基于有限元仿真和遗传神经网络的轿车-行人事故重构

目的为充分利用轿车-行人碰撞中行人损伤信息对事故过程进行重构,提出采用有限元仿真和遗传神经网络逆向推导轿车-行人事故中碰撞参数的新方法。方法利用Hyperworks和LS-DYNA软件进行不同碰撞速度(25、40、55 km/h)和接触角度(背面、左侧、正面、右侧)的碰撞仿真,获取行人头部伤害指标(head injury criterion,HIC)和胸壁最大运动速度。根据损伤生物力学判据分析行人头部及胸部的损伤程度,并以行人头部和胸部损伤程度以及位置信息作为预测变量,采用遗传神经网络求取碰撞参数的预测值。最后利用两起具有确切碰撞参数的轿车-行人视频案例对该方法进行验证。结果两起视频案例中轿车碰撞行人速度分别为54、49 km/h,行人接触轿车角度均为180°。根据行人损伤信息得到轿车碰撞行人速度的预测值分别为51、43 km/h,行人接触轿车角度的预测值分别为184°和169°,两起事故重构准确度分别为0.94和0.88。结论利用行人损伤信息可以准确有效地对轿车-行人事故中的碰撞参数进行预测,既能为轿车-行人交通事故成因分析及责任认定提供新的方法,也为进一步提高轿车-行人碰撞中行人头部及胸部损伤的防治效果提供了理论依据。     

面部碰撞对行人创伤性脑损伤影响的生物力学研究

为预测和评判行人面部碰撞对创伤性脑损伤机理及生物力学响应,结合计算机断层扫描（CT）和磁共振（MRI）医学成像技术,建立符合中国人体特征的50百分位头颈部几何模型和有限元模型。有限元模型中颅骨与脑之间的相对运动采用切向滑动边界条件,摩擦系数定义为0.2,模拟鼻骨斜碰撞、鼻外侧软骨正面碰撞、牙齿正面碰撞、下颌骨碰撞和颧骨外侧斜碰撞等5种典型面部碰撞交通事故场景,探讨应力波在颅骨和脑内传播路径,得到颅内压力、von Mises等效应力和剪切应力等生物力学响应参数分布规律。结果显示,鼻骨斜碰撞颅内压力峰值为236.7 kPa,von Mises应力为25.97 kPa,超过了大脑耐受阈值;颧骨外侧斜碰撞最大横向剪切应力分别为14.56 kPa和-18.07 kPa,促使脑组织产生了较大的剪切变形,存在严重脑损伤风险。结论表明：面部碰撞的位置和方向是导致面部骨折严重程度的关键因素,面骨骨折的位置决定创伤性脑损伤的部位,面骨骨折都带有一定程度的创伤性脑损伤;头部受到冲击时,面部结构能够吸收大量的冲击能量来保护大脑,降低颅脑损伤的风险。     

基于车人碰撞事故重建的行人头部动力学响应

目的 研究行人交通事故中,不同碰撞速度、不同车型及行人不同受撞击部位与行人头部损伤严重度的关系。方法 通过MADYMO多刚体动力学软件对一起有视频的行人交通事故进行事故重建,获得初始和边界条件,然后通过获得的边界和初始条件进行不同车速(20、30、40、50、60 km/h)、不同车型(轿车、SUV型车、面包车)、行人不同受撞击部位(正面、侧面、背面)的模拟碰撞实验,对模拟碰撞实验中行人头部损伤情况进行分析,并利用两例真实行人交通事故对部分结果进行验证。结果 不仅车辆碰撞速度、车辆前置结构影响行人头部损伤严重度,行人受撞击部位也是影响行人头部损伤严重度的重要原因。在碰撞速度≤30 km/h时,行人与地面接触造成的损伤可能比与车辆造成的损伤严重;碰撞速度≥40 km/h时,行人头部损伤主要是与车辆接触所致。结论 利用监控录像能比较准确地开展行人交通事故重建,从而对行人动力学响应进行分析。在行人交通事故频发路段,对不同车型进行不同限速,能有效减小行人头部损伤的严重程度。     

