Validacija numeričkih modela mehaničkoga ponašanja životinjskih i ljudskih kostiju

Primjena metode konačnih elemenata postaje nezaobilazna u biomehanici i medicini, osobito pri numeričkom modeliranju kosti ili sustava kost – implantat. Budući da je koštano tkivo nehomogen materijal, primjena računalne tomografije (engl. Computed Tomography – CT) vrlo je važna u razvoju numeričkih modela kostiju. Na osnovi CT-a može se vrlo precizno rekonstruirati geometrija kosti i odrediti gustoća svakoga pojedinog voksela. Gustoća kosti povezana je s modulom elastičnosti, no ta veza nije jednaka za svaku kost. U ovom istraživanju kost je na razini konačnog elementa modelirana kao linearno elastičan materijal s izotropnim svojstvima, dok u mreži konačnih elemenata modul elastičnosti varira s gustoćom kosti tako da je cijela kost modelirana kao nehomogeni materijal. Pravilan odabir relacije koja povezuje gustoću i modul elastičnosti znatno utječe na rezultate računalnih simulacija, stoga je potrebno validirati numeričke modele eksperimentalnim in vitro ispitivanjem svježih kostiju. Danas se u biomehaničkim istraživanjima, ponajprije jer se lakše nabavljaju, često koristimo životinjskim kostima. Konkretno, svinjske i ovčje kosti zbog svoje su građe, oblika i dimenzija prikladne za testiranje medicinskih implantata namijenjenih ljudima. Većina relacija gustoća – modul elastičnosti dostupnih u literaturi, ograničena je na ljudski femur (bedrena kost) te je upitna njihova primjenjivost na ostale ljudske ili životinjske kosti. Cilj predloženoga doktorskog rada jest in vitro eksperimentalno ispitivanje svježih životinjskih i ljudskih kostiju primjenom metode korelacije digitalne slike (engl. Digital image correlation – DIC) za mjerenje pomaka i deformacija. Metoda korelacije digitalne slike suvremena je beskontaktna metoda koja omogućuje mjerenje cijelog polja pomaka na površini mjernog objekta i sve se češće primjenjuje za ispitivanje bioloških tkiva. S obzirom na to da daje kao rezultat cijelo polje pomaka i deformacija, metoda je kvalitetan alat za validaciju numeričkih modela kostiju. Spomenuta metoda omogućuje bolji uvid u mehaničko ponašanje kosti te realnije prikazuje njezin mehanički odziv na narinuto opterećenje. Predloženo istraživanje obuhvaća numeričko modeliranje kosti na temelju računalne tomografije, te na osnovi usporedbe s eksperimentom, definiranje relacija gustoća – modul elastičnosti za pojedine vrste kostiju. Za veći dio istraživanja korištene su svježe svinjske i ovčje kosti, uglavnom zbog njihove pristupačnosti

Određivanje stabilnosti novog vanjskog fiksatora primjenom mjernog sustava Aramis

Vanjski fiksatori koriste se za liječenje otvorenih i zatvorenih prijeloma dugih kostiju. Krutost i čvrstoća fiksatora uvelike utječu na konačan ishod liječenja. Odgovarajuća stabilnost koštanih ulomaka omogućuje bolje cijeljenje prijeloma i bržu rehabilitaciju pacijenta. Cilj ovog istraživanja bila je procjena biomehaničke stabilnosti novokonstruiranog unilateralnog vanjskog fiksatora za prijelome proksimalne tibije. S ciljem usporedbe svojstava prototipa novog fiksatora s vanjskim fiksatorom Orthofix, koji se često upotrebljava u kliničkoj praksi, provedena su statička i dinamička ispitivanja. Pri statičkom ispitivanju uzorci su opterećeni aksijalno i na savijanje, a pomaci su određeni bezkontaktnim optičkim mjernim sustavom Aramis. Rezultati su pokazali da su biomehanička svojstva nove konstrukcije bolja kod savijanja, dok se konvencionalni vanjski fiksator pokazao boljim pri aksijalnom opterećenju. Pri cikličkom ispitivanju nije bilo značajne razlike u rezultatima

