibia-Knochen verwendet werden, um deren Spannungs-Dehnungs-Zustand zu bestimmen. Zur Validierung der Annahmen und Randbedingungen des Algorithmus wurde ein biomechanischer Messstand konstruiert. In diesem konnten in replica und ex vivo Untersuchungen durchgeführt werden. Zu diesem Zweck wurden Tibia-Replikate aus Komposite-Material bzw. Leichenbeine künstlich über Aktuatoren mit Kräften beaufschlagt und über eine spezielle Anwendung von Motion Capturing die Deformationsbewegung des Knochens gemessen. Die Auswertung der in vivo Daten mittels der in silico Analyse lieferte quantitative Ergebnisse zur Dehnung in der Tibia für diverse alltägliche Aktivitäten. Diese Ergebnisse sind, im Gegensatz zur bisherigen gängigen Methode, jedoch nicht auf einen singulären Messpunkt limitiert, sondern decken den kompletten rekonstruierten Bereich der Tibia ab. Dies führte zur Feststellung, dass die aktuell angenommenen Werte zu niedrig angesetzt sind. Hinzu kommt, dass die Analyse eine zeitliche und örtliche Varianz der Peak-Dehnungen im Knochen über den Ablauf einer Aktivität aufzeigt. Diese Ergebnisse verändern das bisherige Verständnis über die Knochenadaption und deren Regulierungsmechanismen.

A basic understanding of the adaptation of bone is essential for the exploration of space by humans, but also for human health on earth in general. The regulation of bone growth and decrease is controlled by its deformation, which in turn results from the mechanical loading of the bone. Understanding these connections, knowing the effects of different activities on the deformation of the bone, and being able to put them into relation, is the key to the fundamental understanding sought. In the course of this thesis, a method was developed to establish these relationships qualitatively and quantitatively. Based on in vivo measurements on the tibia, an algorithm was developed for the in silico analysis of the available data. The latter makes use of the implications of Hooke's law in the form of the superposition principle, in order to quasi-inverse determine the forces necessary to achieve the measured deformation. These can be used in a Finite Element Analysis (FEA) with the reconstructed tibia bones to determine their stress-strain state. For validation of the assumptions and boundary conditions of the algorithm a biomechanical test rig was constructed. With it, examinations were carried out in replica and ex vivo. For this purpose, tibia replicas of composite material or respectively cadaverous legs were artificially impacted by actuators, and the deformation movement of the bone was measured via a special application of motion capturing. The analysis of the in vivo data by means of the in silico analysis provided quantitative results on the average values and peak values of strain in the tibia, and this for various everyday activities. These results, however, are not limited to a single measuring point, as opposed to the current standard method, but cover the complete reconstructed area of the tibia. This led to the conclusion that the currently assumed peak values are listed too low. In addition, the analysis shows a temporal and local variance of the peak strain in the bone over the course of an activity. These results alter the previous understanding of bone adaptation and its regulatory mechanisms.

OpenAccess:
PDF
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