Исследование механического поведения трабекулярной костной ткани с учётом вязкоупругопластического отклика

Автор: Натали А.Н., Карниель Э.Л., Вентурато Ч., Паван П.Д.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 3 (45) т.13, 2009 года.

Бесплатный доступ

В работе представлена упругопластическая модель для изучения механического неупругого поведения трабекулярной кости. Вязкоупругий отклик ткани определяется с помощью линейной вязкоупругой модели. Упругопластическая модель с законом упрочнения используется для описания отклика ткани после предела упругости. При минимизации разности между результатами модели и экспериментальными данными находятся параметры, входящие в определяющее соотношение. В качестве экспериментальных данных используются результаты испытаний на костных образцах животных. Нахождение вязких параметров проводится с использованием данных экспериментов на сжатие при ползучести и пластичности с постоянной скоростью деформации. Для нахождения параметров пластичности проводились монотонные испытания на сжатие при уровне деформаций выше предела текучести. На диаграммах показаны графики, полученные по модели, и экспериментальные данные, что может служить оценкой надежности проведенного анализа.

Еще

Трабекулярная кость, механическое поведение, определяющие соотношения, вязкоупругопластичность, вычислительная биомеханика

Короткий адрес: https://sciup.org/146215962

IDR: 146215962

Список литературы Исследование механического поведения трабекулярной костной ткани с учётом вязкоупругопластического отклика

  • Bradbenner, T.L. The effect of damage on the viscoelastic behaviour of human vertebral trabecular bone/T.L.Bradbenner, D.T. Davy//Journal of Biomechanical Engineering. -2006. -Vol. 128. -P. 473-480.
  • Cheal, E.J. Role of loads and prosthesis after total hip arthroplasty/E.J. Cheal, M. Spector, W.C. Hayes//J. Orthop. Res. -1992. -Vol. 10. -P. 405-422.
  • Corana, A. Minimizing multimodal functions of continuous variables with the simulated annealing algorithm/A. Corana, M. Marchesi, C. Martini, S. Ridella//ACMT. Math. Software. -1987. -Vol. 13. -P. 262-280.
  • Cotton, J.R. Analysis of creep strain during tensile fatigue of cortical bone/J.R. Cotton, P. Zioupos, K. Winwood, M. Taylor//Journal of Biomechanics. -2003. -Vol. 36. -P. 943-949.
  • Cowin, S.C. On the relationship between the orthotropic Young's moduli and fabric/S.C. Cowin, C.H. Turner//Journal of Biomechanics. -1992. -Vol. 25. -P. 1493-1494.
  • Cowin, S.C. Bone Mechanics. Handbook/S.C. Cowin. -CRC Press, 2001.
  • Fritsch, A. Universal microstructural patterns in cortical and trabecular, extracellular and extravascular bone materials: micromechanics-based prediction of anisotropic elasticity/A. Fritsch, C. Hellmich//J. Theor. Biol. -2007. -Vol. 244, No.4. -P. 597-620.
  • Guedes, R.M. Viscolastic behaviour and failure of bovine cancellous bone under constant strain rate/R.M Guedes, J.A. Simoes, J.L. Morais//Journal of Biomechanics. -2006. -Vol. 39. -P. 49-60.
  • Gupta, A. Constitutive modelling and algorithmic implementation of a plasticity-like model for trabecular bone structure/A. Gupta, H.H. Bayraktar, J.C. Fox, T.M. Keaveny, P. Paradopoulos//Comput. Mech. -2007. -Vol. 40. -P. 61-72.
  • Keaveny, T.M. Effects of porous coating and collar support on early load transfer for a cementless hip prosthesis/T.M. Keaveny, D.L. Bartel//Journal of Biomechanics. -1993. -Vol. 26. -P. 1205-1216.
  • Keaveny, T.M. A 20-year prospective on the mechanical properties of trabecular bone/T.M. Keaveny [et al.]//Trans. of the ASME. -1993. -Vol. 115(11). -P. 534-542.
  • Keaveny, T.M. Fundamental load transfer patterns for press, surface-treated intramedullary fixation systems/T.M. Keaveny, D.L. Bartel//Journal of Biomechanics. -1994. -Vol. 27. -P. 1147-1157.
  • Keaveny, T.M. Mechanical behaviour of damaged trabecular bone/T.M. Keaveny, E.F. Wachel, X.E. Guo, W.C. Hayes//Journal of Biomechanics. -1994. -Vol. 27. -P. 1309-1318.
  • Keaveny, T.M. Mechanical behaviour of human trabecular bone after overloading/T.M. Keaveny, E.F. Wachel, D.L. Kopperdahl//J. Orthop. Res. -1999. -Vol. 17. -P. 346-353.
  • Keaveny, T.M. Biomechanics of trabecular bone/T.M. Keaveny, E.F. Morgan, G.L. Niebur, O.C. Yeh//Ann. Rev. Biomed. Eng. -2001. -Vol. 3. -P. 307-333.
  • Lotz, J.C. Fracture prediction for the proximal femur using finite element models: Part I -Linear analysis/J.C. Lotz, E.J. Cheal, W.C. Heyes//ASME Journal of Biomechanics Eng. -1991a. -Vol. 113. -P. 353-360.
  • Lotz, J.C. Fracture prediction for the proximal femur using finite element models: Part I -Nonlinear analysis/J.C. Lotz, E.J. Cheal, W.C. Heyes//ASME Journal of Biomechanics Eng. -1991. -Vol. 113. -P. 361-365.
  • McDonnell, C. Vertebral osteoporosis and trabecular bone quality/C. McDonnell et al.//Annals of Biomedical Engineering. -2007. -Vol. 35, No. 2. -P. 170-189.
  • Morgan, E.F. Dependence of yield strain of human trabecular bone on anatomical site/E.F. Morgan, T.M. Keaveny//Journal of Biomechanics. -2001. -Vol. 37. -P. 1671-1678.
  • Natali, A.N. Constitutive modelling of inelastic behaviour of cortical bone/A.N. Natali, P.G. Pavan, E.L. Carniel//Med. Eng. Phys. -2008. -Vol. 30(7). -P. 905-912.
  • Norris, R.J. Medical cost of osteoporosis/R.J. Norris et al.//Bone. -1992. -Vol. 13. -P. 11-16.
  • Phillips, S. The direct medical costs of osteoporosis for American women aged 45 and older/S. Phillips, N. Fox, J. Jacobs, W. Wright//Bone. -1988. -Vol. 9. -P. 271-279.
  • Rho, J. Elastic properties of human cortical and trabecular lamellar bone measured by nanoindentation/J. Rho, T.Y. Tsui, G.M. Pharr//J. Orthop. Res. -1997. -Vol. 20. -P. 806-810.
  • Schwartz-Dabney, C.L. Edentulation alters material properties of cortical bone in the human mandible/C.L. Schwartz-Dabney, P.C. Dechow//J. Dent. Res. -2002. -Vol. 81(9). -P. 613-617.
  • Siffert, R.S. Dynamic relationship of trabecular bone density, architecture, and strength in computational model of osteopenia/R.S. Siffert, G.M. Luo, S.C. Cowin, J.J. Kaufman//Bone. -1996. -Vol. 18(2). -P. 197-206.
  • Simo, J.C. Computational Inelasticity/J.C. Simo, T.J.R. Hughes. -New York: Springer, 1998.
  • Skinner, H.B. Femoral prosthesis implantation induces changes in bone stress that depend on the extent of porous coating/H.B. Skinner, A.S. Kim, J.H. Keyak, C.D. Mote//J. Orthop. Res. -1994. -Vol. 12. -P. 553-563.
  • Sylos-Labini, M. A stochastic-deterministic optimization method for eliminating the environmental impact produced by a grounding system/M. Sylos-Labini, A. Covitti, G. Delvecchio, N. Medoro//Proceedings of ICREPQ-2003, Vigo, Spain.
  • Turner, C.H. The fabric dependence of the orthotropic elastic constants of cancellous bone/C.H. Turner, S.C. Cowin, J.Y. Rho, R.B. Ashman, J.C. Rice//Journal of Biomechanics. -1990. -Vol. 23. -P. 549-561.
  • Verhulp, E. Micro-finite element simulation of trabecular bone post-yield behaviour: effects of material model, element size, and type/E. Verhulp, B. Van Rietbergen, R. Muller, R. Huiskes//Comput. Methods Biomech. Biomed. Engineering. -2008. -Vol. 119(4). -P. 389-395.
  • Yamashita, J. The use of dynamic mechanical analysis to assess the viscoelastic properties of human cortical bone/J. Yamashita, B.R. Furman, H.R. Rawls, X.D. Wang, C.M. Agrawal//J. Biomed. Mater. Res. -2001. -Vol. 15. -P. 781-787.
  • Yamashita, J. Collagen and bone viscoelasticity: a dynamic mechanical analysis/J. Yamashita, X.O. Li, B.R. Furman, H.R. Rawls, X.D. Wang, C.M. Agrawal//J. Biomed. Mater. Res. -2002. -Vol. 63(1). P. 31-36.
  • Zysset, P.K. A 3D damage model for trabecular bone based in fabric tensors/P.K. Zysset, A.Curnier//Journal of Biomechanics. -1996. -Vol. 29. -P. 1549-1558.
Еще
Статья научная