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Aufgrund des demographischen Wandels und der steigenden
durchschnittlichen Lebenserwartung sind mehr und mehr ältere
Menschen von Knochenkrankheiten betroffen (Osteoporose ist nur eine
dieser Knochenkrankeiten). Aus diesem Grund, ist es sehr wichtig, ein
verbessertes Verständnis über die Struktur des
Knochens sowie
seiner elastischen- und plastischen Eigenschaften bis hin zu
Risseinleitung und Bruch zu erhalten. Um das zu erreichen, werden
optische Methoden für die Messung mechanischer Eigenschaften
von
Knochen entwickelt. Die Holographische Interferometrie wird an unserem
Institut für die Messung der mechanischen Eigenschaften
(Dehnungs-
und Verschiebungsfelder) eingesetzt.
Die digitale
Holographische Interferometrie ist eine
berührungslose und flächenhafte Messtechnik. Die
Besonderheit
liegt darin dass bei digitaler Holografie die Hologramme auf CCD oder
CMOS Chips aufgezeichnet werden. Für die Untersuchung von
Knochen
wurde ein holografische Aufbau verwendet (Bild 1) der es erlaubt die
Verformungen längs zwei Komponenten (x, z) gleichzeitig zu
erfassen. Um das zu erreichen, wurden zwei Laser und zwei CCD Sensoren
verwendet. Es ist praktisch eine Kombination von zwei Messystemen
(jeweils mit CCD und Laser), die gleichzeitig die Messung
längs
verschiedener Richtungen erlauben. Jedes Messsystem registriert
digitale Hologramme mit einer Aufnahmefrequenz von 30 Hz. |
Bild
1 . Messaufbau für die Untersuchung von
Knochen |
Während der Messung sind
die Proben in Wasser eingebettet
(dies
ist für das Studium der biologischen Proben wesentlich) und
werden
mit Hilfe einer speziellen mechanischen Einheit gedehnt bzw. gestaucht.
Die Bilder 3 und 4 zeigen ein Beispiel bei dem die Verformungen der
Knochenprobe (Bild 2) gemessen wurden. Wir sind in der Lage, die
elastischen Eigenschaften des Knochens in sehr kleinen Bereichen (etwa
400 x 200 µm²) genau zu bestimmen. Dies erlaubt uns,
die
Veränderungen der elastischen Module in unterschiedlichen
Bereichen zu visualisieren.
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Bild 3 . out of plane Verformung |
| Bild
4 . in-plane Verformung |
| Der
Einsatz holographischer Interferometrie für die
Untersuchung
der elastisch-plastischen Eigenschaften von Knochen bis zum Bruch wurde
entwickelt. Dabei werden während des Belastungs-Prozessen
(Dehnung) mehrere (z. B. 100) Hologramme registriert. Nach Auswertung
können die Phasenbilder (sie enthalten die Information
über
die Objektverformung) als Funktion der Zeit dargestellt. Im Bild 5 ist
eine Folge von 50 Phasenbildern gezeigt. Man kann dabei erkennen, dass
in der Mitte des Objekts mehr Streifen sind (grössere Dehnung)
und
in dieser Region der Knochen brechen wird. Bild 6 zeigt den gebrochenen
Knochen nach der Dehnungsversuch.
| [1] |
Zaslansky, P., Pedrini, G., Alexeenko, I., Osten, W., Friesem, A.,
Weiner, S., Shahar, R., "Static and dynamic interferometric
measurements used to determine mechanical properties of cortical bone",
in Advances in Mechanics edited by Carmine
Pappalettere, pp. 76-77, McGraw-Hill, Milano, 2004 |
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| [2] |
Alexeenko, I., Pedrini, G., Zaslansky, P., Kuzmina, E., Osten, W.,
Weiner, S., "Digital holographic interferometry for the investigation
of the elastic properties of bone", in Advances in Mechanics
edited by Carmine Pappalettere, pp. 458-459, McGraw-Hill, Milano, 2004
| | |
| [3] |
Pedrini, G., Alexeenko, I., Zaslansky, P. , Osten, W. , Tiziani H. J.,
" Digital holographic interferometry for investigations in
biomechanics" 8th International Symposium on Laser Metrology Macro-,
micro-, and nano-technologies applied in science, engineering, and
industry, February 14 – 18, 2005 Merida, Yucatan Mexico
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