Abbildung anisotroper Steifigkeitsgradientenverläufe über den Querschnittsverlauf spongiösen Knochens im proximalen Femur

Abstract

Hintergrund: Die Erhebung der Bone Mineral Density, der Knochenmaterialdichte, welche im Kontext der endoprothetischen Versorgung u.a. der Hüfte verwendet wird, lässt keine präzise Aussage über die mechanischen Eigenschaften der vorhandenen Knochenqualität zu. Hierfür müssen die Werkstoffeigenschaften insbesondere des trabekulären Knochens mitberücksichtigt werden. Zur Erfassung dieser Materialeigenschaften soll in der vorliegenden Arbeit eine Prüfmaschine inkl. aller Peripherien entwickelt und validiert werden. Methodik: Die Validierungsmessungen für E-Modul und Geometriemessung erfolgen anhand eines 0,3 mm dicken Messingdrahtes (MS58 mit E = 96 GPa). Für die Geometrieerfassung wird ebenfalls betrachtet, ob es über betrachtete Bildbereiche zu relevanten Bildverzerrungen durch das verwendete Kamerasystem vorliegt. Die Belastungsgeschwindigkeit von Messproben wird ebenfalls mittels eines etablierten Messystems validiert. Schlussendlich werden 15 humane Trabekel des proximalen Femurs mit der neuen Prüfmaschine vermessen. Ergebnisse: Die Ermittlung des E-Modul des MS58 Drahtes ergab 91,62 ± 7,17 GPa im Zugversuch und 94,79 ± 2,78 GPa für die vorgestellte Prüfmaschine. Die Belastungsgeschwindigkeit beträgt 0,3175 ± 0,0055 mm/s bei einer Verfahrstrecke von 0,958 ± 0,016 mm ermittelt für Prüfmaschine und Validierungsmessung. Über den Gesamten Bildbereich wurden die Messobjektquerschnitte mit 0,294 ± 0,005 mm, respektive 120,16 ± 0,41 Pixel erfassen (Gruppen (F (19, 220) = 0,42, p = 0,9849)). Schlussfolgerungen: Die geringen Abweichungen zu Literaturangaben und zur Vergleichsmessung der E-Modul sowie Wegbestimmung lassen auf ein reliables Verfahren schließen. Das Ergebnis der Bildverzerrungsbetrachtung geben keinen Anhalt dazu das eine signifikante Bildverzerrung vorliegen könnte. Messungen an humanen Trabekeln lieferten Ergebnisse zwischen 1,57 GPA und 12,01 GPa, die hinsichtlich der Literaturwerte auf ein robustes Verfahren schließen lassen, das konsistente Ergebnisse liefert.