پیش‌‌بینی محل شکست استخوان ران انسان با استفاده از روش المان محدود توسعه‌یافته

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه هوافضا، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 تربیت مدرس-مهندسی مکانیک

3 تربیت مدرس*مهندسی مکانیک

چکیده

پیشرفت‌های صورت گرفته در روش المان محدود توسعه‌یافته امکان پیش‌بینی مسیر شکست را بدون دانش قبلی در مورد آن فراهم آورده است. در همین راستا، هدف این پژوهش پیش‌بینی محل شکست استخوان ران انسان با استفاده از روش المان‌محدود بر مبنای وکسل است. در این پژوهش با استفاده از روش المان محدود توسعه‌یافته به همراه مکانیزم آسیب غیر ایزوتروپیک، به بررسی چگونگی شکست استخوان ران برای 3 نمونه‌ی انسانی پرداخته می‌شود. مکانیزم آسیب غیرایزوتروپیک متشکل از 4 معیار شکست به صورت ترکیبی از معیار‌های هاشین و تنش بیشینه اصلی است. این مکانیزم آسیب با هدف در نظر گرفتن خواص ناهمگن و غیرایزوتروپیک استخوان توسعه داده‌شده است. مدل‌هایی از سه استخوان ران با استفاده از روش برش‌نگاری کمی ساخته‌شده و تحت بارگذاری مشخصی قرار گرفته‌اند. نیروی فشاری مورد نظر با زوایای 15- درجه نسبت به صفحات کرونال و سجیتال به سر استخوان ران وارد شده است. مسیرهای شکست متفاوتی برای استخوان شبیه‌سازی شدند. برای بررسی میزان دقت و توانایی این روش در شبیه‌سازی رشد ترک یک مقایسه یک‌به‌یک میان نتایج مدل‌سازی عددی و نتایج تست‌های مکانیکی انجام‌گرفته است. تناظر قابل قبولی در مورد ناحیه‌ی شروع ترک و مسیر رشد ترک، میان مدل‌سازی عددی و نتایج آزمایشگاهی دیده شد که بیانگر توانایی این روش در شبیه‌سازی رشد ترک است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The Prediction of Femoral Fracture Location Using Extended Finite Element Method

نویسندگان [English]

  • Ramin Shahbad 1
  • Fatemeh Sadat Alavi 2
  • Majid Mirzaee 3
1 Aerospace department, faculty of mechanical engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 تربیت مدرس-مهندسی مکانیک
3 Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University
چکیده [English]

