Enhancement of biomechanical and morphometric tools for the inference of habitual activity from bone microstructure

Abstract

Herauszufinden, welche gewohnheitsmäßige Aktivitäten längst ausgestorbene Spezies unternahmen, ist eine schwierige Aufgabe. Denn oft sind nur die fossilen Knochen erhalten. Allerdings sind Knochen ein sehr faszinierendes biologisches Material und ermöglichen Erkenntnisse über solche gewohnheitsmäßigen Aktivitäten aus der Knochen-Mikrostruktur zu gewinnen.Die Mikrostruktur passt sich ständig an die von außen wirkenden Belastungen an, welche somit in der Mikrostruktur „abgespeichert“ werden. Diese Information kann sowohl mit morphometrischen als auch biomechanischen Methoden ausgelesen werden. Eine Vielzahl solcher Methoden existiert bereits. Die holistische Morphometrie Analyse (HMA) ist eine Methode um die Morphometrie von einem ganzen Knochen zu visualisieren. Inverse Bone Remodelling (IBR) ist eine biomechanische Methode, um die Belastungshistorie direkt aus der Mikrostruktur abzuleiten. Allerdings haben beide Methoden gewisse Limitationen, so erlaubt HMA etwa keine quantitativen Vergleiche und IBR benötigt mikro-Finite-Elemente (μFE) Modelle für die Analyse und ist somit sehr rechenaufwändig.Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden beide Methoden erweitert. Zur HMA Methode wurde die Möglichkeit einen kanonischen Referenz-Knochen zu erstellen entwickelt, auf den dann Morphometrische Messungen abgebildet und so quantifiziert werden können. Die μFE-basierte IBR Methode wurde in homogenisierte-FE Modelle übertragen, was schnellere Analysen und die Verwendung von verbesserten Randbedingungen erlaubt, welche hFE-Löser, aber nicht μFE-Löser unterstützen.Diese Dissertation stellt zwei verbesserte Methoden zur morphometrischen und biomechanischen Analyse vor. Diese neuen Methoden erlauben es, gewohnheitsmäßige Aktivitäten aus der Knochen-Mikrostruktur abzuleiten und können nicht nur in der Evolutionären Anthropologie, sondern auch in der Medizin oder der biomedizinischen Grundlagenforschung sowie vielen anderen Feldern angewendet werden.

Uncovering the habitual activities of long-extinct species is a challenging task. Their fossilised bones are often the only remains of those species. However, bones are a fascinating biological material and offer insights into habitual activities via their microstructure.The microstructure of bones constantly adapts to their external loading. Thus, also habitual activities are “stored” in the microstructure. This information can be uncovered by using morphometric and also biomechanical analysis methods. A multitude of such methods already exists, where holistic morphometric analysis (HMA) is one example of a morphometric approach, able to visualize morphometric indices over the whole bone volume, and inverse bone remodelling (IBR) is a biomechanical method, capable of predicting the loading history directly from the bone microstructure. However, both these methods have certain limitations. HMA cannot compare the morphometry quantitatively, and IBR requires micro-finite-element (μFE) models for the analysis and is thus computationally expensive.These two methods were enhanced to overcome these limitations. Specifically, a method for creating a canonical reference bone was added to HMA to map morphometric indices onto this canonical bone and thus be able to compare indices quantitatively. The μFE-based IBR method was translated to use homogenized-FE (hFE) models, allowing for faster predictions and usage of sophisticated boundary conditions, available in most hFE solvers but not in μFE.This thesis presents enhanced methods for the morphometric and biomechanical analysis of bone microstructure. They offer novel techniques for inferring habitual activities directly from the bone microstructure and can be applied in evolutionary anthropology, medicine, basic biomedical research, and many more fields of study.