基于车人碰撞事故重建的行人头部动力学响应

目的 研究行人交通事故中,不同碰撞速度、不同车型及行人不同受撞击部位与行人头部损伤严重度的关系。方法 通过MADYMO多刚体动力学软件对一起有视频的行人交通事故进行事故重建,获得初始和边界条件,然后通过获得的边界和初始条件进行不同车速(20、30、40、50、60 km/h)、不同车型(轿车、SUV型车、面包车)、行人不同受撞击部位(正面、侧面、背面)的模拟碰撞实验,对模拟碰撞实验中行人头部损伤情况进行分析,并利用两例真实行人交通事故对部分结果进行验证。结果 不仅车辆碰撞速度、车辆前置结构影响行人头部损伤严重度,行人受撞击部位也是影响行人头部损伤严重度的重要原因。在碰撞速度≤30 km/h时,行人与地面接触造成的损伤可能比与车辆造成的损伤严重;碰撞速度≥40 km/h时,行人头部损伤主要是与车辆接触所致。结论 利用监控录像能比较准确地开展行人交通事故重建,从而对行人动力学响应进行分析。在行人交通事故频发路段,对不同车型进行不同限速,能有效减小行人头部损伤的严重程度。     

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。     

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。     

不同骨密度下人体脊柱着陆冲击响应的数值模拟

目的 用数值模拟方法探讨人体骨密度改变对人体脊柱着陆冲击响应的影响。方法 通过人体扫描CT图片构建人体头骨、颈椎、胸椎、腰椎、尾椎、盆骨、韧带的三维物质点模型,并将这些模型固定连接作为人体脊柱模型固定置于利用MPM3D程序构建的长方体椅背物质点模型上,构建人体脊柱着陆冲击模型。在椅背上施加加速度载荷,模拟人体脊柱仰卧于椅背受到着陆冲击载荷的情况。通过改变脊柱骨骼密度及对应骨骼弹性模量模拟计算不同骨密度下人体脊柱的着陆冲击响应。结果 正常骨骼密度时,人体脊柱的整体损伤评价γ值为1.589 3;骨密度分别减小2%、4%、6%、8%、10%时,对应人体脊柱的整体损伤评价γ值分别为1.608 6、1.634 7、1.641 0、1.662 5、1.680 5。结论 在受到相同的冲击载荷时,人体骨骼密度越小,人体对冲击载荷的响应越大,越容易受伤。     

猴对不同冲击力的动态响应特性

６只猴在活体，麻醉状态下承受１－５０ｇ连续１６次垂直冲击实验，测试了冲击台，座椅，猴的头，胸，腹等部位的加速度值，其中３只猴还接受手术埋藏传感器以测量下腰椎，肝和胃的数据，根据身体不同部位响应的峰值相对于座椅峰加速度的相关关系，所得到的方程表明猴对冲击的响应特性可看作拟线性系统。     

左心辅助装置流入管道不同头部结构的数值模拟

头部结构是决定左心辅助装置(LVAD)流入管道优劣的关键结构,流入管道头部结构对心室及管道内的血液相容性和流入管道插入心尖后的流入口吸壁堵塞影响很大。本文设计了四种不同头部结构的流入管道,建立了这四种临床上使用较多的流入管道插入心尖的数值模型,用流体力学软件Fluent计算流入管道的血流动力学特性,并对四种管道的回流、涡流等流动情况和压力分布情况进行了研究。结果表明喇叭口状流入管道的流速分布均匀,无回流和低速流动区,血液相容性最好,喇叭口状结构还可防止吸壁堵塞的发生;笼状结构的流入管道涡流较严重,容易产生血栓,且心室壁处的低压极易引起心室塌陷。喇叭口状流入管道的血液相容性好且不易发生吸壁,适用于长期使用的LVAD。     

中耳结构动力响应对不同病理圆窗封闭的反馈

目的研究耳蜗圆窗病变对中耳结构力学行为的影响。方法依据临床健康志愿者右耳CT扫描结果,将CT扫描数据数值化导入PATRAN软件进行人耳三维有限元模型重建,并应用NASTRAN软件进行流固耦合频率响应分析,通过数值模拟方法探讨中耳结构动力响应对内耳耳蜗圆窗病变的反馈。结果硬化症导致的圆窗封闭比先天性圆窗封闭使镫骨振幅下降更多,最大达到30. 2 d B,且后者不会对镫骨振动速度产生明显影响。相位角方面,硬化症情况下镫骨和圆窗均最多产生90°变化,且两者保持180°差值;而先天性圆窗封闭情况下镫骨最大有270°变化,同时圆窗相位角变化消失。结论基于振幅、速度和相位角,镫骨动力行为会对先天性和硬化症导致的圆窗封闭形成不同的反馈表现,研究结果可为未来临床上诊断及修复圆窗病变提供理论支撑。     

