This master’s thesis describes the research done at the Medical Technology Laboratory (LTM) of the Rizzoli Orthopedic Institute (IOR, Bologna, Italy), which focused on the characterization of the elastic properties of the trabecular bone tissue, starting from october 2012 to present.
The approach uses computed microtomography to characterize the architecture of trabecular bone specimens. With the information obtained from the scanner, specimen-specific models of trabecular bone are generated for the solution with the Finite Element Method (FEM). Along with the FEM modelling, mechanical tests are performed over the same reconstructed bone portions. From the linear-elastic stage of mechanical tests presented by experimental results, it is possible to estimate the mechanical properties of the trabecular bone tissue. After a brief introduction on the biomechanics of the trabecular bone (chapter 1) and on the characterization of the mechanics of its tissue using FEM models (chapter 2), the reliability analysis of an experimental procedure is explained (chapter 3), based on the high-scalable numerical solver ParFE. In chapter 4, the sensitivity analyses on two different parameters for micro-FEM model’s reconstruction are presented.
Once the reliability of the modeling strategy has been shown, a recent layout for experimental test, developed in LTM, is presented (chapter 5). Moreover, the results of the application of the new layout are discussed, with a stress on the difficulties connected to it and observed during the tests. Finally, a prototype experimental layout for the measure of deformations in trabecular bone specimens is presented (chapter 6). This procedure is based on the Digital Image Correlation method and is currently sunder development in LTM.
La presente tesi magistrale descrive l’attività di ricerca svolta presso il Laboratorio di Tecnologia Medica (LTM) dell’Istituto Ortopedico Rizzoli (IOR, Bologna, Italia) dall’ottobre 2012 ad oggi, nell’ambito della caratterizzazione delle proprietà elastiche del tessuto osseo trabecolare.
L’approccio utilizzato è quello della modellazione, con il Metodo degli Elementi Finiti (FEM), di porzioni di osso trabecolare la cui architettura viene ricostruita grazie ad una scansione con microtomografia computerizzata. Alla modellazione FEM è abbinata l’esecuzione di test meccanici sulle stesse porzioni di osso ricostruite. In virtù del comportamento elastico lineare del campione che si evidenzia nella prima fase di caricamento meccanico, è possibile ricavare una stima delle proprietà elastiche del tessuto osseo trabecolare, altrimenti difficilmente analizzabili per vie sperimentali. Dopo una breve introduzione sulla biomeccanica dell’osso trabecolare (capitolo 1), e sulla caratterizzazione delle sue proprietà meccaniche di tessuto per mezzo di modelli FEM (capitolo 2), nel capitolo 3 si affronta l’analisi sulla affidabilità di una procedura sperimentale basata sull’utilizzo del solutore numerico ad alta scalabilità ParFE. Sempre nell’ottica di una conferma della accuratezza delle stime di modulo di tessuto ottenute grazie alla strategia in questione, il capitolo 4 presenta due differenti studi di sensitività su parametri chiave della ricostruzione di modelli micro-FEM di osso trabecolare.
Una volta attestata l’affidabilità di suddetto approccio modellistico, viene descritto, nel capitolo 5, un layout per test sperimentali sviluppato di recente presso l’LTM. In questa sezione, si affrontano sia i risultati della applicazione del nuovo layout che le criticità ad esso connesse e venute alla luce con la conduzione dei primi test.
In conclusione, nel capitolo 6 viene illustrata una strategia per la misura delle deformazioni in provini di osso trabecolare fondata sull’utilizzo di un sistema di correlazione di immagini digitali. Tale sistema si trova, alla data odierna, in fase prototipale presso l’LTM dello IOR.