[論文レビュー] Femoral Fracture load and damage localization pattern prediction based on a quasi-brittle law

Fafa Ben Hatira, Zahira Nakhli+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2019

Hip and Femur Fractures被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、患者特異的CTベースの有限要素（FE）モデルを用いて、変性性大腿骨頭部骨折の破壊荷重と損傷局在化を予測するため、連続損傷力学（CDM）フレームワーク内に準破壊的損傷モデルを提案する。このモデルは、AbaqusにおけるVUMATユーザーサブルーチンとして実装され、高い精度（R² = 0.825、相対誤差 = 6.49%）を達成し、現実的な破壊パターンの予測が可能である。非線形メッシュ生成は、線形メッシュと比較して、荷重-変位曲線の精度を顕著に向上させた。

ABSTRACT

Finite element analysis is one of the most used tool for studying femoral neck fracture. Nerveless, consensus concerning either the choice of material characteristics, damage law and /or geometric models (linear on nonlinear) still remains unreached. In this work, we propose a numerical quasi-brittle damage model to describe the behavior of the proximal femur associated with two methods to evaluate the Young modulus. 8 proximal femur finite elements models were constructed from CT scan data (4 donors, 3 men; 1 woman). The results obtained from the numerical computations showed a good agreement between the numerical curves (load-displacement) and the experimental ones. The computed fracture loads were very close to the experimental ones (R 2 =0.825, Relative error =6.49%). The damage patterns were similar to those observed during the failure during sideway fall experimental simulation. Finally, a comparative study based on 32 simulations, using a linear and nonlinear mesh has led to the conclusion that the results are improved when a nonlinear mesh is used. In summary, the numerical quasi-brittle model presented in this work showed its efficiency to find the experimental values during the simulation of the side fall.

研究の動機と目的

• 転倒時の側方衝撃条件下における大腿骨頸部骨折を予測する、計算効率的で患者特異的な有限要素モデルの開発。
• メッシュタイプ（線形対非線形）が破壊荷重および損傷パターン予測精度に与える影響の評価。
• 8例の死体大腿骨からの機械的圧縮試験データを用いた、モデルの実験的妥当性の検証。
• 均質的および非均質的ヤング率分布がモデル性能に与える影響の評価。
• 骨質疏松症骨折予測における臨床的リスク評価および術前計画に向けた信頼性が高く、誤差が小さい数値的ツールの提供。

提案手法

• 8例の死体大腿骨（4名の寄贈者、男性3名、女性1名）の高解像度CTスキャンから3次元有限要素モデルを構築。
• Mimicsおよび3Maticソフトウェアを用いて、画像分離、3次元幾何再構築、およびHounsfieldユニットに基づく要素単位の材料割り当てを伴う四面体メッシュ生成。
• AbaqusにおけるユーザーディファインドVUMATサブルーチンとして、連続損傷力学（CDM）に基づく等方的準破壊損傷法則を実装。
• 材料特性割り当て法を2通り採用：(1) 均質的ヤング率、(2) Hounsfieldユニットマッピングに基づく空間的に変化するヤング率。
• 全32通りの組み合わせ（8例の被検体 × 2通りの材料手法 × 2通りのメッシュタイプ）に対して、線形および非線形四面体メッシュを用いた明示的動的FEシミュレーションを実施。
• 側方転倒を模擬した機械的圧縮試験からの実験的荷重-変位曲線および破壊パターンと照合して、結果を妥当性検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CDMに基づく準破壊的損傷モデルは、骨質疏松症性大腿骨において、完全な破壊荷重-変位曲線を正確に予測できるか？
• RQ2 非線形メッシュと線形メッシュを比較した場合、破壊荷重および損傷局在化の予測精度にどのような差が生じるか？
• RQ3 均質的ヤング率分布と非均質的ヤング率分布の違いが、予測精度に与える影響は何か？
• RQ4 シミュレーションによる破壊パターンは、実験的破壊位置とどの程度一致するか？
• RQ5 このFEモデルは、患者特異的骨折リスク評価に信頼性が高く、誤差が小さいツールとして利用可能か？

主な発見

• 均質的ヤング率と非線形メッシュを用いた場合、予測された破壊荷重と実験的破壊荷重との間に強い線形相関（R² = 0.825）が得られた。
• 破壊荷重予測の平均相対誤差は6.49%であり、従来の研究で報告される10–20%の範囲を下回る。
• 非線形メッシュは、特にピーク後の軟化挙動を捉える能力において、線形メッシュと比較して荷重-変位曲線の予測精度を顕著に向上させた。
• モデルが予測した破壊パターンは、実験的観察とよく一致しており、Garden Stage II分類に一致する横頸部骨折を示した。
• 均質的ヤング率法（手法2）を用いた場合、全8例の被検体において一貫した破壊位置の予測が可能であった。
• メッシュ感度が観察された：損傷領域のサイズはメッシュ要素サイズと相関しており、今後の研究ではメッシュ独立型定式化の必要性が示された。