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。     

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。     

头部旋转运动中儿童头部尺寸和几何形状对脑组织损伤指标的影响

外伤性脑损伤(traumatic brain injury,TBI)是引起儿童致死致残的主要原因,许多研究借助有限元方法探讨头部跌落过程中儿童颅骨的损伤风险,但少有研究侧重于儿童脑损伤及其损伤机理。作为儿童脑损伤的初步研究,有必要基于生物仿真度较高的人类头部有限元模型,首先考虑头部尺寸和几何形状对脑组织生物力学响应的影响。因此,本研究基于由天津科技大学开发的第50百分位成人、6岁儿童和3岁儿童头部有限元模型,重构了NFL(national football league,NFL)头部碰撞试验,推导出不同年龄的头部在形状和尺寸方面的差异,以及这些差异对脑组织损伤指标的影响。结果表明,脑组织最大主应变和累积应变损伤测量(cumulative strain damage measure,CSDM)随头部尺寸的增大而增大,但与头部几何形状不敏感。本研究作为儿童脑损伤的基础研究,全面阐述了开发儿童头部有限元模型研究儿童脑损伤的重要性。     

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。     

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。     

颅脑接触面的不同设置以及脑脊液单元划分密度对脑组织动态响应的影响

目的 探讨颅脑接触面不同定义方式和脑脊液（cerebrospinal fluid, CSF）单元划分密度对脑组织动态响应的影响。方法 基于第50百分位成人头部有限元模型,通过重构尸体直线撞击试验和旋转试验,将颅骨、CSF和脑组织之间定义为共节点、固连和滑动不分离接触面,研究不同接触面类型对脑组织动态响应的影响;颅骨、CSF和脑组织实现共节点接触,将CSF划分为1层和3层六面体单元并保持厚度不变,研究不同CSF划分密度对脑组织动态响应的影响。结果 颅内压力对不同接触面类型较敏感,但脑组织响应对不同CSF单元的划分层数不敏感。结论 研究结果对头部有限元模型中CSF构建以及颅脑接触界面的选择提供理论参考。     

颅脑接触面不同设置以及脑脊液单元划分密度对脑组织动态响应的影响

目的探讨颅脑接触面不同定义方式和脑脊液(cerebrospinal fluid, CSF)单元划分密度对脑组织动态响应的影响。方法基于第50百分位成人头部有限元模型,通过重构尸体直线撞击试验和旋转试验,将颅骨、CSF和脑组织之间定义为共节点、固连和滑动不分离接触面,研究不同接触面类型对脑组织动态响应的影响;颅骨、CSF和脑组织实现共节点接触,将CSF划分为1层和3层六面体单元并保持厚度不变,研究不同CSF划分密度对脑组织动态响应的影响。结果颅内压力对不同接触面类型较敏感,但脑组织响应对不同CSF单元的划分层数不敏感。结论研究结果对头部有限元模型中CSF构建以及颅脑接触界面的选择提供理论参考。     

基于动态拉伸试验数据的脑组织粘性–超弹性材料模型参数求解

本研究旨在确定能够有效模拟冲击载荷作用下脑组织力学特性的粘性–超弹性本构方程。本文运用有限元仿真与优化算法相结合的方法,开展了脑组织粘性–超弹性材料模型参数求解。首先,基于脑组织动态单轴拉伸试验数据,建立最大拉伸率为1.3、应变率分别为30 s–1和90 s–1的脑组织动态拉伸有限元仿真模型。然后,以仿真预测的工程应力–应变曲线与参考试验测量结果均值曲线的拟合误差最小化作为优化设计的目标函数,利用多目标遗传算法进行材料模型参数求解。结果显示,运用本文所确定的本构方程的脑组织有限元模型能够准确地预测不同加载速率下的脑组织动态拉伸力学特性。应用本文获取的脑组织粘性–超弹性本构方程于颅脑有限元模型,将有利于提高模型在动态冲击载荷下的生物逼真度。     