The advances in the extended finite element method enable the prediction of crack initiation and propagation without prior knowledge about the crack pattern. In this regard, the purpose of this study was to investigate human femoral fracture location using voxel-based finite element simulation. The simulation was developed in terms of an anisotropic failure mechanism coupled to the extended finite element method to describe the femoral progressive fracture pattern in specimen-specific models. An anisotropic failure mechanism (4 damage criteria) was developed based on the combination of Hashin failure criteria and maximum principal stress criterion to capture femur fracture behavior dependency on femur anisotropy and heterogeneity. Three specimen-specific femur FE models were constructed based on CT-scan images under a particular loading condition. The load was applied to the head of the femur at an angle of -15 degrees relative to the sagittal and coronal planes. To demonstrate the potential of the current approach, a one-to-one comparison of predicted extended finite element method fracture pattern and experimental results were performed. An acceptable agreement was obtained between the predicted and observed fracture patterns suggesting that the proposed failure mechanism in the extended finite element method is capable to simulate femoral fracture type and progressive crack propagation. The presented results indicated that the crack on-set location and subsequent crack trajectories can be correctly captured using the proposed anisotropic failure mechanism in the extended finite element method.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bone fracture
  • finite element method
  • anisotropic damage criteria
  • Fracture mechanics
  • Orthopedic biomechanics
[1] O. Johnell, J. Kanis, An estimate of the worldwide prevalence and disability associated with osteoporotic fractures, Osteoporosis international, 17(12) (2006) 1726-1733.
[2] B. Gullberg, O. Johnell, J. Kanis, World-wide projections for hip fracture, Osteoporosis international, 7(5) (1997) 407-413.
[3] J. Lotz, E. Cheal, W.C. Hayes, Fracture prediction for the proximal femur using finite element models: part I—linear analysis, Journal of biomechanical engineering, 113(4) (1991) 353-360.
[4] J. Lotz, E. Cheal, W.C. Hayes, Fracture prediction for the proximal femur using finite element models: part II—nonlinear analysis,  (1991).
[5] J.H. Keyak, Improved prediction of proximal femoral fracture load using nonlinear finite element models, Medical engineering & physics, 23(3) (2001) 165-173.
[6] M. Bessho, I. Ohnishi, J. Matsuyama, T. Matsumoto, K. Imai, K. Nakamura, Prediction of strength and strain of the proximal femur by a CT-based finite element method, Journal of biomechanics, 40(8) (2007) 1745-1753.
[7] J.E. Koivumäki, J. Thevenot, P. Pulkkinen, V. Kuhn, T.M. Link, F. Eckstein, T. Jämsä, Ct-based finite element models can be used to estimate experimentally measured failure loads in the proximal femur, Bone, 50(4) (2012) 824-829.
[8] J.H. Keyak, H.B. Skinner, J.A. Fleming, Effect of force direction on femoral fracture load for two types of loading conditions, Journal of Orthopaedic Research, 19(4) (2001) 539-544.
[9] K.K. Nishiyama, S. Gilchrist, P. Guy, P. Cripton, S.K. Boyd, Proximal femur bone strength estimated by a computationally fast finite element analysis in a sideways fall configuration, Journal of biomechanics, 46(7) (2013) 1231-1236.
[10] M. Mirzaei, M. Keshavarzian, V. Naeini, Analysis of strength and failure pattern of human proximal femur using quantitative computed tomography (QCT)-based finite element method, Bone, 64 (2014) 108-114.
[11] M. Mirzaei, M. Keshavarzian, F. Alavi, P. Amiri, S. Samiezadeh, QCT-based failure analysis of proximal femurs under various loading orientations, Medical & Biological Engineering & Computing, 53(6) (2015) 477-486.
[12] E.M. Feerick, J.P. McGarry, Cortical bone failure mechanisms during screw pullout, Journal of biomechanics, 45(9) (2012) 1666-1672.
[13] R. Hambli, A. Bettamer, S. Allaoui, Finite element prediction of proximal femur fracture pattern based on orthotropic behaviour law coupled to quasi-brittle damage, Medical engineering & physics, 34(2) (2012) 202-210.
[14] M. Mirzaei, F. Alavi, F. Allaveisi, V. Naeini, P. Amiri, Linear and nonlinear analyses of femoral fractures: Computational/experimental study, Journal of biomechanics, 79 (2018) 155-163.
[15] A.A. Ali, L. Cristofolini, E. Schileo, H. Hu, F. Taddei, R.H. Kim, P.J. Rullkoetter, P.J. Laz, Specimen-specific modeling of hip fracture pattern and repair, Journal of Biomechanics, 47(2) (2014) 536-543.
[16] A. Idkaidek, I. Jasiuk, Cortical bone fracture analysis using XFEM–case study, International journal for numerical methods in biomedical engineering, 33(4) (2017) e2809.
[17] M. Marco, E. Giner, R. Larraínzar-Garijo, J.R. Caeiro, M.H. Miguélez, Modelling of femur fracture using finite element procedures, Engineering Fracture Mechanics, 196 (2018) 157-167.
[18] K. Piekarski, Analysis of bone as a composite material, International journal of engineering science, 11(6) (1973) 557-565.
[19] D.T. Reilly, A.H. Burstein, The elastic and ultimate properties of compact bone tissue, Journal of biomechanics, 8(6) (1975) 393-405.
[20] J.D. Currey, The structure and mechanics of bone, Journal of Materials Science, 47(1) (2012) 41-54.
[21] J.H. Keyak, S.A. Rossi, Prediction of femoral fracture load using finite element models: an examination of stress-and strain-based failure theories, Journal of biomechanics, 33(2) (2000) 209-214.
[22] C. Les, J. Keyak, S.M. Stover, K. Taylor, A. Kaneps, Estimation of material properties in the equine metacarpus with use of quantitative computed tomography, Journal of Orthopaedic Research, 12(6) (1994) 822-833.
[23] J.H. Keyak, Y. Falkinstein, Comparison of in situ and in vitro CT scan-based finite element model predictions of proximal femoral fracture load, Medical engineering & physics, 25(9) (2003) 781-787.
[24] Z. Hashin, Failure criteria for unidirectional fiber composites, Journal of applied mechanics, 47(2) (1980) 329-334.
[25] A. Matzenmiller, J. Lubliner, R. Taylor, A constitutive model for anisotropic damage in fiber-composites, Mechanics of materials, 20(2) (1995) 125-152.
[26] I. Lapczyk, J.A. Hurtado, Progressive damage modeling in fiber-reinforced materials, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 38(11) (2007) 2333-2341.
[27] R. Cook, P. Zioupos, The fracture toughness of cancellous bone, Journal of biomechanics, 42(13) (2009) 2054-2060.
[28] E.A. Zimmermann, M.E. Launey, H.D. Barth, R.O. Ritchie, Mixed-mode fracture of human cortical bone, Biomaterials, 30(29) (2009) 5877-5884.
[29] E.M. Feerick, X.C. Liu, P. McGarry, Anisotropic mode-dependent damage of cortical bone using the extended finite element method (XFEM), Journal of the mechanical behavior of biomedical materials, 20 (2013) 77-89.