Relative motion at the bone-prosthesis interface

Bone ingrowth in porous surfaces of human joint implants is a desired condition for long-term fixation in patients who are physically active (such as in sport or work). It is generally recognized that little actual bone ingrowth occurs. The best clinical results report between 10 and 20% of the total prosthetic surface in contact with bone will feature good bone ingrowth. One inhibiting factor is the relative motion of the bone with respect to the implant during load-bearing. This study investigated mathematically the interface micromotion (transverse reversible relative motion) between a flat metal tibial prosthetic surface of a prototype implant, and the bone at the resection site. The aim was to assess the effect of perimeter fixation versus midcondylar pin fixation and the effect of plate thickness and plate stiffness.\ud \ud Results showed that in the prototype design the largest reversible relative bone motion occurred at the tibial eminence. By design, the skirt fixation at the perimeter would prevent bone motion. A PCA (Howmedica Inc.) prosthesis has been widely used clinically and was chosen for a control because its fixation by two pegs beneath the condyles is a common variation on the general design of a relatively thick and stiff metal tibial support tray with pegs in each condylar area. The PCA tibial prosthesis showed the largest bone motion at the perimeter along the midcondylar mediolateral line, while being zero at the pegs. Maximum relative bone motion for the prototype was 37 ¿m and for the control was 101 ¿m. Averaged values showed the prototype to have 38% of the relative reversible bone motion of the control (PCA)

In vivo morphometric and mechanical characterization of trabecular bone from high resolution magnetic resonance imaging

La osteoporosis es una enfermedad ósea que se manifiesta con una menor densidad ósea y el deterioro de la arquitectura del hueso esponjoso. Ambos factores aumentan la fragilidad ósea y el riesgo de sufrir fracturas óseas, especialmente en mujeres, donde existe una alta prevalencia. El diagnóstico actual de la osteoporosis se basa en la cuantificación de la densidad mineral ósea (DMO) mediante la técnica de absorciometría dual de rayos X (DXA). Sin embargo, la DMO no puede considerarse de manera aislada para la evaluación del riesgo de fractura o los efectos terapéuticos. Existen otros factores, tales como la disposición microestructural de las trabéculas y sus características que es necesario tener en cuenta para determinar la calidad del hueso y evaluar de manera más directa el riesgo de fractura. Los avances técnicos de las modalidades de imagen médica, como la tomografía computarizada multidetector (MDCT), la tomografía computarizada periférica cuantitativa (HR-pQCT) y la resonancia magnética (RM) han permitido la adquisición in vivo con resoluciones espaciales elevadas. La estructura del hueso trabecular puede observarse con un buen detalle empleando estas técnicas. En particular, el uso de los equipos de RM de 3 Teslas (T) ha permitido la adquisición con resoluciones espaciales muy altas. Además, el buen contraste entre hueso y médula que proporcionan las imágenes de RM, así como la utilización de radiaciones no ionizantes sitúan a la RM como una técnica muy adecuada para la caracterización in vivo de hueso trabecular en la enfermedad de la osteoporosis. En la presente tesis se proponen nuevos desarrollos metodológicos para la caracterización morfométrica y mecánica del hueso trabecular en tres dimensiones (3D) y se aplican a adquisiciones de RM de 3T con alta resolución espacial. El análisis morfométrico está compuesto por diferentes algoritmos diseñados para cuantificar la morfología, la complejidad, la topología y los parámetros de anisotropía del tejido trabecular. En cuanto a la caracterización mecánica, se desarrollaron nuevos métodos que permiten la simulación automatizada de la estructura del hueso trabecular en condiciones de compresión y el cálculo del módulo de elasticidad. La metodología desarrollada se ha aplicado a una población de sujetos sanos con el fin de obtener los valores de normalidad del hueso esponjoso. Los algoritmos se han aplicado también a una población de pacientes con osteoporosis con el fin de cuantificar las variaciones de los parámetros en la enfermedad y evaluar las diferencias con los resultados obtenidos en un grupo de sujetos sanos con edad similar.Los desarrollos metodológicos propuestos y las aplicaciones clínicas proporcionan resultados satisfactorios, presentando los parámetros una alta sensibilidad a variaciones de la estructura trabecular principalmente influenciadas por el sexo y el estado de enfermedad. Por otra parte, los métodos presentan elevada reproducibilidad y precisión en la cuantificación de los valores morfométricos y mecánicos. Estos resultados refuerzan el uso de los parámetros presentados como posibles biomarcadores de imagen en la enfermedad de la osteoporosis.Alberich Bayarri, Á. (2010). In vivo morphometric and mechanical characterization of trabecular bone from high resolution magnetic resonance imaging [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8981Palanci

Is there any information on micro-structure in microwave tomography of bone tissue?

