Identification of the elastodamping properties of long bones on a basis of the degenerate models

• Autorzy: Panek M.

Warianty tytułu

PL

Identyfikacja właściwości dysypatywno-sprężystych kości długich na bazie modeli zdegenerowanych

• Konferencja: Symposium “Vibrations In Physical Systems” (24 ; 11-15.05.2010 ; Będlewo koło Poznania ; Polska)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The dynamic load is essential for proper working of the skeletal system. The loads affecting skeleton during practising different kinds of sports and when accidents occur (for example resulting with bone injuries) have dynamic character, often with periodical or pulse shape. Therefore, from the scientific and clinical point of view, assignment of the dynamical properties of bone tissues is necessary. In this paper two degenerate models for description of the bovine bones dynamic properties are presented. The whole femur bone supported as a cantilever beam with additional masson the free end is subject of investigations. The excitation is applied by electro-dynamic shaker. The force sensor is situated between shaker and the bone, and the reaction of the system is measured by acceleration sensor. On the basis the energy balance and the power balance equations the models parameters are identified. In this paper is presented a set of parameters describing chosen models for two cases. In the first case, it is assumed that a value of the additional mass is not known, and in the second case calculations are performed for known value of the substitutional mass. In the first case for both models (built on a basis of the Zener model I and the system basing on the general model of viscoelastic body II), a majority of identified parameters are negative. For a given mass value, in model I every parameter had positive value whereas in model II only the damping parameter was negative. The obtained results indicate that the model I is more suitable to describe of the bone dynamical properties.

PL

Do prawidłowego funkcjonowania układu kostnego niezbędne jest działanie obciążeń o charakterze dynamicznym. Siły działające na kościec podczas uprawiania różnych rodzajów sportu oraz podczas wypadków, np. prowadzących do uszkodzenia kości, także mają charakter dynamiczny, w tym często o przebiegu impulsowym lub okresowym. Dlatego tez z naukowego oraz klinicznego punktu widzenia, istotne jest poznanie własności dynamicznych tkanek kostnych. W niniejszej pracy przedstawiono dwa modele zdegenerowane, mające opisać własności dynamiczne kości wołowych. Badaniom poddano całą kość udową, która mocowana była w układzie belki wspornikowej z dodatkową masą. Wymuszenie realizowane było za pomocą wzbudnika elektro-dynamicznego. Pomiędzy nim a kością umieszczony był czujnik siły, natomiast odpowiedź układu rejestrowana była za pomocą czujnika przyspieszenia. Na tej podstawie za pomocą metody bilansu energii i bilansu mocy identyfikowano wartości parametrów występujących w modelach. Ruch masy dodatkowej zamocowanej na wolnym końcu kości, rozpatrywano jako drgania masy w układzie o jednym stopniu swobody. W pracy przedstawiono zestaw parametrów opisujących wybrane modele dla dwóch przypadków. W pierwszym założono, że wielkość masy dodatkowej nie jest znana, a w drugim obliczenia przeprowadzono dla zadanej wielkości masy zastępczej. W pierwszym przypadku, zarówno układzie w bazującym na modelu Zenera I jak i powstałym na bazie ogólnego modelu ośrodka sprężysto-lepkiego II, większość identyfikowanych parametrów przyjmowała wartości ujemne. Przy zadanej wielkości masy, w modelu I wszystkie parametry przyjmowały wartości dodatnie, natomiast w modelu II tylko parametr tłumienia był ujemny. Na tej podstawie wydaje się, że model l Iepiej nadaje się do opisu właściwości dynamicznych kości.

Słowa kluczowe

EN

dynamic properties; bone; degenerated model; identification

PL

właściwości dynamiczne; kość; model zdegenerowany; identyfikacja

• Wydawca: Poznan University of Technology. Institute of Applied Mechanics
• Czasopismo: Vibrations in Physical Systems
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 24
• Strony: 313--318
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz.

Twórcy

autor

Panek M.

• Wrocław University of Technology, Smoluchowskiego25 str,50-370 Wrocław, Poland

Bibliografia

• 1. Będziński R., Biomechanika inżynierska, Zagadnienia wybrane. Oficyna wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997.
• 2. Bocian M., Kulisiewicz M., Piesiak St., Wykorzystanie nieliniowych modeli zdegenerowanych w Identyfikacji elementów sprężysto-tłumiących maszyn. XIV Konferencja Naukowa pt. ''Problemy Rozwoju Maszyn Roboczych'', Zakopane, 2001.
• 3. Cowin S.C., Bone Mechanics Handbook. Informa Health Care, 2001.
• 4. Currey J.D., Bones: Structure and Mechanics. Princeton University Press, 2002.
• 5. Garner E., Lakes R.S., Lee T., Swan C., Brand R., Viscoelastic dissipation in compact bone: implications for stressinduced fluid flow in bone. J. Biomech. Engineering, 2000; 122:166–172.
• 6. Iyo T., Maki Y., Sasaki N., Nakata M., Anisotropic viscoelastic properties of cortical bone. Journal of Biomechanics, 2004; 37:1433–1437.
• 7. Kulisiewicz M., Modeling and identyfication of nonlinear mechanical systems under dynamic complex loads. Oficyna wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2005
• 8. Piesiak St., Identyfikacja układów mechanicznych w dziedzinie nieliniowych i zdegenerowanych modeli dynamicznych. Oficyna wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2003.
• 9. Sasaki N., Enyo A., Viscoelastic properties of bone as a function of water content. Journal of Biomechanics, 1995; 28:809–815.