A numerical model for bone damage

Osteoporosis is a bone disease that is extensively seen in elder people. It increases the bone porosity and results in the reduction of bone mineral density (BMD) and bone strength. This makes bone more fragile and raises the risk of a fracture. The bone density test, done by Dual-energy X-ray Absorptiometry (DXA) scanner, is the clinical tool for the diagnosis of osteoporosis. Clinical parameters from DXA, such as BMD and T-score, allow for osteoporosis diagnosis in a high number of cases, but numerical tools can support and increase the identification of this disease. It was proved in a past thesis that the Strain Index of Bone (SIB) is a parameter useful for diagnosis and to identify the most loaded region during static compressive tests on porcine specimens. The present work describes the implementation of numerical Finite Element (FE) models of bone specimens under compressive fatigue loading. DXA images of the samples are taken as the base for creating these linear elastic models. The aim is to estimate the most loaded region in the specimens, where damage is more prone to occur, through the maximum SIB. FE models allows to identify the weakest section, to predict failure mode, and to estimate damage evolution during fatigue. An application is shown, based on DXA images of interrupted fatigue tests. These experimental data, combined with the numerical models, allow evaluating the damage law of the trabecular bone as a function of the number of cycles to failure, and also investigating SIB trend with respect to the morphological and clinical parameters during fatigue loading.

L’osteoporosi è una malattia molto diffusa in persone anziane, e induce l’aumento della porosità e la riduzione della densità minerale (BMD) e della resistenza delle ossa. Il test per la determinazione della densità ossea, fatto con la Mineralometria Ossea Computerizzata (MOC), è la misura clinica per la diagnosi di osteoporosi. I parametri clinici ottenuti dalla MOC, il BMD e il T-score, permettono la diagnosi della maggior parte dei casi, ma si può ottenere un ulteriore miglioramento della valutazione utilizzando in parallelo anche dei modelli numerici. In un lavoro precedente di tesi si è mostrato che l’indice di deformazione ossea (SIB) è un parametro che può essere molto utile nella diagnosi, per identificare le regioni più sollecitate durante prove di compressione statica su ossa di maiali. Il presente lavoro descrive l’implementazione di modelli numerici, basati sul metodo degli elementi finiti (FE), di provini ossei soggetti a carichi di fatica. I modelli, lineari elastici, sono sviluppati a partire da immagini MOC dei provini. Lo scopo del lavoro è di stimare attraverso il SIB la regione più sollecitata nei provini, dove è più probabile lo sviluppo del danneggiamento. I modelli numerici permettono di identificare la regione più debole, di predire la modalità di cedimento, e di stimare l’evoluzione del danneggiamento a fatica. Il lavoro mostra un’applicazione dei modelli a prove di fatica interrotta. Le immagini sperimentali della MOC, collezionate a diversi numero di cicli, combinate con i modelli numerici, permettono di valutare la legge di danneggiamento dell’osso trabecolare in funzione del numero di cicli, e di investigare l’andamento del SIB rispetto ai parametri morfologici e clinici durante i carichi di fatica.