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。     

轻度与重度骨关节炎膝关节的生物力学行为比较

目的 对比研究轻度与重度膝骨关节炎(knee osteoarthritis, KOA)膝关节的生物力学行为,阐述KOA进展的生物力学机制。方法 分别构建同一患者左侧轻度KOA(KL分级Ⅰ级)与右侧重度KOA(KL分级Ⅳ级)膝关节有限元模型。在材料属性、边界条件、载荷等设定相同的情况下进行有限元分析,比较轻度与重度KOA膝关节半月板、股骨软骨、胫骨软骨的接触面积、接触压及von Mises应力的变化特征。结果 重度KOA膝关节总接触面积和外侧室接触面积大于轻度KOA膝关节,而内侧间室接触面积小于轻度KOA膝关节。重度KOA膝关节半月板、股骨软骨和胫骨软骨上的接触压及von Mises应力峰值均大于轻度KOA膝关节;双膝关节外侧半月板上接触压及von Mises应力峰值均大于内侧半月板,双膝关节股骨软骨与胫骨软骨内侧间室接触压及von Mises应力峰值均大于外侧间室。结论 重度KOA膝关节应力分布不同于轻度KOA,接触面积、接触压和von Mises应力峰值的变化与半月板脱位、软骨缺损等因素相关,生物力学行为和解剖结构的改变促进了KOA进展。     

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。     

颅脑有限元模型演化规律及其生物力学研究进展

交通事故中头颈部损伤因其较高的致命性,已成为最严重的损伤类型。有限元模型在创伤性脑损伤生物力学机理研究中得到日益广泛应用。回顾头颈部有限元模型的生物力学研究历史和现状,并阐述车辆碰撞交通事故中人体颅脑典型交通伤演化规律和生物力学研究进展,探索头颈部损伤安全防护的方法,以期为车辆碰撞事故中人体颅脑损伤生物力学研究和相应的汽车安全防护装置研制提供理论依据。     

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。     

虚拟中国人足底韧带结构失效后的足弓负荷机制研究

目的　建立虚拟中国人的足内侧纵弓与外侧纵弓的有限元模型,研究跖腱膜松解术或足底韧带损伤后足骨与内在肌群的生物力学特性,探讨骨性结构、足底韧带、足底腱膜、足底固有肌群之间的协调作用机制。方法　采用虚拟中国人“女性1号”CT图像和MRI图像;采用非线性有限元方法进行足弓术后或韧带损伤后的平衡直立负荷状态仿真;并应用足底固有肌群的3种被动张力（微弱、适度、强烈）模拟术后或韧带损伤后的肌肉状态。结果　建立了虚拟中国人“女性1号”足内侧纵弓第2跖列与外侧纵弓第5跖列的生物力学有限元模型,计算得到内侧纵弓和外侧纵弓在平衡直立时,韧带损伤时,固有肌群活动时的张应力矢量图、压应力矢量图和von Mises应力整体分布数据。结论　跖腱膜松解术和足底韧带损伤等增加了足纵弓von Mises应力峰值,改变了张应力与压应力的流向;而足底固有肌活动的被动张力能降低足纵弓von Mises应力集中程度,调节张应力、压应力矢量接近平衡状态,减小了并发骨折和腱炎的危险性。骨性结构、韧带、腱膜、固有肌群的内在应力具有定量的相互调节功能。     

