13. Jahrestagung der Deutsche Gesellschaft für Biomechanik e. V.

Prof. Dr.

Micromechanical characterisation of osteoarthritic subchondral bone by micropillar compression

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction: Osteoarthritis (OA) is a multifaceted joint disease primarily characterised by cartilage degeneration, causing pain and reduced mobility. Understanding the complex pathogenesis of OA is crucial for improving treatment strategies. Aside from cartilage changes, alterations in subchondral bone play a significant role in OA progression. While the macrostructural alterations are well documented, few studies explore the microscale mechanical properties of the constituent tissue. Our aim was to investigate whether microscale non-linear mechanical and compositional properties of OA subchondral bone differ from healthy bone. Materials: Micropillars with an average height of 143.1 µm and taper angle of 12.3°, were extracted by picosecond laser ablation in the subchondral bone plate (BP) and trabeculae (TB) of distal tibia specimens resected from 3 cadaveric donors (ND) and 2 arthroplasty patients (OA). Micropillars were hydrated and compressed uniaxially with a cyclic loading profile to a depth of 15 µm. In silico micropillar compression was used to back-calculate the constituent elastic (E0) and yield (σ0-) properties of each pillar. We used power law regression to evaluate whether variables attributed to the mineral and collagen phases, measured by quantitative backscattered electron microscopy (qBEI) and Raman spectroscopy, could explain the variability of the mechanical properties. Results &amp; Conclusion: ND and OA pillars exhibited a median (IQR) E0 of 7.83 (2.94) GPa and 8.23 (2.78) GPa and σ0- of 49.09 (21.88) MPa and 54.00 (25.63) MPa. Only σ0- was significantly different between the ND and OA trabeculae pillars. Power law regression revealed that the mineral density measured by qBEI was the primary explanatory compositional variable for predicting E0 and σ0-. The results suggest that microscale mechanical properties are largely unaffected by the progression of OA, especially in the context of drastic morphological changes that occur in late-stage OA.

Biologische Gewebe (Knochen, Knorpel, Muskel, Bänder, Meniskus, Organe)

Vortrag

Einfluss von zeitlicher Koordination und Gesamtvolumen mechanischer Belastung auf die Anpassung der Achillessehne in vivo

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung Sehnen passen sich an mechanische Belastung an. In der akuten Belastungsreaktion von Sehnen ist dabei nach 24 bis 48 Stunden eine vorübergehende positive Nettokollagensynthese erkennbar, die möglicherweise ein günstiges Zeitfenster für erneute Belastungen darstellt. Zudem deutet sich bei einer Steigerung des Belastungsvolumens eine Sättigung der anabolen Zellreaktion an. Ziele Vor diesem Hintergrund wurden in dieser Längsschnittstudie die folgenden Hypothesen untersucht: (a) Eine hohe Reizdichte (24-48h zwischen Belastungen) ruft eine stärkere Anpassung der Achillessehne hervor als eine niedrigere. (b) Ein mittleres Belastungsvolumen löst zwar stärkere Effekte aus als ein niedriges, eine weitere Steigerung zeigt jedoch keine größere Wirkung. Materialien &amp; Methoden Die beiden Beine von 39 männlichen Erwachsenen wurden jeweils zwei aus fünf Belastungsprotokollen zugeordnet, in denen die Reizdichte (2,5 bzw. 5 Einheiten pro Woche) und Gesamtbelastung (180 bis 300 s hohe Sehnenbelastung pro Woche) systematisch moduliert wurde. Vor und nach acht bzw. 16 Wochen Intervention wurden die mechanischen und morphologischen Eigenschaften der Achillessehne durch eine Kombination aus Ultraschall- bzw. MRT-Bildgebung und Kinetik bestimmt. Ergebnisse Die Datenanalyse zeigte eine signifikante Zunahme von Muskelkraft, Steifigkeit und Querschnitt der Sehne, ohne deutliche Unterschiede in der Wirksamkeit zwischen den Belastungsprotokollen. Unabhängig von Reizdichte und Gesamtvolumen zeigte die Steifigkeit der Sehne vorwiegend innerhalb der ersten acht Wochen eine deutliche Zunahme und ließ sich primär auf eine Veränderung der Materialeigenschaften zurückführen. Zusammenfassung Die Studienergebnisse legen den Schluss nahe, dass bei ausreichend hoher Belastung bereits ein geringes Gesamtbelastungsvolumen zu einer deutlichen Adaptation der Sehne führen kann. Die zeitliche Koordination von Belastung und Erholung scheint dabei jedoch sekundär zu sein.

