Measurement of mechanical strains

Messung mechanischer Belastungen an der Oberfläche biologischer Gewebe

Knochen ist ein faszinierendes, lebendiges und intelligentes tragendes Gewebe. Es unterstützt den Körper, erleichtert die Fortbewegung und schützt die inneren Organe. Das Verständnis der mechanischen Eigenschaften des Knochens hilft bei der Entwicklung von Behandlungen und klinischen Anwendungen, die sich für komplexere und personalisierte Lösungen eignen.
Biologische Gewebe sind im Allgemeinen inhomogen und anisotrop. Um das mechanische Verhalten biologischer Gewebe zu verstehen, ist eine vollständige Beschreibung dieses Verhaltens über die gesamte Geometrie und Form der Probe erforderlich. Die mechanischen Eigenschaften von Knochen und Weichteilen wurden mit verschiedenen Ansätzen, wie In-vitro-Experimenten und numerischen Modellen, umfassend untersucht. Dehnungsmessstreifen (DMS) gelten aufgrund ihrer hohen Genauigkeit als Goldstandard für Dehnungsmessungen an der Knochenoberfläche. Messungen mit den SGs erlauben jedoch nur die Bewertung diskreter Punkte und liefern keine Verteilung der Vollfeldspannung auf der Oberfläche der Probe. Darüber hinaus erfordern SGs eine detaillierte Oberflächenvorbereitung. Eine schlechte Vorbereitung kann zu äußerst ungenauen Ergebnissen führen. Transducer und Extensometer wurden ebenfalls verwendet, um die globale Dehnung im Knochen zu messen. Alle drei früheren Dehnungsmessverfahren bewirken eine Störung der Ergebnisse aufgrund ihres Beitrags zur Tragfähigkeit und führen zu einer systematischen Unterschätzung der tatsächlichen Dehnungsverteilung.
In den letzten Jahren ermöglichten optische Messverfahren, die auf digitaler Bildkorrelation (DIC) und Rechenleistung basieren, die berührungslose Messung ganzer Oberflächen. Damit überwinden sie die Begrenzung der Kontaktierung der Oberfläche und die Verfügbarkeit einzelner Messpunkte.
Die DIC hängt von der Verfolgung der Verschiebung der erkannten Merkmale (Flecken) auf der Probenoberfläche ab. DIC verfolgt die Verschiebung zwischen verformten und unverformten digitalen Bildern der Oberfläche. Basierend auf den digitalen Bildern wird eine Vollfeld-Verschiebungskarte berechnet, aus der eine Vollfeld-Belastungskarte abgeleitet wird. Die Genauigkeit der DIC hängt von der Qualität der Flecken, den Messbedingungen (Größe und Verteilung von Licht und Flecken) sowie von verschiedener Software (Facetten- und Rastergröße) ab und Hardware-Parameter (Optik und Kameraauflösung), die optimiert werden müssen. Trotz der vielseitigen Vorteile des DIC-Ansatzes bei der Ermittlung von Vollfeld-Dehnungsmessungen an der interessierenden Oberfläche wurde die DIC für Messungen an biologischen Proben und insbesondere an Knochen noch nicht vollständig ausgenutzt.
Die Ziele dieser Studie sind: (i) eingehende Untersuchung der Genauigkeit und Präzision des DIC-Verfahrens auf der Grundlage standardisierter metallischer und polymerer Proben unter Nulllast durch Auswertung der Größe und Verteilung des Fleckenmusters, (ii) Validierung der Genauigkeit und Präzision von DIC DIC-Messsystem gegen einen präzisen Extensometer; (iii) die Verteilung der 3D-Vollfeldspannung auf der Oberfläche von biologischem Gewebe wie Knochen- und Sehnenproben bewerten; (iv) praktische Leitlinien zur Verfügung stellen, wie die Vorteile der DIC-Anwendung zur Messung von Belastungsfeldern an biologischem Hart- und Weichgewebe genutzt werden können.