Simulation of Microdamage in Cancellous Bone on the Basis of Micro-computed Tomography
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projektes ist es gelungen, die Methode der extended-Finit-Elements (xFEM) des Programmpakets ABAQUS, für die Simulation von Rissen und Rissausbreitung in Knochenproben zu etablieren. Zum Zeitpunkt der Antragstellung war diese Methode in ABAQUS noch nicht verfügbar. Um Risse und Rissausbreitungen zu simulieren wurde meist die Methode der Cohesiven-Elemente verwendet. Sehr häufig werden voxelbasierte Netze verwendet, wenn FE-Modelle aus CT-Daten generiert werden. Diese haben den Nachteil, dass Übergänge an der Oberfläche immer mit 90° Winkeln einhergehen. Für die Verwendung der xFEM ist es jedoch notwendig möglichst glatte Oberflächen zu haben. In den meisten Fällen, auch stellen Hohlräume bei der Vernetzung ein großes Problem dar. Daher wurde ein Verfahren für die Generierung von adäquaten FE-Netzen aus CT-Daten mit den Programmen Mimics und 3matics etabliert, bei dem Kavitäten, die nicht mit der Oberfläche verbunden sind, hinreichend genau berücksichtigt werden können und eine weitestgehend glatte Oberfläche erzeugt wird. Im Laufe des Projekts war es möglich, die Rissausbreitung in Abhängigkeit der Porosität in Bruchproben aus kompaktem Knochen mit xFEM zu untersuchen. Die Ergebnisse entsprechen jenen, die in der Literatur gefunden werden können. Des Weiteren wurde in diesem Projekt die Möglichkeit Mikroschäden in spongiösem Knochen, durch das Färben mit bleihaltigem Uranylazetat, im microCT darzustellen, mit der Methode der Finiten Elemente verbunden. Es wurde ein Verfahren etabliert, dass es ermöglicht Druckversuche an Knochenproben zu simulieren und die entstehenden Mikroschäden direkt mit den experimentellen Ergebnissen zu vergleichen. Die erzielten Ergebnisse ermöglichen es, die Schädigung von spongiösem Knochen z.B. in Verbindung mit Implantaten zu untersuchen. Auch die verwendete Färbemethode kann für die Untersuchung von Mikroschädigung durch Implantate angewendet werden. Hierbei ist allerdings die Wahl der Implantatmaterialien eingeschränkt, da z.B. Stahlimplantate sehr starke Artefakte im CT erzeugen. Auch sollten nur kleine Bereiche untersucht werden, da bei einer zu großen Probe die Durchdringung mit der Färbelösung nicht sichergestellt werden kann. Die im Rahmen dieser Arbeit entstandenen Fortranroutinen können auch bei anderen Problemstellungen angewendet werden. So ist die Methode mit Referenzvolumen zu arbeiten nicht nur auf spongiösen Knochen beschränkt, sie kann ebenso für Schwammstrukturen aus anderen Materialien verwendet werden.
Publications
- The influence of porosity on the fracture toughness of compact bone: an xFEM study. Annual Meeting Orthopaedic Research Society (ORS), February 4-7, 2012, San Francisco, California, USA
Besdo S, Vashishth D
- Extended Finite Element Models of Introcortical Porosity and Heterogeneity of Cortical Bone. Computational Materials Science
Besdo S, Vashishth D
(See online at https://dx.doi.org/10.1016/j.commatsci.2012.04.018)