Stabilnost osteosinteze pločicom kod prijeloma proksimalnog humerusa

Starenje stanovništva dovodi do sve većeg broja osteoporotičnih oboljenja kostiju, poglavito u starijih osoba. Osteosinteza uključuje spajanje i unutarnju fiksaciju koštanih fragmenata nakon frakture pomoću implantanata napravljenih od biokompatibilnih materijala, s ciljem cijeljenja kosti. Od svoje pojave, osteosintetske pločice na zaključavanje pokazale su se boljima u odnosu na konvencionalne osteosintetske pločice, jer osiguravaju veću biomehaničku stabilnost koštanih ulomaka te pridonose očuvanju biološkog integriteta kosti što rezultira bržim i boljim cijeljenjem prijeloma. U ovom radu ispitana je biomehanička stabilnost osteosinteze s Philos pločicom (Synthes, Švicarska) i novokonstruiranom pločicom na zaključavanje tvrtke Zrinski AG (Njemačka). Eksperimentalna ispitivanja provedena su za ekstraartikularni prijelom proksimalnog humerusa na osteoporotičnim umjetnim kostima s osteotomijom u području kirurškog vrata humerusa, te na osteoporotičnim i neosteoporotičnim kostima bez osteotomije, kod aksijalnog opterećenja i abdukcije. Pomaci i deformacije određeni su pomoću korelacije digitalne slike (DIC - Digital Image Correlation)

Utjecaj opterećenja na biomehaničku stabilnost prijeloma distalnog humerusa

Osteoporotični prijelomi zauzimaju sve značajnije mjesto u sveukupnom morbiditetu stanovništva razvijenih zemalja. Veliki broj takvih prijeloma zahtijeva sekundarne zahvate, a posljedica toga su kronična stanja kao što su bol, funkcionalna i psihosocijalna invalidnost. Ekstraartikularni prijelomi distalnog humerusa zahtjevaju drugačije postupke liječenja od intraartikularnih prijeloma. Tijekom otvorene repozicije i unutrašnje fiksacije, osobito kod višeiverinih ekstraartikularnih prijeloma distalne dijafize i metafize humerusa, zahtijeva se adekvatna biomehanička stabilnost koštanih ulomaka koja omogućuje rano postoperativno razgibavanje lakatnog zgloba, a time i dobar funkcionalni rezultat. U ovom radu je ispitana biomehanička stabilnost osteosinteze s pločicama na zaključavanje (LCP) i s konvencionalnim rekonstrukcijskim pločicama s kortikalnim vijcima bez zaključavanja. Ispitivanja su provedena pri aksijalnom opterećenju i savijanju na umjetnim osteoporotičnim modelima proksimalnog humerusa s osteotomijom koja simulira nestabilnost na mjestu prijeloma. Rezultati su pokazali da se kod oba modela najveći pomaci na frakturnoj pukotini pojavljuju u području donjeg anteriornog ruba

Primjena regularizacije na korelaciju digitalne slike

Korelacija digitalne slike (DIC – Digital Image Correlation) je metoda koja koristi digitalnu sliku za mjerenje cijelog polja pomaka. Svoju primjenu sve više nalazi na polju identifikacije i validacije konstitutivnih zakona. Prednost takve metode neusporediva je sa mjerenjem mehaničkim ekstenzometrima i mjernim trakama koje mjere pomak samo u jednoj točki. Metoda kao takva ima i nedostatak. Prilikom zapisivanja slika javljaju se brze fluktuacija polja pomaka koje su unesene konstantnim šumom kamere te mjernim postavom. Zbog tih problema koristi se regularizacija. U ovom radu prezentirana je primjena nove DIC metode koja koristi regularizaciju (R-DIC) kao sredstvo smanjenja rezolucijske nesigurnosti. Metoda regularizacije služi kao filter za propuštanje samo mehaničkih polja prilikom čega se šum koji se javlja prilikom zapisivanja slika zanemaruje. Prednost regularizacijskog algoritma posebno je vidljiva kada se za analizu koristi siromašna tekstura (niska razina sive skale). Metoda je validirana na umjetno deformiranim slikama, a direktnu primjenu je našla kod biaxialnih testova nodularnog lijeva. Nodularni lijev promatran je na dvije različite skale uvećanja (macro i meso). Za makro razinu korištena je umjetno napravljena tekstura dok je za meso korištena prirodna tekstura nodularnog lijeva

Primjena infracrvene termografije kod mehaničkog ispitivanja materijala

U radu je prikazana analiza rezultata eksperimentalnih istraživanja procesa deformiranja plosnatih epruveta. Eksperimentom je obuhvaćeno statičko vlačno ispitivanje epruveta izrađenih od nodularnog lijeva pri dvije brzine deformiranja. Raspodjele pomaka i temperatura na vanjskim plohama epruveta za vrijeme eksperimenta određene su pomoću metoda fotogrametrije (optičkim sustavom ARAMIS) te pomoću termoparova i infracrvene termografije. Cilj rada je bio dovesti u korelaciju elastoplastične deformacije i prirast površinskih temperatura u opterećenim epruvetama. Dobiveni eksperimentalni rezultati će omogućiti točnije kalibriranje parametara materijala u termoplastičnim konstitutivnim modelima

