Modellierung des Knochenumbaus
Das menschliche Skelett ist ein komplexes, hierarchisches System, bei dem sich Veränderungen räumlich manifestieren, von der Zell- bis hin zur Körperebene und im Laufe der Zeit. Diese mehrskalige Natur des Knochenumbaus erfordert einen Modellierungsansatz, der in der Lage ist, mehrere Prozesse zu erfassen und in unterschiedliche Zeit- und Raumskalen zu setzen. Eine solche mathematische Beschreibung ist nicht nur wichtig, um die adaptive Natur der Knochen zu verstehen, sondern auch um Modelle zu bauen und den Entwurf von Knochenimplantaten zu unterstützen oder bei der Diagnose von Krankheiten zu helfen. Zu diesem Zweck erforschten EU-finanzierte Wissenschaftler ein neues Werkzeug, um die Deformation in allen Zell- und Gewebeebenen zu quantifizieren. Im Rahmen des Projektes MAMBO (Methodologically accurate modelling of bone: New experimental methods for the validation of cortical bone tissue computer models) präparierten die Wissenschaftler Knochenproben aus tierischem Gewebe. 3D-Bilder dieser Proben wurden während eines schrittweisen Belastungsvorgangs und digitaler Volumenkorrelation (DVC) gesammelt, um die lokalen Verschiebungen und Verformungen zu verfolgen. Einer der vielen Vorteile von DVC war die Möglichkeit, sich auf hochauflösende Mikro-Computertomographie-Scans zu verlassen, um den Vollfeld-3D-Verschiebungsvektor zu erhalten. Danach wurden die Verschiebungsfelder durch numerische Differenzierung differenziert, um Stammkarten zu produzieren. Drei verschiedene Strategien wurden für diesen Zweck untersucht: zwei lokale Ansätze basieren auf der direkten Korrelation und auf schnellen Fourier-Transformationen, und ein globaler Ansatz auf dem Sheffield image registration toolkit (ShIRT) integrierte sich in einen Finite-Elemente-Solver. Durchschnittliche Fehler und Fehler, die einzelne Komponenten von Verschiebungen und Stämme betreffen, wurden in Abhängigkeit von den Registrierungsparametern berechnet. Der neue globale Ansatz, der auf ShIRT basiert, bot eine genauere Berechnung der Stämme für kortikale und trabekuläres Knochengewebe. Dieser Algorithmus wird derzeit als die zuverlässigste Methode anerkannt, von denen in der Literatur berichtet wird. Deformationen werden genau berechnet, doch eine typische räumliche Auflösung von etwa 500 μm könnte nicht immer ausreichend sein. Das MAMBO-Projekt hat deshalb einen Rahmen für Validierungsexperimente für die Erprobung neuer Rechenmodelle von Knochen auf Gewebeebene definiert. Das Verfahren wurde durchgeführt, um Rechnermodelle für trabekuläre Knochen zu validieren, indem zwei unabhängige abgestufte Testprotokolle innerhalb desselben microC-Scanners durchgeführt wurden. Die Ergebnisse berichteten von ausgezeichneten Korrelationen zwischen Verschiebungen, die mit dem DVC-Ansatz gemessenen wurden und jenen, die durch probenspezifische auf microCT basierten Finite-Elemente-Modelle vorhergesagt wurden. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zur Validierung von Rechenmodellen, die verwendet werden können, um Knochenumbau, Knochengewebe Festigkeit und Knochenbruchverhalten zu untersuchen.
Schlüsselbegriffe
Knochenumbau, menschliches Skelett, MAMBO, Knochengewebe, Knochenbruch