国人第 5 百分位女性行人下肢生物力学计算模型开发及应用

目的 预测与评估行人-汽车碰撞中小身材女性行人下肢的生物力学响应及损伤机制。 方法 基于符合国 人第 5 百分位女性特征的志愿者 CT 影像数据,重构具有详细解剖学结构的下肢几何模型,进行表面处理和网格化 后,构建下肢有限元计算模型。 重构动态三点弯曲尸体试验以及高速载荷下膝关节横向弯曲和剪切尸体试验,对 模型进行有效性验证。 应用该模型参照 Euro NCAP 技术公告 TB024 设置 4 组行人下肢-汽车碰撞仿真试验,探究 第 5 百分位女性行人下肢损伤机制。 结果 通过对比仿真试验与尸体试验结果,验证该模型具有较高的生物仿真 度。 在 4 种不同车型仿真试验结果中,SUV 车型对下肢损伤最轻。 小身材女性下肢股骨最易发生骨折,长骨最先 骨折,使得膝关节韧带未见损伤。 结论 本文所建下肢有限元模型作为国人第 5 百分位整人模型开发的一个重 要组成部分,为模型研发奠定基础。 研究结果对小身材女性行人损伤机制研究和行人保护装置研发有重要的应 用价值。     

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。     

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。     

头部旋转运动中儿童头部尺寸和几何形状对脑组织损伤指标的影响

外伤性脑损伤(traumatic brain injury,TBI)是引起儿童致死致残的主要原因,许多研究借助有限元方法探讨头部跌落过程中儿童颅骨的损伤风险,但少有研究侧重于儿童脑损伤及其损伤机理。作为儿童脑损伤的初步研究,有必要基于生物仿真度较高的人类头部有限元模型,首先考虑头部尺寸和几何形状对脑组织生物力学响应的影响。因此,本研究基于由天津科技大学开发的第50百分位成人、6岁儿童和3岁儿童头部有限元模型,重构了NFL(national football league,NFL)头部碰撞试验,推导出不同年龄的头部在形状和尺寸方面的差异,以及这些差异对脑组织损伤指标的影响。结果表明,脑组织最大主应变和累积应变损伤测量(cumulative strain damage measure,CSDM)随头部尺寸的增大而增大,但与头部几何形状不敏感。本研究作为儿童脑损伤的基础研究,全面阐述了开发儿童头部有限元模型研究儿童脑损伤的重要性。     

气囊式头盔防护下的两轮车骑车人头部损伤风险分析

目的 提出一种气囊式头盔缓冲内衬结构,并分析其对两轮车骑车人头部损伤的防护效果。方法 将气囊式内衬应用于自行车（半盔）和摩托车（全盔）两款典型的两轮车骑车人头盔,通过标准GB 24429-2009和法规ECE R22.05测试工况下的有限元碰撞仿真,获得人体头部模型运动学和生物力学响应,从颅骨骨折和颅脑损伤风险角度对比常规聚苯乙烯泡沫塑料（expanded polystyrene, EPS）头盔,综合评价气囊式头盔的防护性能。结果 当气囊压力为0.06 MPa时,气囊式头盔（半盔/全盔）防护下的人体头部颅骨骨折相关量分别小于120 g和150 g,颅骨骨折风险基本低于40%;颅脑最大主应变均小于0.3,轻度脑损伤风险均低于25%;气囊式头盔防护下的人体颅骨骨折和颅脑损伤风险均低于EPS头盔。结论 本文设计的气囊式头盔具有较好的防护效果,能兼顾颅骨骨折和颅脑损伤防护,可以为新型头盔的设计提供基础示例。损伤风险分析也可为骑车人头部损伤应急诊断提供初步参考。     

女性骨盆三维有限元模型构建及其侧面碰撞分析

乘员骨盆损伤在车辆侧面碰撞中非常常见,研究骨盆在侧碰中的损伤机理,有助于优化汽车保护装置,提高乘员的安全性.本研究根据CT图片提取相关数据,利用逆向工程软件生成骨盆几何模型,用有限元前处理软件划分网格,构建一个中国50百分位女性骨盆的三维有限元模型,并用Guillemot尸体实验结果验证了模型的有效性.然后用该模型进行侧碰仿真模拟,研究骨盆在侧面碰撞中的响应及密质骨厚度对骨盆刚性的影响.结果表明,女性骨盆在侧面碰撞中发生骨折的临界撞击力为3.00kN;密质骨厚度不同,骨盆受到载荷时的响应也不同,密质骨厚度为l mm时,前下髂骨脊位移为9.75 mm,密质骨厚度为2 mm时,前下髂骨脊位移为5.35 mm.表明密质骨厚度越薄,骨盆刚性越低.     

研究颅脑交通伤的有限元模型的建立及验证

建立基于人体解剖学结构的HBM(Human body model)头部三维有限元模型.详细描述了人体头部的主要解剖学结构,模型由头皮、颅骨、硬脑膜、脑脊液、软脑膜、大脑、小脑、脑室、脑干、脑镰和脑幕等组成.采用人体头部碰撞实验数据,比较了实验与仿真中头部的动力学响应和颅内压力分布参数,对头部有限元模型进行了验证.结果表明,该模型具有较好的生物逼真度,可以用来分析研究车辆交通事故中颅脑创伤和损伤机理.     

