10岁儿童头部有限元模型的建立及验证

运用ANSYS ICEM CFD以及HYPERMESH软件对10岁儿童头部几何模型进行合理的网格划分,获得具有高度解剖学细节的10岁儿童头部有限元模型。利用MADYMO软件自带的假人,模拟一起典型跌落事故中,受伤儿童从3个不同高度跌落时人体的动力学响应过程,并计算头部与地面碰撞接触瞬间的方位和速度等运动学参数。然后将这些参数输入到10岁儿童头部有限元模型中,模拟头部与地面的碰撞过程,并分析与损伤相关的生物力学参数。结果表明,颅骨的最大应力和最大应变分布在枕骨右侧,与碰撞点的位置较为吻合,但均未超过颅骨的耐受极限。利用颅内压力可较好地预测脑组织的损伤程度,而利用脑组织的von mises应力可较好地判断脑组织的损伤位置。事故重建的结果表明,该模型具有较好的生物逼真度,可以用于儿童头部损伤生物力学的研究。     

颅脑接触面的不同设置以及脑脊液单元划分密度对脑组织动态响应的影响

目的 探讨颅脑接触面不同定义方式和脑脊液（cerebrospinal fluid, CSF）单元划分密度对脑组织动态响应的影响。方法 基于第50百分位成人头部有限元模型,通过重构尸体直线撞击试验和旋转试验,将颅骨、CSF和脑组织之间定义为共节点、固连和滑动不分离接触面,研究不同接触面类型对脑组织动态响应的影响;颅骨、CSF和脑组织实现共节点接触,将CSF划分为1层和3层六面体单元并保持厚度不变,研究不同CSF划分密度对脑组织动态响应的影响。结果 颅内压力对不同接触面类型较敏感,但脑组织响应对不同CSF单元的划分层数不敏感。结论 研究结果对头部有限元模型中CSF构建以及颅脑接触界面的选择提供理论参考。     

颅骨厚度对颅内生物力学响应的影响

目的通过有限元方法研究颅骨厚度对颅内力学参数的影响。方法选取第5百分位女性头部进行CT扫描,构建生物仿真度较高的头部有限元模型,通过重构尸体试验验证所建模型。建立不同颅骨厚度的头部有限元模型,进行多组试验,对比颅内各项力学参数。结果相同头部尺寸下,随着颅骨厚度减小,颅内压负值受到影响较大,呈现下降趋势;颅内压正值受到影响较小,但是呈现上升趋势。脑组织剪切力、von Mises应力会相对增大,且增长幅度较大。结论相同头部尺寸下,颅骨厚度在一定程度上会影响头部损伤,颅骨厚度小的人相较颅骨厚度大的人更容易受伤。     

安全气囊点爆展开时儿童颈部约束对颅脑损伤的影响

目的探讨在交通事故中安全气囊点爆展开时儿童颈部约束对颅脑损伤的影响。方法基于已构建并经过有效性验证的3岁儿童头部有限元(finite element, FE)模型,采用FE方法模拟气囊点爆展开对离位(out-of-position, OOP)状态儿童乘员头部的冲击过程,研究颈部约束对交通事故中儿童颅脑响应及其损伤机制的影响。结果颈部约束的头部在受到安全气囊点爆展开的冲击之后,其运动状态与无颈部约束有很大差异,会导致儿童脑组织最大Von Mises应力明显减小,儿童颅脑损伤程度减弱。儿童头部与安全气囊距离为20、25 cm时,有颈部约束的头部脑组织最大颅内压小于没有颈部约束的头部。结论颈部约束对儿童颅脑损伤响应有较大的影响,用FE方法预测儿童颅脑损伤时应考虑颈部约束的影响。     

不同载荷作用下头部生物力学响应仿真分析

目的建立符合解剖结构的人颅骨三维有限元模型,研究多种载荷作用下头部生物力学响应。方法通过建立具有解剖结构的高精度头部有限元模型,颅骨采用能模拟骨折的弹塑性材料本构模型,结合已发表的正面冲击颅内压实验、动态颅骨骨折实验、头部跌落实验结果,仿真再现实验过程中头部受冲击载荷作用下的生物力学响应、颅骨骨折及头部不同速度下的跌落响应。结果前碰撞表现出冲击与对冲侧正-负颅内压分布,相近载荷下枕骨变形比前额、顶骨严重,跌落中速度越快损伤越大。结论建立精确解剖结构的头部有限元模型可以较好模拟头部在冲击、跌落等载荷下的生物力学响应。通过量化接触力、颅内压力等参数来评价头部损伤风险,为防护系统的设计提供科学依据。     

