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六岁儿童头部的有限元建模及碰撞仿真分析

作　者: 李盼东
导　师: 阮世捷
学　校: 天津科技大学
专　业: 车辆工程
关键词: 损伤生物力学 CT扫描图像儿童头部有限元模型碰撞仿真
分类号: R726.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来,颅脑损伤在儿童中经常发生。儿童的脑部正处于发育期,故对损伤较为敏感,即使从外表看伤情不重,但仍可能造成脑组织的损伤而影响智力的发展。因此,对于儿童头部的损伤问题越来越受到科学家的重视。本研究利用儿童头部CT扫描图像,借助图形处理和阈值分割,三维重建和有限元网格划分技术,建立一个具有详细解剖结构的6岁儿童头部的有限元模型。该模型通过尸体实验验证了其有效性。在相同的加载条件下,仿真分析得出的颅内压力分布趋势与尸体实验基本一致。在7900N的输入力下,仿真实验中撞击侧脑组织最大压力值出现在额叶区域为220.2Kpa,对撞侧脑组织最大压力值出现在小脑区域为-135.2Kpa。造成儿童与成人颅内压力不同的因素主要有两方面原因,一是儿童头部的颅骨的弹性模量较成人的值要小且存在骨缝,二是儿童颅骨的厚度要比成人的小。通过对比尸体实验数据,儿童与成人在受到相同的载荷下或相同HIC值下,儿童更容易损伤。研究主要内容如下：1)根据解剖学知识,分析了儿童与成人头部的主要区别；综述生物力学的一些基本概念以及头部遭到碰撞损伤的特点；综述了成人头部损伤准则和儿童损伤准则的发展；2)基于CT扫描图片,通过阈值分割提取头部的相关结构,利用逆向工程软件和网格划分软件,构建六岁头部的三维有限元模型；3)验证模型有效性,并讨论了影响儿童头部颅内压力的主要因素；4)利用模型模拟了正面碰撞实验和侧面碰撞实验。本研究,构建了一个具有详细解剖结构的6岁儿童头部有限元模型,为后续儿童头部颅内损伤的研究以及儿童防护装置的开发,具有十分重要的价值。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
1 前言  10-15
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 儿童有限元模型的发展  11-13
  1.3 研究目的和意义  13
  1.4 研究内容  13-14
  1.5 创新点  14-15
2 头部的解剖结构  15-22
  2.1 头皮解剖结构  15-16
  2.2 颅  16-17
    2.2.1 脑颅骨  16
    2.2.2 面颅骨  16-17
  2.3 脑  17
  2.4 新生儿头部的特征及变化  17-20
  2.5 颅脑损伤类型  20-22
    2.5.1 头皮伤  20
    2.5.2 颅骨骨折  20-21
    2.5.3 脑损伤  21
    2.5.4 颅内血肿  21-22
3 颅脑损伤生物力学  22-40
  3.1 头部损伤的流行病学  22-25
    3.1.1 儿童头部损伤的流行病学  22-25
  3.2 与撞击有关的生物力学概念  25-27
    3.2.1 碰撞、冲击  25
    3.2.2 质量  25
    3.2.3 撞击速度  25-26
    3.2.4 头部的运动  26
    3.2.5 头部线性和旋转加速度  26
    3.2.6 压力和张力  26-27
    3.2.7 张力率  27
  3.3 颅脑损伤的两种模型  27-28
    3.3.1 实验研究  27
    3.3.2 直线加速模型  27-28
    3.3.3 旋转加速伤模型  28
  3.4 颅脑撞击伤研究  28-30
    3.4.1 头部受撞击的特点  28
    3.4.2 颅骨骨折  28-29
    3.4.3 撞击部位的局部脑损伤  29
    3.4.4 远离撞击部位的局部脑损伤  29
    3.4.5 多灶性和弥漫性损伤  29
    3.4.6 颅内压力变化  29-30
  3.5 颅脑损伤的研究方法  30-31
  3.6 头部损伤机制  31
  3.7 儿童损伤的模式  31-32
  3.8 成人损伤准则  32-33
  3.9 儿童损伤机制  33-35
  3.10 头部组织的材料性质  35-40
4 基于有限元法的碰撞仿真分析理论基础  40-47
  4.1 有限元建模理论  40-43
    4.1.1 运动学与动力学关系  40-41
    4.1.2 约束条件  41
    4.1.3 有限元方程  41-42
    4.1.4 数值计算  42-43
    4.1.5 接触碰撞处理  43
  4.2 PAM-CRASH简介  43-45
    4.2.1 数值方法  43
    4.2.2 软件功能模块  43-44
    4.2.3 材料本构及接触  44
    4.2.4 计算效率  44
    4.2.5 功能简介  44-45
    4.2.6 汽车工业解决方案  45
  4.3 网格划分软件Truegrid和Hypermesh比较  45-47
5 头部三维有限元模型的构建  47-59
  5.1 头部解剖结构的提取  47-49
  5.2 头部几何模型的构建  49-51
  5.3 头部各组织网格的划分  51-57
    5.3.1 颅骨几何模型网格的划分  52-55
    5.3.3 头部有限元模型的生成  55-57
  5.4 头部有限元计算模型的构建  57-59
6 儿童头部有限元模型的验证  59-64
  6.1 有限元模型加载条件  59-60
  6.2 撞击侧和对撞侧脑组织压力  60-61
  6.3 顶叶区域脑组织压力  61
  6.4 枕叶区域脑组织压力  61-62
  6.5 结果讨论与分析  62-64
7 模型碰撞仿真分析  64-69
  7.1 正面碰撞  64-66
  7.2 侧面碰撞  66-69
8 结论  69-70
9 参考文献  70-80
10 攻读硕士学位期间发表论文情况  80-81
11 致谢  81

六岁儿童头部的有限元建模及碰撞仿真分析

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