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。     

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。     

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。     

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。     

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岁儿童下颈椎有限元模型建立及有效性验证

背景：因儿童颈椎所特有的发育特点及解剖结构的复杂性,儿童颈部有限元模型较少。目的：建立儿童颈椎三维有限元模型,进行临床术前模拟其颈部力学分析。方法：采集6岁正常女童尸体标本MSCT扫描的颈椎影像数据,利用Mimics 16.01,Pro/E 5.0,Geomagic Studio 2015,Hypermesh 14.0和Abaqus 6.14等软件构建出正常C3-C7的三维有限元模型,并将所得模型进行各工况位移及活动度验证。研究方案的实施符合内蒙古医科大学的相关伦理要求(医院伦理批件号：YKD2016063,审批时间：2016-03-07),尸体标本由内蒙古医科大学志愿者遗体捐献室提供,供者家属对实验知情同意。结果与结论：①成功建立正常女童C3-C7椎体三维有限元模型;②构建的儿童颈椎有限元模型在前屈、后伸、左右侧屈、左右旋转工况下椎间活动度结果与已有文献数据吻合,确认模型的有效性;③结果表明,建立的儿童下颈椎有限元模型可为临床颈部术前选择手术方案提供模型参考。https://orcid.org/0000-0002-2984-3859 (刘宇航) ;https://orcid.org/0000-0002-7583-8807 (周建强)中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

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。     

CT数据建立12岁儿童全颈椎有限元模型及有效性验证

背景：儿童颈椎有限元模型多为10岁及以下儿童的,所建立的节段也只是部分颈椎,而12岁儿童全颈椎有限元模型则相对较少。目的：建立有效的12岁儿童全颈椎有限元模型,为研究儿童颈椎活动性、应力及临床治疗儿童颈椎疾病提供理论依据。方法：随机选择 1名健康的12岁儿童,使用64排螺旋CT对该儿童颈椎进行扫描,将CT数据导入Mimics 16.0 中重建简单的三维模型,用 Cero 5.0优化模型,再导入Hypermesh 14.0中划分网格及添加韧带,最后用ANSYS 6.14软件进行材料赋值,设定边界等操作,构建颈椎三维有限元模型,并对模型有效性进行验证,将模型在前屈后伸、左右屈曲、左右旋转6种工况下各椎体的活动度与文献数据进行对比。结果与结论：通过有限元软件成功建立了12岁儿童全颈椎三维有限元模型,该模型还原度高,与其模拟的颈椎相似性好。在1.5 N•m的载荷下,除C4-5、C6-7在旋转工况下的活动度较参考文献低外,其余节段在各种工况下的活动度均在既往文献的参考范围内,说明该模型有效,在后续的应力研究和临床治疗中可以运用。https://orcid.org/0000-0003-0279-2710 (刘清华) ;https://orcid.org/0000-0002-5009-1591 (蔡永强)中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

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。     

脑外伤血肿膨胀与颅内压增高的有限元模拟分析

利用具有高度解剖学细节的GHBMC有限元头部模型,建立符合患者头部在受到创伤后出现脑血肿的占位效应,并提出一种采用气体分子动力学颗粒法模拟颅脑血肿导致颅内压变化的新思路。通过医学图像软件Mimics得到患者头部血肿几何模型与病变位置,调整已验证的GHBMC成人头部有限元模型,使其符合实际患者头部病变的几何特征,之后采用气体分子动力学颗粒法模拟脑血肿引起的颅内压变化。两组仿真中颅脑侧脑室偏移量分别为46 和56 mm,脑中线偏移量分别为43和41 mm,颅内压数值分别稳定在（2 680±20）和（2 618±18）Pa。实际患者颅脑侧脑室偏移量分别为48和49 mm,脑中线偏移量分别为37和3 9 mm,颅内压数值分别为2 800和2 666 Pa。仿真数据与实际数据基本吻合,表明采用气体分子动力学颗粒法来模拟分析血肿膨胀与颅内压增高的方法在理论上可行,为进一步临床应用提供理论依据。     

海绵质骨螺旋钉拔出试验之生物力学分析

评估螺旋钉设计优劣的简便方法之一为拔出试验。虽然比较用之海绵质骨试件可取自相同部位，自同一方向植入螺旋钉，并具有相同基准。然而因各处海绵质骨骼结构不尽相同，至今尚未有人探讨如使用不同之海绵质骨结构，例如近似等向性之杆状结构，或是板与杆组合之有强列方向排列者，对于螺旋钉拔出之最大力量有多大影响？采用牛股骨远端部位及牛颈椎Ｃ２～Ｃ６作为不同结构特性之试体。并各由两相互垂直之方向旋入螺旋钉，来做拔出试验。最后并建立一三维有限元素模型，用以研究螺纹周围之变形模式及其预测拔出最大力量的准确性。模型分析中以应变能密度准则作为破坏之参考标准。     

颅内动脉支架的疲劳强度

目的分析颅内动脉支架疲劳强度与连接体长度的关系,探究支架发生疲劳断裂的准确位置。方法采用疲劳断裂的有限元分析方法对3种脑动脉支架进行疲劳寿命分析,并运用Goodman曲线绘制支架疲劳危险点分布图。基于美国材料与实验学会F2477-07标准,对3种支架的疲劳寿命进行测试。结果支架连接体长度越长,支架危险点最大等效应力和平均应力越大,危险点分布越接近疲劳极限曲线,支架更容易发生疲劳断裂。Goodman疲劳极限曲线表明,3种血管支架在体内10年的使用时间里是安全的。有限元分析与实验结果表明,支架结构连接点附近区域疲劳寿命较低,支架危险点位于连接处的圆弧部位。结论血管支架有限元分析的技术合理可行,有限元分析结果与实验数据基本吻合。在支架结构设计时,可以减少连接体的长度,从而提高支架的使用寿命。     

Idiopathic intracranial hypertension and transverse sinus stenosis: a modelling study

^** Email: sas56{at}psu.edu Idiopathic intracranial hypertension (IIH) is a syndrome ofunknown etiology characterized by elevated intracranial pressure(ICP). Although a stenosis of the transverse sinus has beenobserved in many IIH patients, the role this feature plays inIIH is in dispute. In this paper, a lumped-parameter model isdeveloped for the purpose of analytically investigating theelevated pressures associated with IIH and a collapsible transversesinus. This analysis yields practical predictions regardingthe degree of elevated ICPs and the effectiveness of varioustreatment methods. Results suggest that IIH may be caused bya sufficiently collapsible transverse sinus, but it is alsopossible that a stenosed sinus may persist following resolutionof significant intracranial hypertension.