儿童肱骨三维有限元建模及验证

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.30.009

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (30): 5472-5476.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.30.009

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儿童肱骨三维有限元建模及验证

阮世捷，申丛，李海岩，贺丽娟，翟广凤

天津科技大学损伤生物力学与车辆安全工程中心，天津市 300222

收稿日期:2012-03-26 修回日期:2013-03-29 出版日期:2013-07-23 发布日期:2013-07-23
通讯作者: 申丛，硕士，天津科技大学损伤生物力学与车辆安全工程中心，天津市 300222
作者简介:阮世捷☆，男，1954年生，广东省人，汉族，1994年美国韦恩州立大学生物医学工程系毕业，博士，教授，主要从事生物医学工程及车辆安全方向的研究。 Cong8792@qq.com

Construction and identification of humerus three-dimensional finite element model in children

Ruan Shi-jie, Shen Cong, Li Hai-yan, He Li-juan, Zhai Guang-feng

Injury Biomechanics and Vehicle Safety Engineering Center, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222, China

Received:2012-03-26 Revised:2013-03-29 Online:2013-07-23 Published:2013-07-23
Contact: Shen Cong, Master, Injury Biomechanics and Vehicle Safety Engineering Center, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222, China
About author:Ruan Shi-jie☆, M.D., Professor, Injury Biomechanics and Vehicle Safety Engineering Center, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222, China Cong8792@qq.com

摘要/Abstract

摘要：

背景：有限元数值模拟力学实验方法是对人体进行生物力学结构研究的有效手段。
目的：建立正常6岁健康儿童肱骨的三维有限元模型。
方法：使用某6岁儿童志愿者的人体CT数据，导入到Mimics 10.01软件中，应用阈值分割的方法进行肱骨三维重建。运用Geomagic Studio 12.0对模型表面进行表面优化处理及曲面片的划分，然后使用TrueGrid软件进行网格划分，最后对其进行材料属性赋值，完成有限元模型的构建。施加边界条件及约束，模拟肱骨的三点弯曲试验，输出模拟结果。
结果与结论：建立完成的肱骨有限元模型包括3 024个节点，8节点六面体单元1 875个，实验分别加载0.01 m/s和3 m/s的动态载荷，肱骨中部均发生断裂，载荷-位移曲线与尸体试验结果近似。模拟结果显示，儿童肱骨的有限元模型仿真结果与尸体试验结果较为接近，有限元仿真法可以很好的模拟人体骨骼的物理特性。

关键词: 骨关节植入物, 数字化骨科, 肱骨, 儿童, 有限元模型, 三点弯曲试验, 载荷-位移, 生物力学分析

Abstract:

BACKGROUND: Mechanical experiment of finite element numerical simulation is the effective method to research the biomechanical structure of human body.
OBJECTIVE: To establish the three-dimensional finite element model of a normal 6-year-old child’s humerus.
METHODS: CT images of a 6-year-old child volunteer were imported to the Mimics 10.01 software. The threshold segmentation method was used to rebuild the humerus three-dimensional model. The surface optimization treatment and surface patches dicision were performed on the surface of the model with Geomagic Studio 12.0 software. Then the mesh generation was completed in the software TrueGrid. Finally, the material properties were set and the finite element model was completed. The boundary conditions and constrains were exerted to simulate the three-point-bending test of humeurs. After the simulation, the results were outputted.
RESULTS AND CONCLUSION: The humerus finite element model included 3 024 nodes and 18 758 nodes- hexahedron elements. The 0.01 m/s and 3 m/s dynamic loads were loaded respectively, then the central humerus fracture occurred and the load-displacement curve was close to the cadaver test results. The simulation results show that the simulation results of children humerus finite element model are close to the cadaver’s test, and the finite element simulation method can simulate the physical properties of the human skeleton very well.

Key words: bone and joint implants, digital orthopedics, humerus, children, finite element model, three-point bending test, load-displacement, biomechanical analysis

中图分类号:

R318

阮世捷，申丛，李海岩，贺丽娟，翟广凤. 儿童肱骨三维有限元建模及验证[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(30): 5472-5476.

Ruan Shi-jie, Shen Cong, Li Hai-yan, He Li-juan, Zhai Guang-feng. Construction and identification of humerus three-dimensional finite element model in children[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(30): 5472-5476.

