АНАЛИЗ ПРОЧНОСТИ КОСТНЫХ ОРГАНОВ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА
Автор: Олег Владимирович Герасимов
Соавторы: Рахматулин Р.Р., Шарафутдинова К.Р.
Организация: Казанский (Приволжский) федеральный университет
Применение данных изображений выступает актуальным подходом к моделированию негомогенных сред. Наиболее распространёнными оказываются методы гомогенизации, среди которых выделяют построение MIL-распределения [1] и представительные объёмные элементы [2]. Целью исследования выступает реализация методики оценки прочностных параметров костей по данным цифрового двойника.
Подход основан на взвешенном интегрировании матрицы жёсткости [3]. Весовая функция определялась бинаризованными данными томографии. Напряжённо-деформированное состояние локально усреднялось по объёму. Оценка результатов определялась нормированной ошибкой энергии. Элементы с низким содержанием материала удалялись из сетки. Эксперименты проводились на плечевой кости свиньи. Протокол эксперимента был одобрен Комитетом по уходу за животными Казанского государственного медицинского университета (протокол №5 от 20 мая 2020 года). Нагружение соответствовало трёхточечному изгибу. Результаты моделирования сравнивались с натурным экспериментом (рис. 1).
Максимальные значения ошибки энергии соответствовали граничным элементам. Минимальная ошибка энергии (5.9%) и максимальные напряжения по Мизесу (430МПа) принадлежали области нагружения. Образование трещины определялось максимальными значениями первой компоненты главных напряжений (390МПа) и минимальными — третьей (-430МПа).
Работа выполнена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Работа выполнена при поддержке стипендии Президента Российской Федерации молодым учёным и аспирантам (СП-4182.2022.4).
1. Kichenko, A.A., Tverier, V.M., Nyashin, Y.I., Zaborskikh, A.A. Experimental determination of the fabric tensor for cancellous bone tissue // Russ. J. Biomech. – 2011. – Vol. 15(4). – P. 66–81.
2. Ridwan-Pramana, A., Marcian, P., Borak, L., Narra, N., Forouzanfar, T., Wolff, J. Finite element analysis of 6 large PMMA skull reconstructions: A multi-criteria evaluation approach // PLoS ONE. – 2017. – Vol. 12. – e0179325.
3. Rho, J.Y., Hobatho, M.C., Ashman, R.B. Relations of mechanical properties to density and CT numbers in human bone // Medical Engineering & Physics. – 1995. – Vol. 17(5). – P. 347–355.
