Validacija numeričkih modela mehaničkoga ponašanja životinjskih i ljudskih kostiju

Primjena metode konačnih elemenata postaje nezaobilazna u biomehanici i medicini, osobito pri numeričkom modeliranju kosti ili sustava kost – implantat. Budući da je koštano tkivo nehomogen materijal, primjena računalne tomografije (engl. Computed Tomography – CT) vrlo je važna u razvoju numeričkih modela kostiju. Na osnovi CT-a može se vrlo precizno rekonstruirati geometrija kosti i odrediti gustoća svakoga pojedinog voksela. Gustoća kosti povezana je s modulom elastičnosti, no ta veza nije jednaka za svaku kost. U ovom istraživanju kost je na razini konačnog elementa modelirana kao linearno elastičan materijal s izotropnim svojstvima, dok u mreži konačnih elemenata modul elastičnosti varira s gustoćom kosti tako da je cijela kost modelirana kao nehomogeni materijal. Pravilan odabir relacije koja povezuje gustoću i modul elastičnosti znatno utječe na rezultate računalnih simulacija, stoga je potrebno validirati numeričke modele eksperimentalnim in vitro ispitivanjem svježih kostiju. Danas se u biomehaničkim istraživanjima, ponajprije jer se lakše nabavljaju, često koristimo životinjskim kostima. Konkretno, svinjske i ovčje kosti zbog svoje su građe, oblika i dimenzija prikladne za testiranje medicinskih implantata namijenjenih ljudima. Većina relacija gustoća – modul elastičnosti dostupnih u literaturi, ograničena je na ljudski femur (bedrena kost) te je upitna njihova primjenjivost na ostale ljudske ili životinjske kosti. Cilj predloženoga doktorskog rada jest in vitro eksperimentalno ispitivanje svježih životinjskih i ljudskih kostiju primjenom metode korelacije digitalne slike (engl. Digital image correlation – DIC) za mjerenje pomaka i deformacija. Metoda korelacije digitalne slike suvremena je beskontaktna metoda koja omogućuje mjerenje cijelog polja pomaka na površini mjernog objekta i sve se češće primjenjuje za ispitivanje bioloških tkiva. S obzirom na to da daje kao rezultat cijelo polje pomaka i deformacija, metoda je kvalitetan alat za validaciju numeričkih modela kostiju. Spomenuta metoda omogućuje bolji uvid u mehaničko ponašanje kosti te realnije prikazuje njezin mehanički odziv na narinuto opterećenje. Predloženo istraživanje obuhvaća numeričko modeliranje kosti na temelju računalne tomografije, te na osnovi usporedbe s eksperimentom, definiranje relacija gustoća – modul elastičnosti za pojedine vrste kostiju. Za veći dio istraživanja korištene su svježe svinjske i ovčje kosti, uglavnom zbog njihove pristupačnosti