Bachelor's Thesis

Determination of mechanical properties of cancellous bone tissue of a vertebra

Final Thesis 2.18 MB

Author of thesis: Markéta Rotková

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Marcián, Ph.D.

Reviewer: Ing. Barbora Thomková, Ph.D.

Abstract:

This bachelor thesis focuses on the determination of mechanical properties of the cancellous bone tissue of the L4 lumbar vertebral body. The thesis begins with a literature review covering the description of bone tissue and related processes, the anatomy and macrostructure of the vertebra and concludes with a description of mechanical properties of bone tissue specifically the elastic modulus and apparent modulus. The practical part consists of a description of the methodology used for determination of the morphometric parameters using ImageJ software, their measuring and a description of creation of a computational model. After, results obtained by a finite element analysis and the functional dependencies of apparent modulus and earlier determined morphometric parameter BV/TV are presented.

Keywords:

lumbar vertebra, cancellous bone tissue, morphometric parameters, mechanical properties, apparent modulus, finite element method

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Při obhajobě studentka nejprve prezentovala svou bakalářskou práci, po skončení prezentace byly předneseny posudky vedoucího práce a oponenta, včetně jejich hodnocení a připomínek. Následně studentka odpověděla na otázky položené oponentem v posudku. K práci položili členové komise následující otázky: Jaká okrajová podmínka byla předepsaná na bocích kosti? Nemůže být vzhledem k použitým okrajovým podmínkam řešení nestabilní? Jak byste popsala heterogenní materiál? Jaké má vlastnosti? V jakých charakteristikách spočíva heterogenita použitého modelu materiálu? Bylo by možné využít spočtených hodnot pro další modelování celých částí páteře? S čím může souviset rozdílný modul pružnosti v různých částí obratle? Dělala jste studii různých mezních hodnot stupni šedi při určování modulu pružnosti z CT snímků? Obhajoba práce byla hodnocena jako výborná.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

Ing. Lubomír Junek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Oldřich Ševeček, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Vosynek, Ph.D. (člen)
Ing. Dávid Halabuk, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Marcián, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jana Horníková, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Petr Marcián, Ph.D.

Studentka Markéta Rotková vypracovala bakalářskou práci zaměřenou na problematiku vnitřní mikrostruktury páteřního obratle. V rámci práce provedla podrobnou rešerši řešené problematiky. Pro stanovení zdánlivých mechanických vlastností využila výpočtové modelování metodou konečných prvků a prokázala schopnost zpracování mikro-CT snímků. Práce je zpracována přehledně a logicky, přičemž jednotlivé kapitoly na sebe plynule navazují. Autorka při řešení práce vynaložila značné úsilí, k řešené problematice přistupovala velmi zodpovědně a prokázala schopnost samostatné odborné práce. Práci pravidelně konzultovala a zpracovala ji zcela samostatně.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Barbora Thomková, Ph.D.

Predkladaná bakalárska práca sa zaoberá určením mechanických vlastností špongiózneho kostného tkaniva stavca. V úvodnej časti autorka spracovala rešerš problematiky zameranú na štruktúru, mechanické vlastnosti a morfometrické parametre kostného tkaniva. V praktickej časti sa venuje analýze morfometrických parametrov a práci s mikro-CT modelmi, pričom riešená problematika si vyžaduje značnú mieru technickej zdatnosti a orientácie v spracovaní obrazových dát. V cieľoch práce mala autorka vytvoriť päť výpočtových modelov, no v práci bolo nakoniec vytvorených pätnásť modelov, čo významne prekročilo cieľ bakalárskej práce. Tieto modely boli vytvorené v piatich rôznych oblastiach a v troch vrstvách stavca, konkrétne v dvoch vrstvách bližšie ku kortikálnemu kostnému tkanivu a v jednej vrstve v strednej časti stavca, aby bolo možné porovnať, či existujú rozdiely medzi jednotlivými vrstvami.

Z formálneho a vecného hľadiska sa v práci vyskytuje pár drobných nedostatkov. Niektoré obrázky nie sú v texte referencované, čo znižuje prehľadnosť výslednej interpretácie. V práci sa objavuje aj nejednotný prístup k citáciám, keď sú uvádzané až za odstavcom, namiesto priebežného viazania na jednotlivé tvrdenia. Z hľadiska štruktúry textu možno pozorovať menej logické usporiadanie niektorých častí – napríklad v kapitole 3.3 sa pracuje s pojmom špongiózna kosť, ktorý je však bližšie vysvetlený až v nasledujúcej kapitole, čo mierne narúša plynulosť textu. Problematické sú aj niektoré tvrdenia, napríklad interpretácia zaťaženia modelu ako „fyziologickému zatěžování, aby byla simulována realita“.
 
Napriek uvedeným drobným nedostatkom je zrejmé, že autorka venovala práci značné úsilie, najmä pri spracovaní mikro-CT snímok, následnom vytváraní výpočtových modelov a výpočte morfometrických parametrov. Autorka preukázala schopnosť spracovať mikro-CT dáta, pričom na základe analýzy získaných výsledkov vyvodzuje závery a diskutuje aj ich limitácie. Prácu odporúčam k obhajobe a po zodpovedaní otázok navrhujem hodnotenie A.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Aké je rozlíšenie vstupných mikro-CT snímok? Bol prah (threshold) s hodnotou 9514 zvolený pre všetky analyzované varianty?
  2. Autorka uvádza, že neexistuje štúdia, ktorá by sa venovala lumbárnemu stavcu. Napríklad v štúdii autorov Oefner a kol. (2022) sú však pre osteoporotický lumbálny stavec uvedené morfometrické parametre ako aj funkčná závislosť medzi modulom pružnosti E a BV/TV. Mohla by autorka porovnať svoje výsledky s výsledkami získanými na osteoporotických stavcoch?
  3. Vedela by autorka ukázať a zhodnotiť závislosť E_zd aj od ostatných morfometrických parametrov (napr. Tb.Th alebo Tb.Sp)?
  4. Autorka uvádza, že hodnota Youngovho modulu pružnosti pre mladého človeka je E = 5 GPa. Citovaný zdroj však výpočtovo modeluje kosti potkanov. Považuje autorka takýto prenos hodnôt medzi druhmi za vhodný, prípadne aké sú jeho limity?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová