Определение механических свойств костной ткани численно-цифровым методом на основе данных компьютерной томографии
Автор: Герасимов О.В., Рахматулин Р.Р., Балтина Т.В., Саченков О.А.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 3 (101) т.27, 2023 года.
Бесплатный доступ
Моделирование элементов негомогенных сред является актуальным направлением при изучении композитных материалов и объектов биомеханики. Необходимость проведения исследований определяется недостаточной разработанностью методик описания механических параметров с учётом анизотропии материалов. В этом случае одним из направлений выступает применение цифрового прототипирования и методов численного моделирования. В области биомеханики применимость подходов к численному моделированию на основе данных с изображений коррелирует с клинической практикой, что обусловливается особенностями методов неразрушающего контроля и позволяет получать результаты, оказывающие влияние на качество проводимого лечения. В работе рассматривается метод восстановления механических свойств костной ткани на основе вычислительных и натурных экспериментов. Моделирование базировалось на методе конечных элементов и предполагало применение данных цифрового прототипа, полученного проведением компьютерной томографии. Восстановление расчётной области выполнялось фильтрацией исходной сетки относительно доли содержания материала. Представленный метод позволяет восстанавливать значения модуля упругости и касательных модулей ткани на основе линейности тензора упругих констант относительно модуля Юнга. В ходе работы было проведено моделирование костных органов свиней. Содержание животных и экспериментальные процедуры осуществлялись с соблюдением биоэтических норм. Физические испытания и численное моделирование выполнялось в условиях действия изгиба. Валидация полученного распределения значений напряжённо-деформированного состояния выполнялась по данным натурных экспериментов. Представленное решение показало слабую зависимость результатов (менее 1 %) относительно степени дискретизации расчётной области, что позволило проводить вычисления с применением меньшего количества конечных элементов, избегая применения ресурсоёмких методов восстановления геометрии образца. Полученные в рамках работы результаты соответствуют литературным данным и определяют истинные значения упругих констант костной ткани, применение которых в расчётах позволяет проводить оценку прочности элементов негомогенной структуры в условиях действия внешних нагрузок с учётом пространственного распределения материала.
Негомогенные среды, методы неразрушающего контроля, численное моделирование, компьютерная томография, пористые структуры, костная ткань
Короткий адрес: https://sciup.org/146282781
IDR: 146282781 | УДК: 531/534: | DOI: 10.15593/RZhBiomech/2023.3.04
Determination of the bone tissue mechanical properties by a numerical-digital method using CT data
Modeling of elements of inhomogeneous media is an actual direction in the study of composite materials and biomechanics objects. The need for research is determined by the insufficient development of methods for describing mechanical parameters, taking into account the anisotropy of materials. In this case, one of the directions is the use of digital prototyping and numerical modeling methods. In the field of biomechanics, the applicability of approaches to numerical modeling based on image data correlates with cases of clinical practice, which is due to the peculiarities of non-destructive testing methods and allows obtaining results that affect the quality of treatment. The paper considers a method for restoring effective mechanical properties of a material based on computational and field experiments. The simulation was based on the finite element method and assumed the use of data from a digital prototype obtained by computed tomography. The restoration of the calculated area was performed by filtering the initial grid relative to the proportion of the content of the material. The presented method makes it possible to restore the effective values of the elastic modulus and tangential modules based on the relationship established within the framework of the approach between the mechanical properties of the material and the loading parameters of the model sample. In the course of the work, the bone organs of pigs were modeled. Animal husbandry and experimental procedures were carried out in compliance with bioethical norms. Physical tests and numerical modeling were carried out under the conditions of bending action. Validation of the obtained distribution of values of the stress-strain state was performed according to the data of full-scale experiments. The presented solution showed a weak dependence of the results (less than 1%) relative to the degree of discretization of the computational domain, which made it possible to perform calculations using fewer finite elements, avoiding the use of resource-intensive methods to restore the geometry of the sample. The results obtained in the framework of the work correspond to the literature data and determine the true values, the use of which in calculations makes it possible to assess the strength of the elements of an inhomogeneous structure under the action of external loads, taking into account the spatial distribution of the material.
Список литературы Определение механических свойств костной ткани численно-цифровым методом на основе данных компьютерной томографии
- Ананьева А.Ш., Бараева Л.М., Быков И.М., Веревкина Ю.В., Курзанов А.Н. Моделирование повреждений костных структур в экспериментах на животных // Инновационная медицина Кубани. - 2021. -№ 1. - С. 47-55. DOI: 10.35401/2500-0268-2021-21-1-4755.
- Ахметзянова А.И., Шарафутдинова К.Р., Сабирова Д.Э., Балтин М.Э., Герасимов О.В. Балтина Т.В., Саченков О.А. Оценка влияния тяжести травмы спинного мозга на механические свойства костей задних конечностей опытных крыс // Российский журнал биомеханики. -2022. - № 4. - С. 45-55. DOI: 10.15593/RzhBiomeh/2022.4.04.
- Киченко А.А., Тверье В.М., Няшин Ю.И., Осипенко М.А., Лохов В.А. Постановка начально-краевой задачи о перестройке трабекулярной костной ткани // Российский журнал биомеханики. - 2012. - Т. 16, № 4 (58). - С. 36-52.
- Киченко А.А., Тверье В.М., Няшин Ю.И., Заборских А.А. Экспериментальное определение тензора структуры трабекулярной костной ткани // Российский журнал биомеханики. - 2011. - Т.15, № 4. - С.78-93.
- Крылов О.В. Метод конечных элементов и его применение в инженерных расчётах // Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь. - 2002. - 104 с. - ISBN 5-256-01627-X.
- Маслов Л.Б., Дмитрюк А.Ю., Жмайло М.А., Коваленко А.Н. Исследование прочности эндопротеза тазобедренного сустава из полимерного материала // Российский журнал биомеханики. - 2022. -№ 4. - С. 19-33. DOI: 10.15593/RzhBiomeh/2022.4.02.
- Саченков О.А., Герасимов О.В., Королёва Е.В., Мухин Д.А., Яикова В.В., Ахтямов И.Ф., Шакирова Ф.В., Коробейникова Д.А, Чжи К.К. Построение неоднородной конечно-элементной модели по данным компьютерной томографии // Россиийский журнал биомеханики. -2018. - Т. 22, № 3. - С. 290-302. DOI: 10.15593/RJBiomeh/2018.3.05.
- Саченков О.А., Яикова В.В., Харин Н.В. Программа для автоматического определения механических свойств костной ткани по экспериментальным данным. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, № 2020615249, 19.05.2020. Заявка № 2020613959 от 03.04.2020.
- Яикова В.В., Герасимов О.В., Харин Н.В, Балтина Т.В., Саченков О.А. Автоматическое определение механических свойств костной ткани по экспериментальным данным // Информационные технологии и нанотехнологии. - 2021. - Т. 3. - С. 034353.
- Bagirov, A., Suvarly, P., Ogaryov, E., Yeltsin, A., Mininkov, D., Tagizade, A. Multislice computed tomography in the complex assessment of deformities of long tubular bones of the lower extremities: prospective cohort study // N.N. Priorov Journal of Traumatology and Orthopedics. - 2023. - Vol. 29. - P. 269-277. DOI: 10.17816/vto111559.
- Bakhmet'ev, V. Destruction of a long tubular bone in combined mechanical and thermal exposures // Sudebno-Meditsinskaia Ekspertiza. - 1990. - Vol. 33. - P. 19-20.
- Bolshakov P.V., Sachenkov O.A. Destruction simulation for the inhomogeneous body by finite elementmethod using computed tomography data, Russian Journal of Biomechanics. - 2020. - Vol. 24, No. 2. - P. 248-258. DOI: 10.15593/RzhBiomeh/2020.2.12.
- Choi, S., Park, Y.-K., Kim, J.H., Moon, H., Kwon, W.-K., Ham, C. Clinical Importance of Hounsfield Unit in Computed Tomography of Sub-Axial Cervical Vertebral Body // Asian Journal of Pain. - 2022. - Vol. 8, No. 2. DOI: 10.35353/ajp.2022.00059.
- Correia Marques, F., Boaretti, D., Walle, M., Scheuren, A., Schulte, F., Müller, R. Mechanostat parameters estimated from time-lapsed in vivo micro-computed tomography data of mechanically driven bone adaptation are logarithmically dependent on loading frequency // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. - 2023. - Vol. 11. DOI: 10.3389/fbioe.2023.1140673.
- Cremers, D., Rousson, M., Deriche, R. A review of statistical approaches to level set segmentation: Integrating color, texture, motion and shape // International Journal OJ Computer Vision. - 2006. - Vol. 72. - P. 195-215.
- Crenshaw T.D., Peo Jr.E.R., Lewis A.J., Moser B.D. Bone Strength as a Trait for Assesing Mineralization in Swine: A Critical Review of Techniques Involved // J. Ani Sci. -1981. - Vol. 53, No. 3. - P. 827-835. DOI: 10.2527/JAS1981.533827X.
- Fomina, E., Lysova, N., Chernova, M., Khustnudinova, D., Kozlovskaya, I. Comparative Analisys of Efficacy of Countermeasure Provided by Different Modes of Locomotor Training in Space Flight // Fiziologiia Cheloveka. - 2016. -Vol. 42. - P. 84-91.
- Frey, P.J. Generation and adaptation of computational surface meshes from discrete anatomical data // Int. J. Numer. Meth. Engng. - 2004. - Vol. 60. - P. 1049-1074. DOI: 10.1002/nme.992.
- Gerasimov O., Kharin N., Statsenko E., Mukhin D., Berezhnoi D., Sachenkov O. Patient-Specific Bone Organ Modeling Using CT Based FEM // Lecture Notes in Computational Science and Engineering. - 2022. -Vol. 141. - P. 125-139. DOI: 10.1007/978-3-030-878092 10.
- Gerasimov O., Sharafutdinova K., Rakhmatullin R., Baltina T., Baltin M., Fedianin A. Application of a digital prototype for CT-based bone strength analysis // VIII International Conference on Information Technology and Nanotechnology. - 2022. - P. 1-6. DOI: 10.1109/ITNT55410.2022.9848693.
- Gerasimov, O., Berezhnoi, D.V., Bolshakov, P.V., Statsenko, E.O., Sachenkov, O.A. Mechanical model of a heterogeneous continuum based on numerical-digital algorithm processing computer tomography data // Russian Journal of Biomechanics. - 2019. - Vol. 23. - P. 87-97. DOI: 10.15593/RJBiomech/2019.1.10.
- Gerasimov, O., Kharin, N., Fedyanin, A., Bolshakov, P., Baltin, M., Statsenko, E., Fadeev, F., Islamov, R., Baltina, T., Sachenkov, O.A. Bone Stress-Strain State Evaluation Using CT Based FEM // Frontiers in Mechanical Engineering. -2021. - Vol. 7. DOI: 10.3389/fmech.2021.688474.
- Imai K. Computed Tomography-Based Finite Element Analysis to Assess Fracture Risk and Osteoporosis Treatment // Wjgem. - 2015. - Vol. 5, No. 3. - P. 182-187. DOI: 10.5493/wjem.v5.i3.182.
- Kieser, D., Kanade, S., Waddell, J., Kieser, J., Theis, J.-C., Swain, M. The deer femur - A morphological and biomechanical animal model of the human femur // BioMedical Materials and Engineering. - 2014. - Vol. 24. -P. 1693-703. DOI: 10.3233/BME-140981.
- Li, W., Jian, Y., Zhou, X., Wang, H. In situ tensile damage characterization of C/C composites through X-ray computed tomography and digital volume correlation // Ceramics International. - 2022. DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.11.231.
- Luan, S., Chen, E., John, J., Gaitanaros, S. A data-driven framework for structure-property correlation in ordered and disordered cellular metamaterials // Arxiv - 2023. DOI: 10.48550/arXiv.2304.04809.
- Madi K., Forest S., Boussuge M., Gailliégue S., Lataste E., Buffiére J.-Y., Bernard D., Jeulin D. Finite element simulations of the deformation of fused-cast refractories based on X-ray computed tomography // Computational Materials Science. - 2007. - Vol. 39, No. 1. - P. 224-229. DOI: 10.1016/j.commatsci.2006.01.033.
- Maquer, G., Musy, S., Wandel, J., Gross, T., Zysset, P. Bone Volume Fraction and Fabric Anisotropy Are Better Determinants of Trabecular Bone Stiffness Than Other Morphological Variables // Journal of Bone and Mineral Research. - 2014. - Vol. 30. DOI: 10.1002/jbmr.2437.
- Mathieu Simon, Michael Indermaur, Denis Schenk, Seyedmahdi Hosseinitabatabaei, Bettina M. Willie, Philippe Zysset. Fabric-elasticity relationships of tibial trabecular bone are similar in osteogenesis imperfecta and healthy individuals // Bone. - 2022. - Vol. 155. - P. 116282. DOI: 10.1016/j.bone.2021.116282.
- Mazur, K., Krawczuk, M., Dqbrowski, L. A new finite element with variable Young's modulus // International Journal for Numerical Methods in Biomedical engineering. - 2023. DOI: 10.1002/cnm.3712.
- Peña Fernández, M., Schwiedrzik, J., Bürki, A., Peyrin, F., Michler, J., Zysset, P., Wolfram, U. In situ synchrotron radiation ^CT indentation of cortical bone: Anisotropic crack propagation, local deformation, and fracture // Acta Biomaterialia. - 2023. - DOI: 10.1016/j.actbio.2023.04.038.
- Rho J.Y., Hobatho M.C., Ashman R.B. Relations of Mechanical Properties to Density and CT Numbers in Human Bone. // Med. Eng. Phys. - 1995. - Vol. 17, No. 5. -P. 347-355. DOI: 10.1016/1350-4533(95)97314-f.
- Rietbergen B., Weinans H., Huiskes R., Odgaard A. A new method to determine trabecular bone elastic properties and loading using micromechanical finite-element models // Journal of Biomechanics. - 1995. - Vol. 28, No. 1. -P. 69-81. DOI: 10.1016/0021-9290(95)80008-5. 37.
- Sanchez-Molina, D., Garcia-Vilana, S., Saez, L., Lluma, J. A strain rate dependent model with decreasing Young's 38. Modulus for cortical human bone // Biomedical Physics & Engineering Express. - 2023. DOI: 10.1088/2057-1976/acd458.
- Shi, D., Zhang, B., Liu, C., Wang, L., Yang, X., Luo, R. In-situ study on compressive behaviors of different types of 3D SiC/SiC composites using X-ray computed tomography and 39. digital image correlation // Journal of Materials Research and Technology. - 2023. - Vol. 22. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.12.178.
