مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

پیش‌بینی شکست استخوان ران با استفاده از روش اجزا محدود خطی از طریق تصاویر برش‌نگاری کمی رایانه‌ای (QCT)

نویسندگان
1 دانشجو، دانشگاه تربیت مدرس
2 دانشیار، دانشگاه تربیت مدرس
چکیده
روش اجزا محدود مبنی بر برش نگاری کمی رایانه، یک روش تثبیت شده برای بدست آوردن رفتار مکانیکی ساختار استخوانی می‌باشد. هدف ما در این پژوهش، استخراج روابطی خطی به منظور پیش بینی سریع و قابل اطمینان مقدار بار بحرانی شروع شکست استخوان ران می‌باشد. بدین منظور، از ده نمونه استخوان ران تازه‌ی منجمد انسان در هشت جهت بارگذاری تست آزمایشگاهی گرفته شده است. مدل اجزا محدود این استخوان‌ها با استفاده از داده‌های برش نگاری کمی رایانه ای و اختصاص خواص مکانیکی مبنی بر چگالی معدنی استخوان به صورت نقطه‌ای ساخته شده و به وسیله‌ی حل خطی اجزا محدود تحلیل شده‌ است. از معیار فاکتور خطر که بر اساس نسبت چگالی انرژی کرنشی المان به مقدار انرژی کرنشی تسلیم آن تعریف می‌شود، برای بدست آوردن روابط خطی به منظور پیش بینی بار شکست استخوان ران استفاده شده است. در نهایت هشت رابطه‌ی خطی برای هشت مقدار بار اعمالی در تحلیل خطی اجزا محدود، بدست آمده است. با استفاه از این روابط ارائه شده، نیروی شکست استخوان ران در جهت‌های مختلف بارگذاری به طور سریع قابل پیش بینی است. مقدار بار شکست محاسبه شده با استفاده از روابط بدست آمده تطابق خوبی با نتایج تست‌های تجربی داشته است. ( میانگین شیب 8903/0 و میانگین هم‌بستگی 8668/0 برای هشت مقدار بار اعمالی متفاوت )
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Failure Prediction of Proximal Femur using quantitative computed tomography based finite element method

نویسندگان English

Pegah Amiri Motlagh 1
Majid Mirzaei 2
Vahid Naeini 1
1 Student, Tarbiat Modares University
چکیده English

Quantitative computed tomography (QCT) -based finite element analysis is a commonly accepted approach for prediction of mechanical behavior of bones. The objective of this research is to suggest linear criterion in order to accelerate and increase the precision of predicting of failure load in femoral bone. Accordingly, ten fresh frozen femora were QCT scanned and performed to use in this study. The specimens were loaded under eight different orientations. Finite element model for these samples were generated from QCT images, and related mechanical properties were calculated for each single voxel based on the value of density. In addition, the models were analyzed by linear finite element method. Risk factor that defines as the strain energy density divided to yield strain energy for each element was used for calculations of failure load. These values were sorted for particular loads in finite element model, and the correlations between experimental and numerical results were compared. Finally, eight linear criterions for eight different load conditions were presented which shows magnificent correlation between empirical results (average slope: 0.8903 and average R2: 0.8668). These correlations make it possible to accelerate the prediction of femoral fracture load in various orientations. This research shows a robust and fast method for prediction of failure in bones that can be used for multiple loads and orientations.

کلیدواژه‌ها English

Finite element analysis
Femoral bone
Quantitative computed tomography
Fracture load