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.     

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。     

汽车后碰撞时人体头颈部的动力学响应及损伤分析

目的建立基于人体解剖学结构的精细化头颈部有限元模型,研究不同后碰撞速度下颈部损伤。方法该模型以人体头颈部CT扫描图像为基础,利用Mimics进行三维骨重建,通过Hyper Mesh完善颈部三维实体韧带、小关节等组织,并进行网格划分。生成的模型包括头部、8节椎骨(C1～T1)、6个椎间盘(包括纤维环、髓核和上下软骨终板)、小关节(包括软骨和关节囊韧带)、韧带、肌肉等结构,最后在有限元后处理软件中完成模型验证与后碰撞计算。结果分别对模型进行轴向冲击、前后屈伸和侧屈模拟并与实验数据对比,验证模型的有效性,并进行速度为20、40、60、80 km/h后碰撞计算。在20 km/h速度下,颈部无损伤出现,在40、60、80 km/h速度下,最早出现损伤的都是韧带。随着速度增加,颈部各组织受力不断增大。速度为80 km/h时,颈椎的密质骨、松质骨和纤维环最大应力分别为226. 4、11. 5、162. 8 MPa,当韧带应变达到极限时,开始出现撕裂。结论所建头颈部有限元模型具有较高的生物仿真度和有效性,可用于交通事故中颈部损伤分析的研究,在一定程度上有助于颈椎损伤的诊断、治疗和预防。     

拦阻着舰过程中飞行员头颈部的动力学响应

目的分析航母舰载机拦阻着舰过程中飞行员在佩戴和不佩戴头盔时的头颈部动力学响应以及主要肌肉应变量。方法建立包括头部、7个颈椎和2个胸椎共10个刚体的人体头颈部的多体动力学模型;采用集总参数法描述韧带、椎间盘等软组织的力学特性;应用非线性应力-应变关系描述人体头颈部15组肌肉的力学特性。采用多组汽车碰撞过程人体头颈部动力学响应实验数据对模型进行验证。结果获取了拦阻着舰过程飞行员头部的过载曲线和15组肌肉的应变,结果表明颈夹肌拉伸程度最大,在不佩戴头盔时其应变可达50%,佩戴2.7 kg头盔时其应变可达56%。结论佩戴防护头盔会增加飞行员在拦阻着舰过程的颈部肌肉拉伸,仿真结果可用于进一步的损伤评估。     

具有解剖基下颌的人体头部有限元模型的建立

根据人体下颌骨的螺旋 CT扫描图像 ,利用三维重建、图像处理和网格划分技术 ,建立了人体下颌骨的三维有限元模型。根据颞下颌关节的解剖结构及其力学特点 ,将已建立的下颌骨模型通过关节和经过修改的Hybrid 假人头部模型相连接 ,从而建立一个具有解剖基下颌的人体头部有限元模型。根据已有的尸体实验结果 ,验证了模型的可靠性。本模型可用于钝物撞击颌面伤害机理的研究和伤害程度的评估     

交通事故中颈部损伤的有限元模型研究现状

汽车交通事故是当今世界造成儿童和年轻人死亡的主要原因,其中头颈部的损伤是交通事故中最为常见的致命性损伤.由于碰撞条件复杂和不可重复,再加上尸体和动物研究的伦理问题,致使头颈部损伤机理的实验研究存在较大困难,因此有限元分析在人体头-颈部耐撞性研究得到广泛应用.有限元方法的应用对于交通事故中不同撞击条件损伤程度的评估以及汽车工业损伤保护标准的开发起重要作用.本文从头颈部损伤机理、有限元几何模型获取、有限元网格划分,及所研究材料特性和实验验证方法等方面,对近年来国际上开发的应用有限元模型对交通事故中的头颈部损伤的研究现状进行综述,并对各个模型的优势和特点加以分析归纳,并对未来相关研究提出建议.     

具有详细解剖学结构的1岁学步儿童头部有限元模型构建及验证

目的构建详细的1岁学步儿童头部有限元模型,探究其颅脑损伤机制,完善人体有限元生物力学模型数据库。方法基于我国1岁儿童真实详细的头部CT数据,借助医学软件Mimics获得头部几何结构数据,利用逆向工程软件划分NURBS曲面片和构建工程模型,利用有限元前处理软件划分网格,参照解剖学和尸体实验等数据,验证1岁学步儿童头部有限元模型的有效性并初步分析其损伤机制。结果构建了中国男性1岁儿童头部有限元模型,模型包括并区分了大脑及小脑的灰质和白质、海马体、囟门、矢状骨缝、冠状骨缝、脑干、脑室等,几何尺寸符合解剖学统计数据。利用头部模型重构了儿童头部静态压缩尸体实验和跌落尸体实验,结果表明,该头部模型与尸体实验表现了相近的力学特征,验证了模型的有效性。计算表明不同压缩速率下颅骨刚度不同,会导致不同损伤结果。结论所构建的包含详细解剖学结构的1岁儿童头部有限元模型具有较高的生物仿真度,借助构建的模型可分析深部脑组织各部位的详细损伤情况,特别是闭合性颅脑损伤,为相关研究及临床应用提供有效的工具和手段。     