Prof.

Prof. , Dr.

Comparison of muscle path predictions using OpenSim and a novel geodesic model

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction Muscle forces in musculoskeletal modeling rely on the force-length relationship. Accurate muscle path prediction is crucial, typically assumed as straight lines and deviated using via points or wrapping surfaces. However, the modelled paths often exhibit inconsistencies and bone penetrations. To address this, we introduced a novel geodesic muscle path model[1,2]. Objective Our goal is to predict realistic and consistent muscle paths over multiple bony surfaces using geodesics. We aim 1) to achieve muscle paths with zero bone penetration, 2) to prevent jumps of muscle paths and 3) to compare our predictions against those of the established OpenSim framework and against experimental muscle moment arms[3]. Method and Result We approach the geodesic problem as a constrained optimisation with specified boundary conditions at the muscle origin and insertion points. Notably, our method guarantees zero penetration, contact and leave the bone surface tangentially and allow the incorporation of desired properties in the objective function, such as ensuring a smooth change in muscle length. To test our framework, we developed several multi-body models with increasing complexity and number of muscles[1,4]. For each model, the geodesic method predicts consistent muscle paths and shows improvement compared to current solutions in OpenSim, with no bone penetration and prevent jumps. Both geodesic and OpenSim models were in close agreement with the experimental moment arm data. Acknowledgment This work was partly funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – SFB 1483 – Project-ID 442419336, EmpkinS and the Centre for Biomedical Technologies (QUT). PP acknowledges support from the Australian Research Council (IC190100020). [1] Penner et al. Multibody System Dynamics 56 (2022) [2] Scholz et al. Multibody System Dynamics 36 (2016) [3] Hik et al. Journal of Anatomy 234 (2019) [4] Audenaert et al. Computer Methods and Programs in Biomedicine 92 (2008)

Prof. Dr.-Ing.

Fully automated analysis of cartilage composition based on MRI transverse relaxation time (T2) – clinical validation in ACL-injured knees in the OA-BIO eurostars project

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction: MRI cartilage transverse relaxation time (T2) was shown to reflect matrix collagen and hydration composition, histological grading, mechanical properties, and early osteoarthritis status. Purpose: To compare automated vs. manual cartilage segmentation for MRI T2 analysis in terms of a) segmentation agreement, b) cross-sectional and longitudinal T2 accuracy, c) sensitivity to between-group differences of knees that sustained anterior cruciate ligament (ACL) injury. Methods: We studied 20 ACL-deficient patients with dynamic instability (non-copers; 162±91d post-injury), 22 ACL-deficient without instability (copers; 162±91d), 13 with surgical ACL reconstruction (104±65d), and 16 healthy controls. Sagittal MESE MRI (1.5T, TEx7: 9.7-68ms) was acquired at baseline (n=71) and 1-year later (n=55). Femorotibial cartilage plates were manually segmented by experienced readers, with quality control. The CNN algorithms were trained on MESE data from another study acquired with the same scanner (n=50). T2 was extracted from deep (50%) and superficial (50%) cartilage. Results: Mean Dice Similarity Coefficients (DSCs) of automated vs. manual segmentation were 0.89 in the tibia and 0.83 in the femur. Deep layer femorotibial T2 was similar for automated (45.7±2.6ms) and manual (45.7±2.7ms) analyses, but superficial T2 was slightly overestimated by the automated (53.2±2.2ms) vs. manual (51.1±2.1ms) approach. Correlation of T2 by both approaches was r≥0.91 for deep and ≥0.86 for superficial layers. A significant (p&lt;0.05) longitudinal T2 increase was seen in the deep layer of the lateral femur, but not in other regions, using both methods. No relevant differences in baseline or longitudinal T2 were detectable between the ACL-injury groups vs. the healthy volunteers, using either method. Conclusions: An automated, CNN-based approach of cartilage T2 analysis is clinically reliable at 1.5T for analyzing cartilage composition with MRI, cross-sectionally and longitudinally.

