Messung von elastischen- und plastischen Eigenschaften an Knochen

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Aufgrund des demographischen Wandels und der steigenden durchschnittlichen Lebenserwartung sind mehr und mehr ältere Menschen von Knochenkrankheiten betroffen (Osteoporose ist nur eine dieser Knochenkrankeiten). Aus diesem Grund, ist es sehr wichtig, ein verbessertes Verständnis über die Struktur des Knochens sowie seiner elastischen- und plastischen Eigenschaften bis hin zu Risseinleitung und Bruch zu erhalten. Um das zu erreichen, werden optische Methoden für die Messung mechanischer Eigenschaften von Knochen entwickelt. Die Holographische Interferometrie wird an unserem Institut für die Messung der mechanischen Eigenschaften (Dehnungs- und Verschiebungsfelder) eingesetzt.

Prinzip

Die digitale Holographische Interferometrie ist eine berührungslose und flächenhafte Messtechnik. Die Besonderheit liegt darin dass bei digitaler Holografie die Hologramme auf CCD oder CMOS Chips aufgezeichnet werden. Für die Untersuchung von Knochen wurde ein holografische Aufbau verwendet (Bild 1) der es erlaubt die Verformungen längs zwei Komponenten (x, z) gleichzeitig zu erfassen. Um das zu erreichen, wurden zwei Laser und zwei CCD Sensoren verwendet. Es ist praktisch eine Kombination von zwei Messystemen (jeweils mit CCD und Laser), die gleichzeitig die Messung längs verschiedener Richtungen erlauben. Jedes Messsystem registriert digitale Hologramme mit einer Aufnahmefrequenz von 30 Hz.

3DO



 

 

 

 

 

 

Bild 1 . Messaufbau für die Untersuchung von Knochen

Ergebnisse

Während der Messung sind die Proben in Wasser eingebettet (dies ist für das Studium der biologischen Proben wesentlich) und werden mit Hilfe einer speziellen mechanischen Einheit gedehnt bzw. gestaucht. Die Bilder 3 und 4 zeigen ein Beispiel bei dem die Verformungen der Knochenprobe (Bild 2) gemessen wurden. Wir sind in der Lage, die elastischen Eigenschaften des Knochens in sehr kleinen Bereichen (etwa 400 x 200 µm²) genau zu bestimmen. Dies erlaubt uns, die Veränderungen der elastischen Module in unterschiedlichen Bereichen zu visualisieren.

Kochenprobe



 

 

 

 

 

Bild 2. Knochen Probe

xxx

 

 

 

 



 

Bild 3. Out of plane Verformung
Verformung



 

 

 

 


Bild 4. in-plane Verformung

Der Einsatz holographischer Interferometrie für die Untersuchung der elastisch-plastischen Eigenschaften von Knochen bis zum Bruch wurde entwickelt. Dabei werden während des Belastungs-Prozessen (Dehnung) mehrere (z. B. 100) Hologramme registriert. Nach Auswertung können die Phasenbilder (sie enthalten die Information über die Objektverformung) als Funktion der Zeit dargestellt. Im Bild 5 ist eine Folge von 50 Phasenbildern gezeigt. Man kann dabei erkennen, dass in der Mitte des Objekts mehr Streifen sind (grössere Dehnung) und in dieser Region der Knochen brechen wird. Bild 6 zeigt den gebrochenen Knochen nach der Dehnungsversuch.

Phasenbilder

Gebrochene Knochen

 

 

 

 

 

 

 

Bild 5. Phasenbilder des Dehnunsversuchs   Bild 6. Gebrochene Knochen

Referenzen

  1. Zaslansky, P., Pedrini, G., Alexeenko, I., Osten, W., Friesem, A., Weiner, S., Shahar, R., "Static and dynamic interferometric measurements used to determine mechanical properties of cortical bone", in Advances in Mechanics edited by Carmine Pappalettere, pp. 76-77, McGraw-Hill, Milano, 2004
  2. Alexeenko, I., Pedrini, G., Zaslansky, P., Kuzmina, E., Osten, W., Weiner, S., "Digital holographic interferometry for the investigation of the elastic properties of bone", in Advances in Mechanics edited by Carmine Pappalettere, pp. 458-459, McGraw-Hill, Milano, 2004
  3. Pedrini, G., Alexeenko, I., Zaslansky, P. , Osten, W. , Tiziani H. J., " Digital holographic interferometry for investigations in biomechanics" 8th International Symposium on Laser Metrology Macro-, micro-, and nano-technologies applied in science, engineering, and industry, February 14 – 18, 2005 Merida, Yucatan Mexico