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Mikroelastische Bildgebung von Knochen

Knochen besteht aus einem hierarchisch aufgebauten, heterogenen Gewebe, dessen Eigenschaften sich kontinuierlich verändern. Der hierarchische Aufbau und die hohe Ordnungsstruktur verursachen anisotrope (richtungsabhängige) elastische Eigenschaften, die in jeder Organisationsebene unterschiedlich sein können. Pathologien, z.B. Osteoporose führen zum Verlust mechanisch-funktioneller Eigenschaften bis hin zum Organversagen. Eine individuelle Erhöhung des Frakturrisikos wird nicht nur durch einen Verlust von Knochenmasse, sondern auch durch eine Vielzahl von kompositionellen und ultrastrukturellen Veränderungen der mineralisierten Knochenmatrix verursacht.

Ziel der Arbeit war die Entwicklung von Methoden, mit denen die heterogenen und anisotropen Struktur- und Materialeigenschaften von kortikalem Knochen hochaufgelöst quantifiziert werden können. Hochauflösende quantitative akustische Impedanzverteilungsmessungen wurden für die Ableitung elastischer Parameter der Knochenmeso- und -mikrostruktur entwickelt. Der Einfluss der Gewebemineralisierung auf elastische Parameter wurde durch Kombination akustischer Messungen mit Ramanspektroskopie und Synchrotron-Mikrocomputertomographie untersucht und es wurden Modelle entwickelt, welche die Beziehungen zwischen Gewebemineralisierung, Massendichte, akustischer Impedanz, Schallgeschwindigkeit und anisotropen elastischen Parametern beschreiben.

Das Potential der kombinierten Erfassung von Struktur- und Elastizitätsparametern wurde in mehreren Studien gezeigt. Darüber hinaus wurde durch die Kombination der experimentellen mikroelastischen Daten mit Finite-Elemente-Modellen die Basis für realitätsnahe numerische mikromechanische Deformationsanalysen geschaffen.

Akustische Impedanzverteilungsbilder von humanen, nativ präparierten Femurquerschnitten

Akustische Impedanzverteilungsbilder von humanen, nativ präparierten Femurquerschnitten. Bei einer Frequenz von 50 MHz (a) können die Havers-Kanäle gut vom mineralisierten Gewebe unterschieden werden. Das kleine rechteckige Fenster wurde nochmals mit einer Frequenz von 200 MHz gemessen (b). Im oberen linken Teil des Bildes können Reste der äußeren Generallamelle gut von osteonalem und interstitiellem Gewebe unterschieden werden. Die großen dunklen Areale sind Havers-Kanäle, die kleinen Punkte entsprechen Osteozytenlakunen. Bei einer Frequenz von 900 MHz stellt sich das den Havers-Kanal umgebende osteonale Gewebe als lamelläre Struktur mit einer charakteristischen periodischen Impedanzvariation dar. Die Osteozytenlakunen erscheinen als kleine, elliptisch geformte Areale.