颅脑接触面不同设置以及脑脊液单元划分密度对脑组织动态响应的影响

目的探讨颅脑接触面不同定义方式和脑脊液(cerebrospinal fluid, CSF)单元划分密度对脑组织动态响应的影响。方法基于第50百分位成人头部有限元模型,通过重构尸体直线撞击试验和旋转试验,将颅骨、CSF和脑组织之间定义为共节点、固连和滑动不分离接触面,研究不同接触面类型对脑组织动态响应的影响;颅骨、CSF和脑组织实现共节点接触,将CSF划分为1层和3层六面体单元并保持厚度不变,研究不同CSF划分密度对脑组织动态响应的影响。结果颅内压力对不同接触面类型较敏感,但脑组织响应对不同CSF单元的划分层数不敏感。结论研究结果对头部有限元模型中CSF构建以及颅脑接触界面的选择提供理论参考。     

1.5岁儿童头部有限元模型的建立及验证

利用1.5岁儿童头部MRI和CT扫描数据,通过医学扫描断层图像三维重构和有限元前处理,建立一个具有高度解剖学细节的1.5岁儿童头部有限元模型并赋予其最新公布的儿童颅骨材料参数。利用这个头部模型重构Loyd开展的儿童尸体头部跌落试验(17个样本),将仿真输出的加速度历程曲线和尸体试验曲线的加速度峰值、脉冲持续时间等进行对比。结果表明,该模型能够反映跌落工况中儿童头部的受载情况,具有良好的生物逼真度。30 cm跌落高度下,枕部撞击时得到最大HIC值357;不同跌落工况的头部颅内压力分析显示,儿童头部遭受撞击时,颅内压的分布满足经典的撞击压-对撞压产生理论;相比前额撞击和枕部撞击,颅顶撞击和侧向顶骨撞击的撞击侧正压力峰值较大,最大值分别为241.6 和157.3 kPa,遭受同侧脑挫裂伤的风险较高;枕部撞击工况下,撞击对侧的负压力峰值大于其他撞击工况,最大值为-74.4 kPa,遭受对侧脑挫裂伤的风险较高。跌落高度增加时,HIC和颅内压力峰值增大,损伤风险随之增加。     

6岁儿童头部有限元模型的构建与验证

借助6岁儿童医用头部CT扫描图片,通过图像分析处理,提取几何参数,重构生成三维几何模型。对几何模型进行有限元前处理,构建了一个6岁儿童头部有限元模型。模型中包含颅骨、骨缝、脑脊液、大脑、小脑、脑干、脑室等各个器官,共有44 886个节点,11 675个壳单元,37 482个六面体单元。.各器官材料属性采用来自参考文献的数据。仿真分析计算中,力加载时窗为11 ms时,模型的CPU计算时长低于1 h。采用Nahum尸体实验数据与仿真结果进行对比。仿真分析结果显示:成人头部撞击时撞击压与对撞压的形成规律同样适用于儿童头部碰撞。在7 900 N力作用下,尸体头部撞击侧最大压应力为140 kPa,对撞侧最大压应力为-60 kPa,而儿童头部的值分别为220.2 kPa和-135.2 kPa;在HIC值均为775的作用下,成人头部撞击侧和对撞侧最大压应力分别为140 kPa和-60 kPa,而儿童头部的值分别为160 kPa和-89 kPa。这表明,在相同作用力或HIC值下与成人相比,儿童头部更容易受到损伤。     

几何尺寸和材料特性对头部转动特性的影响

本研究为了探讨头部尺寸及脑组织材料参数对头部转动响应的影响,采用实验设计的方法,应用已验证的3岁、6岁儿童和第50百分位成人头部有限元模型进行转动仿真。研究结果表明:在相同的转动载荷条件下,头部尺寸及转动方向对头部转动响应不具有显著影响,脑组织黏弹性材料的各个参数对头部转动响应的影响也不显著,但相对于衰减常数和体积模量,头部转动响应对脑组织剪切模量最为敏感。所以,在研究转动载荷条件下的脑损伤标准时,脑组织材料参数的选取对仿真结果的准确性尤为重要。     

6岁儿童行人-汽车碰撞中碰撞角度对头部损伤的影响

目的应用符合欧洲新车安全评鉴协会(the European New Car Assessment Programme,Euro NCAP)要求的6岁儿童行人有限元模型,探究不同碰撞角度对儿童头部损伤的影响。方法应用符合Euro NCAP技术公告(TB024)并且具有详细解剖学结构的6岁儿童行人有限元模型,设置4组行人-汽车碰撞仿真试验,探究不同碰撞角度下儿童头部损伤情况。人体头部质心初始位置在车的纵向中心线上,轿车初速度为40 km/h,轿车分别与人体右侧、前侧、左侧、后侧碰撞(即0°、90°、180°、270°)。比较不同碰撞角度下运动学差异和头部碰撞响应,同时分析面骨和颅骨的损伤情况。结果通过分析儿童行人头部接触力、头部质心合加速度、头部质心相对于车的合速度、头部损伤标准(head injury criterion,HIC_(15))、面骨骨折情况以及颅骨应力分布发现,背面、正面碰撞下儿童头部骨折及发生脑组织损伤的风险大于侧面碰撞,其中背面碰撞下儿童行人头部损伤风险最高,侧面碰撞下儿童行人头部损伤风险最低。结论背面碰撞下儿童行人头部损伤风险最大,研究结果对行人-汽车碰撞评估和防护装置研发具有重要的应用价值。     

