[논문 리뷰] Femoral Fracture load and damage localization pattern prediction based on a quasi-brittle law

Fafa Ben Hatira, Zahira Nakhli외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 07.

Hip and Femur Fractures인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 환자별 CT 기반 유한요소(FE) 모델을 사용하여 골다공성성 골반부에서의 골절 부하 및 손상 국소화를 예측하기 위해 연속손상역학(CDM) 프레임워크 내에서 준연성 손상모델을 제안한다. 이 모델은 Abaqus에서 사용자 서브루틴 VUMAT을 통해 구현되었으며, 높은 정확도(R² = 0.825, 상대오차 = 6.49%)를 달성하고 비선형 메시 기반 예측이 선형 메시 기반 예측보다 부하-변위 곡선의 정확도를 크게 향상시키는 것으로 나타났다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비틀림 낙상 조건에서 골절 부하를 예측하기 위한 계산 효율적이고 환자별 맞춤형 유한요소 모델을 개발하기 위해.
• 메시 유형(선형 대 비선형)이 골절 부하 및 손상 패턴 예측 정확도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 골다공성성 8具 해부학적 대조군에서의 기계적 시험 데이터와 모델을 검증하기 위해.
• 균질적 대비 비균질적 엘라스티스 모odulus 분포가 모델 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 골다공성성 골절 예측을 위한 임상적 위험 평가 및 수술 전 계획 수립을 위한 신뢰할 수 있고 오차가 낮은 수치 도구를 제공하기 위해.

제안 방법

• 8명의 해부학적 대조군(4명의 기증자, 남성 3명, 여성 1명)의 골반부에서 고해상도 CT 스캔을 이용해 3차원 유한요소 모델을 구축하였다.
• Mimics 및 3Matic 소프트웨어를 사용해 분할, 3차원 기하 구조 복원, 및 Hounsfield 단위 기반 요소별 재질 할당을 수행한 테트라헤드럴 메시 기반 메시화를 수행하였다.
• Abaqus에서 사용자 정의 VUMAT 서브루틴을 통해 연속손상역학(CDM) 기반 등방성 준연성 손상 법칙을 구현하였다.
• 두 가지 재질 특성 할당 방법을 적용: (1) 균질적 엘라스티스 모odulus, (2) Hounsfield 단위 매핑 기반 공간적으로 변화하는 엘라스티스 모odulus.
• 모든 32가지 조합(8명의 시료 × 2가지 재질 방법 × 2가지 메시 유형)에 대해 선형 및 비선형 테트라헤드럴 메시 기반의 명시적 동적 FE 시뮬레이션을 수행하였다.
• 비틀림 낙상 조건을 시뮬레이션한 기계적 압축 시험에서의 실험적 부하-변위 곡선 및 골절 패턴과 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CDM 기반 준연성 손상 모델은 골다공성성 골반부에서 완전한 골절 부하-변위 곡선을 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 비선형 메시 기반 예측이 선형 메시 기반 예측에 비해 골절 부하 및 손상 국소화 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 균질적 대비 비균질적 엘라스티스 모odulus 분포가 예측 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 모의 골절 패턴은 실험적 고장 위치와 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 이 FE 모델은 환자별 맞춤형 골절 위험 평가를 위한 신뢰할 수 있고 오차가 낮은 도구로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 균질적 엘라스티스 모odulus 및 비선형 메시 기반 예측을 사용할 경우, 제안된 준연성 손상 모델은 예측된 골절 부하와 실험적 골절 부하 간 강한 선형 상관관계(R² = 0.825)를 보였다.
• 골절 부하 예측의 평균 상대오차는 6.49%였으며, 이는 이전 연구에서 보고된 일반적인 10–20% 범위보다 낮았다.
• 비선형 메시 기반 예측은 특히 피크 이후의 연화 행동을 잘 포착함으로써 선형 메시 기반 예측에 비해 부하-변위 곡선의 정확도를 크게 향상시켰다.
• 모델이 예측한 골절 패턴은 실험적 관찰과 유사했으며, Garden Stage II 분류에 부합하는 횡경부 골절을 보였다.
• 균질적 엘라스티스 모odulus 방법(방법 2)을 사용할 경우, 모든 8명의 시료에서 일관된 고장 위치 예측이 이루어졌다.
• 메시 민감도가 관찰되었으며, 손상 영역 크기가 메시 요소 크기와 상관관계를 보였기에 향후 연구에서는 메시 독립적 공식화가 필요하다.