PD Dr. med. habil

Entwicklung patientenindividueller 3D-gedruckter Wirbelreplikate

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Einleitung Die komplexe Architektur der Spongiosa stellt aufgrund der Heterogenität eine große Herausforderung für die Entwicklung von individuellen Knochenreplikaten dar. Ziele Ziel der Studie ist die Entwicklung und Integration einer parametrisierbaren Gitterstruktur als individuelle Abstraktion der Spongiosa in lumbalen Wirbeln. Materialien &amp; Methoden In 43 Wirbel von sechs Spendern (86.8±7.8 Jahre) wurden randomisiert auf einer Seite eine Pedikelschraube in klassischer Trajektorie instrumentiert und die maximale Auszugskaft Fmax bestimmt. Auf der Gegenseite wurde eine zylindrische Spongiosaprobe (Ø6x12mm) entnommen und im Druckversuch geprüft. Aus CT-Daten erfolgte die Bestimmung der Hounsfield-Einheiten (HU). Parallel wurde eine hexagonale Gitterstruktur modelliert, die durch das Verhältnis aus Stablänge L und Stabdicke t definiert ist. Die Charakterisierung des Gitters erfolgt durch 3D-Druck (Formlabs) und Druckversuche mit zylindrischen Proben. Zuletzt werden zwei Wirbel auf Basis ihrer HU rekonstruiert, je fünf Exemplare gefertigt, mit Pedikelschrauben instrumentiert und die Auszugskräfte ermittelt. Ergebnisse Es wurden signifikante Zusammenhänge sowohl zwischen der Druckfestigkeit vertebraler Spongiosa und den HU, als auch zwischen der Druckfestigkeit des Gitters und dem Verhältnis t/L nachgewiesen. Die Replikate weisen höhere Fmax als die entsprechenden Wirbel auf. Die Werte liegen jedoch innerhalb der Spannweite aller Humanversuche. Zusammenfassung Die Integration des Gitters in beliebige Konturen ermöglicht die Erzeugung individueller Knochenmodelle. Derartige Modelle ermöglichen nicht nur individuelle Testungen, sondern auch die reproduzierbare Erzeugung und Veränderung spezifischer Charakteristika (z.B. Osteoporose) und damit die Möglichkeit zur Simulation von Versorgungsstrategien und deren gezielte biomechansiche Testung. Abb. 1: Druckversuche mit Humanproben (links) und Gitterproben (rechts) Abb. 2: Ergebnisse der Auszugsversuche

Infrared thermography as a monitoring-tool in youth elite soccer players

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Introduction Infrared thermography is increasingly established as an effective measure to detect injuries in soccer. This imaging method is characterized by objectivity, radiation-free operation, and non-invasiveness, and detects early signs of muscular overexertion based on surface skin temperatures on adults [1]. Most of these studies were conducted on adults [2]. Therefore, adolescents represent an unexplored population. Aims The present study investigated how leg skin temperatures change following soccer-specific training or resting period in youth elite soccer players. Methods Participants (n=12; Mean±SD: 15.67 ± 0.49 yrs) acclimatized to the room conditions and completed a short questionnaire. During each session, thermal images were taken using an infrared thermal camera. In the resting session, images were taken after two days of rest. In the training session, measurements were taken after two days of training. Skin temperatures were statistically analyzed. Results For both measured sessions, thermal images showed no significant asymmetries between left and right leg. However, descriptively, training induced an increase of temperature asymmetries. The training session induced a significant temperature increase for both anterior and posterior regions (table 1). Conclusion In this study, thermal images were shown to constitute a suitable tool to detect training-induced temperature changes. It is important to consider the appropriate timing of thermal images being taken. Further studies are needed to investigate asymmetries over a longer period of time in adolescents. [1] Gebert, A. et al. (2015) GJSM, 66(9). [2] Kumar, P. et al. (2022) JCOT, Vol. 24. Table 1: Mean±SD temperature in °C between legs on two days of training; A, B, C and D= statistic significant (p˂0.05)

Ist das Iliosakralgelenk ein vorgespanntes Feder-Dämpfer-System? Eine Vorspannungsanalyse des Ligamentum sacrotuberale

