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

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.30.009

Abstract

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

CLC Number:

R318

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.

Figures/Tables 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。"

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