Anthropometric-Biomechanical Characteristics of Selected Parts of the Human Skeleton Based on Principal Loads and Stiffnesses

Abstract

Skeleton is a basic supporting system of the human body and a passive substrate for any possible movement, while the shape and mechanical properties of a single bone are given both by the embryological origin and its function. The bone can transfer mechanical load with an optimal amount of energy, and this power flow can be documented by mechanical testing or computational modelling. The author decided on the latter and tried to define the main stiffnesses as one of the most important internal modalities to determine overall bone quality. Stiffness is a widely used biomechanical measure reflecting geometric, topologic and material properties of a given bone. It is defined as a resistance of a bone against deformation in response to an applied force. This thesis aims to study and describe a characteristic bone stiffness of a CT based virtual models using the spectral decomposition of a stiffness matrix. The characteristic stiffness as a brand-new descriptor of bone tissue will be further correlated with the bone density spatial distribution and matched against a set of chosen anthropometric measurements to test its sex-specificity. Additionally, an automatic system capable of recognising and generating anthropometric landmarks on a bone will be developed as a side result. The localisation of the...

Kostra je základní podpůrný systém lidského těla a pasivní složka pro jakýkoliv možný pohyb. Tvar a mechanické vlastnosti kosti jsou dány jak jejím embryologickým původem, tak funkcí. Kost je schopna přenášet mechanické zatížení s optimálním množstvím energie a tento tok energie lze dokumentovat buď mechanickým testováním nebo počítačovým modelováním. Rozhodl jsem se pro druhou z možností a formuloval jsem tuhosti jako jednu z nejdůležitějších vnitřních modalit k určení celkové kvality kostí. Tuhost jako veličina je široce používaným biomechanickým měřítkem odrážejícím geometrické, topologické a materiálové vlastnosti dané kosti. Je definována jako odpor kosti proti deformaci v reakci na aplikovanou sílu. Cílem disertační práce je studovat a popsat tzv. charakteristickou tuhost kostí pomocí virtuálních modelů založených na snímcích počítačové tomografie a spektrálního rozkladu matice tuhosti. Charakteristická tuhost jako zcela nový deskriptor kostní tkáně bude dále porovnána s lokálním rozložením kostní hustoty i se sadou vybraných antropometrických měření za účelem testování její pohlavní specificity. Pro studium pohlavní rozdílnosti je zároveň nutné vyvinout automatický systém schopný rozpoznat a generovat antropometrické orientační body na kosti. Lokalizace nejmenších tuhostí a jejich směrů má...