پيش‌بيني شكست استخوان ران با استفاده از روش اجزا محدود خطي از طريق تصاوير برش‌نگاري كمي رايانه‌اي (QCT)

Failure Prediction of Proximal Femur using quantitative computed tomography based finite element method

روش اجزا محدود مبني بر برش نگاري كمي رايانه، يك روش تثبيت شده براي بدست آوردن رفتار مكانيكي ساختار استخواني مي‌باشد. هدف ما در اين پژوهش، استخراج روابطي خطي به منظور پيش بيني سريع و قابل اطمينان مقدار بار بحراني شروع شكست استخوان ران بود. بدين منظور، از ده نمونه استخوان ران تازه‌ي منجمد انسان در هشت جهت بارگذاري تست آزمايشگاهي گرفته شد. مدل اجزا محدود اين استخوان‌ها با استفاده از داده‌هاي برش نگاري كمي رايانه اي و اختصاص خواص مكانيكي مبني بر چگالي معدني استخوان به صورت نقطه‌اي ساخته شد و به وسيله‌ي حل خطي اجزا محدود تحليل گرديد. از معيار فاكتور خطر كه بر اساس نسبت چگالي انرژي كرنشي المان به مقدار انرژي كرنشي تسليم آن تعريف مي‌شود، براي بدست آوردن روابط خطي به منظور پيش بيني بار شكست استخوان ران استفاده شد. در نهايت هشت رابطه‌ي خطي براي هشت مقدار بار اعمالي در تحليل خطي اجزا محدود، بدست آمد. مقدار بار شكست محاسبه شده با استفاده از روابط بدست آمده تطابق خوبي با نتايج تست‌هاي تجربي داشت. ( ميانگين شيب 8903/0 و ميانگين هم‌بستگي 8668/0 براي هشت مقدار بار اعمالي متفاوت ). با استفاه از اين روابط ارايه شده، نيروي شكست استخوان ران در جهت‌هاي مختلف بارگذاري به طور سريع قابل پيش بيني است. در اين تحقيق روشي سريع و توانا براي پيش بيني شكست استخوان ران ارايه شد كه قابل استفاده در مقادير و جهت هاي متفاوت نيروي اعمالي است.

Quantitative computed tomography (QCT) -based finite element analysis is a commonly accepted approach for prediction of mechanical behavior of bones. The objective of this research was to suggest linear criterion in order to accelerate and increase the precision of predicting failure load in femoral bone. Accordingly, ten fresh frozen femora were QCT scanned and prepared for use in this study. The specimens were loaded under eight different orientations. Finite element model for these samples were generated from QCT images, and related mechanical properties were calculated for each single voxel based on the value of density. In addition, the models were analyzed by linear finite element method. Risk factor, that is defined as the strain energy density divided to yield strain energy for each element was used for calculations of failure load. These values were sorted for particular loads in finite element model, and the correlations between experimental and numerical results were compared. Finally, eight linear criteria for eight different load conditions were presented, and excellent correlation between empirical results (average slope: 0.8903 and average R2: 0.8668) was shown. These correlations make it possible to accelerate the prediction of femoral fracture load in various orientations. This research shows a robust and fast method for prediction of failure in bones that can be used for multiple loads and orientations.