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。     

不同力量推拿按法对大鼠肌筋膜疼痛触发点的影响

背景:推拿按法干预肌筋膜触发点疼痛疗效明确,但是不同力量按法的作用需要深入研究。目的:观察不同力量推拿按法对肌筋膜疼痛大鼠触发点的影响。方法:将60只SPF级雄性SD大鼠随机分为不参与造模的空白组10只和参与触发点造模的大鼠50只。以定期钝性击打结合离心运动法在大鼠左侧大腿内侧肌建立慢性触发点模型,将造模成功的40只大鼠随机分为模型组、轻按组、中按组和重按组,每组10只。空白组、模型组大鼠不予干预,轻按组、中按组和重按组以自制按法刺激器,分别以轻力量(0.3 kg)、中力量(0.5 kg)和重力量(0.7 kg)对触发点局部进行干预,7.5 min/次,隔天1次,共计7次。在干预前后分别以电生理仪、软组织张力测定仪和机械痛阈测定仪检测触发点局部肌电图、软组织张力和机械痛阈值。干预结束后,空白组大鼠取左侧大腿内侧肌组织,其余组大鼠取触发点组织,以苏木精-伊红染色观察病理形态,ELISA法检测环氧化酶2、前列腺素E2和缓激肽水平。结果与结论:①与空白组比较,模型组机械痛阈值降低,软组织张力升高,自发电活动振幅频率升高,病理形态学明显改变,环氧化酶2、前列腺素E2和缓激肽水平增加(P<0.05);②与模型组比较,中按组和重按组机械痛阈值升高,软组织张力降低,肌电图频率和振幅降低,环氧化酶2、前列腺素E2和缓激肽水平降低(P<0.05),病理形态学恢复明显;轻按组以上指标无明显变化(P>0.05);③与中按组比较,重按组上述指标改善作用更明显(P<0.05)。结果表明:对触发点疼痛,按压力度可能为中至重度才能有治疗效果。     

Effects of head size and morphology on dynamic responses to impact loading

Head responses subjected to impact loading are studied using the finite element method. The dynamic responses of the stress, strain, strain energy density and the intracranial pressure govern the intracranial tissues and skull material failures, and therefore, the traumatic injuries. The objectivity and consistency of the prevailing head traumatic injury criteria, i.e., the energy absorption, the gravity centre acceleration and the head injury criterion (HIC), are examined with regard to the head dynamic responses. In particular, the structural intensity (STI) (the vector representation of energy flow rate) is calculated and discussed. From the simulations, the STI, instead of the gravity centre acceleration, the HIC and the energy absorption criteria, is found to be consistent with the dynamic response quantities. The different local skull curvatures at impact have a marginal effect whereas the locations of the impact loadings have significant effects on the dynamics responses or the head injury. The STI also shows the failure patterns.     

人工听骨不同接入方式对耳结构动力响应的影响

目的 研究人工听骨接入方式对听力恢复的影响。方法 通过CT扫描技术,结合自编C＋＋程序读取CT数据中体单元建立人耳结构几何模型,将几何模型导入PATRAN中建立有限元数值模型。采用频率响应方法对耳结构模型进行流固耦合计算,同时分析人工听骨不同接入方式及接入位置对耳结构声音传导的影响。结果 通过对正常人耳的动力响应分析,得到数值模型中计算出的鼓膜凸与镫骨底板振幅与试验数据吻合,验证本文模型的正确性。结论接在鼓膜凸的位置其动力响应最好,镫骨振幅高于其他连接方式。即人工听骨接在鼓膜凸的位置比较吻合人耳的生理功能,其重建听力效果更好。     

