【生物医学】6岁儿童肱骨三维有限元建模及验证

2026-05-21 03:50:08 admin

一、研究背景

有限元法应用于生命科学的定量研究，已取得了较大成就，尤其在人体生物力学的研究中，更显示了它的极大优越性。人类经过长期的劳动进化后，人体骨骼已形成了一个近乎完美的力学结构，然而在对人体生物力学结构进行力学研究时，力学实验几乎无法直接进行，这时用有限元数值模拟力学实验的方法恰成为一种有效的手段。

在以往的研究中，涉及成人骨骼的较多，而对于儿童骨组织的生物力学研究相对较少。儿童骨骼的有机质和无机质含量比例高于成人，因此儿童骨骼的弹性模量值比成人相对要小，同样的实验装置、撞击速度不同，肱骨可承受的载荷值也不同。

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对模型表面进行优化处理及曲面片的划分：

使用TrueGrid软件进行网格划分，采用八节点六面体单元，生成高质量的结构化网格。

根据儿童骨骼的材料特性进行赋值，考虑儿童骨骼与成人骨骼的差异：

施加边界条件及约束，模拟肱骨的三点弯曲试验：

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，所构建的模型可以进行进一步的生物力学研究。本研究为儿童骨折损伤研究提供了重要的数值模拟工具。