高G值复合着陆冲击下头、颈部损伤成因

目的：观察人体头、颈部在高G值复合着陆冲击作用下的损伤成因。方法：实验于2004-06／12在清华大学汽车碰撞实验室进行，选用Hybrid Ⅲ汽车碰撞用50百分位男性假人进行一系列典型的低、高＋Gz和＋Gx复合着陆冲击工况试验。建立有效的人椅系统有限元模型，参考汽车行业头、颈部损伤评价标准，进行头、颈部损伤判定。结果：主要指标的仿真结果峰值误差均小于4G，该模型有较高的逼真性和稳定性；头部损伤指标值超过1000，损伤风险较高；下颈部综合损伤指标值大于1，轴向压力超过6kN，两者均较上颈部严重；易造成下颈椎压缩性骨折、扭伤等颈部伤害。结论：采用有限元仿真方法对头、颈部损伤成因分析具有一定的可信度，可通过合理的座椅结构设计减少头部伤害，但若要减少颈部损伤，尤其是下颈椎的伤害风险，可考虑通过防护装置和下颌接触来分担部分惯性力，从而减少高G值复合作用冲击下的颈部轴向力和一定程度限制头、颈部与躯干的相对运动。     

医学图像三维有限元重建中的数据管理及T10～T12胸椎模型建立

在进行生物力学分析时 ,依靠序列医学图像进行三维有限元模型重建是一种必要的手段 ,但是此过程中图像的数据处理和网格划分等繁重的前处理工作 ,成为了有限元分析工作的瓶颈 ,尤其是形状和其医学图像的数据具有复杂性的胸椎的模型的建立。针对胸椎三维有限元模型建立所必需的数据 ,给出了基于 CT医学图像处理所必需的数据结构和类型 ,分析了数据获得和处理的方法。同时提出了基于分块建模思想的数据管理方法 ,结合MSC.Marc软件实现了网格划分 ,建立了 T10～ T12段胸椎的三维有限元模型 ,其形态特征基本保持了实际骨骼的外形特征 ,满足了生物力学研究分析的要求。针对医学序列图像处理和有限元模型的建立过程中的数据获得与管理 ,是非常有意义的重要工作之一 ,对于其他类似的基于医学图像 (CT、MRI等 )的人体组织的三维有限元重建工作 ,具有拓展意义和实际的指导意义。     

模拟车载乘员撞击上颌骨损伤的有限元研究

目的：建立具有牛物力学特性的动态颅面骨三维有限元模型，在上颌骨正面撞击时响应过程，探讨颅面骨外伤骨折的牛物力学基础。方法：采用GE Lightspeed多层螺旋CT对一例老年无牙颌患者从头顶到下颔骨下缘CT扫描，三维影像重建，数据转换，运用自编程序和Nastran软件相结合方法，模仿汽车乘员在年内约束系统下撞击上颌骨正面。结果：获得颅面骨三维有限元牛物医学模型，分析化正面撞击时颅而骨各部位应力改变。当着力点位丁上颌骨，应力沿上颌骨、翼突、颧骨向颞骨颅底传导，同样也会影响颢下颌关节，髁突及髁突颈部应力有明显改变，骨结构的横截而积陡然减小的区域出现应力集中。撞击波呈梯度向后传导，在寰枕关节处应力集中，明显变化。结论：撞击波造成各部分应力改变会在骨缝连接处和骨关节处集中，出现传导改变和传导中断，肜成较强大的应力梯度，游离端出现应力回弹，相应的张应力、剪应力易导敛骨折的发小。而此处即为损害较严重的区域。撞击点处，要为压缩破坏，撞击点背面的骨组织为拉伸破坏，髁突等游离端主要为拉伸破坏，从理论上，这可能足撞击损伤的小物力学机理之一。     

＋Gx和＋Gz复合冲击下人体头部响应的实验分析

目的：研究在 Gx和 Gz复合着陆冲击作用下，人体头部动力学响应的一般特点。方法：采用HybridⅢ型假人，在航天返回舱座椅环境中，进行不同量级的复合冲击实验。结果：实验数据呈现出良好的一致性，随输入加速度的增加，头部合成加速度峰值逐渐升高，但趋势变缓，合成加速度增益逐渐降低，另外，胸背向和头盆向上的增长趋势不同；在高G值时，假人头部、胸部的合成加速度峰值和增益均呈现良好的响应变化规律。结论：采用HybridⅢ型假人进行 Gx和 Gz复合着陆冲击的研究实验和分析方法，得到了不同冲击强度下的响应变化规律。     

高G值着陆冲击下头、颈、胸、脊椎损伤因子及评价指标的研究

目的:研究在+Gx和+Gz复合冲击作用下,人体响应和损伤的一般特点。方法:通过HybridIII型假人,在航天返回舱座椅环境中,进行不同输入量级的复合冲击实验和相关的数据分析。结果:实验数据呈现出良好的一致性。在6～30g不同输入加速度情况下,随输入加速度的增加,人体头、颈、胸、脊椎等部位的响应损伤均分别呈现良好的二次线性响应增长规律,R2在0.9以上。结合不同的评价指标,分别进行了损伤因子评价分析,从而获得了不同身体部位损伤评价的影响程度。结论:头、颈、胸、脊椎等不同身体部位的冲击响应损伤规律不同,针对损伤敏感部位进行高G值复合着陆冲击下的损伤规律和防护原则研究是必要的。     

