The femoral bone under peak loading during the gait cycle: a finite element analysis based on a CT-derived anatomical model.

Delapaschos, Alexandros-Stergios; Δελαπάσχος, Αλέξανδρος-Στέργιος

dc.contributor.author	Delapaschos, Alexandros-Stergios	en
dc.contributor.author	Δελαπάσχος, Αλέξανδρος-Στέργιος	el
dc.date.accessioned	2026-02-02T11:16:28Z
dc.date.available	2026-02-02T11:16:28Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/63293
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.30988
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Εφαρμοσμένη Μηχανική”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Femoral bone	en
dc.subject	Finite element analysis	en
dc.subject	Biomechanics	en
dc.subject	Simulation	en
dc.subject	Mesh dependency study	en
dc.subject	Εμβιομηχανική	el
dc.subject	Μηριαίο οστό	el
dc.subject	Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων	el
dc.subject	Προσομοίωση	el
dc.subject	Μελέτη εξάρτησης πλέγματος	el
dc.title	The femoral bone under peak loading during the gait cycle: a finite element analysis based on a CT-derived anatomical model.	en
heal.type	masterThesis
heal.secondaryTitle	Το μηριαίο οστό υπό τη μέγιστη φόρτιση κατά τη διάρκεια του κύκλου βάδισης: μία ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων σε ένα ανατομικό μοντέλο προερχόμενο από αξονική τομογραφία.	el
heal.classification	Biomechanics	en
heal.classification	Εμβιομηχανική	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-07-22
heal.abstract	The aim of this Postgraduate Thesis is to investigate the mechanical response through simulations of the human femoral bone under peak loading conditions during the gait cycle, using a three-dimensional anatomical model derived from computed tomography (CT) data. Utilizing the Finite Element Method (FEM), the distributions of stress, displacement, principal stresses, and their maximum values are obtained in order to assess the overall strength and the large-scale behavior of the femur. All the necessary actions that took place in the framework of this project fall within the field of Biomechanics. Following the introductory chapter, the first section of Chapter 2 provides essential anatomical background on bone tissue, long bones, the femur itself, and clinical gait analysis. The second section offers a detailed explanation of fundamental concepts in the Mechanics of Deformable Bodies, such as stress, strain, the stress tensor, and related quantities, to ensure the reader can fully comprehend the technical aspects of this work. The chapter concludes with a summary of the FEM methodology, including the assumptions and simplifications necessary for the implementation of this study. Chapter 3 describes the procedure used to construct a three-dimensional model of the femur from CT scan data obtained from the New Mexico Decedent Image Database, using the open-source software 3D Slicer. Particular attention is given to challenges encountered during the modeling process, especially those concerning femoral bone segmentation. The final part of the chapter involves mesh processing and preparation using Meshlab to generate a surface model suitable for finite element simulation. In Chapter 4, the full workflow of the Finite Element Analysis is presented, including the simulation setup and execution using FreeCAD, as well as all post-processing stages. The concept of mesh dependency study is introduced, and the process for achieving a validated solution is detailed. Chapter 5 concludes the thesis by presenting the simulation results, extracting the main findings, and offering suggestions for future research.	en
heal.abstract	Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι να εξετάσει τη μηχανική απόκριση του ανθρώπινου μηριαίου οστού, μέσω προσομοιώσεων, σε συνθήκες μέγιστης φόρτισης κατά τη διάρκεια του κύκλου βάδισης μέσα από ένα τρισδιάστατο ανατομικό μοντέλο βασισμένο σε δεδομένα αξονικών τομογραφιών. Με τη βοήθεια της Ανάλυσης Πεπερασμένων Στοιχείων, λαμβάνονται η κατανομή των τάσεων, των μετατοπίσεων, των κύριων τάσεων καθώς και οι ακρότατες τιμές αυτών με στόχο να αποτιμηθεί η συνολική αντοχή του μηριαίου οστού και η μακροσκοπική συμπεριφορά του. Όλες οι απαραίτητες ενέργειες που έλαβαν χώρα στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας εντάσσονται στο γνωστικό πεδίο της Εμβιομηχανικής. Μετά από τη σχετική εισαγωγή του πρώτου κεφαλαίου, στο πρώτο μισό του δευτέρου κεφαλαίου, δίνονται οι απαραίτητες πληροφορίες ανατομίας για τον οστίτη ιστό, τα μακρά οστά, το μηριαίο οστό αλλά και την κλινική ανάλυση βάδισης. Στο δεύτερο μισό, εξηγούνται έννοιες της Μηχανικής των Παραμορφώσιμων Σωμάτων όπως η τάση, η παραμόρφωση, ο τανυστής των τάσεων και άλλες συναφείς έννοιες που απαιτούνται για να μπορεί ο αναγνώστης να παρακολουθήσει με ακρίβεια κάθε σημείο της παρούσας εργασίας. Ακόμη, δίνονται συνοπτικά τα βήματα της μεθόδου των Πεπερασμένων Στοιχείων, καθώς και οι αναγκαίες υποθέσεις και απλουστεύσεις για την υλοποίηση της τρέχουσας εργασίας. Στο τρίτο κεφάλαιο, περιγράφεται με σαφήνεια ο τρόπος με τον οποίο δημιουργείται ένα τρισδιάστατο μοντέλο του μηριαίου οστού μέσα από δεδομένα αξονικών τομογραφιών της βάσης δεδομένων New Mexico Decedent Image Database, με τη χρήση του ειδικού λογισμικού 3D Slicer. Ιδιαίτερη μνεία έγινε σε ένα πρόβλημα που ανέκυψε κατά τη διάρκεια δημιουργίας του μοντέλου, όσον αφορά την απεικόνιση του μηριαίου οστού. Επίσης, στο τελευταίο μέρος του κεφαλαίου λαμβάνει χώρα η απαραίτητη επεξεργασία και προετοιμασία του επιφανειακού πλέγματος μέσω του προγράμματος Meshlab, που χρησιμοποιείται ως μητρικό μοντέλο, ώστε να παραχθεί το τελικό μοντέλο. Στο τέταρτο κεφάλαιο, περιγράφονται αναλυτικά όλα τα βήματα της Ανάλυσης Πεπερασμένων Στοιχείων, υλοποιούνται οι προσομοιώσεις, μέσω του λογισμικού FreeCAD, καθώς και όλα τα στάδια της μετά-επεξεργασίας. Επιπλέον, εξηγείται η έννοια της μελέτης εξάρτησης πλέγματος και ο τρόπος που προκύπτει η επικυρωμένη λύση. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο, πραγματοποιείται η παράθεση των αποτελεσμάτων και συντελείται η εξαγωγή των συμπερασμάτων μαζί με προτάσεις για μελλοντική έρευνα.	el
heal.sponsor	Ίδρυμα Περικλή Σ. Θεοχάρη	el
heal.sponsor	Pericles S. Theocharis foundation	en
heal.advisorName	Γιαννακόπουλος, Αντώνης	el
heal.advisorName	Giannakopoulos, Antonis	en
heal.committeeMemberName	Κουρκουλής, Σταύρος	el
heal.committeeMemberName	Kourkoulis, Stavros	en
heal.committeeMemberName	Πάσιου, Ερμιόνη	el
heal.committeeMemberName	Pasiou, Ermioni	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	74 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false