[論文レビュー] Tensile material properties of human rib cortical bone under quasi-static and dynamic failure loading and influence of the bone microstucture on failure characteristics

Damien Subit, Eduardo del Pozo de Dios+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2011

Automotive and Human Injury Biomechanics被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、拘束を最小限に抑えて純粋な引張応力を確保するための新規クランプ技術を用いて、準静的（0.07%/s）および動的（170%/s）荷重下における人間の肋骨皮質骨の引張特性を特徴づけた。主な発見として、塑性変形を示さない等方的弾性挙動を示したが、微細構造の不均一性のため、破壊はしばしばゲージ部外で発生した。これは均質性の仮定に疑問を呈し、胸部の有限要素解析において微細構造を反映したモデルの必要性を強調している。

ABSTRACT

Finite element models of the thorax are under development to assist vehicle safety researchers with the design of countermeasures such as advanced restrain systems. Computational models have become more refined with increasing geometrical complexity as element size decreases. These finite element models can now capture small geometrical features with an attempt to predict fracture. However, the bone material properties currently available, and in particular the rate sensitivity, have been mainly determined from compression tests or tests on long bones. There is a need for a new set of material properties for the human rib cortical bone. With this objective, a new clamping technique was developed to test small bone coupons under tensile loading. Ten coupons were harvested from the cortical shell of the sixth and seventh left ribs from three cadavers. The coupons were tested to fracture under quasi-static (target strain rate of 0.07 %/s) and dynamic loading (target strain rate of 170 %/s). Prior to testing, each coupon was imaged with a computed micro-tomograph to document the bone microstructure. An optical method was used to determine the strain field in the coupon for the quasi-static tests. The rib bone coupons were found to be elastic, with brittle fracture. No plastic behavior was observed in this test series. The bone coupons were assumed isotropic, homogeneous and elastic linear, and the average Young's modulus for the quasi-static tests (13.5 GPa) and the failure stresses (quasi-static: 112 MPa, dynamic: 124.6 MPa) were in line with published data. Fracture however did not always occur in the gage area where the cross-sectional area was the smallest, which contradicted the assumption of isotropy and homogeneity. The comparison with material properties obtained for long bones suggests that the effective cross-section has an effect on the calculated material properties.

研究の動機と目的

• 人間の肋骨皮質骨の引張材料特性を、準静的および動的荷重条件下で特定すること。
• 拘束を最小限に抑え、小さな骨コラムに純粋な引張応力を与える新規クランプ技術の開発および検証すること。
• 特に孔隙率および断面形状の変動が、破壊特性および破壊位置に与える影響を調査すること。
• 肋骨皮質骨の有限要素モデルにおいて、等方性および均質性を仮定することが、機械的挙動を正確に表現しているかどうかを評価すること。
• 自動車の安全設計および怪我予測のための計算モデルを改善するため、洗練された材料特性データを提供すること。

提案手法

• 3体の人体解剖標本の6番目および7番目の左肋骨から、10個の皮質骨コラムを採取した。
• プレロードを一切施さず、一軸引張応力を確実に与えるために、独自に設計したクランプシステムを採用した。これにより、グリップに起因する応力集中を低減した。
• 万能試験機を用いて、準静的（0.07%/s）および動的（170%/s）引張試験を破壊まで実施した。
• 試験前の各コラムの内部微細構造を、マイクロコンピュータ断層撮影（micro-CT）で撮影した。
• 準静的荷重下での全領域ひずみ分布を測定するために、光学的デジタル画像相関（DIC）を適用した。
• 微細構造的および幾何的要因が顕在的材料特性に与える影響を評価するため、微細構造的CTを用いてコラム長さに沿った有効断面積を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 人間の肋骨皮質骨の引張材料特性は、準静的と動的荷重条件下でどのように変化するか？
• RQ2 孔隙率や変動する皮質骨厚さを含む微細構造の不均一性が、破壊の発生および破壊位置にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ3 肋骨皮質骨の有限要素モデルにおいて、等方性および均質性を仮定することは、実際の機械的挙動を正確に再現できるか？
• RQ4 微細構造的CTから導出された有効断面積は、測定された材料特性および破壊挙動とどの程度相関するか？
• RQ5 孔や骨小梁の接続といった微細構造的特徴は、破壊を引き起こす局所的応力集中と関連づけられるか？

主な発見

• 肋骨皮質骨は、両方の荷重速度下で塑性変形を示さない完全に弾性で破壊的な挙動を示した。
• 平均ヤング率は、準静的荷重下で13.5 GPa、動的荷重下でも13.5 GPaであり、既存の報告値と整合的であった。
• 破壊応力は、準静的荷重下で112 MPa、動的荷重下で124.6 MPaであり、強度に速度依存性が認められた。
• 破壊は常にゲージ部（断面積が最小の部分）で発生したわけではなく、均一で等方的挙動を仮定するのとは矛盾した。
• マイクロCT画像解析により、皮質殻に顕著な孔隙率および構造的不均一性が確認され、孔や断面積の変動が荷重伝達に影響を与えていた。
• 予測された（均質的）と観察された（不均質的）破壊位置の乖離は、微細構造が単なる幾何学的要因をはるかに超えて破壊メカニズムに大きな影響を与えていることを示している。