Multiscale Simulation and Validation of the Elastic Microstructure of Vertebral Bodies

椎体弹性微观结构的多尺度模拟与验证

基本信息

项目摘要

Osteoporotic bone loss and the associated occurrence of fragility fractures is one of the mostserious future burdens of our aging society. We will develop the mathematical andalgorithmic tools for a reliable simulation of the elastic properties of vertebral bodies andvalidate the results with experiments. A multigrid composite finite element approach will beconsidered for the Lame-Navier equations of elasticity on the micro structure of the spongiosain 3D, where geometric details are incorporated in a finite element discretization via specialshape functions. Hence, the complicated and time-consuming explicit 2D meshing of 3Dsegment boundaries and a 3D grid generation for the interior of the segment domains isavoided. The simulations will be validated with experiments for aluminum foams, bovine andhuman trabecular bone specimens, and complete human vertebral bodies.This approach will lead to an improvement in the ability to predict the future risk of fracturesand may lead to earlier and more accurate detection of patients that require adequate treatmentfor osteoporotic bone loss.
骨质疏松骨质流失和脆弱性骨折的相关发生是我们老龄化社会中最严重的未来负担之一。我们将开发数学和载体工具,以对椎体的弹性特性进行可靠的模拟,并通过实验验证结果。多族复合有限元方法将在海绵蛋白3D的微型结构上的弹性弹性方程式进行,其中几何细节通过特殊象征函数纳入有限元隔离。因此,3d段边界的复杂且耗时的显式2D网格和段域内部的3D网格产生。该模拟将通过实验铝泡沫,牛和人类小梁标本和完整的人椎体来验证。这种方法将提高预测未来裂缝风险的能力,并可能导致对较早的患者进行较早和更准确的检测,以实现对稳定性骨质骨骼损失的预期治疗。

项目成果

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