Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.15
no.6
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pp.62-72
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2007
Fracture analysis of human bone is necessary to predict the failure of musculoskeletal structures and to heal them by several possible mechanisms under different loading conditions. But human bone is a complex material, with a multiphase, heterogeneous and anisotropic microstructure. Due to the difficulty of obtaining experimental and clinical results, the importance of numerical analysis and computational simulations in biomechanics are increasing gradually. In this study, stress analysis for human femur model is performed by using the 2-dimensional finite element method(FEM) and its stress distribution is determined. From these results, the fracture mechanic parameters are calculated and the fracture criteria on human femur are investigated and discussed.
The purpose of this study was to create a phantom with a HU value similar to that of the human Femur using a 3D printer to replace the existing pig bone. A total of 372 people were analyzed to determine the HU value of human Femur. Using a 3D printer, a human bone model phantom was fabricated using PLA-Cu 20% and subjected to CT examination. Pig bones were 6 months old pigs, and bones 2 days after slaughter were used. As a result of the examination, the 3D printing phantom made with 80% of the internal filling showed a similar value to all data of the human body (p<0.05), and there was a difference from the pig bone (p>0.05). In addition, in the case of the HU value of Femur by age group, it was confirmed that the value of HU decreased as the age group increased (p<0.05). 3D printing and HU values confirmed a weak negative correlation with respect to the stacking height, but confirmed a strong positive correlation (R2 = 0.996) with 182.13±1.290 in the inner filling (p<0.05). In conclusion, it was confirmed that the human body model phantom using 3D printing can exhibit a similar level of HU value to the human body compared to the existing pig bone phantom, and this study will provide basic data for the production of a human body model phantom using a 3D printer.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2002.10a
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pp.1074-1077
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2002
Biomechanical behavior of the human femur is very important in various clinical situations. In this study, the data of FE models based on DICOM file exported from Computed tomography(CT). We generated FE models(voxel model, tetra model) of human femur using CT slide image. We compared them with Yon Mises stress results derived from finite element analysis(FEA). Comparing the two models, we found a correlation of them. As a result, the tetra model based proposed marching cube algorithm is a valid and accurate method to predict parameters of the complex biomechanical behavior of human femur.
The stress distribution of bone is altered by the rigid bone plate, sometimes resulting in unfavorable osteoporosis. The rigidity and the biocompatibility are important factors for the design of prosthesis. However, it is also necessary to consider the effect on the bone remodeling. In this paper, it is attempted to establish an approximate and simple method to predict the trend of the configuration of surface bone remodeling for the case of a bone plate using stress analysis. Thus, three dimensional finite element model of plated-human femur is generated and simulated. In addition. the stress difference method (SDM) is introduced and attempted to demonstrate the configuration of surface bone remodeling of the plated-human femur. The results are compared with those of invivo tests and the feasibility of the stress difference method is discussed.
In this paper, the prototype of SIS(Simulated Implantation System) for human femoral head is introduced. SIS is a software which carries on a virtual femoral head replacement surgery including 3d visualization as well as various numeric analyses between a patient's femur and artificial femur through certain stages of the image processing and of the computer graphics. Also, processes required after acquiring consecutive CT-images and projected image of an artificial femur are discussed, and the corresponding results including prototype of SIS are given.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.12
no.4
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pp.3-9
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2013
Falling related injuries are categorized as the most serious and common medical problems experienced by the elderly. Hip joint fracture, one of the most serious consequences of falling in the elderly, occurs in only about 1% of falling. In this study, according to the loading conditions, the analysis is the behavior of the femur. The CT images using the commercial program "Mimics" the bones of three-dimensional CAD data generated, and we will analyze the results of finite element analysis. The boundary conditions on the basis of existing research has been simplified. In this paper, the whole femur was assumed to be isotropic linear elastic material. Predicted the behavior of the femur according to the loading condition, it can be help the development of high-precision artificial bones and joints can be treated with surgery and will be able to perform efficiently.