关于头部组织材料性能敏感性对颅内压力响应的研究

应用有限元法 (finiteelementmethod)和试验设计技术 (design of experimentDOE)研究人头部颅骨(skull)、脑脊液 (cerebral spinal fluidCSF)和脑髓 (brain)材料性能的敏感性对颅内因撞击而产生的压力响应。该研究采用头部的有限元模型 ,用三因子、三层次的因子试验设计对影响颅内因撞击而引起的压力的颅骨、脑脊液和脑髓的材料性质的敏感性进行分析。研究结果进一步证实了颅骨、脑脊液、脑髓的材料性能对颅内因撞击而引起的压力的重要影响。本研究为进一步的头部的有限元分析提供了新的见解 ,并提出了对头部组织的材料性能作更进一步的探索。     

Development,Validation, and Application of a Parametric Pediatric Head Finite Element Model for Impact Simulations

In this study, a statistical model of cranium geometry for 0- to 3-month-old children was developed by analyzing 11 CT scans using a combination of principal component analysis and multivariate regression analysis. Radial basis function was used to morph the geometry of a baseline child head finite element (FE) model into models with geometries representing a newborn, a 1.5-month-old, and a 3-month-old infant head. These three FE models were used in a parametric study of near-vertex impact conditions to quantify the sensitivity of different material parameters. Finally, model validation was conducted against peak head accelerations in cadaver tests under different impact conditions, and optimization techniques were used to determine the material properties. The results showed that the statistical model of cranium geometry produced realistic cranium size and shape, suture size, and skull/suture thickness, for 0- to 3-month-old children. The three pediatric head models generated by morphing had mesh quality comparable to the baseline model. The elastic modulus of skull had a greater effect on most head impact response measurements than other parameters. Head geometry was a significant factor affecting the maximal principal stress of the skull (p = 0.002) and maximal principal strain of the suture (p = 0.021) after controlling for the skull material. Compared with the newborn head, the 3-month-old head model produced 6.5% higher peak head acceleration, 64.8% higher maximal principal stress, and 66.3% higher strain in the suture. However, in the skull, the 3-month-old model produced 25.7% lower maximal principal stress and 11.5% lower strain than the newborn head. Material properties of the brain had little effects on head acceleration and strain/stress within the skull and suture. Elastic moduli of the skull, suture, dura, and scalp determined using optimization techniques were within reported literature ranges and produced impact response that closely matched those measured in previous cadaver tests. The method developed in this study made it possible to investigate the age effects from geometry changes on pediatric head impact responses. The parametric study demonstrated that it is important to consider the material properties and geometric variations together when estimating pediatric head responses and predicting head injury risks.     

三维有限元头颅模型参数及边界条件研究

目的 确定三维有限元模型材料阻尼参数，实现寰枕关节模拟。方法 对不同材料阻尼参数下的模型进行冲击载荷加载，分析比较计算后不同材料阻尼下颅骨应力一时间曲线形态，确定模型采用的材料阻尼参数值。应用弹簧单元模拟寰枕关节，比较模拟前后，模型在冲击载荷下颅骨应力，确定弹簧单元参数。结果 不同颅骨材料阻尼条件下，额部冲击区域颅骨节点的von Mises应力曲线均无第2峰值，应力峰值随阻尼增大而逐渐降低，峰值出现时间后移，枕部颅骨节点应力曲线在冲击后期应力下降趋势更显著，在0．001—0．004之间颅骨应力曲线形态最佳。模拟寰枕关节，弹簧单元采用颅骨材料参数，在X、Y轴方向弹簧弹性系数10N／mm，Z轴方向的为20N／mm，颅骨应力曲线后期可下降。结论 颅骨线弹性材料阻尼系数对模型颅骨应力响应有显著影响。模型脑组织应力主要受颅骨应力的影响。采用三维弹簧单元模拟寰枕关节可降低模型颅骨应力，模拟寰枕关节对模型颅骨应力的影响较颅骨材料阻尼系数的影响小。     

Effects of head size and morphology on dynamic responses to impact loading

Head responses subjected to impact loading are studied using the finite element method. The dynamic responses of the stress, strain, strain energy density and the intracranial pressure govern the intracranial tissues and skull material failures, and therefore, the traumatic injuries. The objectivity and consistency of the prevailing head traumatic injury criteria, i.e., the energy absorption, the gravity centre acceleration and the head injury criterion (HIC), are examined with regard to the head dynamic responses. In particular, the structural intensity (STI) (the vector representation of energy flow rate) is calculated and discussed. From the simulations, the STI, instead of the gravity centre acceleration, the HIC and the energy absorption criteria, is found to be consistent with the dynamic response quantities. The different local skull curvatures at impact have a marginal effect whereas the locations of the impact loadings have significant effects on the dynamics responses or the head injury. The STI also shows the failure patterns.