不同材料赋值下股骨静力学有限元模型的力学仿真分析

文题释义： 材料赋值：由于人体骨骼结构复杂,由骨膜、皮质骨和松质骨构成,并且不同骨质的材料属性差异很大,因此在很多生物力学分析过程中为了简化模型,提高分析效率,很多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法。 股骨模型材料赋值：给股骨分配不同的材料属性成为建立个性化有限元模型的基本步骤,而且材料属性分配将对分析结果产生很大的影响。但是目前有关不同赋值方法对人体骨科生物力学仿真分析研究的影响还很少有全面系统的研究。 背景：不同骨质的材料属性差异很大,因此在很多生物力学分析过程中为了简化模型,提高分析效率,很多学者在进行生物力学仿真研究中对骨骼模型采用了不同的赋值方法,而材料属性分配将对生物力学分析结果产生很大的影响。 目的：采用不同的材料属性赋值方法建立3种股骨有限元模型并进行有限元仿真分析,探究不同材料赋值方法对股骨有限元生物力学仿真分析的影响。 方法：采集志愿者股骨CT扫描数据,以DICOM格式文件导入Mimics医学影像处理软件重建股骨模型,对模型分别赋予3种不同的材料属性,即均一材料赋值、皮-松质骨赋值和灰度赋值,并将模型导入有限元分析软件Abaqus 6.14中,设置相同的载荷和边界条件进行应力及位移分析。 结果与结论：①3种股骨模型的应力输出结果相差不大,且均在合理范围内;②但是均一材料赋值股骨模型与皮-松质骨赋值股骨模型的最大应力主要分布于股骨干部位,而灰度赋值股骨模型的最大应力分布在股骨颈处,这也与现实状态下股骨骨折部位主要出现于股骨颈部位所吻合;③皮-松质骨赋值模型和灰度赋值模型输出的位移值基本一致;而均一材料赋值的股骨模型位移值最小,并且与其他2种模型位移量相差40%左右;④提示灰度赋值的方法能够较好地反映人体股骨的生物力学特性,从而可以更准确地模拟真实股骨的生物力学特征,这也为骨科生物力学进行有限元仿真建模提供了重要理论依据。 ORCID: 0000-0001-5075-7333(颜继英) 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     

材料属性分配梯度对椎体有限元模型力学性能的影响

目的研究以灰度值为基础的不同材料属性分配梯度对椎体有限元模型力学性能的影响。方法对1位健康成人脊柱(T12～L5节段)进行快速CT薄层扫描,在MIMICS中对每节椎骨进行三维重建,通过Geomagic软件处理后,导入ANSYS中进行网格划分,再返回到MIMICS中按2、4、8、10、50、100、200、400份8种梯度对材料属性进行分配,最后重新导入ANSYS软件按照同一载荷条件进行有限元分析。结果 2、4、400这3个分配梯度与其他分配梯度相比,应力情况存在显著性差异(P<0.05),而8、10、50、100、200梯度之间计算结果偏差不大。结论有限元模型材料属性划分不宜过多或过少,10份左右的划分梯度既可以保证运算结果的精确性,也相对可以提高运算速度,尤其适用于临床个性化快速有限元建模。     

面向逆向动力学仿真驱动和验证的半蹲式跳伞着陆实验研究

目的半蹲式跳伞着陆模拟实验的设计和相关数据测量,为逆向动力学软件AnyBodyModelingSystem模型的建立、驱动和验证提供数据。方法根据逆向动力学分析数据驱动和验证的需要,受试者从0.32m高的平台跳落,模拟半蹲式跳伞着陆。对受试者下肢关节运动学参数、地面反力以及下肢4块主要肌肉的肌电图进行测量。结果受试者在与地面接触前后1s内,髋、膝、踝关节角度随时间的变化、右脚地面反力以及压力中心轨迹用来驱动模型;肌电活动性测量数据用来验证模型。结论实验设计可以满足肌骨模型分析的要求,并可用于对半蹲式跳伞着陆的进一步研究。     

Optical method for determining the frequency response of pressure-measurement systems in respiratory mechanics

An optical method for measuring the frequency response of pressure transducers is described. The method allows the calculation of the varying pressure of ate pressure. Displacement is measured by a photodetector position sensor with the aid of a laser beam reflected on a mirror attached to the loudspeaker diaphragm. The method is based on the short time response of the optical system and it presents some advantages with regard to the usual dynamic calibration using a microphone reference: (a) it has a good response at low frequencies; (b) it is unaffected by environmental conditions; and (c) the system can easily be recalibrated.