Development of lightweight implant plates are important to reduce the stress shielding effect for a prosthesis of femur bone fractures. Stainless steel (SS-316L) is a widely used material for making implants. Stress shielding effect and other issues arise due to the difference in mechanical properties of stainless steel when compared with bone. To overcome these issues, composite materials seem to be a better alternative solution. The comparison is made between two biocompatible composite materials, namely Ti-hydroxyapatite and Ti-polypropylene. "Titanium (Ti)" is fiber material while "hydroxyapatite" and "polypropylene" are matrix materials. These two composites have Young's modulus closer to the bone than stainless steel. Besides the variety of bones, present paper constrained to femur bone analysis only. Being heaviest and longest, the femur is the most likely to fail among all bone failures in human. Modelling of the femur bone, screws, implant and assembly was carried out using CATIA and static analysis was carried out using ANSYS. The femur bone assembly was analyzed for forces during daily activities. Ti-hydroxyapatite and Ti-polypropylene composite implants induced more stress in composite implant plate, results less stress induced in bone leading to a reduction in shielding effect than stainless steel implant plate thus ensuring safety and quick healing for the patient.
A factorial experiment was conducted to determine the influence of phytate(0 or 10g/kg diet) and calcium (Ca)(3 or 10g/kg diet) intakes on Ca, P and Zn metabolism by growing female rats. Food intake and weight were similar for the all groups, however, phytate ingestion for six weeks depressed femur growth. The low Ca plus phytate group showed the lowest Ca content of total femur and this was related to a significant decrease of Ca retention. Phytate intake depressed zinc(Zn) absorption in the first metabolic collection. This inhibitory effect of phytate on Zn absorption was improved in the low Ca plus phytate group after several weeks. Impared Zn absorption however remained in the high Ca plus phytate group which was reflected in the lowest Zn content of femur, phytate intake with high Ca also depressed phosphorous(P) absorption and serum and urinary P. These adverse effects of phytate on Zn and P absorption when the dietary Ca was high could explain reduced femur weight despite the highest concentration of femur Ca(mg/g ash) in this group. Results suggest that phytate can adversely affect not only Ca metabolism but Zn and P utilization. Thus, for the normal bone growth when phytate intake is high, the ingesion of Ca, P, Zn and other minerals should be enhanced.
Korean Journal of Computational Design and Engineering
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v.16
no.6
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pp.458-466
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2011
The morphology of a bone is closely associated with its biomechanical response. Thus, much research has been focused on analyzing the effects of variation of bone morphology with subject-specific models. Subject-specific models, which are generally achieved from 3D imaging devices like CT and MRI, incorporate more of the detailed information that makes a model unique. Hence, it may predict individual responses more accurately. Despite these powerful characteristics, specific models are not easily parameterized to the extent possible with statistical models because of their morphologic complexities. Thus, it is still proven challenging to analyze morphologic variations of subject-specific models across changes due to aging or disease. The aim of this article is to propose a generic and robust parametric morphing method for a subject-specific bone structure. We demonstrate this by using the proposed method on a model of a human proximal femur. Automatic segmentation algorithms are also presented to parameterize the specific model efficiently. A total of 48 femur models were evaluated for defining morphing vector fields. Also, several anatomical and mechanical functions of femur were considered as morphing constraints, and the NURBS interpolating technique was applied in the method to guarantee the generality of our morphed results.
In this paper, a simple and accurate finite element model coupled to quasi-brittle damage law able to describe the multiple cracks initiation and their progressive propagation is developed in order to predict the complete force-displacement curve and the fracture pattern of human proximal femur under quasi-static load. The motivation of this work was to propose a simple and practical FE model with a good compromise between complexity and accuracy of the simulation considering a limited number of model parameters that can predict proximal femur fracture more accurately and physically than the fracture criteria based models. Different damage laws for cortical and trabecular bone are proposed based on experimental results to describe the inelastic damage accumulation under the excessive load. When the damage parameter reaches its critical value inside an element of the mesh, its stiffness matrix is set to zero leading to the redistribution of the stress state in the vicinity of the fractured zone (crack initiation). Once a crack is initiated, the propagation direction is simulated by the propagation of the broken elements of the mesh. To illustrate the potential of the proposed approach, the left femur of a male (age 61) previously investigated by Keyak and Falkinstein, 2003 (Model B: male, age 61) was simulated till complete fracture under one-legged stance quasi-static load. The proposed finite element model leads to more realistic and precise results concerning the shape of the force-displacement curve (yielding and fracturing) and the profile of the fractured edge.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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