title: Validated finite element models of composite bones in a sideways load configuration
Creators: name: Kamml, Julia Theresa
Publisher: name: TU Wien
Year: 2017
Subjects: subject: Biomechanik
subject: Finite Elemente Simulation
subject: Biomechanics
subject: Finite Element Simulation

description: Osteoporotische Frakturen im Bereich des Oberschenkelhalses stellen die Medizin nach wie vor vor große Herausforderungen. Individuelle Finite Elemente (FE) Modelle, die speziell für den Femur des jeweiligen Patienten berechnet werden, können ein großer Schritt in Richtung Risikoerkennung und Prävention sein. Patienten mit erhöhtem Risko einer Fraktur könnten so gezielt für die entsprechende Behandlung selektiert werden. Damit diese Methode tatsächlich in der Klinik angewandt werden kann ist eine intensive in-vitro Untersuchung hinsichtlich ihrer Zuverlässlichkeit und Genauigkeit vonnöten. Deshalb müssen die FE-Modelle zunächst mit mechanischen Versuchen validiert werden. Das Ziel dieser Arbeit war es, FE-Modelle mit Messdaten zu validieren und diesen Ablauf zu automatisieren. Fünf künstliche Knochen wurden zunächst in einem mechanischen Versuch getestet, wobei ein seitlicher Fall auf den Trochanter simuliert wurde. Dabei wurden minimale und maximale Hauptdehnungen bei einer Last von 1120N und 4000N vollflächig mit Digital Image Correlation (DIC) an der Oberfläche im Bereich des medialen Oberschenkelhalses gemessen. Etwa 1600 Datenpunkte konnten zur Validierung verwendet werden. Für jeden Femur wurden jeweils acht verschiedene FE-Modelle entwickelt, die sich hinsichtlich ihrere Randbedingungen unterscheiden. Ein Validierungsalgorithmus wurde implementiert, um die Punktwolken, die durch DIC generiert wurden mit großer Genauigkeit auf der entsprechenden Oberfläche der FE-Modelle zu registrieren und um den Validierungsprozess zu automatisieren. Die Steigung der Regressionsgerade betrug 0.7 und das Bestimmtheitsmaß lag bei 0.9, wenn die Messdaten bei einer Last von 1120N gepoolt wurden. Ein FE-Modell wurde dabei mit einem experimentellen Testset bestehend aus fünf zerstörungsfreien Prüfungen verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass Rauschen einen stark erhöhten Einfluss auf die Ableitung der Dehnungen aus den Verschiebungen hatte, wenn die Dehnungen, d.h. Last kleiner waren, wie auch in der Literatur bereits berichtet wurde. Deshalb wurden die FE-Modelle zusätzlich bei einer Last von 4000 N validiert. Hierbei erhielten wir eine Steigung der Regressionsgerade von 0.8, das Bestimmtheitsmaß betrug 0.8. Ein FE-Modell wurde dabei mit den Messdaten einer einzelnen Prüfung verglichen. Unserem Wissen nach ist dies die erste Studie, die FE-Modelle mit vollflächigen Messdaten aus DIC an dieser Stelle (medialer Oberschenkelhals) und in diesem Lastfall (seitlicher Fall) vergleicht. Dabei geben unsere Daten und Ergebnisse tieferen Einblick in die Ausprägung der Belastungsreaktionenen im medialen Teil der Oberschenkelhalses, was die Grundlage für das Verstehen der Bruchmechanismen darstellt.
description: Subject-specific finite element (FE) models are considered to be a major step in assessing fracture risk and femoral strength in individual patients. In order to bring their application to the clinics their behaviour and accuracy have to be evaluated extensively in vitro, first. Therefore, validation of the adopted FE-modelling procedure against data obtained from mechanical testing is crucial. The aim of this thesis was to validate finite element models of synthetic femurs against experimental measurement data and to automatise this procedure. Five composite femurs were tested in a sideways-fall loading configuration. Full-field minor and major principal strains were measured with digital image correlation (DIC) at the medial femoral neck of synthetic bones during non-destructive tests at a load of 1120 N and 4000 N. About 1600 data points per test obtained from DIC were used for validation. Finite element models were built for each synthetic bone, and eight different sets of boundary conditions were attempted to replicate the experimental loading conditions. A validation algorithm was implemented to accurately register DIC-point clouds on the surface of the FE-models and to automatise the validation procedure. A linear regression analysis was performed between measured and predicted principal strains, resulting in a slope of 0.7 and a coefficient of determination of 0.9 when DIC-data was pooled at a load of 1120 N. We could show that noise has a higher influence on strain derivation of DIC when strains were small, as also reported in literature. For this reason, FE-models were additionally validated at a load of 4000N. Herein, the slope was 0.8 and the coecient of determination was 0.8 when a linear regression analysis was performed between principal strains of DIC measurements of one test and results of one FE-model. This is to the authors knowledge the first study validating FE-models with a continuous field of deformation data at this site and in this specific loading configuration. Our data provides further insight into the strain response at the medial part of the femoral neck, which is crucial for understanding fracture mechanisms.