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。     

Evaluation of Three Animal Models for Concussion and Serious Brain Injury

Three animal models were evaluated in this study involving head impacts of the rat, including the Marmarou drop-weight and two momentum-exchange techniques. In series 1, 36 Wistar rats were hit on the side of the free-moving head using Marmarou’s 450 g impact mass at 4.4, 5.4, and 6.3 m/s. Head acceleration was measured and injuries were observed. The 6.3-m/s side impact resulted in no deaths, no skull fractures, infrequent contusions, and some injuries consistent with diffuse axonal injury. In series 2, 57 Marmarou drop-weight tests were conducted to study head biomechanical responses. Marmarou’s technique involves a head impact followed by prolonged loading into a foam pad under the animal. Based on the literature, the 2 m (6.3 m/s) Marmarou drop causes death, skull fracture, brain and spinal cord contusions, and diffuse axonal injury. These injuries are more severe than that occurring with impact of similar mass and velocity to the free-moving head. Impacts to the free-moving head provide more realistic animal models to study concussion and severe brain injury.     

Finite element analysis of brain contusion: An indirect impact study

The mechanism of brain contusion has been investigated using a series of three-dimensional (3D) finite element analyses. A head injury model was used to simulate forward and backward rotation around the upper cervical vertebra. Intracranial pressure and shear stress responses were calculated and compared. The results obtained with this model support the predictions of cavitation theory that a pressure gradient develops in the brain during indirect impact. Contrecoup pressure-time histories in the parasagittal plane demonstrated that an indirect impact induced a smaller intracranial pressure (−53.7 kPa for backward rotation, and −65.5 kPa for forward rotation) than that caused by a direct impact. In addition, negative pressures induced by indirect impact to the head were not high enough to form cavitation bubbles, which can damage the brain tissue. Simulations predicted that a decrease in skull deformation had a large effect in reducing the intracranial pressure. However, the areas of high shear stress concentration were consistent with those of clinical observations. The findings of this study suggest that shear strain theory appears to better account for the clinical findings in head injury when the head is subjected to an indirect impact.     

Glenohumeral relationships at different angles of abduction

Purpose

The objective of this study was to clarify the relationships among anatomical landmarks of the glenohumeral joint at different angles of abduction.

Methods

Fifteen volunteers (ten men, five women; mean age 29 years) were enrolled in this study. Images of externally and internally rotated positions at 45°, 90°, and 135° of abduction in the plane 30° anterior to the trunk were taken using an open magnetic resonance imaging system. Landmarks including the glenoidal long axis with its center, bicipital groove, center of the head, and humeral shaft axis were determined. Using a line set on the surface of the head in the plane parallel to the humeral axis (including the head center and bicipital groove with its parallel and perpendicular lines), the glenoid location and rotational relationships were investigated in each position.

Results

The average angles of axial rotation were 48° ± 27° at 45º of abduction, 71° ± 20° at 90° of abduction, and 40° ± 27° at 135° of abduction. The trajectories of the glenoid center primarily extended over the anterior portion of the humeral head at 45° of abduction and over the posterior portion at 90° of abduction, while those at 135° of abduction were localized on a small upper portion of the head.

Conclusions

The glenohumeral relationships demonstrated that arm abduction might influence shoulder function through its effects on the portion of the humeral surface in contact with the glenoid during rotation and the resultant changes in the glenohumeral relationships.     

利用物质点法研究不同头部模型对头部碰撞动态响应的影响

目的 探讨头部肌肉及边界条件对头部碰撞动态响应的影响。方法 通过人体扫描CT图片构建3种人体头部三维物质点碰撞模型,第1种为简化的自由头部模型（SHFr）,包括头骨、膜层、脑组织,头部自由;第2种为带肌肉的自由头部模型(MHFr),包括头部肌肉、头骨、膜层、脑组织,头部自由;第3种为带肌肉的肩部固定的模型(MHSFi),包括头部肌肉、头骨、膜层、脑组织、肩部肌肉、肩颈部骨骼,肩部下缘固定。一铅质圆柱体锤以6.4 m/s初始速度垂直撞击前额部位,通过物质点法模拟计算3种模型的动态响应。结果 在本数值模拟条件下,SHFr、MHFr、MHSFi 3种模型的头部加速度峰值分别为6.018×103、4.69×103、4.76×103 m/s2。结论 头部肌肉的存在会分散头部的受力分布,扩大头部受力面积,减小受伤程度;在短时间冲击过程中,头部自由与肩部固定对头部动态响应的影响不大。