Estimation of Natural frequencies in Osteoporotic Mouse Femur: A finite Element Analysis and a Vibration Test

In this study, a finite element analysis and a vibration test were performed to estimate the natural frequencies of mouse femurs with osteoporosis. Three groups of the femurs include the osteoporotic group, the treated group and the normal group. For the finite element analysis, the micro finite element model of the femur was reconstructed using the Micro-CT images and the Voxel mesh generation algorithm. In the vibration test, the natural frequencies were measured by the mobility test. from the results, the averaged natural frequencies in the osteoporotic group were the highest, followed by those in the treated group. The finite element models were validated within 15% errors by comparing the natural frequencies in the finite element analysis with those in the vibration test. The developed Micro-CT system, the Yokel mesh generation algorithm, the presented finite element analysis, and vibration test could be useful for the investigation of the structural change of the bone tissue, and the diagnosis and the treatment in the osteoporosis.

골다공증에 걸린 쥐 대퇴골의 고유진동수 예측: 유한 요소 해석 및 진동 실험

골다공증에 따른 쥐 대퇴골의 고유진동수의 변화를 예측하기 위하여 유한요소해석과 진동 시험을 수행하였다. 연구 대상으로 골다공증에 걸린 쥐 그룹, 골다공증을 치료한 쥐 그룹, 그리고 골다공증이 없는 정상 쥐 그룹을 구성하였다. 유한요소해석에서는 미세단층촬영(Micro-CT)에서 얻은 해면골 영상 데이터와 Voxel 요소 생성 알고리즘을 이용하여 3차원 미세 유한요소 모델을 생성한 다음 고유진동수 해석을 수행하였다. 진동 시험에서는 모빌리티 실험에 의한 주파수 응답함수로부터 고유진동수를 측정하였다 연구 결과로부터 골다공증에 걸린 쥐 그룹의 고유진동수가 가장 높고, 골다공증을 치료한 쥐의 그룹, 골다공증이 없는 정상 쥐의 그룹 순서로 낮아지는 경향을 볼 수 있었다. 모든 그룹에서 유한요소해석에 의한 고유진동수는 시험에서 측정한 결과보다 10-15% 오차 범위 내로 높은 값을 보였다. 본 연구로부터 개발된 미세단층촬영기 장치, Voxel 요소 생성 알고리즘, 진동시험 및 유한요소해석 방법을 이용하여 골다공증에 의한 생체 골조직의 구조적 변화 진단 및 치료 평가 등에 대한 응용가능성을 확인할 수 있었다.