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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于有限元模型的人体头部尺寸对颅内响应影响的探讨

本研究借助第5和第95百分位中国人头部有限元模型,通过对比小尺寸头部和大尺寸头部在相同载荷下的加速度、颅内压力和剪应力,来说明头部尺寸对其生物力学响应存在着较大的影响。在此基础上,本研究还进一步通过将大尺寸模型换算到小尺寸,将小尺寸模型换算到大尺寸,探讨了尺寸缩放方法在用于考虑头部尺寸的生物力学研究中的合理性。研究结果表明现有的采用相同头部损伤准则(HIC)值评估不同尺寸头部损伤有一定的局限性,并为更加科学地评判不同尺寸头部损伤提供了新的理论依据。     

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。     

基于卷积神经网络和有限元法的棍棒类钝器致脑损伤评价方法研究EI北大核心CSCD

有限元法作为研究钝器致颅脑损伤机制的新方法,存在耗时长、专业性强等技术壁垒,影响其推广应用。基于此,本研究提出了一种基于卷积神经网络和有限元方法的棍棒类钝器致颅脑损伤的快速量化评价方法。该方法以有限元仿真中提取的棍棒类钝器速度曲线以及脑组织(大脑、胼胝体、小脑、脑干)最大主应变分别作为卷积神经网络的输入与输出参数,并通过十折交叉验证法训练并优化卷积神经网络,最终确定的卷积神经网络模型对大脑最大主应变预测结果的平均绝对误差(MAE)、均方误差(MSE)、拟合优度(R^(2))分别为0.084、0.014、0.92;对胼胝体最大主应变预测结果的MAE、MSE、R^(2)分别为0.062、0.007、0.90;对小脑及脑干最大主应变预测结果的MAE、MSE、R^(2)分别为0.075、0.011、0.94。预测结果显示,本研究开发的深度卷积神经网络,能够快速而准确地评估由棍棒类钝器打击引起的局部脑损伤,并对理解其造成的脑损伤与量化评价具有重要的应用价值。同时,该技术提高了计算效率,可为将当前基于加速度的脑损伤研究转变为关注局部脑组织损伤的研究提供依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

脊椎段老龄化对椎骨皮质骨力学行为的影响分析EI北大核心CSCD

椎骨皮质骨的断裂风险会随着年龄的增加而增大,然而目前老龄化对皮质骨断裂影响的机制尚不明确。本文的研究目的是探明脊椎段老龄化对皮质骨应变的影响规律。文中建立了2种不同程度老龄化(中度老龄化和完全老龄化)的有限元脊椎段模型,这些老龄化的脊椎段模型是通过改变椎间盘的几何形状和脊椎各组成部分的材料属性生成的,然后将它们与作者之前研究中的一个健康脊椎段有限元模型进行了对比。为了研究哪一种情况对皮质骨的应变影响更大,本文分别建立了两种有限元模型比较方式:一种只改变脊椎材料属性,另一种只改变椎间盘的几何形状。研究结果表明,皮质骨的应变随着老龄化而增大;相比于椎间盘几何形状改变,脊椎材料属性的改变对皮质骨应变的影响更大。本研究结果或可说明,对于预防和治疗椎骨皮质骨断裂,增强脊椎强度是更有效的方式。     

脊椎段老龄化对椎骨皮质骨力学行为的影响分析

椎骨皮质骨的断裂风险会随着年龄的增加而增大,然而目前老龄化对皮质骨断裂影响的机制尚不明确。本文的研究目的是探明脊椎段老龄化对皮质骨应变的影响规律。文中建立了2种不同程度老龄化(中度老龄化和完全老龄化)的有限元脊椎段模型,这些老龄化的脊椎段模型是通过改变椎间盘的几何形状和脊椎各组成部分的材料属性生成的,然后将它们与作者之前研究中的一个健康脊椎段有限元模型进行了对比。为了研究哪一种情况对皮质骨的应变影响更大,本文分别建立了两种有限元模型比较方式:一种只改变脊椎材料属性,另一种只改变椎间盘的几何形状。研究结果表明,皮质骨的应变随着老龄化而增大;相比于椎间盘几何形状改变,脊椎材料属性的改变对皮质骨应变的影响更大。本研究结果或可说明,对于预防和治疗椎骨皮质骨断裂,增强脊椎强度是更有效的方式。     

脑组织本构模型及其生物力学特性分析

在交通事故中,颅脑损伤因其高发率和高致命率成为最严重的损伤。颅脑有限元模型成为开展头部损伤研究的重要工具。模型中脑组织所应用的本构模型及材料属性是决定颅脑损伤预测结果的关键因素。本文旨在针对应用于模拟脑组织的本构模型和材料属性进行综述,从而深入理解脑组织生物力学特性,为颅脑损伤的有限元研究提供参考。     

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。     

基于硅基电极的脑组织微动损伤仿真

目的:为预测脑组织微动损伤和解决植入电极的长期寿命问题,本研究基于硅基微电极进行建模,并对神经电极-脑组织有限元模型进行数值仿真。 方法:采用超黏弹性模型描述脑组织材料,研究不同微动模式（纵向和横向）、不同物理耦合度下电极附近脑组织应变分布。 结果:纵向载荷分析显示当摩擦系数?增加时,脑组织最大von Mises应变呈降低趋势,并且电极尖端附近的组织应变最大,这表明电极与脑组织之间的物理耦合度对脑组织微动损伤有较大影响。增强电极和脑组织间的黏附程度,可以有效减小脑组织损伤。电极尖端的形状也极大地影响着组织的应变大小。横向载荷分析显示X轴方向的载荷产生的脑组织损伤区域大约为60 ?m,这表明电极之间的间距应大于60 ?m,否则不同电极产生的组织应变会发生重叠,这对于电极之间理想间距的设计和防止重叠应变形成多余的细胞鞘有着重要的意义。 结论:数值仿真模型可以为电极-脑组织界面参数和电极间距设计参数提供参考,从而减少组织损伤,提高电极工作寿命,满足临床应用。