儿童头部有限元模型的构建及验证

目的通过构建3岁儿童头部有限元模型,研究儿童在交通事故以及跌落冲击过程中的颅脑响应。方法基于3岁儿童的头部CT扫描数据,采用计算机图像处理、逆向工程及有限元网格划分技术构建具有详细解剖学结构的儿童头部有限元模型,利用该模型重构儿童尸体实验,并与尸体实验数据进行对比。结果头部静态压缩仿真中的3岁儿童头部接触力随压缩位移的增加而增大,头部接触力-位移曲线同尸体实验呈现出同样的变化趋势。在头部跌落仿真中,跌落高度为30 cm、碰撞位置为前额、左顶骨、枕部、右顶骨以及顶部时的冲击加速度峰值分别为72.7、61.3、72.7、60.4和68.1 g,其加速度随时间的变化曲线同尸体实验相一致。结论所构建的3岁儿童头部有限元模型有效且具有较高的生物仿真度,后续研究可利用该模型分析碰撞条件下儿童颅脑组织的应力应变情况,为临床上通过脑CT影像无法确诊的脑震荡等脑损伤的伤情判断提供参考。     

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。     

肌肉生物仿真度对六岁儿童胸部碰撞生物力学响应的影响

由于可用于实验的儿童尸体的缺乏,采用具有较高生物仿真度的胸部有限元模型是研究儿童胸部损伤机理的重要手段。在已验证有效性的6岁儿童胸部有限元模型基础上构建了等效肌肉模型和具有真实几何形状的肌肉模型,通过重构儿童胸部正碰尸体实验分析肌肉生物仿真度对胸部损伤的影响。对比实验结果表明,等效肌肉模型的胸部接触力、胸部最大压缩量和肋骨最大范梅塞斯应力稍大于真实肌肉模型;心脏和肺的最大主应变都略小于真实肌肉模型;真实肌肉模型曲线与尸体实验通道的相关性要大于等效肌肉模型。通过以上对比,本文研究结果认为具有真实几何形状肌肉的儿童胸部有限元模型应该能更准确地反映胸部受到碰撞时的生物力学响应。     

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。     

儿童头部有限元模型研究进展

头部损伤是导致儿童死亡与伤残的重要原因,对儿童头部损伤生物力学的深入研究意义重大。近年来,通过构建真实的儿童头部有限元模型来研究儿童头部损伤的方法日益成熟,逐步代替了尸体实验、动物实验以及物理实验。对儿童头部有限元模型的年龄特点、构建方法、模型应用以及发展趋势等进行较为全面的综述,并对该领域还有待研究的内容以及未来的发展方向做出展望。     

基于有限元模型的不同年龄儿童胸部碰撞损伤研究

基于已验证有效的3岁组和6岁组儿童乘员胸腹部有限元模型,本文重构了儿童尸体胸部撞击实验。通过合理设计有限元仿真实验方案,探讨了撞锤大小、胸部组织材料参数和胸部解剖学结构特征参数等因素对3岁、6岁两组儿童胸部碰撞响应的影响。研究结果表明,针对不同大小的撞锤冲击时,3岁组儿童胸部接触力峰值变化量远大于6岁组,对撞锤改变的响应更敏感;而针对胸部组织材料参数的不同,由于本研究中3岁组和6岁组儿童胸部组织材料参数差异较小,其对胸部损伤响应的影响不明显;针对胸部解剖学结构特征参数而言,3岁组和6岁组儿童胸部因内脏大小、位置等几何解剖学结构的不同,导致碰撞时肋骨变形对内脏挤压位置和挤压程度不同,从而其胸部损伤有明显不同。因此通过本文的研究结果可以得出以下结论,根据儿童解剖学结构特征构建高生物仿真度的有限元模型对研究其胸部损伤机理具有重要意义。     

6岁儿童全颈有限元模型的构建及验证

目的利用6岁儿童颈部有限元模型预测不同载荷下颈部损伤的力学响应。方法基于CT图像构建具有真实肌肉的6岁儿童颈部有限元模型,应用该模型通过分别重构儿童颈椎不同节段的动态拉伸实验、全颈椎拉伸实验和儿童志愿者低速碰撞实验验证其有效性。结果不同椎段拉伸仿真试验和全颈椎拉伸仿真试验中的力-位移曲线能够较好吻合实验曲线;儿童志愿者仿真试验的头部角速度-时间历程曲线位于实验数据通道内,吻合较好。结论该模型有效性得到验证,可用于研究儿童颈部不同载荷条件下的生物力学响应及损伤机制。     

具有详实解剖学结构的国人第5百分位女性胸腹部有限元模型开发及验证

目的 预测与评估汽车碰撞中小身材女性胸腹部的生物力学响应及损伤机制.方法 基于国人第5百分位女性志愿者CT图像,提取精确的胸腹部几何轮廓,借助相关软件构建具有详实解剖学结构的国人第5百分位女性胸腹部有限元模型,并重构3组胸腹部尸体实验,即胸部正面撞锤冲击实验、腹部正面棒击实验和胸腹部侧面撞锤冲击实验,对模型进行有效性验...     