Validation of numerical models of mechanical behavior of animal and human bones

Primjena metode konačnih elemenata postaje nezaobilazna u biomehanici i medicini, osobito pri numeričkom modeliranju kosti ili sustava kost – implantat. Budući da je koštano tkivo nehomogen materijal, primjena računalne tomografije (engl. Computed Tomography – CT) vrlo je važna u razvoju numeričkih modela kostiju. Na osnovi CT-a može se vrlo precizno rekonstruirati geometrija kosti i odrediti gustoća svakoga pojedinog voksela. Gustoća kosti povezana je s modulom elastičnosti, no ta veza nije jednaka za svaku kost. U ovom istraživanju kost je na razini konačnog elementa modelirana kao linearno elastičan materijal s izotropnim svojstvima, dok u mreži konačnih elemenata modul elastičnosti varira s gustoćom kosti tako da je cijela kost modelirana kao nehomogeni materijal. Pravilan odabir relacije koja povezuje gustoću i modul elastičnosti znatno utječe na rezultate računalnih simulacija, stoga je potrebno validirati numeričke modele eksperimentalnim in vitro ispitivanjem svježih kostiju. Danas se u biomehaničkim istraživanjima, ponajprije jer se lakše nabavljaju, često koristimo životinjskim kostima. Konkretno, svinjske i ovčje kosti zbog svoje su građe, oblika i dimenzija prikladne za testiranje medicinskih implantata namijenjenih ljudima. Većina relacija gustoća – modul elastičnosti dostupnih u literaturi, ograničena je na ljudski femur (bedrena kost) te je upitna njihova primjenjivost na ostale ljudske ili životinjske kosti. Cilj predloženoga doktorskog rada jest in vitro eksperimentalno ispitivanje svježih životinjskih i ljudskih kostiju primjenom metode korelacije digitalne slike (engl. Digital image correlation – DIC) za mjerenje pomaka i deformacija. Metoda korelacije digitalne slike suvremena je beskontaktna metoda koja omogućuje mjerenje cijelog polja pomaka na površini mjernog objekta i sve se češće primjenjuje za ispitivanje bioloških tkiva. S obzirom na to da daje kao rezultat cijelo polje pomaka i deformacija, metoda je kvalitetan alat za validaciju numeričkih modela kostiju. Spomenuta metoda omogućuje bolji uvid u mehaničko ponašanje kosti te realnije prikazuje njezin mehanički odziv na narinuto opterećenje. Predloženo istraživanje obuhvaća numeričko modeliranje kosti na temelju računalne tomografije, te na osnovi usporedbe s eksperimentom, definiranje relacija gustoća – modul elastičnosti za pojedine vrste kostiju. Za veći dio istraživanja korištene su svježe svinjske i ovčje kosti, uglavnom zbog njihove pristupačnosti.The finite element method has become an indispensable tool in biomechanics and medicine, especially when the bone or the bone-implant system are modeled numerically. Since the bone tissue material is inhomogeneous, the application of computed tomography (CT) plays a major role in the development of numerical bone models. Based on the CT scan the bone geometry can be precisely reconstructed and the denstiy of each voxel can be determined. The bone density is related to the modulus of elasticity, whereby this relation is not the same for each bone. In this research the bone is at the finite element level modeled as a linear elastic material with isotropic properties. In finite element mesh the modulus of elasticity varies with the bone density so the global bone model was modeled as inhomogeneous material. The proper choice of relation between density and modulus of elasticity of the bone has a big impact on the numerical simulation results, therefore it is necessary to validate numerical models with the experimental in vitro testing of fresh bones. In today's biomechanical investigations, animal bones are often used, mostly because of their availability. In particular, swine and sheep bones are, due to their structure, shape and dimensions, suitable for testing medical implants intended for humans. Most of density-elasticity relations in the literature are limited to the human femur, and their applicability to other human or animal bones is questionable. The aim of this doctoral thesis is in vitro experimental testing of fresh animal and human bones using the digital image correlation (DIC) method for the displacement and strain measurement. The DIC method is a modern non-contact method that enables measurement of displacement fields on the surface of a measured object and has been increasingly used in the biological tissue testing. Since as a result the method produces the displacement and strain field, it represents a quality tool for the validation of numerical models of bones. The mentioned method will give a better insight into the mechanical behavior of bones and show the mechanical response of bone to the applied load in a more realistic manner. The proposed investigation involves numerical modeling of the bone based on computed tomography and a comparison with experimental results, as well as defining the relations between density and modulus of elasticity for certain types of bones. The greater part of the investigation will be carried out on fresh swine and sheep bones primarily because of their accessibility

