儿童颈部有限元模型建模方法及损伤研究

发布时间：2020-10-28 08:28

　　 在造成儿童脊椎损伤的因素中,交通事故是主要因素之一。虽然脊椎损伤在儿童整个部位的损伤中所占比例不足10%,但是所造成的伤害和经济损失却十分巨大,其中约有75%的儿童脊椎损伤发生在颈部,并且儿童颈部损伤有较高的死亡率。由于道德伦理等因素限制,对儿童颈部损伤生物力学方面的研究还非常匮乏,常常将成人的研究数据缩放获取儿童颈部生物力学特征,但是儿童颈部有着和成人不同的几何结构及材料属性,如:韧带松弛,小关节面窄而小,没有骨化的骨骼等,这也导致儿童颈部的损伤形式与成人甚至个体间有很大的不同。此外,目前的儿童颈部损伤评价工具,无法对不同体征参数的儿童颈部损伤进行研究。因此,为了更好地研究不同体征参数对儿童颈部损伤机理的影响,本文利用几何形状统计分析技术及网格变换技术,建立了基于年龄、身高及身体质量指数(Body Mass Index,简称BMI)的4-11岁儿童颈部参数化有限元模型,并开展了体征参数对儿童颈椎骨几何及儿童颈部力学响应影响的研究,主要工作如下:1)针对目前参数化人体模型建模方法中的标志点提取耗时长、一致度低以及难度大等问题,提出了一种快速提取标志点的方法,并将该方法应用到一个9岁儿童C4-C5颈椎段建模中。通过尸体试验数据,在多种试验工况下验证该方法建立有限元模型的有效性。2)对28个临床医用计算机断层扫描(Computed Tomography,简称CT)数据进行图像阈值分割、三维重建、标志点提取、标志点调整、几何形状统计分析、网格变换等处理,建立了4-11岁儿童颈部有限元模型。该模型可以通过任意合理的年龄、身高及BMI的参数组合,预测该体征参数下的儿童颈部几何,并生成该体征参数下的儿童颈部有限元模型。3)根据合理的儿童体征数据,使用本文提出的儿童颈部参数化有限元模型构建方法,快速生成了不同体征参数下的儿童颈部有限元模型,并研究了不同体征参数对儿童颈椎骨及颈部力学响应的影响。论文研究表明,与传统提取标志点的方法相对比,该套取点方法节约了2/3~3/4的时间。应用网格变换技术快速生成的有限元模型几何精度高,网格质量与基准模型相近,生物逼真度高。不同体征参数对颈椎骨几何尺寸及儿童颈部的力学响应,都有很大的影响。该4-11岁儿童颈部参数化有限元模型的建立,对研究儿童颈部的损伤机理及儿童颈部防护工具的开发具有重要意义。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U467.14
【部分图文】：

 从图 5.2 中可以看出，随着年龄的变化，儿童的颈椎骨高度、宽度、长度都变化的，且和年龄呈线性变化，这和 Tokio 等人[8]的研究结果一致。Tokio 等通过医学侧位片，统计了 360 名（180 名男孩，180 名女孩）1 岁到 18 岁间的童，结果显示，在 4-11 岁之间，C3-C7 椎体高度大致呈线性增加，在 4 岁时均 C3-C7 高度为 38.1 mm；11 岁时，平均 C3-C7 高度为 55.0 mm，本文中， 50 百分位的 C3-C7 椎体高度是 31.7 mm，11 岁 50 百分位的是 51.3 mm，本文

  && 从图 5.5 可以看出：1）随着百分位的增加，弯曲的角度变小，包括前弯曲和后弯曲。这可能是因为，随着百分位的增加，小关节面越来越“陡峭”，导致弯曲角度变小。2）3 百分位、10 百分位、25 百分位和 50 百分位的 C4-C5 颈椎段，当施加+2.3Nm 的力矩时，棘间韧带断裂，这可能是因为在该弯矩下，弯曲角度较大，而韧带的失效位移是一个定值，所以导致了棘间韧带断裂。3）本文的计算结果，在后弯曲工况下，弯曲角度比尸体试验的偏大，可能与模型中没有模拟关节囊有关，有学者指出，在准静态后弯曲载荷下，小关节为C4-C5 颈椎段的主要承载部位[76]。总体而言，随着百分位的增加，颈椎骨的尺寸变大，小关节变“陡峭”，对儿童颈部在弯曲工况下的响应有着很大的影响，这对以后通过尸体试验的数据验证建立相应的儿童颈部的有限元模型有着极大的参考意义。5.4 小结
【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 欧阳钧,朱青安,赵卫东,徐永清,陈炜生,钟世镇;儿童四肢长骨的生物力学性质及其意义[J];中国临床解剖学杂志;2003年06期

相关硕士学位论文 前2条

1 杜治青;三岁儿童颈部有限元模型的构建及损伤分析[D];天津科技大学;2016年

2 魏嵬;三岁儿童颈部有限元模型开发与验证[D];湖南大学;2014年

本文编号：2859843