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。     

猫头半约束非撞击致伤DAI动物模型的有限元分析

对猫头半约束非撞击致伤弥漫性轴索损伤（Diffuse axonal injury,DAI)动物模型进行生物力学分析，探讨DAI发生机理。这一锚头颅CT断层确定各层节面点并数字化，在有限元专用vizi CAD系统建立猫头颅三维有限元网格体模型，用SuperSAP有限元软件（93版）分析15只猫头半约束非撞击致伤时颅脑最大主应力、最小主应力、von Mises应力值及其在各层面的分布。结果表明；颅骨纵轴各层面应力在施载点同侧前后最高，并向颅底延伸，在颅脑内，脑表浅应力分布最高，但由于小脑幕、大脑镰及隆起的岩滩，鞍床突等结构，应力并非均匀向脑深部递减，而在邻近这些结构的脑组织，大小脑脚、脑干、胼胝体、基底节区有很高的应力分布， 这种应力分布特征与前期动物实验的病理损害分布一致。据此得出结论，脑内质点应力差值致脑组织剪应变 损伤，猫颅骨不规则的几何形状、小脑幕、大脑镰结构是导致旋转暴力向脑内传递广泛而不均一的主要原因。     

颅脑组织材料参数对儿童头部冲击响应的影响

目的针对目前对儿童颅脑组织材料参数的不确定性,研究直接冲击载荷条件下颅脑组织材料参数对儿童头部冲击响应的影响。方法应用已验证的3岁儿童头部有限元模型进行冲击仿真实验,采用正交实验设计和方差分析对儿童颅脑组织材料进行参数分析。结果颅骨弹性模量对儿童头部冲击响应具有显著性影响,随着颅骨弹性模量的增加,头部撞击侧颅内压力显著减小(P=0.000),对撞侧颅内压力显著增大(P=0.000),颅骨最大Von Mises应力显著增大(P=0.000)。脑组织的线性黏弹性材料参数对儿童头部冲击响应同样具有显著性影响,随着脑组织短效剪切模量的增加,脑组织最大主应变显著减小(P=0.000),脑组织最大剪应力则显著增加(P=0.000)。结论参数分析结果可为今后儿童头部有限元模型的材料选取提供参考依据,进而提升模型在预测临床上无法通过脑CT影像确诊的脑震荡等脑损伤时的准确性。     

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.     

种植体不同设计参数对下颌骨牙齿种植的影响

目的 建立不同设计参数的种植体-下颌骨模型,观测种植体及周围骨质应力分布,分析不同设计参数对下颌骨牙齿种植的影响。方法 基于结构特征参数（种植体直径、螺纹深度、基台穿龈高度、螺纹形态）,设计8组种植体模型,并分别进行下颌骨整体模型的装配。对模型施加静态150 N垂直、斜向45°两种载荷,分析骨组织和种植体von Mises应力峰值,探讨对von Mises应力峰值最敏感的种植体结构参数变量。结果 斜向载荷比垂直载荷对颌骨会产生更大的应力峰值。种植体直径是影响皮质骨von Mises应力峰值的关键因素;螺纹深度是影响松质骨von Mises应力峰值的关键因素;基台穿龈高度也会对颌骨von Mises应力峰值产生影响,但影响程度不如螺纹深度和种植体直径明显;螺纹形态对颌骨von Mises应力峰值几乎没有影响。结论 不同的种植体设计参数会影响颌骨不同组织的应力峰值,对于个性化种植需要慎重考虑种植体参数的选择。研究结果为口腔种植体的结构参数设计提供理论指导,为口腔种植手术精准预测提供参考。     

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。     

Finite element analysis of a transmandibular implant

Finite element analysis (FEA) was used to study the influence of bony height and baseplate effect on the transmandibular implant (TMI). FEA was used to assess the stress distribution in the mandible, with and without a baseplate. Forces were applied to the center of a bar space. The von Mises stress (SEQV) was displayed in bone, and shear stress also was measured. Tensile stress was always seen at the so-called saddle area; compressive stress was seen at the inferior border. Tensile strain at the saddle area of a 6-mm height mandible is always 9.1 times greater (corresponding to more SEQV) than that of an 18-mm mandible. At same bone heights, saddle area stresses are similar with or without a baseplate. However, stress at the lateral transossseous post interface with bone was significantly different between different bone height groups. Shear stress around the lateral transossseous post was smaller than does the SEQV of the same site. Decreased bone height dramatically increases stress at the saddle area independent of the baseplate presence. These data suggest that bone apposition is found in the severely atrophic mandibles. Thus, there is no need for a baseplate in a slight to mild atrophic mandible.     

