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Neues analytisches Vorgehen zur Bestimmung des E-Moduls von Spongiosa Proben unter Vermeidung von End-Artefakten
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Autoren
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GarciaE. Grande
- Klinikum rechts der Isar der TU-München, Lehrstuhl für Orthopädie und Unfallchirurgie, München, Germany
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R. Gradinger
- TU München, Klinikum rechts der Isar, Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie, München, Germany
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R. Burgkart
- TU München, Klinikum rechts der Isar, Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie, München, Germany
| Veröffentlicht: | 18. Oktober 2011 |
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Gliederung
Text
Fragestellung: Die mechanischen Eigenschaften des Knochens werden in der Regel durch Druck-oder Zugversuche ermittelt. Die Proben besitzen im Allgemeinen einen zylindrischen Querschnitt und sind mit „Messing Endkappen“ fixiert. Auf der einen Seite vermeidet diese Technik der bekannten "End-Artefakte" der Druckversuche. Auf der anderen Seite können die Proben bei diesem Vorgehen nur in einer Richtung getestet werden.
Ziel der Studie ist die Quantifizierung und Minimierung der systematischen Fehler, die mit den End-Artefakten der Druckversuche von Spongiosa in Zusammenhang stehen.
Methodik: Um die mechanischen Eigenschaften der Spongiosa zu bestimmen, wurden Würfel (10 mm) aus humanen Hüftkopfe (n=3) standarisiert ausgeschnitten. Vor dem mechanischen Test wurde ein CT der Proben erhalten. Diese Daten werden anschließend verwendet werden, um eine Voxel-Modell mit der Mikrostruktur der Proben zu erstellen und um zu untersuchen, ob es mit den anisotropen mechanischen Eigenschaften korreliert.
Nach einer Vorkraft von 3N, wurden die Proben in einachsigem Druckversuch für 10 Zyklen zwischen 0-0,4% Dehnung belastet. Zunächst wurden alle Proben in Richtung 1 parallel zur Schenkelhalsachse getestet. Danach wurden die Proben in Richtung 2, sowie in Richtung 3 getestet.
Dieses Messverfahren wurde mindestens 3-mal wiederholt, um auszuschließen, dass die Proben während den Tests nicht beschädigt wurden bzw. sich die mechanischen Eigenschaften nicht geändert haben.
Der Messaufbau besitzt vier unterschiedliche Sensoren:
- Kraftsensor
- Wegaufnehmer
- Extensometer
- Druckmessfolie
Nach den zyklischen Versuchen wurde die Kontaktoberfläche mittels einer Druckmessfolie ermitteln. Damit wurden Spannungs-Dehnungs-Diagramme der Würfel für jede Testrichtung wurden dargestellt.
Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Bei Druckversuchen ist die Berechnung der Kontaktoberfläche von großer Bedeutung, da der E-Modul proportional zu diesem Parameter ist. In der Realität enthält die Herstellung von Proben aus Spongiosa Ungenauigkeiten und Fehler bei Ebenheit und Parallelität.
Entsprechend einer kalibrierten Imageanalyse der Druckmessfolien wurden belasteten Oberflächen von 40-73% in Bezug auf die gesamte Oberfläche gemessen.
Der E-Modul wurden aus dem Verhältniswert zwischen Spannung, entsprechend der belasteten Oberfläche, und der Dehnung von Wegaufnehmer von 1498±418 MPa ermittelt. Die Streuung dieser Ergebnisse belegt den hohen Einfluss der Anisotropie der Spongiosa auf ihre richtungsabhängige biomechanische Kompetenz.
Die Extensometer-Methode zeigt eine große Einschränkung, da dieses Messgerät die Dehnung der externen Schicht der Oberfläche, woran es befestigt ist, misst.
Die nächsten Schritte bestehen darin, die Anisotropie des Knochens zu beschreiben. Hierfür wird ein neues theoretisches Modell vorgeschlagen: Eine statistische Analyse liefert ein Gleichungssystem, welches die Festigkeit des Knochens in Relation zur Dichte vorhersagt, welche kalibrierten CT-Daten entnommen werden kann.