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Fragestellung Ziel dieser Studie war es, die intrinsische Vorspannung des Ligamentum sacrotuberale zu untersuchen, um die These der ligamentären Zuggurtung als mögliche Lastverteilungsvariante innerhalb des lumbopelvinen Systems zu prüfen. Methoden Es wurden Vorspannungsmessungen in situ an 20 Proben von 10 menschlichen Spenderkörpern durchgeführt und statistisch ausgewertet. Ergebnisse Das Ergebnis war eine unerwartet hohe Vorspannkraft mit einem Gesamtmittelwert von 118 N ± 74 N. Trotz signifikantem Altersunterschied zwischen Frauen und Männern in der Kohorte (Median 94 vs. 77 Jahre) gibt es erste Hinweise auf die geschlechtsabhängige Vorspannkraft des Ligamentum sacrotuberale mit einem Durchschnittswert von ca. 65 N für die 10 weiblichen und 172 N für die 10 männlichen Proben. Die Beurteilung weiterer Einflussfaktoren sowie deren statistische Auswertung zeigte ebenfalls eine Abhängigkeit der Vorspannkraft von Körpergröße, Alter und Elastingehalt. Schlussfolgerungen Das Ligamentum sacrotuberale ist somit in situ deutlich stärker vorgespannt als bisher in der Literatur angenommen. Entgegen den meisten Vermutungen ist es daher möglicherweise auch beim lebenden Menschen in aufrechter Haltung unter Muskelbelastung stärker vorgespannt. Dies führt zu der Hypothese, dass die Stabilität des Beckens stärker von der Vorspannung der Bänder abhängt als bisher erwartet. Diese Überlegungen spielen eine nicht zu unterschätzende Rolle bei numerischen Simulationen der Funktion des Iliosakralgelenks. Abb. 1: Vorspannungsmessung am Ligamentum sacrotuberale a: Präparation b: Messung c: Durchtrennung des Ligamentes d: Probenentnahme zur Querschnittsbestimmung Abb. 2: Ergebnisse zur Geschlechtsabhängigkeit a: Gemessene Vorspannkraft b: Vorspannung anhand des errechneten ligamentären Querschnitts

Entwicklung einer Methodik zur Analyse der Anisotropie im trabekulären Beckenknochen

Abstract-Text (inkl. Referenzen und Bildunterschriften) Die biomechanische Forschung hat sich bisher hauptsächlich auf die trabekuläre Struktur des Femurs konzentriert, was wesentlich zur Entwicklung und Optimierung von Endoprothesen beigetragen hat. Die trabekuläre Struktur des Beckens kann ebenfalls wertvolle Informationen für die Optimierung des Designs von acetabulären Implantaten liefern. Ziel dieser Studie war es daher, eine Methodik zu entwickeln, um mögliche Vorzugsrichtungen der Trabekelstrukturen im Becken systematisch identifizieren zu können. In dieser Studie wurden 5 humane Becken (w:4, m:1) mittels Mikro-CT (Auflösung 100 µm) untersucht, um hochauflösende Bilder der trabekulären Knochenstruktur zu erhalten. Die Bilder wurden anschließend mit der Software Dragonfly segmentiert (U-Net++), um die spongiöse Struktur des Beckenknochens zu isolieren. Für die detaillierte Analyse der Spongiosa wurden definierte Volumenelemente (5x5x5 mm) generiert und mit einer angepassten Mean Intercept Length (MIL) Methode in Dragonfly analysiert. Diese Analyse ermöglichte es, die Anisotropie der trabekulären Strukturen im Becken als Vektorfeld räumlich darzustellen. Die Vektorfelder der Spongiosastruktur im Becken wurden visuell analysiert (Abb. 1 &amp; 2). Die Auswertungen ergaben verschiedene Vorzugsrichtungen der Trabekel, die den Ansatzpunkten der Muskeln und Bänder sowie dem Kraftfluss vom Iliosakralgelenk zum Acetabulum entsprechen. In dieser Studie waren hochauflösende Bilder und mehrere Segmentierungsiterationen grundlegend für die Anisotropieanalyse. Die Trabekel waren hauptsächlich entlang des Kraftflusses zwischen Iliosakralgelenk und Acetabulum ausgerichtet. Der methodische Ansatz über die MIL-Analyse war quantitativ, während die Bewertung der Vektorfelder bisher visuell und qualitativ erfolgte. Eine umfassende quantitative Analyse der einzelnen Vektorstränge ist noch ausstehend. Allerdings lieferten die vorhandenen Daten bereits aussagekräftige visuelle Ergebnisse im Becken.

Session 15
Biologische Gewebe

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