In this work, two-dimensional simulations of the microwave dielectric properties of models with ellipses and realistic models of trabecular bone tissue are performed. In these simulations, finite difference time domain methodology has been applied to simulate two-phase structures containing inclusions. The results presented here show that the micro-structure is an important factor in the effective dielectric properties of trabecular bone. We consider the feasibility of using the dielectric behaviour of bone tissue to be an indicator of bone health. The frequency used was 950 MHz. It was found that the dielectric proper-ties can be used as an estimate of the degree of anisotropy of the micro-structure of the trabecular tissue. Conductivity appears to be the most sensitive parameter in this respect. Models with ellipse shaped-inclusions are also tested to study their application to modelling bone tissue. Models with ellipses that had an aspect ratio of a/b = 1.5 showed relatively good agreement when compared with realistic models of bone tissue. According to the results presented here, the anisotropy of trabecular bone must be accounted for when measuring its dielectric properties using microwave imaging.Fil: Irastorza, Ramiro Miguel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos; ArgentinaFil: Carlevaro, Carlos Manuel. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Buenos Aires; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos; ArgentinaFil: Vericat, Fernando. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos; Argentin

Mechanical and morphometric characterization of cancellous bone

[EN] Bone fracture is a social health problem of increasing magnitude because of its prevalence in aged population due to osteoporosis. Bone quality is often characterized by bone mineral density (BMD) measured at cancellous bone regions using dual-energy X-ray absorptiometry (DXA). However, BMD alone cannot predict several cases because not only density is important, but also microstructure plays an important role in cancellous bone strength. The mechanical properties can be used as indicators of bone integrity as a function of age, disease or treatment. Therefore, cancellous bone fracture characterization and its relationship to microstructure has not been completely solved in the literature and is relevant to improve fracture prediction. In this thesis, we aim at characterizing cancellous bone morphometry and mechanical behavior. Morphometry is estimated through the analysis of micro-computed tomography (micro-CT) images of vertebral cancellous bone specimens. With regards to the mechanical behavior, we calculate elastic, yield and failure properties at the apparent and tissue levels. To determine them, we followed different approaches: compression tests, finite element models and micro-CT phantoms. We have developed finite element models that reproduce the elastic and failure response of cancellous bone under compression conditions. We modeled failure as a combination of continuum damage mechanics and the element deletion technique. The numerical models permitted to estimate elastic and failure properties. Failure properties were consistent with results reported in the literature. Specifically, our results revealed that yield strain is relatively constant (0.7 %) over a range of apparent densities, while failure strain presents a wider range of variation. A single strain parameter (equivalent strain) was found as an accurate descriptor of cancellous bone compression failure. Image-based numerical models usually need for the action of a technician to segment the images. Therefore, we studied the sensitivity to variations of the segmentation threshold on the morphometry and the elastic properties of vertebral cancellous bone specimens of different bone volume fractions. The apparent modulus is highly sensitive to the segmentation threshold. We report variations between 45 and 120 % for a ± 15 % threshold variation. Other parameters, such as BS/BV, BS/TV, Tb.Sp, Tb.N, Conn.D and fractal dimension were influenced significantly. Digital image correlation (DIC) was applied to images taken during compression testing to analyze displacement fields at failure and characterize them. Some variables were explored to describe failure and a study is done about how DIC parameters influence the strain field obtained. Facet and step sizes have a relevant effect on the failure strain estimation, and an increment of both parameters reduces the strain estimation up to 40 %. Besides, several parameters combination led to correct failure pattern detection, so values reported in the literature should be referred to the parameters used. Furthermore, we explored if cancellous bone microstructure acts (non-speckle/texture approach) as a proper pattern to calculate displacements using DIC technique. As regards relationships between microstructure and mechanics, single and multiple parameter analysis were performed to assess the morphometric variables that control the explanation of mechanical properties variation. Bone volume fraction (BV/TV), bone surface to volume ratio (BS/BV), mean trabecular thickness (Tb.Th) and fractal dimension (D) presented the best linear correlations to the elastic properties, while both the yield and failure strains did not show correlation to any morphometric parameter. The regressions obtained permit to estimate those mechanical properties that describe the state of a specimen.[ES] Las fracturas óseas constituyen un problema social de salud con magnitud creciente por su prevalencia en la población de edad avanzada debido a la osteoporosis. La calidad del hueso suele caracterizarse mediante la estimación de la densidad mineral ósea (DMO) en regiones de hueso trabecular, utilizando absorciometría de rayos X de energía dual (DXA). No obstante, la DMO por si sola no es capaz de predecir numerosos casos de fractura porque no solo importa la pérdida de densidad, sino que la microestructura también tiene un papel principal en la resistencia del hueso. Las propiedades mecánicas del hueso pueden usarse como indicadores de su integridad en función de la edad, enfermedad o tratamiento. Por lo tanto, la caracterización de la fractura de hueso trabecular y su relación con la microestructura no se ha resuelto de forma completa en la literatura y es relevante para mejorar las predicciones de fractura. En esta tesis, nuestro principal objetivo es caracterizar la morfometría y el comportamiento mecánico del hueso trabecular. Estimamos la morfometría a través del análisis de imágenes obtenidas por micro tomografía computerizada (micro-CT) de muestras de hueso trabecular vertebral de cerdo. Respecto al comportamiento