图/表（结果） 1

2.1 肱骨三维有限元模型的建立结果 基于CT技术，通过逆向工程软件Geomagic Studio对6岁儿童肱骨进行了三维重建，重建后的几何模型可清晰的显示肱骨的解剖学结构，且重建后的肱骨模型可以任意移动，旋转和缩放。在此基础上，利用TrueGrid软件对模型进行有限元网格的划分，全部使用8节点六面体单元，划分网格后的模型网格分布均匀，外形与三维实体模型一致，共包含3 024个节点，1 875个六面体单元。

2.2 有限元仿真分析结果 仿真模拟的载荷-位移曲线和实验曲线趋势基本相同，撞击力随着位移的增大而增大，见图7。

在使用有限元模型进行仿真模拟的过程中，由于使用的是儿童肱骨的有限元模型，而尸体实验采用的是成人尸体的肱骨标本，因此有限元仿真模拟的模型尺寸小于尸体实验的肱骨尺寸，这也是有限元仿真模拟的断裂载荷值小于实际试验值的主要原因。

具体来说，当撞锤的速度为10 mm/s时，仿真模拟的结果为肱骨的中部发生损伤的时间在t=0.940 s时，撞击力为3 250 N，而实际尸体实验的结果为3 750 N左右，仿真模拟的结果比实际尸体实验的结果偏小。当撞锤的速度为3 000 mm/s时，仿真模拟的结果为肱骨中部发生损伤的时间在t=0.004 6 s时，撞击力为1 900 N，实际尸体实验的结果为肱骨损伤时的撞击力为2 800 N，仿真模拟的结果比实际尸体实验的结果偏小。但总的来说，仿真模拟的载荷-位移曲线趋势与实际尸体实验的值相近，这也说明了所构建的有限元模型具有有效性，可以在有限元仿真模拟的进一步研究中应用。从上述分析的比较得出，此验证方法是可行的，同时也说明了此肱骨有限元模型具有一定的生物逼真度。有限元建模的方法切实可行。

另外，在本研究的有限元仿真模拟的过程中，儿童肱骨的材料参数均来自于参考文献中成人肱骨的材料参数值，这在一定程度上会影响实验结果的真实性。因实际儿童肱骨的材料参数值与成人有一定的不同，如儿童骨骼中有机质的成分比例要大于成人骨骼中有机质的成分比例，进而引起儿童骨骼的弹性模量值比成人骨骼的弹性模量值偏小。这也是实验的局限性之一，有待以后进一步研究。

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引言

材料方法

设计：单一样本观察。

时间及地点：实验于2010年9月至2011年12月在天津科技大学损伤生物力学与车辆安全工程中心完成。

材料：选取1名来自天津市儿童医院的6岁健康儿童志愿者的全身CT片，共549张，扫描层厚为2 mm，扫描的图像以DICOM格式保存，患儿家属对CT检查及实验过程完全之情同意。

硬件环境：DELL Inspiron 560S台式电脑(Pentium○RDual-Core，CPU，2 G内存，3.20 GHz主频)。

软件环境：Windows7操作系统。

重建软件：Mimics10.01软件(Materialise，Belgium)；Geomagic Studio 12.0软件(Raindrop Geomagic， USA)；TrueGrid软件(XYZ Scientific Applications，USA)；Pam-Crash软件(ESI，法国)。

方法：

CT图像的处理及肱骨三维模型的建立：将DICOM格式的儿童全身CT数据导入到Mimics 10.01中，使用Thresholding功能，选择儿童松质骨和密质骨部分，调整阈值范围为+156-+2 198，形成骨骼的蒙面Mask。利用Region growing功能从骨骼蒙面中分割出左肱骨的部分，形成新的蒙面Mask，命名为humerus。根据肱骨的解剖学结构，使用edit Masks功能对肱骨蒙面手动修补。最后使用Calculate 3D对肱骨蒙面进行三维重建，得到清晰的肱骨三维模型，存储为stl格式，见图1。

在Geomagic Studio12.0中，对肱骨的三维几何模型进行修正，通过使用去除噪声、快速平滑处理、松弛、优化边缘等操作，得到表面光滑且不失真实性的儿童肱骨模型，见图2，3。

肱骨三维有限元模型的建立：使用Geomagic手动划分模型的曲面片，每块曲面片为四边形结构，然后用构建格栅的功能，最后拟合曲面，存储为iges格式。在有限元软件TrueGrid中对模型划分六面体网格，输出名为trugrdo的文件。见图4。

有限元仿真分析：Andrew Kemper等^[2]使用一个液压材料测试系统(MTS810，质量13.3 kN)完成肱骨的动态三点弯曲实验，见图5。

实验共测试了两种加载速度，0.01 m/s和3 m/s。实验材料肱骨标本来自于18-73岁的4具男性和女性尸体，共8根肱骨标本。在MTS中，仅使用肱骨固定于实验装置中，肱骨附近的软组织被去除。肱骨左右两端的刚体使用美国亚特兰大公司Bondo公司生产的聚合物填充，固定物的外壳为铝制方形。实验时，8根肱骨随机的分成两组，每组4根，每组都包含4对肱骨中每对的一根。第1组施加动态载荷速度为0.01 m/s，第2组施加动态载荷速度为3 m/s。撞锤的直径为20 mm。

在Pam-Crash软件中建立有限元分析仿真装置，见图6，除肱骨有限元模型外，其他装置均为刚体，肱骨有限元模型与装置的接触设置为固连接触。文章所采用的相关材料参数主要来源于参考文献资料^[3]，见表1。

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