Machbarkeitsstudie zur Messung von Biegung und Torsion an der Tibia mittels Digital Image Correlation

Kurzfassung

Die Knochenadaption ist die Anpassung der Knochen an mechanische Belastungen. Somit führt die Deformation eines Knochens zu seiner Stabilisierung und seinem Wachstum. Bis heute ist nicht bekannt, welche Deformationsschemata zur Knochenadaption führen, da eine einfache Methode zu ihrer Messung fehlt. Aus diesem Grund hat Yang et al. zusammen mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt eine 2014 in [1] veröffentlichte in vivo Studie zur Deformation der Tibia unter Belastung durchgeführt. Mittels drei Knochenschrauben und einem Vicon System wurde die Tibiadeformation von fünf Testpersonen während verschiedenster Geh- und Laufgeschwindigkeiten gemessen. Es wurde eine anterior-posterior Biegung von 0,15°-1,30° der proximalen Tibia in Relation zur distalen Tibia festgestellt. Zusätzlich trat eine medial-laterale Biegung zwischen 0,38°-0,90° der proximalen Tibia auf. Des Weiteren konnte, besonders bei langsameren Geschwindigkeiten, eine Torsion der proximalen Tibia um 0,67°-1,66° zur distalen Tibia gemessen werden. Um mehr Informationen in diesem Bereich zu gewinnen, wird nun nach einer nicht invasiven Methode zur Messung von Knochendeformationen gesucht. Bisher bestehen zwei Ansätze. Es soll untersucht werden, ob ein System zur Digital Image Correlation oder ein Vicon motion capture System zur Erfassung der Deformationen im Stande ist. Diese Bachelorarbeit setzt sich mit der Möglichkeit der Messung von Biegung und Torsion eines Knochens mittels digitaler Bildkorrelation auseinander. Ziel war es, die digitale Bildkorrelation auf ihre Tauglichkeit bezüglich dieser Messungen zu überprüfen. Dabei lag der Fokus auf der Genauigkeit des Systems. Zur Überprüfung der Tauglichkeit des Systems wurde ein Kunstknochen definiert bewegt und die bekannte Bewegung mit der digitalen Bildkorrelation gemessen. Im Nachhinein wurden die Ergebnisse auf ihre Genauigkeit hin untersucht. Aufgrund der Schwierigkeit Biegung und Torsion eines Kunstknochens künstlich zu erzeugen, wurde die Biegung durch eine Translation und die Torsion durch eine Rotation ersetzt. Translation und Rotation des Kunstknochens wurde in der Größenordnung der Ergebnisse der Studie von Yang et al. durchgeführt. Dazu wurde zuvor ein Gerät entwickelt, welches einen Knochen definiert bewegen kann. Es stellte sich heraus, dass die digitale Bildkorrelation für eine Biegung zwischen 0,15°-1,30° (entspricht einer Translation von 0,45 mm bis 3,86 mm) eine relative Standardabweichung zwischen 0,51 % und 0,065 % hervorbringt. Bezüglich der Torsion der Tibia zwischen 0,67°-1,66° erzeugte die digitale Bildkorrelation eine relative Standardabweichung von 2,5 % bis 1,13 %. Die Genauigkeit der digitalen Bildkorrelation stellte sich somit zur Messung von Knochendeformationen als ausreichend heraus. Es müssen aber noch weitere Faktoren bis zu ihrem möglichen Einsatz abgeklärt werden.