Etablierung eines Protokolls zur Erstellung und Simulation eines Finite Elemente Modells aus Mikro-CT-Scans – am Beispiel eines Kompressionstests von Mauswirbelkörpern

Abstract

Menschen mit Autismus-Spektrum-Störungen erleiden signifikant häufiger Frakturen, ihre Knochen haben eine herabgesetzte Knochenmineraldichte, eine gestörte Architektur sowie eine niedrigere Steifigkeit. Die Ursache hierfür ist bis heute ungeklärt. Die biomechanische Kompetenz von Knochen wird durch mikroskopische und makroskopische Eigenschaften bestimmt. Zu den mikroskopischen biomechanischen Eigenschaften zählt der gewebespezifische oder mikroskopische E-Modul. Dieser kann mittels speziellen Testungen, z.B. Nanoindentierung, gemessen oder mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente berechnet werden. Ziel dieser Arbeit war das Erzeugen eines dreidimensionalen Finite Elemente Modells von Wirbelkörpern autistischer Mäuse und die Bestimmung des mikroskopischen E-Modul durch Kombination der Finite Elemente Analyse mit biomechanischen Kompressionstestungen. Als bereits etabliertes Tiermodell für Autismus-Spektrum-Störungen dienten Nlgn-3 und Nlgn-4 KO Mäuse. Das Finite Elemente Modell wurde in mehreren Schritten aus den µCT-Scans erstellt. Um bestmöglichen Simulationsbedingungen zu schaffen, wurde zuerst der Einfluss verschiedener Parameter, wie beispielsweise die Anzahl der verwendeten Elemente, getestet. Danach konnte der Kompressionstest am PC simuliert werden. Gleichzeitig wurden die Wirbelkörper mittels herkömmlicher biomechanischer Testung komprimiert und so die Steifigkeit bestimmt. Da der mikroskopische E-Modul einen linearen Einfluss auf das Resultat des simulierten Kompressionstest hat, konnte er durch Skalierung der Simulationsergebnisse auf die Ergebnisse der Kompressionstestungen berechnet werden. Die biomechanisch bestimmte Steifigkeit war in der Nlgn-4 KO Gruppe niedriger, der errechnete mikroskopische E-Modul war hingegen in der Nlgn-3 KO Gruppe niedriger als in den beiden anderen Gruppen. Aufgrund der hohen Auflösung konnte die Stressverteilung in den einzelnen Trabekeln während des simulierten Kompressionstest dargestellt werden. Hierbei zeigte sich eine ähnliche Verteilung der Von-Mises Vergleichsspannung zwischen den drei Gruppen. Der mikroskopische E-Modul konnte in dieser Arbeit mit der Methode der Finiten Elemente berechnet werden. Gleichzeitig bietet die Methode im Vergleich mit herkömmlichen mechanischen Testungen zusätzliche Informationen und kann in Zukunft Tierversuche im Sinne des 3R-Prinzips verfeinern und ersetzen. Es zeigte sich eine mögliche Korrelation zwischen Autismus und herabgesetzter Knochenqualität. Zur abschließenden Klärung sind weitere Studien nötig.