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Locomotion-related femoral trabecular architectures in Primates

Scherf, Heike :
Locomotion-related femoral trabecular architectures in Primates.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Locomotion-related femoral trabecular architectures in Primates
Language: English
Abstract:

This work focuses on the influence of locomotor loads on the trabecular architecture of primate proximal femora. A sample of extant primates was used as a comparative base to analyze the trabecular architecture of two Miocene hominoidean species with regard to their habitual hind limb loading. Thereupon, conclusions on the preferred locomotor strategy of the fossil species were drawn. This study is preconditioned by the fact that bones possess the ability of functional, load directed adaptation, and that specific loads are applied on the femur during distinct locomotor modes. These loads are dependent upon body weight and muscle activity (PAUWELS 1965, DUDA 1996). Different types of locomotion induce different femoral loading, due to the multiple positions of the bodies center of gravity and the various muscles which contract in each phase of locomotion. Therefore, it is hypothesized here that habitual loads which act upon the femur influence the trabecular architecture and therefore the trabecular architecture permits a discrimination of varying locomotor habits. To obtain accurate 3D data of the proximal femoral trabecular architecture, the specimens were imaged with high resolution computed tomography (CT). Based on these 3D images, the trabecular architecture was structurally described and the features of the trochanter minor region were histomorphometrically analyzed to quantify their characteristics. FEM (Finite Element Method) analyses of models obtained by high resolution (CT) 3D data were conducted and demonstrated the prerequisites for correct simulation of femoral loading conditions in trabecular bone. The results of the histomorphometric analysis and the structural description of the extant primate sample yielded architectural models of cancellous bone which correspond to their different locomotor behaviors. The same results of the fossil sample were then compared with the extant primate models. This allowed an estimation of the locomotor preferences of the fossil species. Further research on skeletal mechanics and locomotion will improve and refine the analysis of architectural features in cancellous bone. By focusing on internal bony morphology, this study offers a new method which can be used in concert with the classical analysis of locomotor behavior, which relies on external bony morphology. The applied method will also improve the biomechanical analysis of fragmentary fossil material. This work obtained further insight into the functional adaptation of cancellous bone on applied loads and provided information which can be used in pursuing basic research.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der Schwerpunkt der vorliegende Arbeit war die Untersuchung des Einflusses von lokomotorischen Belastungen auf die Spongiosaarchitektur des proximalen Femurs bei verschiedenen Primaten. Fünf rezente Arten dienten als Vergleichsbasis für die Analyse der Spongiosaarchitektur der beiden miozänen Spezies Pliopithecus vindobonensis und Paidopithex rhenanus hinsichtlich deren bevorzugter Fortbewegungsweise. Diese Arbeit basiert auf der bereits im 19. Jahrhundert erlangten Erkenntnis, dass sich Knochen Belastungszuständen aktiv anpassen kann (WOLFF 1892). Zudem wird davon ausgegangen, dass spezifische habituelle Bewegungsweisen spezifische Belastungen am und im Femur hervorrufen. Diese Lastfälle stehen in direktem Zusammenhang mit dem Körpergewicht und der Muskelaktivität (PAUWELS 1965, DUDA 1996) und werden durch die verschiedenen Positionen des Körperschwerpunktes während der Bewegung und der Muskeln die an dem Bewegungsvorgang beteiligt sind hervorgerufen. Aufgrund dieser lokomotionsbedingten Belastungszustände des Femurs und der Anpassungsfähigkeit von Knochen an spezifische Belastungen wird davon ausgegangen, dass anhand der Spongiosaarchitektur verschiedene habituelle Fortbewegungsweisen unterschieden werden können. Die Untersuchungen erfolgten an dreidimensionalen Darstellungen der Spongiosaarchitektur, die durch hochauflösenden Computertomographie (CT) gewonnen wurden. Anhand dieser 3D-Aufnahmen wurde die proximale femorale Spongiosaarchitektur beschrieben und im Bereich des Trochanter minor histomorphometrisch analysiert und somit quantifiziert. Anhand von 3D CT Aufnahmen wurden FEM (Finite Element Methode) Modelle erstellt. In nachfolgenden FE Analysen wurden lokomotorische Belastungen an diesen Modelle simuliert und die Vorraussetzungen für korrekte FE Analysen der Spongiosa konkretisiert. Die Ergebnisse der histomorphometrischen Analyse und der Beschreibung der Spongiosaarchitekturen der rezenten Arten erlaubten eine modellhafte Charakterisierung der verschiedenen Fortbewegungsweisen anhand der Spongiosa. Die entsprechenden Ergebnisse der fossilen Spezies wurden damit verglichen und ermöglichten eine Einschätzung der lokomotorischer Präferenzen von Pliopithecus vindobonensis und Paidopithex rhenanus. Weitergehende Untersuchungen der verschiedenen Fortbewegungsweisen und der Biomechanik des Skelettapparates können die vorgestellte Analysemethode der Spongiosaarchitektur in der Zukunft weiter verbessern. Die vorliegende Arbeit liefert neue Einblicke in die Anpassung von spongider Knochensubstanz an verschiedene Belastungszustände und kann als Basis für weitere Untersuchungen genutzt werden kann. Spongiosauntersuchungen können als Erweiterung der klassischen Methoden zur Analyse von habituellen Fortbewegungsweisen fossiler Spezies wertvolle Hinweise liefern. Hiermit kann insbesondere die Interpretation bei fossilen Einzelfunden erleichtert werden.German
Uncontrolled Keywords: Histomorphometrie, Anthropoidea, Spongiosaarchitektur
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Histomorphometrie, Anthropoidea, SpongiosaarchitekturGerman
Histomorphometry, Anthropoidea, Trabecular architectureEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:52
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000797
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-7976
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Schrenk, Prof.Dr. Friedemann and Schumann, Prof. Dr. Dietrich
Advisors: Schrenk, Prof.Dr. Friedemann
Refereed: 2 February 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/797
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