The need for biomedical engineering research is increasing at an alarming rate. Striving to live a longer more active life has led to the application of new technology and specialised materials within the body. To fully understand the consequences and implications of these modifications, a more complete knowledge of the human body is necessary.

In this study, a 3-D finite element (FE) model of the entire tibia was developed. In vitro and in vivo experimental strain data were used to validate the model. Properties representing cortical, cancellous and subchondral bone, as well as, bone marrow were assigned. This 3-D FE model enables a better understanding of the strains and stresses within the intact tibia under normal walking conditions and is the most representative to date.

To determine adequate parameters to be assigned to the proposed model, two other 3-D FE models were developed. The first is comparable to Ionescu’s models of the entire tibia (2003), and the second to Au’s model of the proximal 90mm of the tibia (2003).

The ultimate goal of this research is to develop patient-specific FE models to account for natural individual variations. To accomplish this, it is necessary to find an accurate method to assign a realistic distribution of material properties to the different types of bone. In this study, a new relationship between apparent density and Young’s modulus is proposed and it is the first of its kind to take into account cortical bone, cancellous bone and bone marrow. This relationship is subsequently applied to yet another 3-D FE model of the entire tibia on which a complete analysis was conducted. When compared with previously published models, the results of this study were very satisfactory.

Le besoin de recherche en genie biomedical ne cesse de grandir, ceci a une vitesse alarmante. La volonte de vivre une longue vie active mene a l’utilisation de nouvelle technologie et materiaux specialises pour le corps. Afin de bien comprendre les consequences et les implications de ces modifications, une connaissance plus approfondie du corps humain est necessaire.

Dans cette etude, un nouveau modele 3-D d ’elements finis du tibia entier a ete presente. Des proprietes representant le tissu osseux compact, spongieux et souschondral, de meme que la moelle osseuse ont ete assignees a ce modele. Des donnees experimentales de deformations in vivo et in vitro ont aussi ete utilisees pour le valider. Ceci a permis une meilleure comprehension de la distribution des contraintes et deformations dans le tibia sous des conditions de chargement representant la marche. Ce modele est le modele numerique le plus representatif developpe jusqu’a present.

Afin de determiner les parametres adequats a assigner au modele propose, deux autres modeles 3-D en elements finis ont ete developpes. Le premier est comparable au modele du tibia entier presente par Ionescu (2003) et le deuxieme, au modele de la partie superieure du tibia (90 mm), presente par Au (2003).

Le but ultime de cette recherche est de developper un modele en elements finis qui est specifique au patient afin de tenir compte des variations individuelles dans l’os. Pour accomplir cette tache, il est necessaire de trouver une methode precise qui puisse assurer une distribution realiste des proprietes des materiaux aux differents types de tissu osseux. Dans cette etude, une nouvelle relation entre la densite apparente et le module d’elasticite est proposee, et c’est la premiere relation a tenir compte de l’os compact, spongieux et de la moelle osseuse. Cette nouvelle relation est utilisee pour faire une analyse complete d ’un autre nouveau modele 3-D en elements finis du tibia entier. En comparaison avec les modeles publies anterieurement, les resultats de cette etude sont tres satisfaisants.