The mechanical behavior of cancellous bone has been shown to depend on bone density and on the structural anisotropy of the trabecular bone. By means of peripheral quantitative computed tomography (pQCT) and by applying a multiple thin-slice measuring technique, it became possible to assess both apparent density and the trabecular microstructure of intact bones. In order to assess different structural properties, a volume of interest was defined in the three-dimensional stack of CT slices. Mineralized bone was separated from bone marrow and muscle tissue with the help of a three-dimensional segmentation algorithm based on the analysis of directional derivatives. As a result, a binary volume including isolated trabecular plates and rods was obtained. Such volumes, also referred to as non-invasive bone biopsy, can be processed non-destructively and repetitively.

The aim of the presented work was to demonstrate the potential of high-resolution pQCT for the non-invasive assessment and analysis of trabecular bone architecture in the progress of age- and disease-related bone loss. In order to investigate the influence of age- and disease-related bone loss on the mechanical behavior of cancellous bone a novel bone resorption algorithm called simulated bone atrophy was developed. The algorithm, which is principally based on constraint Gauss filtration of segmented data volumes, was applied to derive two additional microstructural models simulating moderate and pronounced atrophy. To study the influence of bone atrophy on bone strength, the two derived models were compared with the original model using a 3D finite element stress analysis. A new automated mesh generator (VOMAC) was developed to create the finite element models directly based on the trabecular microstructure of the models. The presented method combines effectively the actual mesh generation using 4-noded tetrahedral elements with an interpolating surface reconstruction algorithm to guarantee smooth surface representation. For the mechanical comparison, the apparent Young's moduli in the three orthogonal directions were computed for each model with the help of the finite element analysis. The predicted moduli have been found to be well within the range reported for uniaxial compression testing of cancellous bone specimens.

The results suggest that the prediction of anisotropic material properties of cancellous bone based on non-invasive measurements of trabecular microstructures and the application of simulated bone atrophy are valuable tools to understand the influence of age- and disease-related bone loss on bone strength.

Die mechanischen Eigenschaften des spongiosen Knochens werden sowohi durch die Abhangigkeit von der Knochendichte als auch von der strukturellen Anisotropic des trabekuiaren Knochens bestimmt. Durch den Einsatz der peripheren quantitativen Computertomographie (pQCT) und mit Hilfe eines multiple thin-slice Messverfahrens, wird es moglich, sowohi die apparente Knochendichte als auch die trabekulare Mikrostruktur von intakten Knochen zu erfassen. Aus dem dreidimensionalen Stapel von CT Bildern wurde ein Volume of Interest (VOI) bestimmt, welches benutzt wird, um verschiedene strukturelle Eigenschaften zu bestimmen. Um mineralisierten Knochen von Knochenmark und Muskelgewebe zu trennen, wurde ein dreidimensionales Segmentierungsver— fahren entwickelt, welches auf der Analyse von Richtungsableitungen basiert. Es ergibt sich ein binares Volumen, welches nur isolierte trabekulare Platten und Stabe beinhaltet. Solche Volumen, auch als nicht-invasive Knochenbiopsien bezeichnet, konnen zerstorungsfrei analysiert werden, womit die Untersuchung beliebig wiederholbar wird.

Ein wichtiges Ziel der Arbeit war es zudem, Verfahren zu entwickeln, welche Veranderungen in der trabekuiaren Knochenarchitektur aufzeigen konnen. Um den Einfluss des alters- und krankheitsbedingten Knochenverlustes auf die mechanischen Eigenschaften des spongiosen Knochens beurteilen zu konnen, wurde ein neuer Knochenresorptions-Algorithmus, die simulierte Knochenatrophie, entwickelt. Der Algorithmus, der grundsatzlich auf einer eingeschrankten Gauss-Filtrierung von segmentierten Datenvolumen basiert, wurde angewandt, um - ausgehend vom initial untersuchten VOI - zwei weitere mikrostrukturelle Modelle zu erzeugen, welche eine moderate bzw. eine ausgepragte Atrophie des Knochens simulieren. Um den Einfluss der Knochenatrophie auf die Knochenstarke zu studieren, wurden mit Hilfe der Methode der finiten Elemente die zwei abgeleiteten Modelle mit dem originalen, unveranderten Modell verglichen. Ein neu entwickelter automatischer Netzgenerator (VOMAC) wurde eingesetzt, um die direkt auf den trabekuiaren Mikrostrukturen basierenden FE-Modelle zu erzeugen. Die vorgestellte Methode kombiniert in effektiver Art und Weise die eigentliche Netz-Generierung, basierend auf linearen Tetraedern, mit einem interpolierenden Oberflachenrekonstruktions-Algorithmus, welcher eine glatte Oberflachenrepresentation gewahrleistet. Fur den mechanischen Vergleich mit Hilfe der FE-Spannungsanalyse wurden fur jedes Modell die apparenten E-Module in drei orthogonalen Richtungen berechnet. Es konnte gezeigt werden, dass die so bestimmten E-Module alle innerhalb des aus der Literatur ermittelten Normbereichs fur uniaxiale Kompressionsversuche von spongiosen Knochenproben lagen.

Die Resultate zeigen, dass die Bestimmung von anisotropen Materialeigenschaften des spongiosen Knochens basierend auf der nicht invasiven Messung von trabekularen Mikrostrukturen und die Anwendung der simulierten Knochenatrophie wertvolle Werkzeuge sind, um den Einfluss von alters- und krankheitsbedmgtem Knochenverlust auf die Knochenstarke besser zu verstehen.