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。     

基于挥鞭样损伤研究的颈部有限元模型的建立及验证

研究人体颈部在挥鞭样损伤中的生物力学特性及损伤机制,建立一个基于人体解剖学结构的颈部三维有限元模型.该模型是通过人体颈部的螺旋CT扫描图像,利用三维重建和网格划分技术,得到六面体有限元模型,并对模型进行后碰撞验证分析.得出颈椎在挥鞭运动过程中的变化规律,以及C7-T1的最大过伸角度20°和椎间盘所受最大应力值16MPa.该模型的建立,可作为今后颈椎生物力学损伤研究以及其他相关领域研究的理论研究依据.     

定量研究流体迁移对上气道形态影响的有限元模型方法

目的当人体由站姿或坐姿改变为卧姿时,下肢流体会向头颈部迁移,导致上气道变窄,从而引起或加重睡眠呼吸障碍。本研究提出一种用力学模型与有限元分析手段研究流体迁移引起的气道形态改变的方法,从而可以进行头颈部流体增加量与气道横截面积以及皮肤周长改变之间定量关系的研究。方法借助于人体头颈部气道最狭窄部位的轴状面磁共振图像,构建基于真实解剖结构的二维力学与有限元分析模型。通过均匀增加软组织面积来模拟头颈部组织流体量的增加,用模型预测其对气道截面尺度的影响。结果根据2名健康男性头颈部解剖结构建立相应的有限元模型。通过模型模拟结果与实验数据的对比,验证了此模型方法用来模拟与预测流体迁移影响的合理性。模型结果验证了头颈部流体的增加会对气道横截面积产生影响的实验观察。模拟结果显示,随着截面内流体量的增多,气道横截面积逐渐减小,皮肤周长逐渐增大。气道面积的变化与流体量的变化呈非线性关系。结论有限元模型的方法可以在流体迁移影响研究中扮演重要角色。模型初步预测结果表明,当伴有水肿现象的疾病,例如心力衰竭、肾衰竭等,导致夜间有更多流体进入患者头部时,会加重气道变窄程度,使其更易发生阻塞,导致阻塞性睡眠呼吸暂停症状的加剧。     

利用头颈有限元模型研究散打运动中颈椎韧带损伤的风险

目的研究颈椎有限元模型在预测散打中颈椎韧带损伤风险的作用,比较摆拳及直拳击打后颈椎韧带受力的差异。方法基于CT图像利用图像处理软件Mimics进行头颈骨骼部分的三维重建,并导入Hyper Mesh建立一个有效的头颈有限元模型,在对该模型的力矩-运动范围及击打后头部加速度进行验证后,比较不同击打力量(2.60、3.30、4.35 kN)下直拳及摆拳击打对颈椎韧带受力大小、分布的差异。结果所建颈部有限元模型具有良好的生物有效性,其预测的受击打后头部线性加速度及旋转加速度与参考文献相符。在摆拳模拟中,韧带最大受力部位位于环枕韧带,当击打力从2.60 kN增加至4.35 kN时,摆拳击打后韧带受力最大值分别为207、265、263 N;而在直拳击打后韧带受力最大部位位于环枢韧带,其受力最大值分别为96.8、91.4、101.4 N。在同样的击打力量下,摆拳所致的颈椎韧带受力较直拳更大。结论与直拳相比,散打摆拳更容易引起颈椎韧带损伤;头颈有限元模型可用于散打所致颈部损伤的生物力学机制研究,为散打的训练及损伤预防提供更精确的参考。     

约束系统误用对6岁儿童乘员头颈部损伤的影响

目的探讨汽车在正面碰撞过程中,约束系统误用对乘坐于后排的6岁儿童乘员头颈部损伤的影响。方法基于已验证的6岁儿童有限元模型,根据ECE R44法规进行加载,在Pam-Crash软件中模拟正确以及错误使用约束系统下的汽车正面碰撞。结果仅使用增高垫时,儿童颈部作用力、力矩最小,但最大颅内压力、最大应力、脑组织最大主应变远大于其损伤阈值,会导致儿童头部产生致命的脑损伤;仅使用成人三点式安全带时,儿童颈部作用力、力矩最大,会对儿童颈部造成严重损伤。结论两种错误使用约束系统的方法加重了6岁儿童头部和颈部的损伤,只有正确使用约束系统,才能对6岁儿童头颈部起到最好的保护效果。     

