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证。结果 仿真实验所得接触力-变形量曲线及胸腹部组织器官损伤生物力学响应与尸体实验结果吻合,验证了模型的有效性。结论 该模型可用于小身材女性胸腹部损伤机制的研究,也能应用于小身材女性乘员约束系统的研发及司法鉴定案例分析,并为开发中国体征第5百分位女性整人有限元模型奠定基础。     

第95百分位中国人头部颅脑相对位移的有限元评估

目的构建第95百分位中国人头部有限元模型,分别参照4种不同类型的颅脑相对位移试验对其进行有效性验证,并评估颅骨与脑组织之间的相对位移,同时探讨脑组织的剪应变分布。方法比较试验与仿真中的颅脑相对位移曲线,并结合动物试验和物理试验中所得出的结论,探讨较高剪应变出现的位置。结果仿真所得的颅脑相对位移曲线与试验结果基本吻合,由于脑组织总是恢复到初始状态,曲线总是出现波峰和波谷。较高剪应变出现在大脑颞叶、胼胝体和脑表面的位置,与动物试验和物理试验中所得出的结论较为相符。结论第95百分位中国人头部有限元模型具有良好的生物仿真度。由于头部的旋转运动,脑表面和脑组织深处都会出现较高的剪应变,从而导致损伤,故本文的研究结果为开展在交通事故中头部损伤机理的研究提供了科学的理论依据。     

下肢肌肉功能模型应用软件的开发与应用

目的建立人体下肢肌肉功能的数学模型并编写相应的计算机软件,为人体运动过程中的下肢各肌肉力学描述及评估提供快速可靠的数据支持。方法利用现有的国人下肢肌肉附着点的三维坐标数据及其与体表骨性形态学参数的回归方程等相关研究成果,利用VisualC++6.0平台,编写下肢肌肉功能评定软件。结果软件系统可输出任意模拟姿态或实际运动过程中的下肢肌肉功能参数。结论本研究成果可从肌肉动力学层面来指导运动员的专项力量训练,提高运动成绩,也可应用于相关医学领域。     

下肢动脉狭窄三维模型建立及流体力学计算

背景：随着计算机技术的发展,血管虚拟现实已成为可能。 目的：基于CT断层图像建立下肢动脉局部狭窄的三维立体模型并进行有限元数字网格划分,用于下肢动脉局部狭窄血管的血液动力学分析。 方法：采集患者下肢动脉CTA中一段局部狭窄血管的DICOM数据,在MIMICS14.0中建立三维模型,再导入到有限元软件ANSYS11.0中进行有限元模型的建立,并模拟真实血流条件下的流体力学分析。 结果与结论：在MIMICS14.0软件中得到了局部狭窄血管的三维模型。在ANSYS workbench中得到了血管的有限元模型,模型节点总数7 335,单元总数为43 415。有限元计算得到了一系列的可视化的计算流体数据。表明该方法可以得到下肢动脉局部狭窄段流体力学分析所需的三维立体模型和有限元模型,得到流体力学分析所需相关数据。     

6 岁儿童下肢长骨有限元模型验证及参数研究

研究在动态载荷下6岁儿童下肢长骨的损伤极限。分别对股骨、胫骨的有限元模型进行动态三点弯曲仿真试验,并通过有限元模型仿真试验与尸体试验结果的对比,探究相关参数对6岁儿童下肢长骨骨折的影响。仿真试验所得冲击块的撞击力 位移曲线走势与尸体试验的结果基本吻合,验证了该模型的有效性。股骨和胫骨失效时的撞击力分别为2.52和1.96 kN,位移分别为11.88和23.49 mm。与成人相比,儿童骨骼的弹性模量略低,并且骨骼韧性较好,使得撞击时发生骨折的风险相对降低。本研究为儿童下肢损伤机理及防护措施的研究提供了科学的基础数据。     

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。     

Computational modeling of blast induced whole-body injury: a review

Blast injuries affect millions of lives across the globe due to its traumatic after effects on the brain and the whole body. To date, military grade armour materials are designed to mitigate ballistic and shrapnel attacks but are less effective in resisting blast impacts. In order to improve blast absorption characteristics of armours, the first key step is thoroughly understands the effects of blasts on the human body itself. In the last decade, a plethora of experimental and computational work has been carried out to investigate the mechanics and pathophysiology of Traumatic Brain Injury (TBI). However, very few attempts have been made so far to study the effect of blasts on the various other parts of the body such as the sensory organs (eyes and ears), nervous system, thorax, extremities, internal organs (such as the lungs) and the skeletal system. While an experimental evaluation of blast effects on such physiological systems is difficult, developing finite element (FE) models could allow the recreation of realistic blast scenarios on full scale human models and simulate the effects. The current article reviews the state-of-the-art in computational research in blast induced whole-body injury modelling, which would not only help in identifying the areas in which further research is required, but would also be indispensable for understanding body location specific armour design criteria for improved blast injury mitigation.     

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。     

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。     

The Establishment and Development of Finite Element Model of Human Cervical Vertebra and Its Application Example

The incidence rate of cervical spondylosis is high, and due to the complicacy of cervical vertebra structure, irregularity of shapes and non-uniformity of components, sometimes it＇ s difficult to achieve planned objectives by experiments in vitro through stress and strain analysis. Besides, the biomechanical factors are of vital significance in the cause of spinal disorders. In this paper the author makes a summary of the present modeling of human cervical vertebra and describes the major methods of establishing the finite element model of human cervical vertebra through several self-constructed models. With the advance of computer technology, the finite element methods have been rapidly developed in cervical vertebra biomechanical researches and have became a major approach for biomechanical researches to simulate more and more clinical conditions.     

挥鞭样仿真全颈椎有限元模型的建立和验证

目的 建立并验证中国人全颈椎有限元模型,以期用于挥鞭样损伤分析.方法 运用螺旋CT扫描技术、Materialisc mimics、逆向软件及Pro-E进行三维重建;运用TrueGrid划分网格;模型用志愿者后碰撞(挥鞭)试验数据进行验证.结果 模型由椎骨、椎间盘、小关节、韧带和肌肉等结构组成,共得到15 023个单元和24 916个节点,其中实体单元14 626个、杆单元19个、索单元378个.仿真中得到的头颈部加速度、位移、旋转角度、角加速度等运动曲线和实验结果基本吻合.结论 模型高质量的八节点六面体单元,提高了计算的速度和稳定性.模型用于挥鞭样损伤分析,对于预防、诊断、治疗具有重要意义.     

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.     

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。