Optimality conditions in modelling of bone adaptation phenomenon

Continuous bone remodeling consists in simultaneous resorption of tissues and synthesis of a new matrix. If, due to variable external or internal conditions, the equilibrium is disrupted, significant rearrangments of the micro-structure and bone shape are possible. Many mathematical and computational models of this adaptation phenomenon can be assigned one of two categories; namely, theoretical models originating from the theory of adaptive elasticity and computational models making use of the optimization theory. In the present paper the approach based on the hypothesis of optimal response of a bone is proposed. It enables derivation of various adaptation laws associated with extremum of the objective functional under a set of appropriate constraints and makes a bridge between the aforementioned categories. In order to illustrate possible application of the proposed general approach the specific formulation is presented and mathematical relations governing the adaptation process are derived. Four numerical examples illustrating some of possible applications of the presented relations are included.

Na przebudowę kości mają zasadniczy wpływ dwa procesy: resorpcja tkanek oraz synteza nowej matrycy. W stanie ustalonym są one w równowadze, lecz gdy na skutek zmiennych warunków zewnętrznych któryś z nich zaczyna przeważać może nastąpić nawet znaczna zmiana struktury wewnętrznej i zewnętrznego kształu kości. W literaturze poświęconej problemowi modelowania zjawiska adaptacji kości można wyróżnić dwa charakterystyczne podejścia, jedno oparte na teorii adaptacyjnej sprężystości i drugie wykorzystujące matematyczne metody optymalizacji. W niniejszej pracy zaproponowano nowe sformułowanie wykorzystujące hipotezę optymalnej reakcji układu. Łączy ono w sobie wiele zalet obu wspomnianych metod. W celu zilustrowania ogólnej idei wyprowadzono konkretne, proste prawo adaptacji. Przedstawiono też kilka przykładów numerycznych ilustrujących niektóre z możliwych zastosowań omawianych związków teoretycznych.