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Megías, RAutor o CoautorVercher-Martínez, AAutor (correspondencia)Belda, RAutor o CoautorGiner, EAutor o Coautor

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30 de octubre de 2024
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Artículo
No

Numerical modelling of cancellous bone damage using an orthotropic failure criterion and tissue elastic properties as a function of the mineral content and microporosity

Publicado en:Computer Methods And Programs In Biomedicine. 219 106764- - 2022-06-01 219(), DOI: 10.1016/j.cmpb.2022.106764

Autores: Megias, Raquel; Vercher-Martinez, Ana; Belda, Ricardo; Luis Peris, Jose; Larrainzar-Garijo, Ricardo; Giner, Eugenio; Javier Fuenmayor, F

Afiliaciones

Univ Complutense Madrid, Hosp Univ Infanta Leonor, Med Sch, Orthoped & Trauma Dept - Autor o Coautor
Univ Politecn Valencia, Dept Ingn Mecan & Mat, Inst Ingn Mecan & Biomecan Valencia I2MB, Bldg 5E-9C - Autor o Coautor
Univ Politecn Valencia, Inst Ingn Mecan & Biomecan Valencia I2MB, Healthcare Technol Grp GTS IBV, Bldg 5E-9C - Autor o Coautor

Resumen

Background and objective: Elastic and strength properties of lamellar tissue are essential to analyze the mechanical behaviour of bone at the meso- or macro-scale. Although many efforts have been made to model the architecture of cancellous bone, in general, isotropic elastic constants are assumed for tissue modelling, neglecting its non-isotropic behaviour. Therefore, isotropic damage laws are often used to estimate the bone failure. The main goals of this work are: (1) to present a new model for the estimation of the elastic properties of lamellar tissue which includes the bone mineral density (BMD) and the microporosity, (2) to address the numerical modelling of cancellous bone damage using an orthotropic failure criterion and a discrete damage mechanics analysis, including the novel approach for the tissue elastic properties aforementioned. Methods: Numerical homogenization has been used to estimate the elastic properties of lamellar bone considering BMD and microporosity. Microcomputed Tomography (mu-CT) scans have been performed to obtain the micro-finite element (mu-FE) model of cancellous bone from a vertebra of swine. In this model, lamellar tissue is orientated by considering a unidirectional layer pattern being the mineralized collagen fibrils aligned with the most representative geometrical feature of the trabeculae network. We have considered the Hashin's failure criterion and the Material Property Degradation (MPDG) method for simulating the onset and evolution of bone damage. Results: The terms of the stiffness matrix for lamellar tissue are derived as functions of the BMD and microporosity at tissue scale. Results obtained for the apparent yield strain values agree with experimental values found in the literature. The influence of the damage parameters on the bone mechanics behaviour is also presented. Conclusions: Stiffness matrix of lamellar tissue depends on both BMD and microporosity. The new approach presented in this work enables to analyze the influence of the BMD and porosity on the mechanical response of bone. Lamellar tissue orientation has to be considered in the mechanical analysis of the cancellous bone. An orthotropic failure criterion can be used to analyze the bone failure onset instead of isotropic criteria. The elastic property degradation method is an efficient procedure to analyze the failure propagation in a 3D numerical model. (C) 2022 Elsevier B.V. All rights reserved.

Palabras clave

AccumulationAnimalAnimal experimentAnimal modelAnimal tissueAnimalsArticleBehaviorBiological modelBoneBone and bonesBone damagesBone densityBone injuryBone mineral densityCancellous boneCancellous bone numerical modelingCancellous bone numerical modellingCollagen fibrilComputerized tomographyControlled studyDamage initiationDiagnostic imagingDisease simulationElastic propertiesElastic tissueElasticityFailure (mechanical)Failure criteriaFinite element analysisFinite element methodFinite-element modelHeterogeneityHomogenization methodLamellar boneLamellar bone porosityLumbar vertebraMaterial properties degradationsMaterial property degradationMechanical stressMicro-computed tomographyMicroporosityMineralMineralsModels, biologicalNonhumanNumerical methodsNumerical modelsOrthotropic failure criteriaOrthotropic failure criterionPigPorosityRigidityStiffnessStiffness matrixStress strain relationshipStress, mechanicalSwineTrabecular boneWorkflowX-ray microtomography

Indicios de calidad

Impacto bibliométrico. Análisis de la aportación y canal de difusión

El trabajo ha sido publicado en la revista Computer Methods And Programs In Biomedicine debido a la progresión y el buen impacto que ha alcanzado en los últimos años, según la agencia WoS (JCR), se ha convertido en una referencia en su campo. En el año de publicación del trabajo, 2022, se encontraba en la posición 15/111, consiguiendo con ello situarse como revista Q1 (Primer Cuartil), en la categoría Computer Science, Theory & Methods.

Desde una perspectiva relativa, y atendiendo al indicador del impacto normalizado calculado a partir del Field Citation Ratio (FCR) de la fuente Dimensions, arroja un valor de: 1.81, lo que indica que, de manera comparada con trabajos en la misma disciplina y en el mismo año de publicación, lo ubica como trabajo citado por encima de la media. (fuente consultada: Dimensions Jul 2025)

De manera concreta y atendiendo a las diferentes agencias de indexación, el trabajo ha acumulado, hasta la fecha 2025-07-18, el siguiente número de citas:

  • WoS: 7
  • Scopus: 6
  • Europe PMC: 3

Impacto y visibilidad social

Desde la dimensión de Influencia o adopción social, y tomando como base las métricas asociadas a las menciones e interacciones proporcionadas por agencias especializadas en el cálculo de las denominadas “Métricas Alternativas o Sociales”, podemos destacar a fecha 2025-07-18:

  • El uso, desde el ámbito académico evidenciado por el indicador de la agencia Altmetric referido como agregaciones realizadas por el gestor bibliográfico personal Mendeley, nos da un total de: 13.
  • La utilización de esta aportación en marcadores, bifurcaciones de código, añadidos a listas de favoritos para una lectura recurrente, así como visualizaciones generales, indica que alguien está usando la publicación como base de su trabajo actual. Esto puede ser un indicador destacado de futuras citas más formales y académicas. Tal afirmación es avalada por el resultado del indicador “Capture” que arroja un total de: 14 (PlumX).

Con una intencionalidad más de divulgación y orientada a audiencias más generales podemos observar otras puntuaciones más globales como:

  • El Score total de Altmetric: 0.5.
  • El número de menciones en la red social X (antes Twitter): 1 (Altmetric).

Análisis de liderazgo de los autores institucionales

Existe un liderazgo significativo ya que algunos de los autores pertenecientes a la institución aparecen como primer o último firmante, se puede apreciar en el detalle: Primer Autor (Megías Díaz, Raquel) y Último Autor (Fuenmayor, FJ).

el autor responsable de establecer las labores de correspondencia ha sido Vercher Martínez, Ana.