Motivation: Bone is a remarkable, living material which has the ability to adapt to its mechanical environment. As a result, the characteristic loading patterns of habitual activities shape the bone both externally and internally. While a lot of research focuses on predicting changes of bone architecture (i.e. external shape and internal structure) due to altered loading conditions or diseases, little was so far done to make use of the process of bone adaptation in a different way: Given a well-adapted bone architecture, it might be feasible to estimate its loading history and, ultimately, to make inferences about habitual activities of the respective individual. Goals: The primary goal of this thesis was to investigate the feasibility of predicting habitual activities from bone architecture using a biomechanical approach. Considering bone loads as the intermediate link between activity and bone architecture, the subgoals were to investigate (1) the possibility of predicting bone loads from bone architecture and (2) the possibility of associating predicted bone loads with specific habitual activities.
Methodological approach: The feasibility of predicting activities from bone architecture was tested by predicting habitual manual activities of humans and non-human primates (manipulation/tool use, climbing/suspension, knuckle-walking) from metacarpal bone architecture. Two biomechanical methods were used to fulfil the subgoals of this thesis: (1) A micro-finite element-based inverse remodelling algorithm was used to predict bone loads from bone architecture. The algorithm was first tested on human proximal femora to investigate its plausibility and robustness and then applied to primate metacarpal bones to detect activity-related differences of joint loads. (2) Musculoskeletal models of a human and bonobo finger were used to investigate the relation of habitual activities to bone loading. The models were first implemented and adjusted to in vitro experimental data and then used to predict differences of joint loads acting on the metacarpal bone by applying in vivo experimental data collected during various habitual activities.
Main results: (1) Application to the proximal femora showed that the inverse remodelling algorithm delivers coarse but plausible estimates of joint loads that are robust enough for interspecies comparisons. Application to the metacarpal bones revealed that the algorithm is suffi- ciently sensitive to detect activity-related differences of joint loads, although these differences were smaller than expected. (2) The adjustment of the human and bonobo musculoskeletal finger models to in vitro experimental data highlighted both the models’ parameter sensitivity and the need for model optimization to obtain accurate predictions. The application of in vivo data showed that differences of the magnitude and direction of joint loads acting on the metacarpal bone during the investigated habitual activities are evident but smaller than external loading and finger posture would suggest.
Conclusions: Taken together, the results suggest that the prediction of habitual activities from bone architecture is feasible with this biomechanical approach only if the respective differences of actual bone loads are large enough (e.g. knuckle-walking vs. manipulation/tool use activities). The fact that actual bone loads might deviate from expectations based on observations of external loading and posture warrants the use of musculoskeletal models for accurate functional interpretations of bone loads.
Motivation: Knochen ist ein einzigartiges, lebendes Material, das sich an äußere Belastun- gen anpassen kann. Die durch tägliche Aktivitäten einwirkende Lasten prägen daher sowohl die Form als auch interne Struktur des Knochens. In der Vergangenheit hat sich die Forschung hauptsächlich mit der Vorhersage von Knochenadaption im Zuge von veränderten Lasten oder Krankheiten beschäftigt. Dabei blieb jedoch eine weiterer, spannender Nutzen der Knochenadaption außer Acht: Ausgehend von einem gut adaptierten Knochen sollte es theoretisch möglich sein, Lasten, die in der Vergangenheit auf ihn gewirkt haben, rückzurechnen und schlussendlich sogar Rückschlüsse auf alltägliche Aktivitäten des entsprechenden Individuums zu ziehen.
Ziele: Das primäre Ziel dieser Dissertation war es, die Machbarkeit der Rekonstruktion von alltäglichen Aktivitäten allein aus der Architektur eines Knochens (also seiner Form und internen Struktur) zu untersuchen. Unter der Annahme, dass Knochenlasten das Bindeglied zwischen Knochenarchitektur und Aktivitäten bilden, wurden zwei Unterziele definiert: (1) Die Untersuchung der Möglichkeit, Knochenlasten aus der Knochenarchitektur vorherzusagen und (2) die Untersuchung der Möglichkeit, Knochenlasten mit spezifischen Aktivitäten zu assoziieren.
Methodischer Ansatz: Die Machbarkeit der Rekonstruktion von Aktivitäten allein aus der Knochenarchitektur wurde in dieser Arbeit am Beispiel manueller Aktivitäten von Menschen und Menschenaffen (Manipulation/Werkzeugverwendung, Klettern, Knöchelgang) untersucht, die aus der Architektur eines Mittelhandknochens vorhergesagt werden sollen. Zwei biomechanische Methoden wurden hierbei verwendet, um die beiden Unterziele zu erfüllen: (1) Ein mikro-finite elemente-basierter inverser Remodellierungs-algorithmus wurde eingesetzt, um die Knochenlasten aus der Knochenarchitektur zu berechnen. Dieser Algorithmus wurde zuerst an humanen proximalen Femora getestet, um die Robustheit und Plausibilität der Vorhersagen zu untersuchen, und danach auf Mittelhandknochen angewendet um aktivitäts-bezogene Unterschiede von Gelenklasten zu identifizieren. (2) Muskuloskeletale Modelle vom Finger eines Menschen und eines Bonobos wurden dann verwendet, um den Bezug zwischen Knochenlasten und Aktivitäten zu untersuchen. Die Modelle wurden zuerst implementiert und anhand in vitro experimenteller Daten adaptiert und danach eingesetzt um anhand in vivo experimenteller Daten Unterschiede der auf den Mittelhandknochen wirkenden Gelenklasten zu bestimmen.
Hauptergebnisse: (1) Die Anwendung des inversen Remodellierungs-algorithmus auf die proximalen Femora zeigte, dass die Vorhersagen der Gelenklasten grob aber plausibel sind und robust genug für einen Vergleich großer Lastunterschiede, wie sie bei Aktivitäten unterschiedlicher Spezies zu erwarten sind. Die Anwendung auf Mittelhandknochen von Menschen und Men- schenaffen konnte zeigen, dass der Algorithmus sensitiv genug ist, um aktivitäts-bezogene Unterschiede von Gelenklasten zu identifizieren; allerdings waren die Unterschiede geringer als erwartet. (2) Die Adaption der muskuloskeletalen Fingermodelle an die Daten der in vitro Experimente offenbarte die Parametersensitivität der Modelle und bestätigte die Notwendigkeit einer Modelloptimierung. Die Anwendung der in vivo Daten zeigte, dass die Unterschiede der Gelenklasten zwischen den hier untersuchten Aktivitäten zwar deutlich sind, aber geringer ausfallen als Gelenkstellung und externe Fingerlasten es vermuten ließen.
Schlussfolgerungen: Insgesamt legen die in dieser Dissertation erhaltenen Ergebnisse nahe, dass die Rekonstruktion von Aktivitäten allein aus der Knochenarchitektur prinzipiell möglich ist; allerdings nur wenn die Unterschiede der aus den untersuchten Aktivitäten resultierenden, tatsächlichen Knochenlasten ausreichend groß sind (hier beispielsweise zwischen Werkzeugverwendung und Knöchelgang). Die Tatsache, dass die tatsächlichen Knochenlasten von den Erwartungen basierend auf Gelenkstellung und externen Lasten abweichen können, rechtfertigt hierbei die Verwendung von muskuloskeletalen Modellen zur korrekten funktionellen Interpretation von Knochenlasten.