Design of trabecular structure using Voxel-based model

Micro-computed tomography (μCT) scan produces cross-sectional images of specific areas of a scanned object. Compression tests were induced experimentally on trabecular bone samples of porcine vertebrae and μCT scans were performed on them. These images are the input parameters and will be used for numerical analysis in this study. Mechanical and morphological properties were evaluated before and after the tests using μCT and DXA (dual-energy X-ray absorptiometry). Designing a voxel-based model from the pre-damage μCT images using a series of image processing techniques using ImageJ and a MATLAB code that binarizes the greyscale images and eventually generates an input file code for ABAQUS. Finite element modelling of bone samples was performed using the generated voxel-based model. This model was chosen because of its unique properties and ability to generate a mesh that is fully automated with the elements directly created from the µCT scans. The primary objective of this thesis to see how close the designed model stands with respect to experimental results. Understanding how this finite element analysis can be used in future studies on a larger scale for predictions of diseases like osteoporosis was examined. An analysis of calibration factors of Young’s modulus was performed after defining plasticity model and implementing damage in the model. A full-fledged analysis considering its unique mechanical properties for various samples has been executed. A brief and interesting analysis considering mean values of all the required mechanical properties has been performed. It has been proved that the concrete damage plasticity model, used in this study has been good enough in predicting the elastic and yield behaviour of the samples. Though for few samples, the damage prediction was accurate, it was limited to hardened curves and lower strains.

La scansione della tomografia micro-computerizzata (μCT) produce immagini trasversali di aree specifiche di un oggetto scansionato. Test di compressione sono stati condotte sperimentalmente su campioni di osso trabecolare di vertebre porcine e su di essi sono state eseguite scansioni di μCT. Queste immagini sono i parametri di input e saranno utilizzate per l'analisi numerica in questo studio. Le proprietà meccaniche e morfologiche sono state valutate prima e dopo i test utilizzando μCT e DXA (assorbimetria a raggi X a doppia energia). Progettare un modello basato su voxel dalle immagini μCT pre-danno utilizzando una serie di tecniche di elaborazione delle immagini usando ImageJ e un codice MATLAB che binarizza le immagini in scala di grigi e alla fine genera un codice di file di input per ABAQUS. La modellazione ad elementi finiti di campioni ossei è stata eseguita utilizzando il modello basato su voxel generato. Questo modello è stato scelto per le sue proprietà uniche e la capacità di generare una mesh completamente automatizzata con gli elementi creati direttamente dalle scansioni μCT. L'obiettivo principale di questa tesi è vedere quanto si avvicina il modello progettato rispetto ai risultati sperimentali. È stato esaminato il modo in cui questa analisi ad elementi finiti può essere utilizzata in studi futuri su scala più ampia per le previsioni di malattie come l'osteoporosi. Un'analisi dei fattori di calibrazione del modulo di Young è stata eseguita dopo aver definito il modello di plasticità e implementato il danno nel modello. Un'analisi a tutti gli effetti, considerando le sue proprietà meccaniche uniche per vari campioni, è stata eseguita. È stata eseguita un'analisi breve e interessante considerando i valori medi di tutte le proprietà meccaniche richieste. È stato dimostrato che il modello di plasticità di danno concreto, usato in questo studio è stato buono abbastanza accurato nel predire comportamento elastico e di snervamento dei campioni. Sebbene siano pochi campioni, la predizione del danno é stata accurata, limitata a curve indurite e deformazioni più basse.