[论文解读] 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 2

一句话总结

本研究在连续损伤力学（CDM）框架内提出了一种准脆性损伤模型，利用患者特异性CT基础有限元（FE）模型，预测骨质疏松性近端股骨的股骨颈骨折载荷与损伤局部化。该模型通过Abaqus中的VUMAT用户子程序实现，预测精度高（R² = 0.825，相对误差 = 6.49%），且能真实再现骨折模式，其中非线性网格化显著提升了载荷-位移曲线的预测准确性，优于线性网格化。

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.

研究动机与目标

• 开发一种计算高效、患者特异性的有限元模型，用于预测侧方跌倒条件下股骨颈的骨折情况。
• 评估网格类型（线性与非线性）对骨折载荷与损伤模式预测精度的影响。
• 利用八具骨质疏松性尸体股骨的实验机械测试数据对模型进行验证。
• 评估各向同性与非各向同性弹性模量分布对模型性能的影响。
• 为临床骨质疏松性骨折风险评估与术前规划提供一种可靠、低误差的数值工具。

提出的方法

• 基于八具尸体股骨（四名供体，三名男性，一名女性）的高分辨率CT扫描，构建三维有限元模型。
• 使用Mimics和3Matic软件完成分割、三维几何重建及基于Hounsfield单位的逐单元材料赋值的四面体网格划分。
• 在Abaqus中通过用户自定义VUMAT子程序实现基于连续损伤力学（CDM）的各向同性准脆性损伤本构律。
• 采用两种材料属性赋值方法：(1) 各向同性弹性模量，(2) 基于Hounsfield单位映射的空间变化弹性模量。
• 对全部32种组合（8个样本 × 2种材料方法 × 2种网格类型）执行显式动态FE模拟，分别采用线性和非线性四面体网格。
• 将模拟结果与模拟侧方跌倒的机械压缩试验所得的载荷-位移曲线及骨折模式进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于CDM的准脆性损伤模型能否准确预测骨质疏松性股骨的完整骨折载荷-位移曲线？
• RQ2 非线性网格化与线性网格化在预测骨折载荷与损伤局部化方面有何差异？
• RQ3 各向同性与非各向同性弹性模量分布对预测精度有何影响？
• RQ4 模拟的骨折模式与实验中的破坏位置匹配程度如何？
• RQ5 该FE模型能否作为患者特异性骨折风险评估的可靠、低误差工具？

主要发现

• 当采用各向同性弹性模量与非线性网格化时，所提出的准脆性损伤模型在预测与实验骨折载荷之间实现了较强的线性相关性（R² = 0.825）。
• 骨折载荷预测的平均相对误差为6.49%，低于以往研究中通常报道的10–20%范围。
• 与线性网格化相比，非线性网格化显著提升了载荷-位移曲线预测的准确性，尤其在捕捉峰值后的软化行为方面表现更优。
• 模型预测的骨折模式与实验观察高度一致，表现为符合Garden II期分类的经颈骨折。
• 当采用各向同性弹性模量方法（方法2）时，该模型在全部八具样本中均表现出一致的破坏位置预测能力。
• 观察到网格敏感性：损伤区域的大小与网格单元尺寸相关，表明未来工作需发展网格无关的本构 formulation。