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B. Fritz:
"Development of Testing and Simulation Protocol for Proximal Femurs";
Betreuer/in(nen): D. H. Pahr; Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik, TU Wien, 2010; Abschlussprüfung: 23.06.2010.

Durch Osteoporose verursachte Hüftbrüche kosten dem österreichischen Gesundheitswesen Euro1, 7 Milliarden pro Jahr und stellen außerdem für die Patientin/den Patienten ein schwer­ wiegendes gesundheitliches Problem dar. Diagnostiziert man bei Patienten ein erhöhtes Hüft­ bruchrisiko, so ist man in der Lage, diese Patienten medikamentös zu behandeln, um das Risi­ko zu senken. Momentan basiert die klinische Diagnose von Osteoporose auf BMD-Analysen, die jedoch nicht die dreidimensionale Knochenstruktur erfassen können. Andererseits zeigten QCT-basierte, dreidimensionale Finite-Elemente (FE) Modelle viel versprechende Resultate, die allerdings experimentell validiert werden müssen ("in-vitro"-Validierung). Das Ziel dieser Diplomarbeit war eine Machbarkeitsstudie durchzuführen, um die wichtigsten Aspekte, die für die Durchführung einer fallspezifischen Validierungsstudie notwendig sind, zu beleuch­ ten: Konkret wurde eine CT-Kammer, ein Versuchsstand, ein Versuchsprotokoll und ein FE­ Modell entwickelt. Es wurden drei proximale Femurpaare in einem QCT gescannt, um diese dann in experimentellen Versuchen bis zum Bruch zu belasten. Dabei wurden zwei Lastfälle getestet: Ein seitlicher Fall und ein Hüftbruch, hervorgerufen durch auftretende Gelenkkräfte in täglichen Aktivitäten (Standbruch). Mittels eines optischen Messsystems konnten lokale Verschiebungen der Femura und des Versuchsaufbaus gemessen werden. Unter Verwendung der QCT-Bilder wurden FE-Modelle mit nicht-linearen Materialeigenschaften generiert und deren Ergebnisse mit den Experimenten verglichen.
Sowohl die CT-Kammer als auch der Versuchsstand genügte den Anforderungen. Die auf­tretenden Bruchkräfte und Steifigkeiten der Femura waren von der gleichen Größenordnung wie Resultate vergleichbarer Studien. Die Bruchstellen des Standbruchs wurden qualitativ gut berechnet. Lokale Verschiebungen der Femura konnten qualitativ für beide Lastfälle vor­ hergesagt werden. Schließlich wurden mögliche Verbesserungen des Versuchsstandes und der FE-Modelle untersucht und diskutiert.

Hip fractures due to osteoporosis are an important issue in health care. They are not only a financial burden on the Austrian health care system, that cost Euro1.7 billion a year, but are also severe injuries for the concerned persons. Patients, who are assessed of having a high fracture risk can be medicated with preventive drug treatments. Currently, clinical diagnosis of osteoporosis is based on BMD analysis, which is limited due to its inability to take the three-dimensional structure of the bone into account. Alternatively, the QCT-image based three-dimensional finite element (FE) models showed promising results, but need to be validated through experimental tests in vitro. The goal of this thesis was to do a feasibility study containing the basic procedures, that would be needed in a subject-specific validation study. Therefore, a CT-imaging chamber, a testing setup, and an FE-model were developed. Three pairs of proximal femurs were scanned in a QCT scanner and were tested up to the point of failure. Two loading scenarios were considered. A fall to the side (fall configuration) and a "spontaneously" occurring fracture due to joint loading during daily activities (stance configuration). A motion-capture system was used to measure local movements of the femurs and the testing setup. FE-models with non-linear material behavior were generated from the QCT-images, and compared to the experiments.
The CT-imaging chamber as well as the testing setup were found to fulfill the requirements. Fractures were induced and fracture load and compliance of the femurs were measured, beeing in the same order of magnitude of previous results. Fracture location was qualitatively well predicted in the stance configuration. Local movements could qualitatively well be predicted in both configurations. Finally, possible improvements concerning both the testing setup and the FE-models were examined and discussed.