Validation of numerical models of mechanical behavior of animal and human bones

Primjena metode konačnih elemenata postaje nezaobilazna u biomehanici i medicini, osobito pri numeričkom modeliranju kosti ili sustava kost – implantat. Budući da je koštano tkivo nehomogen materijal, primjena računalne tomografije (engl. Computed Tomography – CT) vrlo je važna u razvoju numeričkih modela kostiju. Na osnovi CT-a može se vrlo precizno rekonstruirati geometrija kosti i odrediti gustoća svakoga pojedinog voksela. Gustoća kosti povezana je s modulom elastičnosti, no ta veza nije jednaka za svaku kost. U ovom istraživanju kost je na razini konačnog elementa modelirana kao linearno elastičan materijal s izotropnim svojstvima, dok u mreži konačnih elemenata modul elastičnosti varira s gustoćom kosti tako da je cijela kost modelirana kao nehomogeni materijal. Pravilan odabir relacije koja povezuje gustoću i modul elastičnosti znatno utječe na rezultate računalnih simulacija, stoga je potrebno validirati numeričke modele eksperimentalnim in vitro ispitivanjem svježih kostiju. Danas se u biomehaničkim istraživanjima, ponajprije jer se lakše nabavljaju, često koristimo životinjskim kostima. Konkretno, svinjske i ovčje kosti zbog svoje su građe, oblika i dimenzija prikladne za testiranje medicinskih implantata namijenjenih ljudima. Većina relacija gustoća – modul elastičnosti dostupnih u literaturi, ograničena je na ljudski femur (bedrena kost) te je upitna njihova primjenjivost na ostale ljudske ili životinjske kosti. Cilj predloženoga doktorskog rada jest in vitro eksperimentalno ispitivanje svježih životinjskih i ljudskih kostiju primjenom metode korelacije digitalne slike (engl. Digital image correlation – DIC) za mjerenje pomaka i deformacija. Metoda korelacije digitalne slike suvremena je beskontaktna metoda koja omogućuje mjerenje cijelog polja pomaka na površini mjernog objekta i sve se češće primjenjuje za ispitivanje bioloških tkiva. S obzirom na to da daje kao rezultat cijelo polje pomaka i deformacija, metoda je kvalitetan alat za validaciju numeričkih modela kostiju. Spomenuta metoda omogućuje bolji uvid u mehaničko ponašanje kosti te realnije prikazuje njezin mehanički odziv na narinuto opterećenje. Predloženo istraživanje obuhvaća numeričko modeliranje kosti na temelju računalne tomografije, te na osnovi usporedbe s eksperimentom, definiranje relacija gustoća – modul elastičnosti za pojedine vrste kostiju. Za veći dio istraživanja korištene su svježe svinjske i ovčje kosti, uglavnom zbog njihove pristupačnosti.The finite element method has become an indispensable tool in biomechanics and medicine, especially when the bone or the bone-implant system are modeled numerically. Since the bone tissue material is inhomogeneous, the application of computed tomography (CT) plays a major role in the development of numerical bone models. Based on the CT scan the bone geometry can be precisely reconstructed and the denstiy of each voxel can be determined. The bone density is related to the modulus of elasticity, whereby this relation is not the same for each bone. In this research the bone is at the finite element level modeled as a linear elastic material with isotropic properties. In finite element mesh the modulus of elasticity varies with the bone density so the global bone model was modeled as inhomogeneous material. The proper choice of relation between density and modulus of elasticity of the bone has a big impact on the numerical simulation results, therefore it is necessary to validate numerical models with the experimental in vitro testing of fresh bones. In today's biomechanical investigations, animal bones are often used, mostly because of their availability. In particular, swine and sheep bones are, due to their structure, shape and dimensions, suitable for testing medical implants intended for humans. Most of density-elasticity relations in the literature are limited to the human femur, and their applicability to other human or animal bones is questionable. The aim of this doctoral thesis is in vitro experimental testing of fresh animal and human bones using the digital image correlation (DIC) method for the displacement and strain measurement. The DIC method is a modern non-contact method that enables measurement of displacement fields on the surface of a measured object and has been increasingly used in the biological tissue testing. Since as a result the method produces the displacement and strain field, it represents a quality tool for the validation of numerical models of bones. The mentioned method will give a better insight into the mechanical behavior of bones and show the mechanical response of bone to the applied load in a more realistic manner. The proposed investigation involves numerical modeling of the bone based on computed tomography and a comparison with experimental results, as well as defining the relations between density and modulus of elasticity for certain types of bones. The greater part of the investigation will be carried out on fresh swine and sheep bones primarily because of their accessibility