mecánico, calculamos propiedades elásticas, de plasticidad y fractura a escala aparente y de tejido. Para determinar esas propiedades, hemos seguido diferentes procedimientos: ensayos a compresión, modelos de elementos finitos y fantomas de calibración micro-CT. Los modelos de elementos finitos desarrollados reproducen la respuesta elástica y de fallo bajo condiciones de compresión en hueso trabecular, modelando el fallo como combinación de mecánica del daño contínuo y la técnica de eliminación de elementos. Los modelos numéricos desarrollados han permitido estimar propiedades elásticas y de fallo. En concreto, las deformaciones de inicio de fallo estimadas son relativamente constantes para las muestras analizadas (0.7 %), mientras que las deformaciones últimas de fallo presentan un rango de variación mayor. Por otro lado, encontramos que la deformación equivalente es el descriptor más preciso del fallo a compresión del hueso trabecular. Normalmente, los modelos numéricos basados en imágenes suelen necesitar la acción de un técnico para segmentar las imágenes. En este sentido, estudiamos la sensibilidad de la morfometría y la estimación de propiedades elásticas ante variaciones en el umbral de segmentación en muestras con distinta fracción en volumen. Hemos obtenido que la rigidez aparente es muy sensible a cambios en el umbral de segmentación, con variaciones entre 45 y 120 % para una variación de ± 15 % del umbral de segmentación. Otros parámetros, como BS/BV, BS/TV, Tb.Sp, Tb.N, Conn.D y la dimensión fractal se ven afectados significativamente. Por otro lado, hemos aplicado la técnica correlación digital por imagen (DIC) para caracterizar campos de desplazamientos en el fallo a compresión del hueso trabecular, a partir del análisis de imágenes tomadas durante el ensayo de las muestras. Además, estudiamos la influencia de algunos parámetros de la técnica DIC en el campo de deformaciones obtenido. También, hemos explorado la aplicación DIC sin el uso de moteado, utilizando como patrón de reconocimiento la propia microestructura trabecular. En relación al estudio de la influencia de la microestructura en la respuesta mecánica, hemos calculado correlaciones de uno y varios parámetros para analizar qué variables morfométricas explican la variación de las propiedades mecánicas. La fracción en volumen de hueso (BV/TV), la relación entre el área y el volumen de hueso (BS/BV), el espesor trabecular medio (Tb.Th) y la dimensión fractal (D) presentan las mejores correlaciones lineales respecto a las propiedades elásticas, mientras que las deformaciones de inicio de plasticidad y fractura no mostraron correlación con ningún parámetro morfométrico.[CA] Les fractures òssies constitueixen un problema social de salut amb magnitud creixent per la seua prevalença en la població d'edat avançada a causa de l'osteoporosi. La qualitat de l'os sol caracteritzar-se mitjançant l'estimació de la densitat mineral òssia (DMO) en regions d'os trabecular, utilitzant absorciometria de raigs X d'energia dual (DXA). No obstant això, la DMO per si sola no és capaç de predir nombrosos casos de fractura perquè no sols importa la pèrdua de densitat, sinó que la microestructura també té un paper principal en la resistència de l'os. Les propietats mecàniques de l'os poden usar-se com a indicadors de la seua integritat en funció de l'edat, malaltia o tractament. Per tant, la caracterització de la fractura d'os trabecular i la seua relació amb la microestructura no s'ha resolt de manera completa en la literatura i és rellevant per a millorar les prediccions de fractura. En aquesta tesi, el nostre principal objectiu és caracteritzar la morfometria i el comportament mecànic de l'os trabecular. Estimem la morfometria a través de l'anàlisi d'imatges obtingudes per micro tomografia automatitzada (micro-CT) de mostres d'os trabecular vertebral de porc. Respecte al comportament mecànic, calculem propietats elàstiques, de plasticitat i fractura a escala aparent i de teixit. Per a determinar aqueixes propietats, hem seguit diferents procediments: assajos a compressió, models d'elements finits i fantomas de calibratge micro-CT. Hem desenvolupat models d'elements finits que reprodueixen la resposta elàstica i de fallada sota condicions de compressió en os trabecular, modelant la fallada com a combinació de mecànica del dany continu i la tècnica d'eliminació d'elements. Els models numèrics desenvolupats han permés estimar propietats elàstiques i de fallada. Les nostres estimacions respecte a propietats de fallada són consistents amb valors reportats en la literatura. En concret, les deformacions d'inici de fallada estimades són relativament constants per a les mostres analitzades (0.7 %), mentre que les deformacions últimes de fallada presenten un rang de variació major. D'altra banda, trobem que la deformació equivalent és el descriptor més precís de la fallada a compressió de l'os trabecular. Els models numèrics basats en imatges solen necessitar l'acció d'un tècnic per a segmentar les imatges. En aquest sentit, estudiem la sensibilitat de la morfometria i l'estimació de propietats elàstiques davant variacions en el llindar de segmentació en mostres amb diferent fracció en volum. Hem obtingut que la rigidesa aparent és molt sensible a canvis en el llindar de segmentació, amb variacions entre 45 i 120 % per a una variació de ± 15 % del llindar de segmentació. Altres paràmetres, com BS/BV, BS/TV, Tb.Sp, Tb.N, Conn.D i la dimensió fractal es veuen afectats significativament. D'altra banda, hem aplicat la tècnica correlació digital per imatge (DIC) per a caracteritzar camps de desplaçaments en la fallada a compressió de l'os trabecular, a partir de l'anàlisi d'imatges preses durant l'assaig de les mostres. A més, estudiem la influència d'alguns paràmetres de la tècnica DIC en el camp de deformacions obtingut. També, hem explorat l'aplicació DIC sense l'ús de clapejat, utilitzant com a patró de reconeixement la pròpia microestructura trabecular. En relació a l'estudi de la influència de la microestructura en la resposta mecànica, hem calculat correlacions d'un i diversos paràmetres per a analitzar quines variables morfomètriques expliquen la variació de les propietats mecàniques. La fracció en volum d'os (BV/TV), la relació entre l'àrea i el volum d'os (BS/BV), la espessor trabecular mitjà (Tb.th) i la dimensió fractal (D) presenten les millors correlacions lineals respecte a les propietats elàstiques, mentre que les deformacions d'inici de plasticitat i fractura no van mostrar correlació amb cap paràmetre morfomètric.Belda González, R. (2020). Mechanical and morphometric characterization of cancellous bone [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/149376TESI

