三岁儿童颈部有限元模型的构建及损伤分析

发布时间：2017-10-14 13:33

  本文关键词：三岁儿童颈部有限元模型的构建及损伤分析

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【摘要】：由于儿童顽皮,好奇,造成儿童损伤形式多样,损伤的严重程度难以估计,且儿童无法准确的描述损伤的原因和部位,常常导致对儿童损伤的误诊或者未能及时发现,酿成严重后果。因此,儿童损伤的研究一直是一个比较复杂而重要的课题。随着有限元理论和软件的不断发展和完善,计算机技术水平的提高,有限元模型被广泛应用到复杂的生物损伤力学的研究中并成为重要方法。作者在阅读大量中外有关儿童损伤的文献基础上,对前人的工作进行了归纳总结,逐步探索并掌握了一套关于颈部建模的方法。本文采用真实三岁儿童医用CT扫描数据,克服缩放方法带来的缩放后的模型结构与真实的儿童解剖学结构不相符的缺点,保证数据和基础模型的真实性和可靠性。通过对模型的网格尺寸和质量加以协调控制,既保证了模型形状结构与真实解剖学结构的一致性,同时也降低了计算成本。本文模型的几何参数来自于天津市一位健康女性三岁儿童的医用CT扫描数据。首先,利用医学影像软件MIMICS,采用阈值分割的方法分别提取了三岁儿童颈部各部分组织的点云数据,获取了初始几何模型,包括C1-C7颈椎,第一胸椎和颈部主要的肌肉等组织;其次,利用逆向工程软件Geomagic对获取的初始几何模型进行几何清理,光滑平顺,曲面片划分等操作,生成具有NURBS曲面的CAD模型。再次,运用网格划分软件Truegrid和Hypermesh对颈椎和肌肉的几何模型进行网格划分,单元质量检查和网格调整,同时进行整体颈椎形状调整和构建颈部其他的软组织结构,如椎间盘,韧带,脊髓等组织。最后,根据儿童解剖学颈部详细解剖学结构,将划分完成的各部分组织的有限元模型连接成整体,完成三岁儿童全颈椎有限元模型的构建。根据前人有关颈部研究的实验,采用比较经典的志愿者后碰撞试验、前碰撞试验,颈部拉伸试验和轴向冲击试验对本模型进行验证。分别设置与之对应的边界条件和加载条件,模拟相同条件下颈部的响应过程,并通过缩放的方法从成人实验结果获取该年龄段的响应曲线边界,与仿真实验结果进行对比分析,完成了该模型有效性的验证。在验证模型有效性的基础上,模拟了儿童坠落和低速后碰撞工况下可能造成的颈部损伤情况,为该年龄段儿童颈部损伤的诊断、研究和预防保护提供科学的数据指导。
【关键词】：三岁儿童 全颈椎 有限元模型 构建 损伤分析
【学位授予单位】：天津科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U467.14
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-13
• 1.1 儿童颈部损伤现状及统计分析9
• 1.2 颈部损伤的研究背景9-10
• 1.3 颈部有限元模型损伤生物力学分析的研究历程10-12
• 1.4 研究的意义和工作内容12-13
• 2 儿童颈部的生理结构及损伤分析13-29
• 2.1 儿童颈部的主要解剖学结构13-22
• 2.2 儿童颈部解剖学结构上与成人的区别22
• 2.3 三岁儿童颈椎结构与六岁儿童的区别22-23
• 2.4 颈部损伤的现象及损伤机理23
• 2.5 颈部运动生物力学响应23-26
• 2.6 颈部的损伤准则26-27
• 2.7 颈部损伤的研究方法的对比27-29
• 3 三岁儿童颈部有限元模型的构建29-47
• 3.1 几何模型的提取、调整与构建29-35
• 3.1.1 几何模型的提取29-32
• 3.1.2 几何模型的构建32-35
• 3.1.3 几何模型的调整35
• 3.2 有限元模型的构建35-42
• 3.2.1 有限元软件的介绍及建模应用35-36
• 3.2.2 有限元网格的划分与调整36-40
• 3.2.3 有限元模型网格质量的检查与调整40-41
• 3.2.4 各部分组织的连接41-42
• 3.3 模型材料属性的获取及定义42-47
• 4 三岁儿童全颈椎有限元模型的验证47-68
• 4.1 有限元的基本理论47-50
• 4.1.1 运动学与动力学的关系及其应用47-49
• 4.1.2 数值积分法在有限元求解中的应用49-50
• 4.2 模型验证的影响因素50-53
• 4.2.1 单元算法的影响及应用50-51
• 4.2.2 沙漏效应的影响及控制51-52
• 4.2.3 单元负体积的产生及控制52-53
• 4.2.4 有限元模型的网格分布的控制53
• 4.2.5 接触算法的定义及应用53
• 4.3 后碰撞试验验证53-56
• 4.3.1 边界条件的设置54
• 4.3.2 实验结果与仿真分析54-56
• 4.4 前碰撞试验验证56-59
• 4.4.1 边界条件的设置57
• 4.4.2 仿真结果对比分析57-59
• 4.5 动态拉伸仿真验证59-62
• 4.5.1 边界条件的设置60-61
• 4.5.2 仿真结果对比分析61-62
• 4.6 头颈部轴向冲击试验验证62-66
• 4.6.1 边界条件设置62-63
• 4.6.2 仿真结果对比分析63-66
• 4.7 讨论和结论66-68
• 5 低速碰撞中颈部生物力学响应68-80
• 5.1 坠落碰撞损伤分析68-71
• 5.2 后碰撞损伤分析71-80
• 5.2.1 加载条件设置72
• 5.2.2 运动响应及损伤分析72-75
• 5.2.3 局部损伤分析75-79
• 5.2.4 讨论和结论79-80
• 6 总结与展望80-82
• 7 参考文献82-88
• 8 攻读硕士学位期间发表论文情况88-89
• 9 致谢89

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本文编号：1031374