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Bestimmung elastischer und viskoelastischer Kenngrößen von Knochenproben unter Langzeitkultur-Bedingungen mit einem neuartigen softwaregesteuerten elektro-mechanischen Belastungs- und Messsystem

机译:使用新型软件控制的机电负载和测量系统确定长期培养条件下骨样品的弹性和粘弹性参数

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摘要

Die Arbeit beschreibt zunächst die Entwicklung eines Messsystems (sog. ZETOS-System) zur Bestimmung der Steifigkeit (dargestellt als Elastizitätsmodul) von Knochenproben in Langzeit-Bioreaktoren. Dieses System ermöglicht auch dynamische Stimulationen der Knochen mit Standard-Signalen (Sinus, Rechteck) sowie die Verwendung von beliebigen oder typischen physiologischen Signalen, wie z.B. u84Gehenu93, u84Springenu93 und u84Laufenu93, aufgenommen als sog. Gound-Reaction Forces, zur mechanischen Knochenstimulation. Optional können Softwarefilter (Hochpass, Tiefpass) eingeschaltet werden. Aufgrund der eindimensionalen Messung und Belastung kann der elastische Tensor nicht vollständig bestimmt werden. In einer Langzeitmessreihe wurden Trabekel-Knochenproben aus einem humanen Hüftkopf mit dem physiologischen Signal u84Springenu93 5 Minuten pro Tag stimuliert. Es zeigte sich eine deutliche Zunahme der Steifigkeit von fast 2%/Tag, während die Knochen einer Kontrollgruppe unverändert blieben. Eine dritte Gruppe von Knochenproben wurde ebenfalls mit u84Springenu93, jedoch Hochpass gefiltert stimuliert. Durch die fast gleiche Zunahme der Steifigkeit dieser Knochen wurde anhand des Signals u84Springenu93 gezeigt, dass allein höherfrequente Spektralanteile für bone-remodeling ausreichend sind. Mit den Daten dieser Messreihe wurde erstmals die Frage der Entstehung und Bedeutung des nichtlinearen Verkaufs der Messkurven (Kompression gegen Kraft) des ZETOS-Systems durch die Existenz der von mir genannten u84Kontaktflächenfunktionu93 beantwortet. Dieser Effekt entsteht durch Rauhigkeiten der Schnittfläche u96 dem Oberflächenkontakt. Modellrechnungen erklären folgendes: - eine grobe Abschätzung der Standardabweichung der Rauhigkeit der Schnittflächen - den Unterschied zwischen der außen gemessen Dehnung und der Dehnung im Knochenkern - die Unmöglichkeit der Bestimmung des wahren Elastizitätsmoduls des kalzifierten Anteils der Knochenkörper (der als linear im üblichen Sinne betrachtet werden darf) aus der Tatsache, dass die Dehnung mit Rücksicht auf die Vermeidung physiologischer Überlast auf kleine Werte beschränkt sein muss. Die Messdaten wurden zusätzlich numerisch wie folgt verarbeitet: - erste Ableitung Kompression gegen Kraft (kraftabhängige Nachgiebigkeit): Daraus wurde eine Methode zur Bestimmung der Kontaktflächenfunktion aus Messdaten abgeleitet. Es zeigte sich, dass