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。     

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。     

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。     

利用物质点法研究不同头部模型对头部碰撞动态响应的影响

目的 探讨头部肌肉及边界条件对头部碰撞动态响应的影响。方法 通过人体扫描CT图片构建3种人体头部三维物质点碰撞模型,第1种为简化的自由头部模型（SHFr）,包括头骨、膜层、脑组织,头部自由;第2种为带肌肉的自由头部模型(MHFr),包括头部肌肉、头骨、膜层、脑组织,头部自由;第3种为带肌肉的肩部固定的模型(MHSFi),包括头部肌肉、头骨、膜层、脑组织、肩部肌肉、肩颈部骨骼,肩部下缘固定。一铅质圆柱体锤以6.4 m/s初始速度垂直撞击前额部位,通过物质点法模拟计算3种模型的动态响应。结果 在本数值模拟条件下,SHFr、MHFr、MHSFi 3种模型的头部加速度峰值分别为6.018×103、4.69×103、4.76×103 m/s2。结论 头部肌肉的存在会分散头部的受力分布,扩大头部受力面积,减小受伤程度;在短时间冲击过程中,头部自由与肩部固定对头部动态响应的影响不大。     

冲击过程中脑组织力学行为的数值模拟

通过有限元法,计算不同加速度载荷下人体脑部颅压变化,并将计算结果与头部损伤准则（HIC）标准进行对比。使用超弹＋黏弹本构关系模拟脑组织行为,分析颅骨-脑组织系统在冲击载荷下的力学响应,并对比重力、脑脊液压力等对脑组织力学行为模拟的影响。结果发现,考虑重力与否（重力方向与速度和加速度方向垂直）对求解的影响相对较小,考虑重力因素会使每个颅压波动周期内的最小值略有增加。在加速度载荷施加的时间范围内,第一个颅内压力波动周期内的颅压的最大值较大,并在随后的波动周期内逐渐降低。对于人体脑部组织保护而言,考虑脑脊液压力的计算更靠近安全设计。对于不同的加速度载荷,HIC标准在判断人体脑部组织损伤时具有不一致的效果。在汽车（机车）的高速制动（加速）过程中,减速（加速）的初始阶段对人体脑组织的危害性最大。     

脑组织光学模型的Monte-Carlo仿真研究

研究脑组织参数和光学特性对NIRs光谱在组织表面的分布特性的影响。本研究采用MonteCarlo方法对脑组织光学模型进行仿真,分别研究脑脊液含量、灰质和白质的光学系数对组织表面光通量值的影响。研究发现:脑组织的组织参数和光学特性影响组织表面的光通量值。组织表面的光通量与脑组织吸收系数呈负相关,与脑组织约化散射系数呈正相关。理想状态下,在1.5~3.5 cm的检测半径内,组织表面的光通量值与脑脊液含量和脑实质光学特性具有显著相关性。     

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。     

致伤物接触面积对家兔颅骨骨折的影响

目的 探讨不同接触面积致伤物在准静态压缩条件下对家兔颅骨骨折生物力学响应参数的影响。方法 将家兔分为保留头皮及去除头皮两组,每组按致伤物接触直径不同分为3、6、9 mm组,每组9只,合计54只。将所有家兔过量麻醉处死后制作成头颅压缩模型。采用电子万能材料试验机对家兔颅骨进行准静态压缩至骨折,分别检测各组家兔颅骨极限载荷、极限载荷作用下形变、压缩强度等生物力学响应参数。结果 保留头皮组及去除头皮组家兔颅骨在不同接触面积下极限载荷、极限载荷作用下形变、压缩强度组间差异均具有统计学意义。极限载荷与接触面积呈正相关,压缩强度与接触面积呈负相关,极限载荷作用下形变与接触面积不存在相关性。保留头皮与去除头皮组间比较,仅接触面直径为3 mm组极限载荷作用下形变的组间差异具有统计学意义,其余各组均不存在统计学意义。结论 接触面积与家兔颅骨骨折极限载荷呈正相关,与压缩强度呈负相关,与极限载荷作用下的形变不存在相关性,且与是否去除头皮无关。     

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。     

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。     

纤维的体积与材料特性以及髓核横截面积对椎间盘力学行为的影响研究

在不同研究中纤维的材料特性、体积比例以及髓核的横截面积比例差异很大,而这些因素对椎间盘力学行为的影响尚不明确。通过建立不同参数的椎间盘有限元模型研究椎间盘在压力、压力与角位移或压力与扭矩等载荷下的压力、高度变化、转动角度、应力和应变。结果发现,纤维材料特性对椎间盘力学行为有很大影响,特别是对转动角度的影响尤为显著。当纤维体积比例较小时,其变化对椎间盘的旋转角影响很大。髓核的面积比例对椎间盘力学行为的影响相对较小。在合理范围内通过适当调整纤维的弹性模量或体积比例,可以得到能够模拟正常椎间盘力学行为的模型。在椎间盘有限元模型中髓核的面积比例在25%～50%内是合理的。本文为椎间盘有限元模型创建和椎间盘退化机制研究提供了指导和参考。