Osteoporosis is a bone disease leading to low bone quality and increased risk of fracture. Millions of people around the world are affected and osteoporotic fracture related health care costs have reached an alarming level. In the US alone $19 billion are spent annually on the treatment of osteoporotic bone fractures and, due to an upcoming demographic shift, the predictive annual spendings are expected to double in the next 50 years.
To tackle this problem, tremendous effort is taken to investigate various fea- tures of the musculoskeletal system. This thesis focuses on human bone at the microstructural level and the resulting effects on bone strength as well as implant fixation. Simulation models, used by engineers to compute the mechanical com- petence of bridges, cars and airplanes, can also be employed to study the rigidity and strength of bone structures and orthopedic implants. During the course of this thesis, the finite element (FE) method is used to investigate different aspects of bone biomechanics.
In the first part of this thesis, a framework for large scale nonlinear microFE analyses of trabecular bone structures is established and validated. It is shown that microFE models can predict trabecular bone yielding on the apparent scale purely on the basis of geometric information from micro computed tomography (CT) imaging data. This framework can be used in future studies to investigate the mechanical competence of trabecular bone and orthopedic implants under various loading conditions.
The second part of this thesis focuses on homogenization of trabecular bone structures on different length scales. It is shown that bone remodeling induced mineral heterogeneities at the micro scale do not have an influence on the apparent elastic properties of trabecular bone. Furthermore, microFE based homogenization is performed on a variety of trabecular bone structures from different anatomical locations and morphology-elasticity relationships are established based on either high resolution in-vitro or clinical in-vivo scans.
In the last part of this thesis, a homogenized FE modeling concept for bone analysis is extended for the simulation of volar plate implant systems. In a feasi- bility study, a CT based FE modeling framework is introduced and two different volar plate osteosynthesis set-ups are compared. Furthermore, the validated non- linear microFE framework is applied to investigate single screw pull out properties at the micro scale.
Osteoporose ist eine Knochenkrankheit die eine Verminderung der Knochenqua- lität und ein erhöhtes Frakturrisiko zur Folge hat. Millionen von Menschen sind von dieser Krankheit betroffen und auch die mit Osteoporose verbundenen Kosten haben ein alarmierendes Ausmaß erreicht. Alleine in den USA werden jährlich 19 Milliarden Dollar für die Behandlung oder für Folgekosten von osteoporotischen Frakturen aufgewendet. Prognosen zufolge sollen sich diese Kosten in den nächsten 50 Jahren sogar noch verdoppeln.
Um dieser Problematik entgegenzuwirken, wird das muskuloskelettale System des Menschen durch breit angelegte Forschung untersucht. Diese Dissertation be- schäftigt sich mit der Mikrostruktur des menschlichen Knochens und den verbunde- nen Auswirkungen auf Knochenfestigkeit und Implantatstabilität. Simulationsmo- delle, die von Ingenieuren verwendet werden, um die mechanischen Eigenschaften von Brücken, Autos und Flugzeugen zu untersuchen, können auch zur Beurtei- lung und Erforschung von Knochen und Orthopädischen Implantaten herangezo- gen werden. Im Zuge dieser Dissertation wird die Finite Elemente (FE) Methode verwendet, um verschiedene Aspekte im Bereich der Knochenbiomechanik zu un- tersuchen.
Im ersten Teil dieser Dissertation wird ein Konzept für die Simulation von tra- bekulären Knochenstrukturen mittels microFE vorgestellt und validiert. Es wird gezeigt, dass Computertomographie (CT) basierte nichtlineare microFE Model- le das apparente mechanische Verhalten von trabekulären Knochenstrukturen bis hin zur Fließgrenze beschreiben können. In Zukunft kann dieser microFE Frame- work verwendet werden, um die mechanischen Eigenschaften von Knochen und Implantatsystemen virtuell am Computer zu untersuchen.
Der zweite Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit der Homogenisierung von trabekulären Knochenstrukturen. Es kann gezeigt werden, dass die durch Kno- chenumbau entstehenden Mineral Heterogenitäten im Mikrometer Bereich keinen Einfluss auf die apparenten elastischen Eigenschaften des Knochens haben. Des Weiteren werden microFE Modelle verwendet, um eine Vielzahl an trabekulären Strukturen von unterschiedlichen anatomischen Orten zu untersuchen. Der Zusam- menhang zwischen Mikrostruktur und elastischen Eigenschaften wird studiert und verschiedene Morphologie-Elastizitäts Beziehungen für unterschiedliche CT Scan Qualitäten vorgestellt.
Im letzten Teil dieser Dissertation wird ein Konzept für die FE Analyse von Knochen erweitert, um die Simulation von orthopädischen Implantaten zu ermög- lichen. In einer Durchführbarkeitsstudie wird ein CT basierter homogenisierter FE Framework vorgestellt und zwei unterschiedliche Fixierungsoptionen für volare Plattenosteosynthese verglichen. Weiters wird der validierte, nichtlineare micro- FE Framework verwendet, um die mechanischen Eigenschaften eines Schrauben- Knochen Verbunds auf der Mikroskala zu untersuchen.