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Titel: Bestimmung elastischer und viskoelastischer Kenngrößen von Knochenproben unter Langzeitkultur-Bedingungen mit einem neuartigen softwaregesteuerten elektro-mechanischen Belastungs- und Messsystem
Autor: Bröckmann, Eckhard
Weitere Beteiligte: Ries, Harald (Prof.)
Erscheinungsjahr: 2004
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2004/0155
DOI: https://doi.org/10.17192/z2004.0155
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2004-01557
DDC: Medizin, Gesundheit
Titel(trans.): Determination of elastic and visco-elastic parameters of bone samples und long-term culture conditions by a novel software controlled electro-mechanical loading- and measurement system

Dokument

Schlagwörter:
Bone-remodeling, Young's modulus, Biomechanical stimulation, Biomechanische Stimulation, Elastizitätsmodul, Bioreaktor, Bioreactor, Viscoelasticity, Knochenumbau, Viskoelastizität

Zusammenfassung:
Die Arbeit beschreibt zunächst die Entwicklung eines Messsystems (sog. ZETOS-System) zur Bestimmung der Steifigkeit (dargestellt als Elastizitätsmodul) von Knochenproben in Langzeit-Bioreaktoren. Dieses System ermöglicht auch dynamische Stimulationen der Knochen mit Standard-Signalen (Sinus, Rechteck) sowie die Verwendung von beliebigen oder typischen physiologischen Signalen, wie z.B. Gehen , Springen und Laufen , aufgenommen als sog. Gound-Reaction Forces, zur mechanischen Knochenstimulation. Optional können Softwarefilter (Hochpass, Tiefpass) eingeschaltet werden. Aufgrund der eindimensionalen Messung und Belastung kann der elastische Tensor nicht vollständig bestimmt werden. In einer Langzeitmessreihe wurden Trabekel-Knochenproben aus einem humanen Hüftkopf mit dem physiologischen Signal Springen 5 Minuten pro Tag stimuliert. Es zeigte sich eine deutliche Zunahme der Steifigkeit von fast 2%/Tag, während die Knochen einer Kontrollgruppe unverändert blieben. Eine dritte Gruppe von Knochenproben wurde ebenfalls mit Springen , jedoch Hochpass gefiltert stimuliert. Durch die fast gleiche Zunahme der Steifigkeit dieser Knochen wurde anhand des Signals Springen gezeigt, dass allein höherfrequente Spektralanteile für bone-remodeling ausreichend sind. Mit den Daten dieser Messreihe wurde erstmals die Frage der Entstehung und Bedeutung des nichtlinearen Verkaufs der Messkurven (Kompression gegen Kraft) des ZETOS-Systems durch die Existenz der von mir genannten Kontaktflächenfunktion beantwortet. Dieser Effekt entsteht durch Rauhigkeiten der Schnittfläche dem Oberflächenkontakt. Modellrechnungen erklären folgendes: - eine grobe Abschätzung der Standardabweichung der Rauhigkeit der Schnittflächen - den Unterschied zwischen der außen gemessen Dehnung und der Dehnung im Knochenkern - die Unmöglichkeit der Bestimmung des wahren Elastizitätsmoduls des kalzifierten Anteils der Knochenkörper (der als linear im üblichen Sinne betrachtet werden darf) aus der Tatsache, dass die Dehnung mit Rücksicht auf die Vermeidung physiologischer Überlast auf kleine Werte beschränkt sein muss. Die Messdaten wurden zusätzlich numerisch wie folgt verarbeitet: - erste Ableitung Kompression gegen Kraft (kraftabhängige Nachgiebigkeit): Daraus wurde eine Methode zur Bestimmung der Kontaktflächenfunktion aus Messdaten abgeleitet. Es zeigte sich, dass diese Funktion keine strenge Invariante über den gesamten Messzeitraum und an der Veränderung des Messwertes des Elastizitätsmoduls wahrscheinlich beteiligt ist. Dieser Effekt ist aber nur schwach. - Integration (potentielle Energie): Daraus entstand eine alternative Methode zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls, die mit Einschränkungen eine simultane Anwendung der Messung des scheinbaren Elastizitätsmoduls während dynamischer Stimulation erlaubt. Während der Langzeitmessreihe wurden auch Relaxationsmessungen vorgenommen. Dabei wurden zwei Zeitkonstanten festgestellt: im Mittel bei 0,4 und bei 20 Sekunden. Die kleinere der beiden Zeitkonstanten muss in ihrer Umgebung in ein kontinuierliches Relaxationszeitenspektrum entwickelt werden, um den gemessenen zeitlichen Kraftverlauf bei Relaxation richtig approximieren zu können. Die Datenverarbeitung erlaubt u.a. die Darstellung der Frequenzabhängigkeit des Speicher- und des Verlustmoduls sowie den Verlustfaktor und die Phasendifferenz zwischen Kompression und Kraft im Falle harmonischer Anregung. Für die Messung des statischen (relaxationsfreien) Elastizitätsmoduls entsteht die Forderung einer Messzeit von ca. 3 Minuten. Beim Vergleich der Modulspektren aus Relaxationsmessung mit den Spektren der physiologischen Stimulationssignale zeigte sich eine Selektivität der Knochen: Energiedissipation tritt bei Gehen und Springen auf, im Falle von Laufen jedoch deutlich schwächer, was vermutlich der Ausdauer beim Laufen (Flucht-, Jagd-, Angriffsverhalten) dienen soll.

