Analyse der Knochendeformation und Muskelkräfte der menschlichen Tibia

Abstract

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.