Numerical simulation of adaptive bone remodeling

• Autorzy: Pandorf T. , Haddi A. , Wirtz D.C. , Lammerding J. , Forst R. , Weichert D.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Recent developments in computational mechanics and of high speed digital computers have lead to the implementation of various mathematical continuum models of adaptive bone remodeling depending on the internal bone structure and the loads applied to this structure. In order to study the variation in apparent density and structural anisotropy of the bone due to different loading situations, both mechanical and non-mechanical criteria are taken into account in the presented paper to simulate the bone adaptation behaviour. The mechanical and physiological modeling, its underlying assumptions and numerical implementation into a finite element program is presented. Sample calculation of the proximal femur illustrates the developed model.

PL

Rozwój metod komputerowych mechaniki i szybkich komputerów cyfrowych pozwolił na implementację różnych kontynualnych modeli matematycznych adaptacyjnej przebudowy kości uwzględniających wewnętrzną strukturę kości i obciążenia. W celu zbadania zmian gęstości pozornej i strukturalnej anizotropii kości spowodowanych różnymi obciążeniami, w niniejszej pracy uwzględniono zarówno mechaniczne jak i niemechaniczne kryteria dla symulacji adaptacyjnego zachowania się kości. Przedstawiono modelowanie mechaniczne i fizjologicznie, związane z tym założenia oraz implementację numeryczną przy pomocy metody elementów skończonych. Dla ilustracji opracowanego modelu przedstawiono wyniki obliczeń dotyczące końca bliższego kości udowej.

Słowa kluczowe

EN

bone adaption; anisotropy; non-mechanical stimuli

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 1999
• Tom: nr 3
• Strony: 639--658
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz.,il., wykr., tab.

Twórcy

autor

Pandorf T.

• Institute of General Mechanics, RWTH Aachen, Germany

autor

Haddi A.

• Institute of General Mechanics, RWTH Aachen, Germany
• Laboratoire de Mechanique des Lille (LMLI - EUDIL), Universite des Science

autor

Wirtz D.C.

• Orthopaedic Clinic, RWTH Aachen, Germany

autor

Lammerding J.

• Institute of General Mechanics, RWTH Aachen, Germany

autor

Forst R.

• Orthopaedic Clinic, RWTH Aachen, Germany

autor

Weichert D.

• Institute of General Mechanics, RWTH Aachen, Germany
• Laboratoire de Mechanique des Lille (LMLI - EUDIL), Universite des Science

Bibliografia

• 1. BEAUPRE G.S., ORR T.E., CARTER D.R., 1990a, An Approach for Time-Dependent Bone Modeling and Remodeling - Theoretical Development, J. Orth. Res., 8, 5, 651-661.
• 2. BEAUPRE G.S., ORR T.E., CARTER D.R., 1990b, An Approach for Time-Dependent Bone Modeling and Remodeling - Application: A Preliminary Remodeling Simulation, J. Orth. Res., 8, 5, 662-670.
• 3. CARTER D.R., 1987, Mechnical Loading History and Skeletal Biology, J. Biomechanics, 20, 11, 1095-1109.
• 4. FARDELLONE P. ET AL., 1998, Biomechanical Effects of Calcium Supplementation in Postmenopausal Women: Influence of Dietary Calcium Intake, Am. J. Clin. Nutr, 67, 6, 1273-1278.
• 5. FROST H.M., 1964, The Laws of Bone Structure, Charles C. Thomas, Springfield, IL.
• 6. GREILING H., GRESSNER A.M., 1995, Lehrbuch der Klinischen Chemie und Pathobiochemie, Schattauer Verlag, Stuttgart New York, 3. Edition.
• 7. GREGER R., WINDENHORST U., 1996, Comprehensive Human Physiology -from Cellular Mechanisms to Integration, Vol. 2, Springer Verlag, Berlin, Heilderberg, New York.
• 8. HART R.T., DAVY D.T., 1989, Theories of Bone Modeling and Remodeling, In Cowin S.C. (edit.): Bone Mechanics, 253-277, CRC Press, Boca Raton, FL.
• 9. HARRIGAN T.P., HAMILTON J. J., 1994, Bone Remodeling and Structural Optimization, J. Biomechanics, 27, 3, 323-328.
• 10. HUISKES R., WEINANS H., GROOTENBOER H., 1987, Adaptive Bone-Remodeling Theory Applied to Prosthetic Design Analysis, J. Biomechanics, 22, 1135-1150.
• 11. JACOBS CR., SFMO J.S., BEAUPRE G.S., CARTER D.R., 1997, Adaptive Bone Remodeling Incorporating Simultaneous Density and Anisotropy Considerations, J. Biomechanics, 30, 6, 603-613.
• 12. KLINKE R., SILBERNAGEL S., 1996, Lehrbuch der Physiologie, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York.
• 13. LABS, ABBOTT, 1999, The Osteo Dynamica Manual, http: //www.abbottrenalcare.com/manual/intro.html.
• 14. LAMMERDING J., 1999, Simulation der Knochenanpassung unter Berück-sichtigung mechanischer und nicht-mechanischer Einflussfaktoren, Diplomarbeit, Institut für Allgemeine Mechanik, RWTH Aachen, Accessible under http://www.iam.rwth-aachen.de/Forschung/lammer.html.
• 15. LÖFFLER G., PETRIDES P.E., 1988, Physiologische Chemie, Springer Verlag, Berlin, Heilderberg, New York.
• 16. MULLENDER M.G., HUISKES R., WEINANS H., 1994, A Physiological Approach to the Simulation of Bone Remodeling as a Self-Organizational Control Process, J. Biomechanics, 27, 11, 1389-1394.
• 17. PAUWELS F., 1965, Gesammelte Abhandlungen zur funktionellen Anatomie des Bewegungsapparates, Springer Verlag, Berlin.
• 18. PRENDERGAST P.J., HUISKES R., 1996, Microdamage and Osteocyte-Lacunae Strain in Bone: A Microstructural Finite Element Amalysis, J. Biomechanics, 118, 240-246.
• 19. PETTERMANN H.E., REITER T.J., RAMMERSTORFER F.G., 1997, Computational Simulation of Internal Bone Remodeling, Arch. Comp. Meth. Eng., 4, 4, 295-323.
• 20. VANDER A.J., SHERMAN J.H., LUCIANO D.S., 1994, Human Physiology, McGraw-Hill inc., New York.
• 21. WEINANS H., HUISKES R., GROOTENBOER H.J., 1989, Convergence and Uniqueness of Adaptive Bone Remodeling, Trans. Orth. Res. Soc, 14, 310.
• 22. WEINANS H., HUISKES R., GROOTENBOER H.J., 1992, Effects of Material Properties of Femoral Hip Components on Bone Remodeling, J. Orth. Res., 10, 6, 845-853.
• 23. WEINANS H., HUISKES R., VAN RIETBERGEN B. ET AL., 1993, Adaptive Bone Remodeling Around Bonded Noncemented Total Hip Arthoplasty: A Comparison Between Animal Experments and Computer Simulation, J. Orth. Res., 11, 4, 500-513.
• 24. WOLFF J., 1892, Das Gesetz der Transformation der Knochen, Hirschwald Verlag, Berlin.