+Gx和+Gz复合冲击下人体头部响应的实验分析

目的:研究在+Gx和+Gz复合着陆冲击作用下,人体头部动力学响应的一般特点。方法:采用HybridⅢ型假人,在航天返回舱座椅环境中,进行不同量级的复合冲击实验。结果:实验数据呈现出良好的一致性,随输入加速度的增加,头部合成加速度峰值逐渐升高,但趋势变缓,合成加速度增益逐渐降低,另外,胸背向和头盆向上的增长趋势不同;在高G值时,假人头部、胸部的合成加速度峰值和增益均呈现良好的响应变化规律。结论:采用Hybrid Ⅲ型假人进行+Gx和+Gz复合着陆冲击的研究实验和分析方法,得到了不同冲击强度下的响应变化规律。     

高G值着陆冲击下头、颈、胸、脊椎损伤因子及评价指标的研究

目的：研究在 Gx和 Gz复合冲击作用下，人体响应和损伤的一般特点。方法：通过Hybrid Ⅲ型假人，在航天返回舱座椅环境中，进行不同输入量级的复合冲击实验和相关的数据分析。结果：实验数据呈现出良好的一致性。在6～30g不同输入加速度情况下，随输入加速度的增加，人体头、颈、胸、脊椎等部位的响应损伤均分别呈现良好的二次线性响应增长规律，R^2在0．9以上。结合不同的评价指标，分别进行了损伤因子评价分析，从而获得了不同身体部位损伤评价的影响程度。结论：头、颈、胸、脊椎等不同身体部位的冲击响应损伤规律不同，针对损伤敏感部位进行高。G值复合着陆冲击下的损伤规律和防护原则研究是必要的。     

弹射时装显示器头盔对人体的生物力学效应

目的 探索装显示器头盔对人体的生物动力学效应,为制订头盔的设计标准提供依据.方法 用HYBRID Ⅲ型假人和志愿受试者,佩戴飞行头盔和装显示器飞行头盔,进行了一系列的弹射试验,弹射动力从0.3到0.8 MPa.测得不同弹射加速度作用下的动力学和运动学数据,并计算了严重指数、头损伤指数和动态响应指数.结果 研究发现,在人体头、颈、胸及头盔测量的加速度峰值存在明显超调现象;在颞部和头盔上测量的X轴向的加速度,在装显示器时明显增大;动态响应指数与弹射加速度峰值成线性关系;严重指数、头损伤指数与弹射加速度峰值成指数关系.结论 当弹射加速度峰值＜20 G时,试验中所用的头盔,无论是否装显示器,其动态响应指数、严重指数、头损伤指数、作用于颈椎的压力和剪力都在人体的耐限内.     

持续性+Gz作用下头盔位移的测量分析

目的 测定飞行头盔在持续性＋Gz加速度作用下的位移,为飞行头盔的设计改进使用提供依据. 方法 通过离心机试验,获得不同＋Gz作用下志愿受试者佩戴飞行头盔和装显示器飞行头盔的录像资料,对录像资料进行图像分析,获得头盔的位移曲线. 结果 建立了利用录像资料定量分析头盔位移的方法,获得了不同＋Gz作用下头盔的位移. 结论 利用录像资料定量分析头盔位移的方法可行,测量结果为飞行头盔的设计改进使用提供了依据.     

活体下颌骨与HYBRIDⅢ假人头结合模型撞击损伤的有限元研究

目的：建立活体下颌骨与HYBRIDⅢ假人头结合的人体头部有限元模型。探讨下颌骨正面撞击时响应过程，研究其损伤的生物力学机制。方法：根据人体下颌骨的螺旋CT扫描图像，利用三维重建、图像处理和网格划分技术，建立人体下颌骨的三维有限元模型。根据颞下颌关节的解剖结构及其力学特点，将已建立的下颌骨模型通过关节和经过修改的HYBRIDⅢ假人头部模型相连接，从而建立活体下颌骨与HYBRIDⅢ假人头结合的人体头部有限元模型，对下颌骨进行初步边界约束。模拟计算此模型在下颌骨正中撞击正前方刚体试验。结果：下颌骨正中撞击正前方刚体，下颌骨会以颢下颌关节为轴向后轻微滑动，因而应力上升过程中有一回落，此处为滑动力。应力沿下颌骨外斜线向升支和颞下颌关节传递，髁突及髁突颈部应力有明显集中。骨结构的横截面积陡然减小的区域出现应力集中。在喙突(颞肌)边界约束条件下，喙突应力亦有一定改变。结论：髁突及髁突颈部相对于下颌骨体其骨结构的横截面积陡然减小，同时下颌骨以髁突为轴向后轻微滑动，造成此处较强的应力有集中。从理论上，这可能是下颌骨撞击损伤的生物力学机制之一。由于将活体下颌骨与HYBRIDⅢ假人头结合，有助于对下颌骨进行边界约束。