Experimental and Numerical Strategy for the Determination of Mechanical Properties Related to Human Cortical Bone Fracture

ICTAEM 2020, Proceedings of the Third International Conference on Theoretical, Applied and Experimental Mechanics , Athenes, GRECE, 14-/06/2020 - 17/06/2020The paper presents an experimental test of macrocrack propagation in bones associated with a numerical strategy to determine from this test some mechanical properties by inverse identification. A 3 point bending test is performed on a notched segment of long human bone, and the load vs notch opening displacement is measured. The compliance method is applied in the context of a realistic FE simulation of the test. A first application of this methodology is described and shows its feasibility and capabilities. The ultimate objective of this research project is to develop a probabilistic modelling of the macrocracking processes in human long bone tissues based on an experimental database of mechanical parameters fed up by this methodology

Propagation de fissure sur tronçon d'os long rainuré

International audienceUn essai de propagation d’une macrofissure dans un tronçon d’os cortical humain est développé dans l’objectif de comprendre les mécanismes de rupture du tissu à cette échelle et d’identifier des propriétés de rupture, prérequis indispensables à une modélisation ultérieure. Une première campagne d’essais a été réalisée sur des segments de diaphyses fémorales entaillés soumis à une flexion trois points [1, 2]. Toutefois, l’orientation de la macrofissure est influencée par l’anisotropie du matériau. Afin d’orienter les processus de rupture dans la direction transversale uniquement, une modification de la procédure d’essai est proposée. Inspirée de travaux bibliographiques [3, 4], les tronçons entaillés sont préalablement rainurés : une gorge hémisphérique est usinée sur la surface externe de l’os afin de guider la fissure dans la direction transversale au niveau de l’entaille. Les précautions prises pour la réalisation de l’essai de flexion trois points garantissent une maîtrise de la procédure de test malgré la variabilité géométrique des spécimens : positionnement et conditions d’appuis des échantillons, alignement des supports du capteur d’ouverture d’entaille, positionnement et hauteur de l’entaille, profondeur uniforme de la gorge. Le vérin est piloté indirectement par l’ouverture d’entaille, via un capteur de déplacement inductif. Une série de cycles de déchargements/rechargements est mise en œuvre afin de suivre les évolutions des quantités résiduelles, de l’endommagement pré-pic et de la propagation de macrofissure en post-pic. Les résultats obtenus sont exprimés en termes de courbes d’effort en fonction de l’ouverture d’entaille. L’exploitation des cycles de charges-décharges ainsi que des ouvertures résiduelles permettent de mettre en évidence le rôle primordial de la fissuration dans les mécanismes de rupture. Les résultats montrent que l’ouverture résiduelle est directement liée au niveau d’affaiblissement structurel, conséquence des processus de fissuration, et qu’aucun mécanisme de plasticité n’est visible à cette échelle. L’analyse de ces cycles permet également d’émettre une hypothèse sur le rôle de contraintes internes résiduelles sur les déformations permanentes. Les résultats montrent également que la rainure permet de guider parfaitement la macrofissure dans la direction transversale et la comparaison avec les résultats sur tronçons non-rainurés montrent bien l’impact de cette modification géométrique du spécimen. En perspective future, cet essai sera utilisé pour l’identification par analyse inverse de propriétés mécaniques dans la direction transversale

Effet de la flexion mandibulaire sur la symphyse : modélisation par la méthode des éléments finis de 3 morphotypes de mandibules

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Influence de la flexion mandibulaire : modélisation par la méthode des éléments finis par 3 morphotypes de mandibules édentées

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Aspects méthodologiques de l’estimation de l'âge chez l'adulte en fonction du système haversien

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Leaflet stress quantification of porcine vs bovine surgical bioprostheses: an in vitro study

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Macrocrack propagation in a notched shaft segment of human long bone: Experimental results and mechanical aspects

Experimenting with crack propagation in human cortical tissue is a necessary prerequisite for developing a cracking model. A three-point bending test on a shaft section of a notched human long bone is presented. A procedure for carrying out the experimental test, including unloading/reloading cycles, is implemented. The results obtained are analyzed regarding the physical mechanisms which occur in the different phases of the test, and during the cycles. The prominent role of cracking is highlighted. In addition a hypothesis is proposed concerning the potential effect of initial internal residual stresses, due to bone remodelling, on the significant residual notch openings after unloading and on the cycles' shape

Salivary side effects after radioiodine treatment for differentiated papillary thyroid carcinoma: Long‐term study

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Development and validation of an optimized finite element model of the human orbit

The authors' main purpose was to develop a detailed finite element model (FEM) of the human orbit and to validate it by analyzing its behavior under the stress of blunt traumas. Materials and methods: A pre-existing 3D FEM of a human head was modified and used in this study. Modifications took into account preliminary research carried out on PubMed database. Data from a CT scan of the head were computed with Mimics [10TD$DIF] software to re-create the skull geometry. The mesh production, the model[1TD$DIF]'s properties and the simulations of blunt orbital traumas were conducted on Hyperworks1 software. Results: The resulting 3D FEM was composed of 640 000 elements and was used to perform blunt trauma simulations on an intact orbit. A total of 27 tests were simulated. Fifteen tests were realized with a metallic cylinder impactor; 12 tests simulated a hit by a closed fist. In all the tests conducted (27/27), the orbital floor was fractured. Fracture patterns were similar to those found in real clinical situations according to the buckling and hydraulic theories of orbital floor fractures. Discussion: The similitude between the fracture patterns produced on the model and those observed in vivo allows for a validation of the model. This model constitutes, at the authors knowledge, the most sophisticated one ever developed

Finite element analysis of the human orbit. Behavior of titanium mesh for orbital floor reconstruction in case of trauma recurrence

IntroductionThe authors’ main purpose was to simulate the behavior of a titanium mesh implant (TMI) used to reconstruct the orbital floor under the stress of a blunt trauma.Materials and methodsThe orbital floor of a previously validated finite element model (FEM) of the human orbit was numerically fractured and reconstructed by a simplified TMI. Data from a CT scan of the head were computed with MICMICS (Materialise, Louvain, Belgium) software to re-create the skull's geometry. The meshing production, the model's properties management and the simulations of blunt traumas of the orbit were conducted on HYPERWORKS® software (Altair Engineering, Detroit, MI, USA). Some of the elements of the orbital floor were selected and removed to model the fracture; these elements were duplicated, their characteristics being changed by those of titanium to create a TMI covering this fracture. A 3D FEM composed of 640,000 elements was used to perform 21 blunt trauma simulations on the reconstructed orbit.ResultsIn 90.4% (19/21) of the tests conducted, the TMI, whether free from any bony attachment or screwed to the orbital rim, has tended to move in the orbit and/or to deform.DiscussionIn the event of traumatic recurrence, which is not rare, TMIs may deform in a “blow-in” motion and threaten intra-orbital structures