diese Funktion keine strenge Invariante über den gesamten Messzeitraum und an der Veränderung des Messwertes des Elastizitätsmoduls wahrscheinlich beteiligt ist. Dieser Effekt ist aber nur schwach. - Integration (potentielle Energie): Daraus entstand eine alternative Methode zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls, die mit Einschränkungen eine simultane Anwendung der Messung des scheinbaren Elastizitätsmoduls während dynamischer Stimulation erlaubt. Während der Langzeitmessreihe wurden auch Relaxationsmessungen vorgenommen. Dabei wurden zwei Zeitkonstanten festgestellt: im Mittel bei 0,4 und bei 20 Sekunden. Die kleinere der beiden Zeitkonstanten muss in ihrer Umgebung in ein kontinuierliches Relaxationszeitenspektrum entwickelt werden, um den gemessenen zeitlichen Kraftverlauf bei Relaxation richtig approximieren zu können. Die Datenverarbeitung erlaubt u.a. die Darstellung der Frequenzabhängigkeit des Speicher- und des Verlustmoduls sowie den Verlustfaktor und die Phasendifferenz zwischen Kompression und Kraft im Falle harmonischer Anregung. Für die Messung des statischen (relaxationsfreien) Elastizitätsmoduls entsteht die Forderung einer Messzeit von ca. 3 Minuten. Beim Vergleich der Modulspektren aus Relaxationsmessung mit den Spektren der physiologischen Stimulationssignale zeigte sich eine Selektivität der Knochen: Energiedissipation tritt bei u84Gehenu93 und u84Springenu93 auf, im Falle von u84Laufenu93 jedoch deutlich schwächer, was vermutlich der Ausdauer beim Laufen (Flucht-, Jagd-, Angriffsverhalten) dienen soll.
机译:这项工作最初描述了一种测量系统(所谓的ZETOS系统)的开发,该系统用于确定长期生物反应器中骨骼样品的刚度(表示为弹性模量)。该系统还能够利用标准信号(窦,正方形)动态刺激骨骼,以及使用任何或典型的生理信号,例如骨骼肌信号。进行机械骨骼刺激时,记录为所谓的声响反应力(Gound-Reaction Forces)。可选地,可以打开软件过滤器(高通,低通)。由于一维测量和加载,弹性张量无法完全确定。在长期测量系列中,每天用生理信号“跳跃”刺激来自人类股骨头的小梁骨样品,持续5分钟。刚度几乎每天增加2%,而对照组的骨骼保持不变。第三组骨骼样品也受到跳跃刺激,但高通滤波。由于这些骨骼的刚度几乎相等地增加,因此根据信号跳跃可以看出,仅较高的频谱分量就足以进行骨骼重塑。利用这一系列测量的数据,我提到的接触面函数的存在首次回答了ZETOS系统的测量曲线的非线性出售(抗压力)的起源和含义问题。该效果源自切割表面的粗糙度和表面接触。模型计算解释了以下内容:-切割表面粗糙度的标准偏差的粗略估计-外部测得的伸长率与骨芯伸长率之间的差异-无法确定计算出的骨体部分的真实弹性模量(通常可以认为是线性的) ),因为必须避免将拉伸限制在较小的值,以免造成生理超负荷。还对测量数据进行了如下数字处理:-首先推导抗力压缩(依赖于力的依从性):由此,从测量数据中得出确定接触表面功能的方法。结果表明,该函数在整个测量周期内不是严格不变的,可能与弹性模量的测量值变化有关。但是,这种效果只是微弱的。 -积分(势能):这产生了确定弹性模量的替代方法,该方法有限制地允许在动态刺激期间同时使用表观弹性模量的测量。在长期测量系列中也进行了弛豫测量。确定了两个时间常数:平均为0.4秒和20秒。两个时间常数中较小的一个必须在其环境中发展为连续的弛豫时间谱,以便能够正确地近似弛豫过程中测得的时间力曲线。数据处理尤其可以在谐波激励的情况下,表示存储和损耗模块的频率依赖性以及损耗因数以及压缩和作用力之间的相位差。为了测量静态(无松弛)弹性模块,需要大约3分钟的测量时间。将松弛测量的模块光谱与生理刺激信号的光谱进行比较时,显示出骨骼的选择性:在跑步时,能量耗散发生在行走时,能量显着减弱,这可能是跑步时的耐力(逃生,狩猎,攻击行为)应该起作用。

著录项

  • 作者

    Bröckmann Eckhard;

  • 作者单位
  • 年度 2004
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 {"code":"de","name":"German","id":7}
  • 中图分类

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