Title: A feasibility study of a bone-screw microFE model
Language: English
Authors: Peyker, Lukas 
Qualification level: Diploma
Keywords: Biomechanik; Knochen; Schraube; Finite Elemente; linear; Experiment
biomechanics; bone; screw; finite elements; linear; experiment
Advisor: Pahr, Dieter H.
Issue Date: 2012
Number of Pages: 51
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Die Finite Elemente Methode wird mehr und mehr im Zuge biomechanischer Untersuchungen eingesetzt. Die vorliegende Diplomarbeit nimmt das Beispiel der volaren Platten-Osteosynthese am menschlichen Radiusknochen zum Ausgangspunkt für einen Vergleich zwischen einer FE Analyse und einem mechanischen Experiment. Es wurde ein einfaches Modell einer in eine zugeschnittene Knochenprobe implantierten und mit einer definierten Verschiebung beaufschlagten Schraube aufgestellt. Fünf verschiedene FE Konfigurationen basierend auf CT Scans wurden erstellt und den experimentellen Ergebnissen gegenüber gestellt. Die FE Modelle untersuchen den Einuss, den der Kontakt zwischen Knochen und Schraube hat und die Machbarkeit einer virtuell eingefügten Schraube. Weiters werden die Auswirkungen des Implantationsprozesses auf die FE Modellgenerierung diskutiert. Auÿerdem wurde der Einuss, den die Auösung der CT Daten auf die FE Ergebnisse hat, untersucht. Diese Diplomarbeit zeigt, dass eine lineare FE Modellierung der Schraube/Knochen-Verbindung zu einer Überschätzung der Federsteifigkeit der Verbindung führt, wenn man die Ergebnisse des mechanischen Tests zum Vergleich heranzieht. Verschiedene Modellierungsstrategien wurden eingesetzt um diesen Effekt zu untersuchen. Ein Modell mit perfekter Bindung zwischen Knochen und Schaube liefert eine Überschätzung der Steifigkeit um 67 %. Ein anderes FE Model, das den Kontakt zwischen Schraube und Knochen berücksichtigt zeigt eine Reduktion der Überschätzung auf 41 %. Werden zusätzlich die bei der Implantation gebrochenen Trabekel aus dem Model entfernt zeigt sich ein weiteres Absinken der Federsteifigkeit (3 % Überschätzung). Das Model mit der virtuell eingefügten Schraube führte andererseits zu einer Steifigkeit, die 89 % höher als der beim mechanischen Test gemessene Wert ist. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass FE Modelle für die Untersuchung von Schraube/Knochen-Modellen gut geeignet sind, aber nichtlineare Betrachtungen benötigt werden um die Vorhersagbarkeit zu erhöhen.

The finite element method is increasingly employed in biomechanical investigations. This thesis takes the example of the volar plate osteosynthesis of the human radius as a starting point for a comparison between a FE analysis and a mechanical test. A simple model of a titanium screw which was implanted in a cropped bone sample and subjected to a de ned displacement was derived. Five di erent FE con gurations were created from CT data and compared to test results. These FE models were used to study the in uence of the contact between bone and screw as well as the feasibility of a virtually inserted screw. The e ect of the implantation process on the FE model generation was also discussed. Furthermore, the in uence of the resolution of the CT data on the FE results was studied. This thesis shows that linear microFE modelling of the screw/bone interface leads to an over-estimation of the spring sti ness of the connection in comparison to the data from the mechanical test. Di erent modelling strategies were used to investigate this e ect. One model with perfect bonding between bone and screw gives a sti ness overestimation of 67 %. Another model that takes the contact between bone and screw into account gives a reduction of this over-estimation to 41 %. Additionally, removing those trabeculae from the model that were broken during the implantation process leads to a further decrease in spring sti ness (3 % over-estimation). On the other hand, the model created by virtually inserting the screw gives a spring sti ness that is 89 % higher than the measured value from the mechanical test.In conclusion, microFE models are well suited for the investigation of bone/screw models, however non-linear considerations will be needed to improve the predictability.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-50987
http://hdl.handle.net/20.500.12708/9708
Library ID: AC07812537
Organisation: E317 - Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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