FAQ
© 2015 Staats- und Universitätsbibliothek
Hamburg, Carl von Ossietzky

Öffnungszeiten heute09.00 bis 24.00 Uhr alle Öffnungszeiten

Eingang zum Volltext in OPUS

Hinweis zum Urheberrecht

Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-40411
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2009/4041/


Ein Modell zur Untersuchung der biomechanischen Funktion des kortikalen Knochens

A method to characterize the biomechanical function of cortical bone

Kummer, Tobias

pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (9.769 KB) 


SWD-Schlagwörter: Biomechanik , Mikrocomputertomographie , Balkentheorie , Knochen , Finite-Elemente-Methode , Morphometrie , Densitometrie , Oberschenkelknochen
Freie Schlagwörter (Deutsch): Mausmodell , Knochenbiomechanik , Materialeigenschaften
Freie Schlagwörter (Englisch): bone , biomechanics , mouse , femur , microcomputertomography
Basisklassifikation: 44.65
Institut: Medizin
DDC-Sachgruppe: Medizin, Gesundheit
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Amling, Michael (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 19.12.2008
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 06.03.2009
Kurzfassung auf Deutsch: Knochen ist ein äußerst lebendiges Gewebe mit vielfältigen Aufgaben. Als mechanisches Schutz- und Stützorgan verleiht es dem Körper im Zusammenspiel mit Muskeln und Sehnen seine Mobilität. Das Verständnis von Physiologie und Pathologie des Knochens wurde in den letzten Jahren durch Fortschritte in der Gentechnik revolutioniert. Durch gezielte Veränderungen des Erbguts oder des Stoffwechsels im Mausmodell lassen sich Wirkweisen einzelner Gene oder Krankheiten wie der Osteoporose gezielt untersuchen. Röhrenknochen, und hier besonders das Femur, werden wegen ihrer einfachen Präparation und geeigneten Größe am häufigsten zur Charakterisierung des Knochenphänotyps verwendet. Die bislang vorhandenen Methoden zur Untersuchung der Knochenstruktur und seiner mechanischen Funktionen beruhen jedoch häufig auf stark vereinfachten Annahmen, beschränken sich auf wenige Parameter oder sind nicht auf die Maus übertragbar.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Verfahren vorgestellt, welches ermöglicht das Femur als Beispiel eines Röhrenknochens im Mausmodell umfangreich zu charakterisieren. Dies gelang durch die Kombination von Mikrocomputertomographie mit biomechanischen Verfahren und numerischen Methoden. In einem ersten Schritt wurde eine Software entwickelt, die die hochauflösenden Bilddaten der Mausfemora halbautomatisch verarbeitet und analysiert. Neben den reinen deskriptiven Parametern der Morphometrie, wie zum Beispiel die Dicke des Knochenkortex oder Radius des Knochens liefert die Software die Grundlage für ein dreidimensionales Modell des Knochens. Mit Hilfe eines neuartigen Phantoms ließ sich die Knochendichte näherungsweise erfassen und auf ein Modell des Knochens übertragen. Dabei zeigte sich, daß das Knochenmaterial keineswegs homogen in der Struktur verteilt ist, sondern daß vor allem an mechanisch beanspruchten Bereichen ein höherer Mineralisierungsgrad vorliegt.
Zur biomechanischen Testung der Femora wurde der Biegetest verwendet. Eine neu entwickelte modulare Biegevorrichtung erlaubt sowohl den Drei- als auch den Vierpunktbiegetest mit variablem Versuchsaufbau. Es zeigte sich, daß der Dreipunkttest bei einfacherem Aufbau die konstanteren Ergebnisse lieferte, so daß dieser zur allgemeinen Verwendung empfohlen wird, während die Vierpunktbiegung bei speziellen Fragestellungen sinnvoll ist. Die Ergebnisse der biomechanischen Versuche wurden schließlich mit den Daten der deskriptiven Auswertung verknüpft, um eine Aussage über die Materialeigenschaften- und beanspruchungen zu machen. Hierzu wurde ein Softwaremodul entwickelt, welches diese Berechnungen nach den Prinzipien der Balkentheorie durchführt. Diese Ergebnisse wurden dann mit dem wesentlich aufwendigeren Verfahren der Finiten Elemente Methode verglichen und zeigten eine hohe Übereinstimmung bei wesentlich geringerem Arbeits- und Zeitaufwand sowie Anspruch an die Computerrechenleistung. Der Zusammenhang und Einfluss der verschiedenen Parameter auf das biomechanische Verhalten des Knochens unter Belastung wurde abschließend durch statistische Methoden untersucht. Dabei konnten mathematische Modelle gefunden werden, die mit Hilfe der morphometrischen Parameter das Resultat des biomechanischen Tests erklären helfen. Dies könnte eine Grundlage bilden, um bei zukünftigen Versuchen den labortechnischen Aufwand sowie die Zahl der Versuchstiere zu reduzieren.
Der Knochenstoffwechsel und die Erkrankungen des Skelettsystems stehen im Zentrum der Skelettbiologieforschung. Diese Arbeit stellt ihr hierfür neue Werkzeuge zur detaillierten Untersuchung zur Verfügung.
Kurzfassung auf Englisch: Bone is a highly versatile organ with numerous functions and a strictly regulated metabolism. It serves as the body’s mechanical protection from the environment and contributes together with muscles and tendons to its mobility. Like most fields in medicine, new advances in genetic engineering have immensely influenced our knowledge. The ability to alter single genes or metabolic pathways gave new insights into bone physiology and pathology. Long bones like the femur are often used to investigate a specific skeletal phenotype due to their favourable size and accessibility. However, the established methods to analyse bone structure and the mechanical implications thereof are often overly simplified or not suitable for the mouse model as the main animal for genetic engineering in bone research.
This thesis introduced a method that allows for the comprehensive characterization of the mouse femur as an example of a long bone in a murine model. This was achieved through the combination of high-resolution computed tomography with biomechanical and numerical methods. In a first step, a software was developed that is able to semi-automatically process and analyze the tomography images. In addition to morphometrical parameters, e.g. cortical thickness and diameter, it facilitates the generation of a three-dimensional model of the bone structure.
A novel microCT phantom was used to estimate the bone mineral density and to map it to a three-dimensional model of the bone. It appeared that the bone material was not homogeneously distributed but concentrated around areas of suspected higher mechanical load. A bending test was used for the biomechanical part of the study. A newly developed modular bending device permits three- as well as four-point bending with a flexible setup. It was demonstrated that the three-point bending method is favourable over four-point bending due to the simpler setup and more consistent test results. Four-point bending should be considered under special circumstances and test objectives. The results of the bending tests were combined with the morphometrical data to obtain information about the material properties and stresses on the bone. A software was developed to calculate these using the beam bending theory. The results were compared and validated with the more sophisticated and time-consuming finite element method. The relationship and influence of various parameters on the biomechanical performance of the bones under load was shown by means of statistical analysis. Through this, mathematical equations were found that utilize the descriptive parameters to help to explain the biomechanical test results. This approach might be a foundation to minimize the time and effort as well as the number of laboratory animals needed for study.
In conclusion, this thesis offers new tools for the investigation of bone metabolism and disease to the skeletal tissue research community.

Zugriffsstatistik

keine Statistikdaten vorhanden
Legende