鼻部外伤中X线侧位片与CT冠状和横断扫描的应用对比

目的通过三种影像学方法的研究,确定合理的鼻部外伤影像学检查方法。方法对106例鼻部外伤者同时作X线鼻骨侧位像、冠状和横断CT扫描。以冠状 横断CT扫描的结果为准,比较了各种检查方法之间对鼻部外伤影像学征象的检出率。结果两种CT扫描合用的诊断效果最好。X线鼻骨侧位片仅能检出70.76%的鼻骨骨折,对上颌骨骨折等其他鼻部外伤均不能诊断。在鼻骨或/和上颌骨额突骨折的诊断中冠状CT扫描均显著优于横断CT扫描,而在鼻泪管骨折、骨颌缝分离、鼻骨间缝增宽的诊断上则横断CT扫描均要显著优于冠状CT扫描。结论在鼻部外伤的影像学检查中仅作鼻骨X线侧位片是不够的;为了解有无鼻骨/或上颌骨突骨折应首先作鼻部冠状CT扫描,如经济条件许可,可加作鼻骨横断扫描。     

骨髓基质细胞脑室内移植对脑外伤后神经功能障碍的治疗作用

目的:探讨骨髓基质细胞(MSCs)移植到实验性脑外伤大鼠侧脑室后对神经功能障碍的治疗作用。方法:从GFP转基因SD大鼠分离MSCs,体外扩增至第五代。取SD大鼠96只,供制作模型。其中随机选取24只作为正常对照组,72只采用Feeney自由落体方法建立大鼠脑外伤模型,造模后7 d,随机分为三组:MSCs治疗组、IMDM对照组、TBI对照组,每组24只。MSCs治疗组经侧脑室移植MSCs,IMDM对照组经侧脑室注射同体积的IMDM基础培养液,TBI对照组经侧脑室空白进针,分别于移植后2、4、8、12周末,以神经功能评分和免疫荧光染色评价MSCs移植后对大鼠神经功能的改善情况和在大鼠脑内存活迁移情况。结果:经侧脑室移植的MSCs可向脑损伤区域迁移,少数能表达一些神经元和星形胶质细胞的特异性标志物,如NeuN和GFAP。侧脑室移植MSCs治疗组大鼠神经功能恢复的程度优于侧脑室注射IMDM对照组和TBI对照组,有统计学差异(P<0.05),IMDM对照组和TBI对照组神经功能恢复的程度相比无明显差异(P>0.05)。结论:MSCs通过侧脑室同种异体移植后能存活并向损伤区域迁移聚集,少数可分化为神经元和星形胶质细胞,可促进外伤性脑损伤所造成的神经功能障碍的恢复。     

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.     

长径比差异对牙种植体-颌骨界面的应力分布影响

目的探讨不同长径比下牙种植体-颌骨界面的应力分布差异,为新型牙种植体结构的设计提供依据。方法运用Geomagic studio、SolidWorks和ANSYS Workbench软件建立下颌骨三维有限元模型,并根据种植体颈部有、无螺纹分成A、B两组进行仿真实验,对下颌磨牙分别施加不同的斜向咬合力和垂直向咬合力,对比分析牙种植体和周围骨组织的应力分布情况。结果长径比相同的情况下,同一种植体模型在斜向载荷作用下的等效应力峰值明显高于垂直载荷;在斜向和垂直两种载荷作用下,A、B组种植体模型应力主要集中于种植体颈部。斜向载荷作用下,A、B组种植体应力变化范围分别为144.74～374.67、161.52～475.38 MPa;垂直载荷作用下,A、B组种植体应力变化范围分别为101.28～187.40、110.08～210.32 MPa,A组种植体模型最大应力显著小于B组。结论临床上医生可根据长径比2.67初步选择标准种植体,同时结合患者颌骨状况进行选择。     

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。