A simple and effective geometric representation for irregular porous structure modeling

Computer-aided design of porous structures is a challenging task because of the high degree of irregularity and intricacy associated with the geometries. Most of the existing design approaches either target designing artifacts with regular-shaped pores or reconstructing geometric models from existing porous objects. For regular porous structures, it is difficult to control the pore shapes and distributions locally; for reconstructed models, a design is attainable only if there are some existing objects to reconstruct from. This paper is motivated to present an alternative approach to design irregular porous artifacts with controllable pore shapes and distributions, yet without requiring any existing objects as prerequisites. Inspired by the random colloid-aggregation model which explains the formation mechanism of random porous media, Voronoi tessellation is first generated to partition the space into a collection of compartments. Selective compartments are then merged together to imitate the random colloid aggregations. Through this Voronoi cell merging, irregular convex and concave polygons are obtained and the vertices of which are modeled as control points of closed B-Spline curves. The fitted B-Spline curves are then employed to represent the boundaries of the irregular-shaped pores. The proposed approach drastically improved the ease of irregular porous structure modeling while at the same time properly maintained the irregularity that is widely found in natural objects. Compared with other existing CAD approaches, the proposed approach can easily construct irregular porous structures which appear more natural and realistic. © 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.postprin

Measurement of the structural behaviour of a 3D airless wheel prototype by means of optical non-contact techniques

