This paper presents a finite element method (FEM)-based fracture risk assessment in patient-specific osteoporotic lumbar vertebra L1. The influence of osteoporosis is defined by variation of parameters such as thickness of the cortical shell, the bone volume–total volume ratio (BV/TV), and the trabecular bone score (TBS). The mechanical behaviour of bone is defined using the Ramberg–Osgood material model. This study involves the static and nonlinear dynamic calculations of von Mises stresses and follows statistical processing of the obtained results in order to develop the patient-specific vertebra reliability. In addition, different scenarios of parameters show that the reliability of the proposed model of human vertebra highly decreases with low levels of BV/TV and is critical due to the thinner cortical bone, suggesting high trauma risk by reason of osteoporosis.

Abstract:Osteoporosis causes the bone mass loss and increased fracture risk. This paper presents the modelling of osteoporotic human lumbar vertebrae L1 by employing finite elements method (FEM). The isolated inhomogeneous vertebral body is composed by cortical outer shell and cancellous bone. The level of osteoporotic contribution is characterised by reducing the thickness of cortical shell and elasticity modulus of cancellous bone using power-law dependence with apparent density. The strength parameters are evaluated on the basis of von Mises-Hencky yield criterion. Parametric study of osteoporotic degradation contains the static and nonlinear dynamic analysis of stresses that occur due to physiological load. Results of our investigation are presented in terms of nonlinear interdependence between stress and external load.

No abstract

Santrauka. Straipsnyje aprašomas stuburo juosmeninės dalies slankstelio (L1) bei juosmeninės dalies slankstelių (L1-L4) sistemos modeliavimas ir tyrimas baigtinių elementų metodu (BEM). Sukuriamas erdvinis skaitinis modelis programinės įrangos SolidWorks aplinkoje. Sudaroma vieno ir keturių slankstelių (L1-L4) skaičiuojamosios schemos, modeliams suteikiama gniuždymo apkrova. Nagrinėjamas modelių deformavimas, esant gniuždymo apkrovai, kartu simuliuojant senėjimo procesų ir osteoporozės poveikį, kuris pasireiškia audinio silpnėjimu. Nagrinėjami ir lyginami trys atvejai: sveiko audinio apkrovimas, vidutinio osteoporozės lygio paveiktos slankstelių sistemos apkrovimas ir aukšto osteoporozės lygio paveikto modelio apkrovimas.reikšminiai žodžiai: slankstelių biomechanika, biologinių audinių modeliavimas, skaitiniai tyrimai BEM. ĮvadasDidžiausi pokyčiai trabekulių architektūroje senstant vyksta akytajame kauliniame audinyje. Literatūroje minima, kad senstant hipertrofuoja vertikaliosios sijos, daugiausia palaikančios kaulo stiprumą. Tuo tarpu horizontaliosios sijos plonėja. Vidutinis trabekulių storis su amžiumi mažėja. Trabekulių tarpų didėjimas senstant priklauso nuo trabekulių skaičiaus mažėjimo. Pasiekus devyniasdešimt metų, bus prarasta viena iš keturių horizontaliųjų ir viena iš vienuolikos vertikaliųjų trabekulių (Keaveny, Yeh 2002). Senstant plonėja tiek horizontaliosios, tiek vertikaliosios trabekulės, tačiau vertikaliosios yra storesnės už horizontaliąsias, dėl to jos lėčiau išnyksta (1 pav.) (Wegrzyn et al. 2010). Osteoporozė paveikia visą griaučių sistemą, bet dažniau-siai lūžiai įvyksta stuburo juosmeninėje dalyje (Nevitt et al. 1999). Stuburo lūžiai padidina mirties riziką. Mirtingumo rodiklis pirmaisiais metais po lūžio sudaro 28 %, praėjus penkeriems metams po lūžio -72 % (Johnell et al. 2004).Mechaniniu požiūriu osteoporozė pasireiškia tamprumo ir stiprumo savybių sumažėjimu, o tai lemia deformacijų ir poslinkių padidėjimą, taip pat įtempimų koncentratorių atsiradimą, dėl kurių ir atsiranda plyšiai. Atsižvelgiant į tai, kad kaulas yra ne tik biologinė medžiaga, bet ir mechanikos objektas, jį galima sumodeliuoti taikant mechanikos mokslo metodus. Modeliavimo rezultatai gali būti naudingi diagnozuojant osteoporozę ir įvertinant paciento būklę. Slankstelių sistemos modeliavimasSukuriamas vieno slankstelio skaitinis erdvinis modelis SolidWorks aplinkoje. Modelio geometrija ir struktūra pateiktos 2 pav.Kaip matyti iš 2 pav., skirtumas tarp tankiojo ir akytojo audinio yra modeliuojamas sumažinant tamprumo modulį. Tariama

No abstract