按摩头形状对人体颈部组织力学作用的影响

目的通过建模仿真评价不同尺寸按摩头作用下的人体颈部组织响应,为按摩器设计提供指导。方法通过CT扫描获得按摩部位的人体组织灰度图像,使用逆向重建方法建立人体按摩部位组织的三维模型,使用非线性有限元方法分析在10 mm和15 mm两种半径按摩头在逐渐压入10 mm过程中肌肉和颈椎内承受应力、应变和按摩力的变化规律,以及对骨骼和组织的损伤和影响。结果 15 mm半径按摩头压入深度分别为6、7 mm时,局部最大应力分别为3.0、3.4 MPa,超过人体静脉损伤极限;压入深度6 mm时在颈椎骨产生1 MPa左右的应力。10 mm半径按摩头在压入深度分别为5、6 mm时,局部最大应力分别为3.2、3.7 MPa,超过人体静脉损伤极限;压入深度8 mm以上时在颈椎骨产生1 MPa以上的应力。结论从避免局部损伤来说,10 mm按摩头的按压深度不宜超过5 mm,15 mm半径按摩头不宜超过7 mm;大按摩头作用范围大,按摩力更柔和。     

膜单元与弹簧单元模拟韧带损伤的生物力学响应

目的对比分析膜单元与弹簧单元对颈部韧带生物力学响应的影响。方法基于现有的6岁儿童颈部有限元模型,将其中的韧带分别用膜与弹簧两种单元类型模拟,进行儿童颈椎C4～5椎段动态拉伸实验和全颈椎拉伸实验。同时采用膜单元模型进行弯曲仿真试验,并分析仿真效果。结果在C4～5椎段动态拉伸实验中,膜单元仿真与弹簧单元仿真最终失效力分别为1 207、842 N,与尸体实验分别相差0. 6%、30. 6%;在全颈椎拉伸实验中,膜单元仿真峰值力与尸体实验相差1. 8%,弹簧单元仿真峰值力为484 N,与尸体实验相差较大。膜单元弯曲试验仿真效果良好。结论弹簧单元在模拟受力方面存在一定局限性,而膜单元具有较高的生物仿真度,更能体现韧带的生物力学响应。     

Finite element analysis of head-neck kinematics during motor vehicle accidents: analysis in multiple planes

In this study, a detailed three-dimensional head-neck (C0-C7) finite element (FE) model developed previously based on the actual geometry of a human cadaver specimen was used. Five simulation analyses were performed to investigate the kinematic responses of the head-neck complex under rear-end, front, side, rear- and front-side impacts. Under rear-end and front impacts, it was predicted that the global and intervertebral rotations of the head-neck in the sagittal plane displayed nearly symmetric curvatures about the frontal plane. The primary sagittal rotational angles of the neck under direct front and rear-end impact conditions were higher than the primary frontal rotational angles under other side impact conditions. The analysis predicted early S-shaped and subsequent C-shaped curvatures of the head-neck complex in the sagittal plane under front and rear-end impact, and in the frontal plane under side impact. The head-neck complex flexed laterally in one direction with peak magnitude of larger than 22 degrees and a duration of about 130 ms before flexing in the opposite direction under both side and rear-side impact, compared to the corresponding values of about 15 degrees and 105 ms under front-side impact. The C0-C7 FE model has reasonably predicted the effects of impact direction in the primary sagittal and frontal segmental motion and curvatures of the head-neck complex under various impact conditions.     

个体股骨头坏死三维有限元模型的建立与应用

同时基于个体股骨头坏死患者的X-ray、CT和MRI图像,采用图像配准和融合技术对包含坏死股骨头的髋关节进行三维重建,获取具有高度几何相似性的三维有限元网格模型。选择1例中年女性股骨头坏死患者,分别获取X-ray、CT和MRI三套图像,采用Mimics 13.1和Pro/E 5.1软件分别基于这三套数据建立相关三维实体模型,经图像投影转换后,确定图像之间的匹配点,进行二维图像配准,配准后对成功融合的图像进行三维有限元网格模型显示。建立了具有良好几何相似性的髋关节三维有限元网格模型,包括正常皮质骨、松质骨、关节软骨和股骨头坏死区、断裂骨小梁等六部份,较真实地反映了包含坏死股骨头的髋关节的形态特征及毗邻关系,为进一步的生物力学分析和手术模拟提供了较理想的研究平台。     

Geometric element analysis of fretting in a model of a modular femoral component of a hip implant

The study utilized the geometric element analysis method to investigate the effect of three variables (head diameter, d; head material; and neck material) on the y-direction displacement, due to fretting (delta), in a model of the head-neck connection in a modular version of the femoral component of a hip implant, subjected to a resultant hip joint force only. It was found that while d and neck material exerted a strong effect on delta, the head material had practically no such effect. The implications of this finding for design and materials selection issues for this connection are discussed.