6岁儿童胸部有限元模型的构建及验证

基于6岁儿童胸部CT图像,采用阈值分割方法,提取肋骨、肋软骨、胸骨、肺和心脏等组织的几何模型,利用逆向工程软件划分曲面片,导入Truegrid和Hypermesh中进行网格划分,建立胸部有限元模型,并利用Kroell尸体试验的缩放结果验证模型有效性。结果表明,碰撞速度为4.3 m/s时,撞击力随着位移的增大而增大,在位移为12.02 mm时撞击力达到最大值579.90 N,然后随着位移的增大而减小;碰撞速度为6.7 m/s时,撞击力在位移为16.75 mm时达到最大值980.35 N。模型撞击力-位移曲线变化趋势与实验结果基本吻合,验证了该模型的有效性。该模型为儿童胸部模型损伤机理的研究提供可靠的基础数据,同时可应用于儿童乘员损伤防护装置的开发和应用。     

头部钝器损伤实验与仿真分析

目的　为了研究头部在钝器作用下的生物力学响应及损伤机理。 方法　利用CT图像数据和MRI图像数据对头部骨骼与内部软组织进行几何重建,然后画分网格,构建颅脑有限元模型。另一方面,对连于躯干的头部标本进行10 m/s的低速冲击,测试冲击部位接触力、顶部应变及冲击的对侧（枕部）加速度。把构建的有限元模型导入MADYMO软件进行相同条件下模拟仿真,从输出模块里输出相应部位的结果。 结果　仿真结果表明模型的头部接触力、顶部应变、对撞侧加速度与头部标本冲击实验测得值能较好吻合。 结论　建立的头部有限元模型及采用的仿真方法可满足头部钝器损伤的仿真研究需要。     

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。     

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.     

Human Brain Modeling with Its Anatomical Structure and Realistic Material Properties for Brain Injury Prediction

Impairments of executive brain function after traumatic brain injury (TBI) due to head impacts in traffic accidents need to be obviated. Finite element (FE) analyses with a human brain model facilitate understanding of the TBI mechanisms. However, conventional brain FE models do not suitably describe the anatomical structure in the deep brain, which is a critical region for executive brain function, and the material properties of brain parenchyma. In this study, for better TBI prediction, a novel brain FE model with anatomical structure in the deep brain was developed. The developed model comprises a constitutive model of brain parenchyma considering anisotropy and strain rate dependency. Validation was performed against postmortem human subject test data associated with brain deformation during head impact. Brain injury analyses were performed using head acceleration curves obtained from reconstruction analysis of rear-end collision with a human whole-body FE model. The difference in structure was found to affect the regions of strain concentration, while the difference in material model contributed to the peak strain value. The injury prediction result by the proposed model was consistent with the characteristics in the neuroimaging data of TBI patients due to traffic accidents.     

自动紧急制动对公交车内儿童乘员颅脑损伤影响

目的 研究自动紧急制动(autonomous emergency braking,AEB)对公交车内儿童乘员的颅脑损伤影响。 方法 使用 Prescan 软件搭建公交车 AEB 测试场景,通过仿真得到 60 km/ h 初速度下公交车 AEB 制动工况下的减速度曲线。 基于已经验证的公交车模型和具有详细解剖学头部结构的 6 岁儿童混合有限元模型,选取车内儿童乘员典型的 4 个乘坐位置,使用 LS-DYNA 软件对公交车有、无 AEB 制动工况下儿童乘员头部损伤进行仿真。 以儿童乘员头部损伤指标 HIC15 、大脑灰质处压力、脑组织 von Mises 应力及剪切应力等生物力学响应为损伤评价指标,对儿童乘员的颅脑损伤进行分析。 结果 各组仿真试验中,位置 1 和 2 前方设置挡板时,儿童乘员大脑灰质处压力超过其损伤阈值,其余各位置儿童乘员的各项损伤指标均远小于对应的损伤阈值。 结论 AEB 能有效降低公交车内儿童乘员头部碰撞损伤,公交车内位置 3 处的儿童容易发生碰撞损伤风险,位置 1、2 处设置广告牌挡板会增加儿童乘员的颅脑损伤风险。     

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。     

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.     

Development of a Finite Element Model for Blast Brain Injury and the Effects of CSF Cavitation

Blast-related traumatic brain injury is the most prevalent injury for combat personnel seen in the current conflicts in Iraq and Afghanistan, yet as a research community,we still do not fully understand the detailed etiology and pathology of this injury. Finite element (FE) modeling is well suited for studying the mechanical response of the head and brain to blast loading. This paper details the development of a FE head and brain model for blast simulation by examining both the dilatational and deviatoric response of the brain as potential injury mechanisms. The levels of blast exposure simulated ranged from 50 to 1000 kPa peak incident overpressure and 1–8 ms in positive-phase duration, and were comparable to real-world blast events. The frontal portion of the brain had the highest pressures corresponding to the location of initial impact, and peak pressure attenuated by 40–60% as the wave propagated from the frontal to the occipital lobe. Predicted brain pressures were primarily dependent on the peak overpressure of the impinging blast wave, and the highest predicted brain pressures were 30%less than the reflected pressure at the surface of blast impact. Predicted shear strain was highest at the interface between the brain and the CSF. Strain magnitude was largely dependent on the impulse of the blast, and primarily caused by the radial coupling between the brain and deforming skull.The largest predicted strains were generally less than 10%,and occurred after the shock wave passed through the head.For blasts with high impulses, CSF cavitation had a large role in increasing strain levels in the cerebral cortex and periventricular tissues by decoupling the brain from the skull. Relating the results of this study with recent experimental blast testing suggest that a rate-dependent strain-based tissue injury mechanism is the source primary blast TBI.     

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。