Κάμψη τριών σημείων μηριαίων οστών τρωκτικών: Ακριβής προσδιορισμός της τάσης θραύσης. Μέρος Α: Πειραματικό πρωτόκολλο. Μέρος Β: Αξιολόγηση και επεξεργασία πειραματικών δεδομένων

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και ο προσδιορισμός χαρακτηριστικών μηχανικών ιδιοτήτων και γεωμετρικών μεγεθών του μηριαίου οστού επιμύων υπό κάμψη τριών σημείων καθώς και η σύγκριση και αξιολόγηση διαφορετικών τρόπων εύρεσης της τάσης θραύσης. Ειδικότερα, έγινε σύγκριση των τάσεων που προκύπτουν από τη θεώρηση της ακριβούς διατομής του οστού, τη θεώρηση διατομής του βέλτιστου κυκλικού δακτυλίου και τη θεώρηση κυκλικού δακτυλίου με πάχος το ελάχιστο του κάθε οστού. Οι τάσεις αποτελούν βασικό μέγεθος καθώς είναι το μέτρο της αντοχής του οστού ως υλικό, απαλλαγμένο από άλλους παράγοντες. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν 173 μηριαία οστά θηλυκών επιμύων, τα οποία υποβλήθηκαν σε κάμψη τριών σημείων (πλαίσιο φόρτισης MTS INSIGHT). Η φόρτιση έγινε με αργό ρυθμό (quasi-static) και η κατανομή των τά-σεων θεωρήθηκε ακτινική. Παράλληλα έγινε χρήση οπτικού μηκυνσιομέτρου (RTSS_HR VideoΕxtensometer, Limess) ώστε να εξασφαλιστεί ο ακριβής προσδιορισμός του βέλους κάμψης. Στην συνέχεια το ένα από τα δύο θραύσματα εγκιβωτίστηκε σε ρητίνη και λειάνθηκε ώστε να καταγραφεί η πλήρης μορφή της διατομής. Η επεξεργασία των εικόνων που λήφθηκαν από στερεοσκόπιο επεξεργάστηκαν με το λογισμικό Solidworks ώστε να προσδιοριστούν τα παρακάτω μεγέθη: • Το γεωμετρικό κέντρο της διατομής • Ο άξονας φόρτισης και η εκκεντρότητά του ως προς το γεωμετρικό κέντρο • Το εμβαδόν της διατομής αστοχίας • Η εσωτερική και εξωτερική ακτίνα • Το μέσο και το ελάχιστο πάχος διατομής • Το κύριο σύστημα αναφοράς • Οι επιφανειακές ροπές δευτέρας τάξης του κυρίου συστήματος • Ο ουδέτερος άξονας • Το σημείο αστοχίας του υλικού Με τη βοήθεια των παραπάνω μεγεθών κατέστη δυνατός ο υπολογισμός της ακριβούς τάσης αστοχίας των οστών και η σύγκρισή της με άλλες προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται συχνά σε επιστημονικές μελέτες ιατρικού και εμβιομηχανικού ενδιαφέροντος. Η παρούσα μελέτη κατέδειξε ότι η διαδικασία που ακολουθήθηκε για τον ακριβή προσδιορισμό της τάσης θραύσης κρίνεται απαραίτητη καθώς παρατηρήθηκαν σημαντικές αποκλίσεις σε σχέση με τις προσεγγιστικές μεθόδους που αξιολογήθηκαν.

The present study’s aim is the calculation and investigation of the mechanical and geometrical characteristics of the rats’ femur bone under three-point bending, as well as the comparison and evaluation of different approximations for the fracture stress. In particular, the stresses that were found by the bone’s actual section outline assumption, the circular ring of average thickness approximation and the circular ring of minimum thickness approximation were compared. The stresses are a basic index of the strength of the bone as a material, free of other factors. For this purpose 173 female rats’ femural bones were subjected to three-point bending (load frame MTS INSIGHT). The loading was quasi-static and the stress distribution was considered as radial. Simultaneously, the exact deflection of the bone was calculated with the use of an optical extensometer (RTSS_HR VideoΕxtensometer, Limess). Subsequently, one of the two broken fragments of the bone was put into resin and was polished to aquire the exact form of the cross section. The processing of the images taken with the stereoscope was done with the SolidWorks software and the following characteristics were determined: • The cross section’s geometrical centre • The loading axis and the eccentricity as to the geometrical centre • The cross section’s area • The inner and outer radius • The mean and minimum thickness of the cross section • The second order moments of the principal system • The neutral axis • The failure point of the material Through these characteristics it was possible to calculate the accurate fracture stress of the bones and compare it to other approximations that are commonly used in biomechanical and medical studies. The present study demonstrated that the accurate stress calculation procedure is necessary, as there were substantial deviations from the approximate methods that were evaluated