Computer graphics applied to anatomy: a study of two Bio-CAD modeling methods on finite element analysis of human edentulous hemi-mandible

Rossi, Ana Cláudia; Freire, Alexandre Rodrigues; Botacin, Paulo Roberto; Caria, Paulo HenriqueFerreira; Prado, Felippe Bevilacqua

Modeling is a step to perform a finite element analysis. Different methods of model construction are reported in literature, as the Bio-CAD modeling. The purpose of this study was to perform a model evaluation and application using two methods of Bio-CAD modeling from human edentulous hemi-mandible on the finite element analysis. From CT scans of dried human skull was reconstructed a stereolithographic model.

Two methods of modeling were performed:

STL conversion approach (Model 1) associated to STL simplification and reverse engineering approach (Model 2). For finite element analysis was used the action of lateral pterygoid muscle as loading condition to assess total displacement (D), equivalent von-Mises stress (VM) and maximum principal stress (MP). Two models presented differences on the geometry regarding surface number (1834 (model 1); 282 (model 2)). Were observed differences in finite element mesh regarding element number (30428 nodes/16683 elements (model 1); 15801 nodes/8410 elements (model 2). D, VM and MP stress areas presented similar distribution in two models. The values were different regarding maximum and minimum values of D (ranging 00.511 mm (model 1) and 00.544 mm (model 2), VM stress (6.36E-0411.4 MPa (model 1) and 2.15E-0414.7 MPa (model 2) and MP stress (-1.439.14 MPa (model 1) and -1.211.6 MPa (model 2). From two methods of Bio-CAD modeling, the reverse engineering presented better anatomical representation compared to the STL conversion approach. The models presented differences in the finite element mesh, total displacement and stress distribution.

El modelado es un paso para llevar a cabo un análisis de elementos finitos. Entre los diferentes métodos de construcción del modelo que se presentan en la literatura, está el modelado Bio-CAD. El propósito de este estudio fue realizar una evaluación del modelo y aplicación utilizando dos métodos de modelado de Bio-CAD desde la hemimandíbula humana edéntula en el análisis de elementos finitos. Desde tomografías computarizadas de cráneos humanos secos, fue reconstruido un modelo de estereolitografía.

Se realizaron dos métodos de modelización:

enfoque conversión STL (Modelo 1) asociado a simplificación STL y enfoque de ingeniería inversa (Modelo 2). Para el análisis de elementos finitos se utilizó la acción del músculo pterigoideo lateral como condición de carga para evaluar desplazamiento total (D), lo que equivale tensión de von Mises (VM) y la tensión principal máxima (MP). Los dos modelos presentan diferencias en la geometría de la superficie en relación con el número (1834 (modelo 1), 282 (modelo 2)). Se observaron diferencias en la malla de elementos finitos con respecto a número de elemento (30428 nodos/16683 elementos (modelo 1) y 15.801 nodos/8410 elementos (modelo 2)). La D, VM y áreas de tensión MP presentan distribución similar en ambos modelos. Los valores fueron diferentes respecto a los valores máximo y mínimo de D (desde 0 hasta 0,511 mm (modelo 1) y 0 a 0,544 mm (modelo 2), tensión VM (6,36E-04 - 11,4 MPa (modelo 1) y 2,15e-04 - 14,7 MPa (modelo 2) y tensiones MP (-1,43 a 9,14 MPa (modelo 1) y -1,2 a 11,6 MPa (modelo 2)) a partir de dos métodos de modelado de Bio-CAD. La ingeniería inversa presenta una mejor representación anatómica en comparación con el enfoque de conversión STL. Los modelos presentan diferencias en la malla de elementos finitos, el desplazamiento total y la distribución de la tensión.