Additive Manufacturing (AM) is becoming a widely employed technique also in mass production. In this field, compliances with geometry and mechanical performance standards represent a crucial constrain. Since 3D printed products exhibit a mechanical behaviour that is difficult to predict and investigate due to the complex shape and the inaccuracy in reproducing nominal sizes, optical non-contact techniques are an appropriate candidate to solve these issues. In this paper, 2D digital image correlation and thermoelastic stress analysis are combined to map the stress and the strain performance of an airless wheel prototype. The innovative airless wheel samples are 3D-printed by fused deposition modelling and stereolithography in poly-lactic acid and photopolymer resin, respectively. The static mechanical behaviour for different wheel-ground contact configurations is analysed using the aforementioned non-contact techniques. Moreover, the wheel-ground contact pressure is mapped, and a parametric finite element model is developed. The results presented in the paper demonstrate that several factors have great influence on 3D printed airless wheels: a) the type of material used for manufacturing the specimen, b) the correct transfer of the force line (i.e., the loading system), c) the geometric complexity of the lattice structure of the airless wheel. The work confirms the effectiveness of the proposed non-contact measurement procedures for characterizing complex shaped prototypes manufactured using AM

Estudo da resistência mecânica de implantes craniais

The human head is sometimes subjected to impact loads which lead to the skull fracture or other injuries that require the removal of part of the skull - craniectomy. Consequently, the removed portion is then replaced using autologous bone or alloplastic material. This work focuses on developing a cranial implant to fulfill the defect created on the skull and then study its mechanical performance, integrating it on the human head numerical model YEAHM. The material chosen for the implant was PEEK, a thermoplastic polymer that has been recently in use in cranioplasty. So, a numerical model head coupled with an implant was subjected to analysis to evaluate two parameters: the number of fixation screws that enhance the performance and ensure the structural integrity of the implant and the implant capacity to protect the brain compared to the integral skull. Finally, the results show that, among all tested configurations of screws, the model with eight screws presents a better performance when considering the von Mises stress field and the displacement field on the interface between the implant and the skull. Additionally, under the specific analyzed conditions, it is observable that the model with implant offers more efficient brain protection when compared with the model with the integral skull.A cabeça humana está, por vezes, sujeita a impactos que provocam a fratura do crânio ou outro tipo de lesões que implicam a remoção de parte do crânio - craniectomia. Consequentemente, a parte removida ´e posteriormente substituída usando osso autólogo ou material aloplástico. Este trabalho tem como foco o desenvolvimento de um implante cranial para preencher um defeito criado no crânio e estudar a sua performance mecânica integrando-o no modelo numérico da cabeça humana YEAHM. O material escolhido para o implante foi o PEEK, um polímero termoplástico recentemente em uso na cranioplastia. Assim, um modelo numérico Cabeça + Implante foi submetido para análise de modo a avaliar dois critérios: o número de parafusos de fixação que melhora o desempenho e assegura integridade estrutural do implante e a capacidade do implante na proteção do cérebro quando comparado com o crânio na íntegra. Finalmente, os resultados mostram que o implante, de entre todas as configurações de parafusos testadas, apresenta um melhor desempenho com oito parafusos quando analisados o campo de tensões e de deslocamentos nas zonas da interface entre o impante e o crânio. Adicionalmente, é também observável nos resultados que o modelo com implante apresenta uma eficácia de proteção do cérebro superior ao modelo com o crânio na íntegra.Mestrado em Engenharia Mecânic

Evaluation of a wave-vector-frequency-domain method for nonlinear wave propagation

A wave-vector-frequency-domain method is presented to describe one-directional forward or backward acoustic wave propagation in a nonlinear homogeneous medium. Starting from a frequency-domain representation of the second-order nonlinear acoustic wave equation, an implicit solution for the nonlinear term is proposed by employing the Green’s function. Its approximation, which is more suitable for numerical implementation, is used. An error study is carried out to test the efficiency of the model by comparing the results with the Fubini solution. It is shown that the error grows as the propagation distance and step-size increase. However, for the specific case tested, even at a step size as large as one wavelength, sufficient accuracy for plane-wave propagation is observed. A two-dimensional steered transducer problem is explored to verify the nonlinear acoustic field directional independence of the model. A three-dimensional single-element transducer problem is solved to verify the forward model by comparing it with an existing nonlinear wave propagation code. Finally, backward-projection behavior is examined. The sound field over a plane in an absorptive medium is backward projected to the source and compared with the initial field, where good agreement is observed