Přednáška 4

13.11.2013
Přednáška 4
Experimentální metody v
biomechanice kosti
(zejména trabekulární)
Experimentální zjišťování
mechanických vlastností kostí
• jestliže kost vyrobíme, je nutné ověřit její
mech. vlastnosti (vzorek vs. celá kost)
• vyhodnocení: deformace vs. napětí
• umělá kost vs. stávající – porovnání
ε=
∆l
l
∆F
∆A→0 ∆A
σ = lim
Deformace měřena pomocí
elektrického odporového
tenzometru (princip=změna
odporu se změnou délky
Zobrazení vnitřní struktury (nejen trabekulární kosti)
●
●
●
●
CT (Computed Tomograhy,
počítačová tomografie)
Princip: série radiogramů pod
různým úhlem
●
●
Počítačová rekonstrukce
založená na filtrované zpětné
projekci (užití FFT)
Výstupem je 3D obraz, resp.
matice obsahující čísla
odpovídající absorbci rtg záření
daným bodem.
●
Princip radiografie a dalších
zobrazovacích technik =
samostatná přednáška.
RTG, MRI, US, pQCT,
Fluoroscopy and angiography,
ultrasonogaphy, endoscopy,
elastography, tactile imaging,
thermography and medical
photography.
electroencephalography (EEG),
magnetoencephalography
(MEG), electrocardiography
(EKG)...
Princip konvenčního CT
spiral CT
multi-slice spiral CT
Princip (laboratorního) mikro-CT
Na rozdíl od konvenční tomografie je rotováno
vzorkem, zdroj záření I detektor jsou statické
Zpětná rekonstrukce využívá FFT
Geometrie svazku
Micro-CT = microfocus Computed Tomography
Typical spot size 1-5um
Popis mikro-CT zařízení v Centru Excelence Telč (ÚTAM AV ČR, v.v.i.)
Časosběrná technika mikro-CT
Vzorek je postupně deformován v zatěžovacím
zařízení a snímány jsou změny vnitřní struktury
Nebo: „klasické” mikro-CT
Ve spolupráci s Ústavem technické a
experimentální fyziky ČVUT v Praze
mikroCT vzorku trabekulární kosti
255 výsledných řezů
kubické voxely
MKP modely vnitřní struktury trabekulární
kosti (matem. modelování)
tři MKP modely různé hustoty (85932, 222680,739881 elementů), ~ cca 2 mil. neznámých
Sledování struktury v reálném čase při zatěžování
vzroku trabekulární kosti
Zatěžovací zařízení:
deformace měřena opticky kamerou (na
povrchu vzorku) nebo přímo v mikro-CT
zatěžovací rám tvořen válcem z
vysokopevnostní umělé hmoty
krokový motor pro pohon pístu
environmentální komora naplněna
fyziologickým roztokem
Proximální femur (stehenní kost)– příprava vzorků
proximal human femur
small blocks of TB
proximal human femur
nonionic detergent +
ultrasonic cleaner
temperature not exceeding
40oC
dried at room temperature
one block – nanoindentaion
single trabeculae were
dissected using a
sharp-tip scalpel under
optical microscope
Tlaková zkouška – postupné přitěžování a snímání deformované
struktury
COMPRESSION TEST
Specimen #1: loaded up to 10% strain in ten 1,0%
increments
Specimen #2: loaded up to 5% strain in ten 0,5%
increments
Between the load increments, holding time for 20
min (strain relaxation)
Force continually measured during the whole
experiment
COMPUTED TOMOGRAPHY
3D reconstructed image data computed in each
loading state.
0% deformation state: 0…360° in 0.5° increments
(720 projections) – FE model development, precise
segmentation needed
0.5%...5%...10% states: 0°…180° in 1 increments
(correlation only), save time
Stanovení pole posunutí a deformace v objemu vzorku pomocí digitální korelace 3D obrazu
Princip korelace obecně
Výpočet posunutí a deformace
●
využití GPU pro paralelní zpracování dat (nutnost)
Direct measurement of 3D strains in
microstructure
Digital Image correlation (DIC) extended
to 3-D
Modified Lukas-Kanade algorithm