Summary:
This thesis describes the development of a new measurement system (the ZETOS-system) to determine the stiffness (expressed in term of a Young s modulus) of bone cores, which are placed in long-term bioreactors. This system can also provide dynamic stimulation on the bone cores with standard signals (sinusoidal, square) as well as the generation of user-defined signals or physiological signals like Walking , Running and Jumping , which were gathered on force platforms (ground reaction forces). Signals can be filtered (highpass, lowpass). Due to the one-dimensional arrangement of sensors and actuators it is impossible to measure the complete elastic tensor of bone cores. In a long-term study we used trabecular bone of a Femur head and applied the physiological signal Jumping on the bone cores five minutes each day. An increase in stiffness of 2% per day was found whereas the bones of a control did not show any significant change. A third group of bones was also stimulated with Jumping , however this signal was highpass-filtered. The stiffness increase of this group was nearly at the same amount as the first group, which shows that higher frequency components are sufficient to produce bone remodeling. The data of this measurement series were used to explain the non-linearities of strain/stress curves of the ZETOS-system by means of a force depending contact-area function . Non-linearities are caused by the roughness of the cutting surfaces. Mathematical models provide this: - an estimation of the standard deviation of surface roughness - the difference between external and internal strain in the bone cores - the impossibility of the determination of the true Young s modulus, because the compressive load has to be restricted to the upper physiological limit in order to avoid overload. Further data processing had been accomplished: - The first deviation of displacement versus force to find a way to represent the contact area function mathematically. Obviously this function is not constant over the complete long-term period and could affect virtual stiffness increase. This effect however is rather low. - Integration (potential energy), which led to an alternative way to calculate the value of the Young s modulus. This method can be applied simultaneously during dynamic load under certain restrictions. Relaxation measurements were also accomplished during the long-term experiment. Here I found two time constants at about 0.4 and 20 seconds. In order to achieve a good fit of the measured force-relaxation curves a continuous relaxation time spectrum is necessary around the smaller time constant. Data procession result in the representation of frequency-dependent storage- and loss-modulus as well as loss-factor and phase-shift between displacement and force in case of harmonic stimulation. A comparison of the modulus spectra with the spectra of our physiological signals shows a selectivity of bone: There is some energy dissipation in case of walking and jumping. This effect is much lower in case of running, which might be necessary to support persistence in movements like attack, hunt and flight making movement more efficient and reducing the build up of heat.


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